可降解壓裂堵球的研究與應(yīng)用

王熹穎

(中國(guó)石油吉林油田分公司)

壓裂技術(shù)是油氣藏增產(chǎn)的一項(xiàng)主要措施，尤其致密油氣藏需要進(jìn)行直井多層或水平井多段壓裂才能獲得工業(yè)油氣流[1-5]。吉林油田屬于典型低孔、低滲、低豐度的“三低”油氣藏，目前新發(fā)現(xiàn)及動(dòng)用的區(qū)塊皆為非常規(guī)致密油氣藏，直井分層、水平井分段大規(guī)模壓裂改造經(jīng)先期試驗(yàn)到規(guī)模應(yīng)用推廣，證實(shí)了其提高產(chǎn)能的有效性[6-8]。但因常規(guī)壓裂堵球密度大、滯留井筒且難以降解，壓后產(chǎn)能受到一定的抑制，而且其鉆除費(fèi)用高，占井周期長(zhǎng)，也會(huì)影響產(chǎn)能[9-11]。針對(duì)該問(wèn)題，開展機(jī)械性能好且可降解的壓裂堵球的研究，對(duì)于有效提高非常規(guī)致密油氣藏開發(fā)壓裂工藝實(shí)施效率具有重要意義。

一、技術(shù)原理

鋁、鎂具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及非常高的電化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過(guò)Fe、Ni、Cu、Co及稀土元素的合金化及熱處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良機(jī)械強(qiáng)度及較快腐蝕降解速率[12-14]，可以滿足制造可降解壓裂堵球的需求。

鋁鎂合金通過(guò)合適的固溶處理工藝形成兩種相態(tài)：基體α相和晶界處的β相，α相性質(zhì)活潑，易于腐蝕，β相是耐腐蝕相，阻礙鋁鎂合金的腐蝕作用，但β相與α相可組成腐蝕電池加速α相腐蝕。通過(guò)固溶處理增加α相，增加鋁鎂合金硬度，達(dá)到耐高壓差的目的，并使鋁鎂合金中β相分布顆粒化，形成微小原電池，促進(jìn)鋁鎂合金腐蝕。另外，鋁鎂合金在含有氯化物的水中，其表面耐腐蝕氧化膜易形成破壞而產(chǎn)生點(diǎn)蝕，并且套管、油管、壓裂工具為低腐蝕速率鋼材，與鋁鎂合金接觸形成原電池，加速其腐蝕降解。

二、可降解壓裂堵球性能評(píng)價(jià)

目前壓裂堵球在大型壓裂施工過(guò)程中需承受4 h的高壓差，施工完成后為不影響壓后產(chǎn)能發(fā)揮需盡快降解至直徑小于球座內(nèi)徑，所以制造材料應(yīng)具備短時(shí)優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和較快的自降解速率。

1.機(jī)械性能

按照GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫下金屬材料拉伸試驗(yàn)，鎂鋁合金可降解材料室溫抗拉強(qiáng)度396 MPa，形變量達(dá)到22%發(fā)生斷裂。

可降解壓裂堵球的主要作用是壓裂施工時(shí)封堵前期施工層段，要求其在工作狀態(tài)中具有在一定溫度下耐高壓差的能力。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：環(huán)境溫度150℃，壓裂堵球上下壓差70 MPa，觀察該壓差下可降解壓裂堵球的耐壓差穩(wěn)定性。圖1可以看出其壓力穩(wěn)定性較好，在260 min的測(cè)試中壓力保持穩(wěn)定，且圖2可以看出堵球未發(fā)生破損，這說(shuō)明該堵球可以滿足溫度和壓力的要求。

圖1 可降解球的耐溫、耐壓差穩(wěn)定性曲線

圖2 可降解球耐溫、耐壓差實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

2.降解性能

2.1 腐蝕液體對(duì)降解性能影響

為了研究不同腐蝕液體對(duì)可降解壓裂堵球降解性能的影響，設(shè)計(jì)壓裂施工中常用三種液體在恒溫水浴90℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，腐蝕反應(yīng)如圖3所示。

