可溶橋塞緩蝕助溶劑先導(dǎo)性試驗與應(yīng)用

劉 虎 徐興海 劉 望 唐 勇 肖勇軍 何先君 古志斌

（1. 四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；2. 四川華順通能源技術(shù)開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；3. 四川省華鑫盛油氣運營管理有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，具有孔隙度低、滲透率低、開發(fā)成本高等特點。水平井分段壓裂改造技術(shù)是實現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化開采的主要技術(shù)手段，運用低粘度的滑溜水體系、大排量、大液量的施工工藝對頁巖氣儲層進行充分改造，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，提高儲層滲透率，增加單井控制儲量，提高單井產(chǎn)能［1-6］。為提高頁巖氣改造時效，加快投產(chǎn)時間，目前主要采用可溶橋塞作為頁巖氣壓裂分段改造工具。理論上，可溶橋塞大部分部件在壓裂施工結(jié)束后會在返排液中自行溶解，為后期生產(chǎn)測試提供井筒全通徑條件，但是通過大量現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模的體積壓裂后，井筒溫度較低且恢復(fù)緩慢，不能達到可溶橋塞溶解閾值，橋塞溶解異常緩慢，在井筒條件下無法實現(xiàn)全部溶解。為加快投產(chǎn)時間，需要采用連續(xù)油管帶一定尺寸磨鞋進行通井鉆塞作業(yè)，但因橋塞沒有充分溶解，鉆塞后井筒內(nèi)有大量的大尺寸殘骸，極易造成連續(xù)油管卡鉆等井下復(fù)雜［7-11］。針對以上問題，通過對可溶橋塞緩蝕助溶劑的研究，加快了橋塞溶解速率，雖仍需要連續(xù)油管通井鉆塞，但可溶橋塞緩蝕助溶劑可以加快橋塞鉆磨時間，并使鉆磨后的橋塞殘骸變成粉末狀，減少卡鉆等風(fēng)險。

1 可溶橋塞緩蝕助溶劑作用原理

可溶橋塞主要由橋塞本體、錨定機構(gòu)、密封膠筒組成。其中，橋塞本體為可溶性鎂、鋁合金材料，其溶解速率與環(huán)境溫度和浸泡流體礦化度有關(guān)，且當(dāng)?shù)V化度達到一定值以后，溫度的影響極為明顯。錨定機構(gòu)為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，載體可溶，卡瓦牙不溶。密封膠筒為可溶性膠筒，在溫度和礦化度的作用下逐漸變軟，最終溶解為像砂子類的殘留物［12-15］。

可溶橋塞是利用不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的原理?？扇軜蛉薪饘俨牧蠟镸g、Al、Cu等多種金屬合金材料，Mg 是所有工業(yè)合金中化學(xué)活潑性最高的金屬，標準電極電位為-2.37 V，比Al 標準電位低0.7 V，比Fe 標準電位低2 V。在KCL 溶液中，金屬失去電子而被氧化，反應(yīng)產(chǎn)物是進入介質(zhì)中的金屬離子或覆蓋在金屬表面上的金屬氧化物。因此在KCl溶液中，可溶橋塞溶解后期會產(chǎn)生大量殘渣，導(dǎo)致井筒堵塞，影響返排效果［16］。而HCL 溶液屬于強電解質(zhì)溶液，一方面，可溶材料在HCL 溶液中會產(chǎn)生很強的電位差，且H+會聚集在金屬合金材料周圍，與之快速反應(yīng)，形成陽極反應(yīng)使其迅速溶解，另一方面，H+能將覆蓋在金屬表面上的金屬氧化物完全溶解，達到可溶橋塞無殘渣、快速、完全溶解的效果，加快鉆磨速率，降低卡鉆復(fù)雜，保障壓后井筒全通徑［17-19］。

2 配方優(yōu)選

1）溶解性能。為優(yōu)選可溶橋塞緩蝕助溶劑配方，在實驗室進行了不同溫度下，可溶橋塞本體在不同溶液中溶解速率對比實驗，實驗結(jié)果如圖1、圖2 所示。結(jié)果表明：可溶橋塞本體的溶解速率隨Cl-離子濃度、返排液礦化度的增加而加快，也隨溫度的增加而加快，并且溶解速率受溫度的影響較大。

圖1 不同礦化度下橋塞本體溶解速率圖

圖2 不同大KCl濃度下橋塞本體溶解速率圖

因為可溶橋塞在KCL 溶液中溶解后會產(chǎn)生大量殘渣，為加快橋塞在井筒中的溶解速率，選取HCl作為緩蝕助溶劑的主要成分，并在實驗室內(nèi)進行了不同溫度下，不同配方緩蝕助溶劑對橋塞本體的溶解實驗，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，橋塞本體溶解速率隨溫度的增加而增大，隨鹽酸濃度的增加而增大。但是，隨著緩蝕劑加量的增加，橋塞本體的溶解速率逐漸降低。

