致密油水平井全可溶橋塞體積壓裂技術(shù)評價(jià)與應(yīng)用

安 杰，唐梅榮，張礦生，陳文斌，張 翔

(中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

0 引 言

以復(fù)合橋塞分段多簇壓裂工藝為主的水平井體積壓裂技術(shù)在鄂爾多斯盆地實(shí)現(xiàn)了致密油單井產(chǎn)量的突破[1-6]，然而該工藝在壓裂后需鉆除橋塞以保持井筒全通徑，鉆塞作業(yè)中井控風(fēng)險(xiǎn)高、周期長、費(fèi)用高。隨著水平段長度不斷增加，鉆塞的難度更大，技術(shù)局限性愈明顯[7-8]。全可溶橋塞分段壓裂技術(shù)是一種新興的非常規(guī)水平井體積壓裂技術(shù)[9-12]，其兼具可鉆式、免鉆式復(fù)合橋塞分段多簇體積壓裂工藝的諸多優(yōu)點(diǎn)[13-14]。全可溶橋塞與復(fù)合橋塞相比，最大優(yōu)勢就是壓裂后橋塞和封堵球可自行溶解，不需鉆塞即可實(shí)現(xiàn)井筒全通徑，實(shí)現(xiàn)壓裂后直接投產(chǎn)。該技術(shù)國外已有應(yīng)用，國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，尚無礦場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供借鑒[15]。為解決該問題，引進(jìn)了國外全可溶橋塞，對全可溶橋塞的優(yōu)選、材料結(jié)構(gòu)分析、溶解和承壓性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)、泵送橋塞關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化以及配套可溶封堵球的研制等方面開展了研究，并進(jìn)行了規(guī)?；F(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)提效降本效果明顯，可為全可溶橋塞、可溶井下工具實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化提供技術(shù)借鑒。

1 工藝原理

通過電纜傳輸將全可溶橋塞、射孔槍和坐封聯(lián)作工具串[16]泵送至井筒預(yù)定位置，啟動(dòng)坐封工具使全可溶橋塞脫離，全可溶橋塞上下卡瓦破碎并鑲嵌在套管內(nèi)壁上，膠筒膨脹貼緊套管，全可溶橋塞緊密坐封在套管上。上提電纜完成多簇射孔，然后從井口投入封堵球，封堵全可溶橋塞的中心管，整個(gè)橋塞完成封隔下層目的，然后進(jìn)行光套管壓裂施工。壓裂施工期間，橋塞和封堵球溶解速度極低，不影響正常的承壓、封隔性能，壓裂后封堵球先于橋塞自行完全溶解，全可溶橋塞中心管道提供油流通道，油井可立即放噴投產(chǎn)，隨著時(shí)間的推移，橋塞卡瓦、膠筒、本體完全溶解，無需鉆銑作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)全通徑。

與普通橋塞壓裂工藝相比，該工藝的最大優(yōu)勢是壓裂后橋塞和封堵球可自行溶解，無需鉆塞環(huán)節(jié)，可直接投產(chǎn)，縮短了作業(yè)周期，節(jié)約了作業(yè)成本，特別是在超長水平井體積壓裂[17]時(shí)更具有明顯的優(yōu)越性。

2 全可溶橋塞的優(yōu)選

調(diào)研了國內(nèi)外全可溶橋塞技術(shù)的進(jìn)展情況，國內(nèi)受制于可溶材料的限制，尚無礦場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒；國外的哈里伯頓、貝克休斯等多家公司已有自主研發(fā)的全可溶壓裂橋塞(表1)。哈里伯頓的Illusion?全可溶橋塞是市場上唯一可以完全溶解的壓裂橋塞(圖1)，該橋塞自產(chǎn)品發(fā)布以來在國外非常規(guī)油氣井上已累計(jì)應(yīng)用2 000多只，尚未發(fā)生失效案例。

表1 全可溶橋塞優(yōu)選表

鄂爾多斯盆地致密油水平井的生產(chǎn)套管外徑為139.7 mm，因此，優(yōu)選與套管相匹配的、成熟度較高的Illusion?全可溶橋塞。其封堵形式為投球封堵，長度為443 mm，外徑為111.1 mm，內(nèi)徑為44.0 mm。主要結(jié)構(gòu)由中心管、上接頭、上卡瓦、上錐體、膠筒、下錐體、下卡瓦、下接頭等組成(圖1)。主體材料由可溶解的高強(qiáng)度鋁鎂合金、可溶橡膠材料組成，耐壓強(qiáng)度為350～650 MPa。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)

3.1 溶解實(shí)驗(yàn)

溶解實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃u價(jià)全可溶橋塞的溶解程度及溶解時(shí)間。實(shí)驗(yàn)?zāi)M井筒環(huán)境條件，溫度為66～121 ℃，液體為清水和3%KCl、15%KCl溶液。將完整的全可溶橋塞放入與生產(chǎn)套管規(guī)格相同的實(shí)驗(yàn)套管中，加入清水或不同濃度的KCl溶液，并加溫到設(shè)定的溫度，定時(shí)測量并記錄全可溶橋塞的長度和質(zhì)量，將質(zhì)量損失率和實(shí)驗(yàn)時(shí)間繪制成溶解曲線，評價(jià)其溶解效果。