圖3 可降解球在不同介質(zhì)中反應(yīng)情況

實(shí)驗(yàn)用三種液體分別為：

a自來(lái)水(礦化度300～350 mg/L，Cl-含量40～50 mg/L)；b模擬地層水(礦化度5 000 mg/L，Cl-含量1 000 mg/L)；c壓裂破膠液(礦化度600～700 mg/L，Cl-含量150～200 mg/L)。

隨著自來(lái)水、壓裂破膠液、模擬地層水三種反應(yīng)液體礦化度與成分復(fù)雜性越來(lái)越高，可降解球腐蝕速度明顯變快。

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)降解效果

將可降解球置于模擬地層水500 mL中(每天進(jìn)行更換)，在環(huán)境溫度90℃下觀察其質(zhì)量、最大直徑變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 可降解球降解變化曲線

從圖4中可以看出，可降解球原始直徑為35 mm，第5 d降解至最大直徑31.8 mm，小于球座直徑(32 mm)，封堵失效。經(jīng)20 d降解，最大直徑12.42 mm，質(zhì)量由44.68 g降至1.79 g，實(shí)現(xiàn)完全降解。

隨著原油、天然氣的生產(chǎn)，地層產(chǎn)出的大量地層水中Cl-含量較高(一般500～20 000 mg/L)，具有加速可降解壓裂堵球腐蝕的作用，Cl-在反應(yīng)中起橋梁作用，腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物為Al(OH)3、Mg(OH)2等堿性物質(zhì)，待反應(yīng)體系pH值達(dá)到11以上時(shí)，腐蝕反應(yīng)將會(huì)被抑制[15]。而相對(duì)于井筒中數(shù)個(gè)可降解球，大量的、流動(dòng)的壓裂液及地層水組成的井底腐蝕環(huán)境可以看做無(wú)限大pH值穩(wěn)定的腐蝕系統(tǒng)。因此，該可降解壓裂堵球在壓裂施工后可以實(shí)現(xiàn)迅速、完全降解。

三、壓裂施工及壓后效果

吉林油田L(fēng)3井儲(chǔ)層埋深3 800～4 300 m，儲(chǔ)層溫度135℃～150℃，采用套管注入，套內(nèi)丟開式分層壓裂工具+可降解球工藝三層分壓合試，施工排量6～14 m3/min，施工壓力60～85 MPa，總加砂量280 m3，總液量4 650 m3，L3井施工曲線如圖5。

L3井三層分壓，投2個(gè)可降解堵球，兩級(jí)滑套開啟過(guò)程壓力波動(dòng)明顯，地面壓力升高10～12 MPa后馬上回落；壓后初期油嘴直徑8 mm日排液100～200 m3，排液順暢。另外，壓后25 d采用連續(xù)油管下探至人工井底，下放全過(guò)程無(wú)阻滯，證明可降解球完全溶解。

可降解壓裂堵球現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用69井243層(段)，未出現(xiàn)堵塞井筒或井口等影響后期生產(chǎn)的問(wèn)題，有效保障了直井分層、水平井分段壓裂改造技術(shù)的實(shí)施效果。

圖5 L3井施工曲線

四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)研究形成可降解壓裂堵球，具有優(yōu)良的機(jī)械性能與可降解性能，可以滿足壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)需求。

(2)經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證可降解壓裂堵球可以滿足地層溫度150℃，耐壓差70 MPa，連續(xù)壓裂施工4 h以上的需求。

(3)可降解壓裂堵球在高含Cl-、較低pH值的環(huán)境，降解速度較快，降解5 d壓裂堵球直徑即可完全小于球座內(nèi)徑，反應(yīng)20～30 d即可完全降解。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，可降解壓裂堵球滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工需求，較普通不可降解堵球在壓后返排保障井筒通暢方面具有較大優(yōu)勢(shì)，有效保障了直井分層、水平井分段壓裂改造技術(shù)的實(shí)施效果。