表1 在不同類型緩蝕助溶劑及不同溫度下的溶解速率表

2）緩蝕性能。因可溶橋塞緩蝕助溶劑主要成分為鹽酸，注入井筒后會部分殘留在井筒內(nèi)，對套管、測井電纜、連續(xù)油管、井口防噴盒等有一定腐蝕，易造成井下復(fù)雜及設(shè)備故障。因此，需要在助溶劑中加入緩蝕劑。

由表2 可以看出，當(dāng)緩蝕劑加量為2%時，緩蝕率達到98%以上，比1.5%的加量下緩蝕率高約25%。但再增加緩蝕劑后，緩蝕效果增加不明顯。由表3可以看出，井口放噴盒密封件在10%鹽酸+2%緩蝕劑中浸泡8 h后其拉伸強度為23.29 MPa，未浸泡空白樣為23.49 MPa，拉伸強度基本無變化，實驗表明：該浸泡液對井口防噴盒密封件材料基本無腐蝕。因此選擇2%緩蝕劑為可溶橋塞緩蝕助溶劑配方中的加量。

可溶橋塞緩蝕助溶劑還具有的助排促進作用，能夠?qū)⑺嵋旱谋砻鎻埩?5 mN／m 降至28 mN／m 以下（表4），能夠起到一定的提高壓裂液返排的效率的作用。

3 配方選定

根據(jù)室內(nèi)對不同材料做的腐蝕實驗結(jié)果表明，當(dāng)配方為10%鹽酸+2%緩蝕劑加量時，配方對可溶材料的溶解速率以及對井內(nèi)各工具的緩蝕作用綜合配伍性最好，整體溶解時間較為合適，比返排液中溶解速率快44～50 倍，平均緩蝕率超過98%，并且最為經(jīng)濟。因此，選定10%鹽酸+2%緩蝕劑加量為可溶橋塞緩蝕助溶劑最終配方。

表2 70 ℃下套管、測井電纜、連續(xù)油管腐蝕試驗對比表

表3 70 ℃條件下井口防噴盒密封件材料浸泡實驗對比表

表4 不同配方下表面張力測試數(shù)據(jù)表

由圖3可以看出，可溶橋塞本體在10%鹽酸+2%緩蝕劑溶液中溶解完全，無任何殘渣。因此，可溶橋塞緩蝕助溶劑能縮短可溶橋塞本體溶解時間，并使可溶橋塞本體完全溶解。在連續(xù)油管等外力的作用下，可溶橋塞極易脫落，變?yōu)樾〕叽缢閴K而隨返排液循環(huán)出井筒，減少通井作業(yè)風(fēng)險，縮短作業(yè)周期。

圖3 不同環(huán)境下橋塞溶解情況圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

現(xiàn)場應(yīng)用過程中，施工程序與常規(guī)壓裂基本相同，僅在主壓裂施工結(jié)束后以小排量泵注2～3 m3緩蝕助溶劑至橋塞座封位置，過頂0.5 m3，停泵及壓降15～20 min后，轉(zhuǎn)入下段施工。因此，使用可溶橋塞緩蝕助溶劑后，每段施工時間僅比常規(guī)壓裂施工時間多10 min。

2018 年在四川頁巖氣區(qū)塊共應(yīng)用可溶橋塞緩蝕助溶劑3 321 m3，應(yīng)用效果見圖4、圖5。由圖4可以看出，使用可溶橋塞緩蝕助溶劑后，平均單個橋塞純鉆磨時間為10 min，純鉆時間提高71%。若加上施工時間，單個橋塞作業(yè)時間為20 min，比不使用緩蝕助溶劑的可溶橋塞鉆磨速率提高42.85%，單井平均通井周期較歷年整體通井周期縮短70%。

圖4 橋塞純鉆磨時間對比圖

圖5 歷年通井周期對比圖

5 結(jié)論與認識

為加快可溶橋塞溶解速率，縮短通井周期，達到快速返排、提高采收率的目的，通過對不同濃度鹽酸和緩蝕助溶劑配方進行試驗分析對比，最終得到了10%HCl+2.0%緩蝕劑的可溶橋塞緩蝕助溶劑的配方。通過現(xiàn)場試驗，采用以上配方的可溶橋塞緩蝕助溶劑，可提高單個橋塞的鉆磨速率，并大大減少卡鉆等井下復(fù)雜的發(fā)生，縮短單井通井周期70%，實現(xiàn)壓裂后井筒全通徑，加快投產(chǎn)速度。