圖1 Illusion?全可溶橋塞結(jié)構(gòu)

圖2為在3%KCl溶液中的溶解實(shí)驗(yàn)曲線。由圖2可知：全可溶橋塞的溶解速度和時(shí)間基本呈線性增加關(guān)系，隨溫度的升高，全可溶橋塞的溶解速度加快。溫度為66 ℃時(shí)，27 d內(nèi)可完全溶解；溫度為93 ℃時(shí)，18 d內(nèi)可完全溶解；溫度為121 ℃時(shí)，14 d內(nèi)可完全溶解。

圖2 在3%KCl溶液中的溶解實(shí)驗(yàn)曲線

圖3為93 ℃時(shí)在不同礦化度溶液中的溶解實(shí)驗(yàn)曲線。由圖3可知：清水中，30 d后橋塞的質(zhì)量損失率可達(dá)50%；3%KCl溶液中，18 d后橋塞可完全溶解；15%KCl溶液中，約14 d后橋塞可完全溶解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，全可溶橋塞可以在清水中溶解，但溶解速度較慢，隨溶液礦化度增加，橋塞的溶解速度加快，14 d后基本完全溶解。

圖3 93℃下不同礦化度溶液中的溶解實(shí)驗(yàn)曲線

溶解實(shí)驗(yàn)中，橋塞溶解主要分為3個(gè)階段：第1階段是橋塞金屬本體快速溶解，此階段金屬材料與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的大量氣泡攜帶走溶解物，提高了溶解速度；第2階段是橡膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?，出現(xiàn)開裂、掉塊現(xiàn)象；第3階段是橡膠徹底喪失強(qiáng)度，由塊狀變成小顆粒，溶于液體，呈黏稠液態(tài)狀，在流體作用下，黏稠液態(tài)物質(zhì)被沖走分散。

3.2 耐溫承壓實(shí)驗(yàn)

將已坐封好的全可溶橋塞套管短節(jié)水平放置，兩端通過絲扣連接液壓堵頭。利用液壓接頭將100 MPa的液壓泵與液壓堵頭連接，套管外壁安裝加熱器，實(shí)驗(yàn)溫度分別為地層溫度66 ℃和預(yù)測地層最高溫度93 ℃，分別加壓50、70 MPa(井筒限壓為70 MPa)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6 h。通過觀察壓力是否穩(wěn)定、有無液體滲漏來評價(jià)不同溫度條件下全可溶橋塞的承壓性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全可溶橋塞在上述實(shí)驗(yàn)條件下，6 h內(nèi)均未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。說明全可溶橋塞在93 ℃、70 MPa環(huán)境下的耐溫承壓性能穩(wěn)定，可完全滿足現(xiàn)場施工要求。

4 可溶封堵球

可溶封堵球主要用于封堵橋塞中心管的通道，在壓裂時(shí)起封隔下層的作用[18]。施工結(jié)束后封堵球可自行溶解，橋塞中心管通道暢通，為油氣介質(zhì)提供流動(dòng)通道。針對進(jìn)口的可溶堵球價(jià)格昂貴的問題，自主研制了配套的可溶封堵球，成本較進(jìn)口堵球降低60%。其由高強(qiáng)度鋁鎂合金、溶解功能添加劑、金屬氧化物等材料構(gòu)成，通過粉末冶金法制備[19-20]，可溶堵球直徑為54.0 mm，具有溶解速度先慢后快的特點(diǎn)。

在壓力為70 MPa、溫度為80 ℃的EM系列壓裂液環(huán)境中測試其溶解性能(圖4)。由圖4可知：開始10 h內(nèi)，堵球溶解速度較慢，直徑減少3.5 mm，無刺漏泄壓跡象，表明在壓裂施工期間可溶堵球承壓、封隔性能較好；之后堵球溶解速度加快，25 h時(shí)堵球直徑為34.6 mm，遠(yuǎn)小于橋塞中心管道內(nèi)徑(45.0 mm)，完全喪失了封堵性能，在地層壓力作用下殘留堵球和油氣將從橋塞中心管道被沖洗出來，實(shí)現(xiàn)快速投產(chǎn)；80 h后堵球消失，徹底溶解在溶液中。

圖4 封堵球溶解曲線

5 泵送施工參數(shù)優(yōu)化

為檢驗(yàn)全可溶橋塞、射孔投放聯(lián)作工具串在井筒中的通過性，測試電纜拉伸強(qiáng)度，檢測橋塞的坐封、封隔性能，研究最佳的泵送施工參數(shù)，在地面建立了一套長300 m的模擬水平井套管結(jié)構(gòu)的泵送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了泵送全可溶橋塞地面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：泵送過程順暢，全可溶橋塞、射孔投放聯(lián)作工具串在套管、套管結(jié)箍處通過性良好；橋塞坐封和投球封堵橋塞中心管作業(yè)成功，在70 MPa壓力下橋塞沒有發(fā)生移動(dòng)和刺漏跡象，說明其坐封可靠、承壓穩(wěn)定。泵送過程受施工參數(shù)影響[21]，以安全高效為目的優(yōu)化了泵送施工參數(shù)(圖5)。由圖5可知：在井斜角小于30 °的直井段，不需要啟動(dòng)泵車，可利用重力作用下放工具串，電纜下放速度隨井斜角的增大由3 000 m/h減小至400 m/h，電纜張力為2.0～5.0 kN；井斜角大于30 °時(shí)，需開啟地面泵車進(jìn)行泵送，初始排量為0.4 m3/min，泵送排量和電纜下放速度隨井斜角的增大而增大，當(dāng)泵送排量為2.5 m3/min時(shí)，電纜下放速度達(dá)到1 500 m/h，此時(shí)電纜張力值為13.6 kN，由于電纜張力安全限值為15.0 kN，考慮水平段井筒情況復(fù)雜，為確保電纜安全，因此，泵送最大排量限定為2.5 m3/min，電纜下放速度控制在1 500 m/h以內(nèi)。

圖5 泵送橋塞施工參數(shù)圖版

6 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果分析

長慶油田在西XX區(qū)建成了致密油水平井全可溶橋塞體積壓裂規(guī)模試驗(yàn)示范區(qū)，現(xiàn)場試驗(yàn)25口水平井，應(yīng)用全可溶橋塞500余個(gè)，橋塞泵送、坐封成功率和封隔有效率均為100%，封堵球20 h內(nèi)溶解，壓裂后油井可快速投產(chǎn)，橋塞在15 d內(nèi)基本溶解，通井暢通，無需鉆塞作業(yè)。

典型井例。西平XX井井深為4 915 m，水平段長度為2 740 m，采用P110鋼級、Φ139.7 mm套管完井。該井設(shè)計(jì)采用全可溶橋塞體積壓裂工藝，設(shè)計(jì)壓裂30段106簇，使用29個(gè)橋塞，橋塞泵送排量為0.4～2.4 m3/min。在井斜角小于30 °時(shí)，電纜下放速度為400～2 950 m/h；井斜角大于30 °時(shí)，電纜下放速度為410～1 450 m/h，電纜張力為4～12 kN。壓裂施工排量為10～12 m3/min，砂比為11%～16%，入地液量為50 191 m3，砂量為4 401 m3。壓裂后立即放噴投產(chǎn)，試油日產(chǎn)油為118.3 t/d，投產(chǎn)初期日產(chǎn)油為32.7 t/d，截至目前，累計(jì)產(chǎn)油13 866.0 t。

壓裂后15 d和30 d時(shí)分別下油管進(jìn)行通井作業(yè)，驗(yàn)證橋塞的溶解程度。生產(chǎn)15 d時(shí)，通井遇阻概率約為2%，洗井作業(yè)返排出小片狀橋塞本體材料，表明橋塞并沒有徹底完全溶解，但其金屬坐封、封隔機(jī)構(gòu)已失效，殘余橋塞可人工推移至井底，不影響油井正常生產(chǎn)；生產(chǎn)30 d時(shí)，洗井作業(yè)返排物呈黏稠液狀，看不到橋塞殘留物，通井幾乎沒有遇阻，順利通至人工井底，表明橋塞已完全溶解。

效益評價(jià)：應(yīng)用全可溶橋塞代替可鉆復(fù)合橋塞，壓裂后橋塞自行溶解，省略了鉆塞作業(yè)，單井試油周期縮短30%，作業(yè)成本降低20%；引進(jìn)的全可溶橋塞單只成本較可鉆復(fù)合橋塞高60%，但通過規(guī)模應(yīng)用，單只成本可比可鉆復(fù)合橋塞低30%；自主研制的配套可溶封堵球成本約為進(jìn)口封堵球的1/3。綜上所述，該技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用后，綜合成本可降低36%，施工效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

7 結(jié) 論

(1) 全可溶橋塞滿足無限級多段、多簇射孔及大排量體積壓裂要求，坐封成功率和封隔有效率為100%；橋塞在15 d內(nèi)基本溶解，30 d內(nèi)完全溶解，解決了壓裂后的鉆塞難題，縮短試油周期，降低作業(yè)成本，提效降本成果顯著，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

(2) 配套研發(fā)的可溶堵球承壓、封隔性能穩(wěn)定，20 h后即可全溶解，實(shí)現(xiàn)壓裂后快速投產(chǎn)，成本僅是進(jìn)口封堵球的1/3。

(3) 建成了致密油水平井全可溶橋塞體積壓裂技術(shù)規(guī)模應(yīng)用示范區(qū)，填補(bǔ)了國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)礦場應(yīng)用的空白，為全可溶橋塞實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化提供了寶貴的技術(shù)借鑒。