分段壓裂用可溶橋塞研究及試驗(yàn)

趙旭亮，劉永莉，貢軍民

（1.中國(guó)石油大學(xué)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆克拉瑪依834000；2.渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦124010；3.新疆石油管理局有限公司工程技術(shù)公司，新疆克拉瑪依834000）

分段體積壓裂技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣藏改造的主體技術(shù)[1?3]。橋塞是分段體積壓裂的核心工具：可鉆橋塞在施工完成后需要進(jìn)行磨銑作業(yè)[4?5]，增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；可溶橋塞在壓裂施工完成后可自行溶解，免打撈，免鉆磨，無(wú)需任何作業(yè)，留下的全通徑井筒可用于生產(chǎn)和后期措施。國(guó)內(nèi)學(xué)者 在 可 溶 橋 塞 和 可 溶 球 的 材 料[6?9]、結(jié) 構(gòu)[10?15]等 方 面進(jìn)行了研究，但研究尚處于起步階段。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合遼河油田壓裂需求，開展了可溶橋塞研究和試驗(yàn)。

1 可溶材料研究

研制可溶橋塞的核心是可溶材料，可溶材料包括非金屬和金屬兩種。非金屬可溶材料常用的是聚乙醇酸（PGA）[6]，其溶解機(jī)理為不可逆的水解反應(yīng)，降解產(chǎn)物為CO2和水，具有強(qiáng)度高、溶解完全、無(wú)殘留等特點(diǎn)。金屬可溶材料常用的是鎂鋁合金[7?9]，由電極電位較低的基體材料和其他微量元素（稀土元素等）構(gòu)成。其溶解機(jī)理為：由于材料表面組織、晶界及表面缺陷的存在，引起電化學(xué)不均勻性，形成無(wú)數(shù)微電極，當(dāng)處于含Cl－的電解質(zhì)溶液中時(shí)，在表面構(gòu)成微觀腐蝕電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料溶解。

可溶解非金屬材料需要達(dá)到一定溫度才能溶解，適用范圍有限。因此，選擇可溶鋁鎂合金為橋塞本體材料，制備方法選取工作效率較高的熔煉澆鑄法，然后進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。

若要使可溶材料能應(yīng)用于可溶橋塞，則在保證強(qiáng)度等力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，還必須滿足以下兩方面要求：

（1）均勻溶解。在材料中加入微量元素，使不同腐蝕區(qū)域之間的電位盡量接近，腐蝕速度大體保持一致，且腐蝕方向朝四周擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)可溶材料的均勻溶解。

（2）可控溶解。在溶解過(guò)程中，可溶材料表面會(huì)形成致密膜，通過(guò)在化學(xué)成分中添加稀土金屬元素并調(diào)整其含量，破壞表面致密膜并控制破壞速率，實(shí)現(xiàn)材料的溶解速度可控。

在研究溶解機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了溶解速度不同的可溶鎂鋁合金的材料成分、鑄造工藝及熱處理工藝。在溶液Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、溫度為90 ℃的條件下，開展了所設(shè)計(jì)的某配方可溶鎂鋁合金的溶解性能試驗(yàn)。每隔0.5 h 對(duì)可溶試件（10 mm×10 mm×10 mm）進(jìn)行稱重并觀察，稱重時(shí)用吹風(fēng)機(jī)烘干，測(cè)試可溶材料的溶解性能。采用兩個(gè)相同配方的試件開展了溶解性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中試件形狀的變化過(guò)程如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程中試件形狀的變化過(guò)程

試件質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖2 所示。經(jīng)計(jì)算可知，該配方試件的平均溶解速度為0.184 g/h。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，可溶材料的溶解速率受井液溫度和Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)等影響，溫度越高，Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，溶解速度越快。

圖2 試件質(zhì)量隨時(shí)間的變化

2 可溶橋塞的研制

2.1 工藝技術(shù)原理

可溶橋塞分段壓裂工藝技術(shù)原理為：

（1）第一層采用油管傳輸射孔，起出管柱后進(jìn)行壓裂作業(yè)。

（2）后面層采用泵送射孔與可溶橋塞聯(lián)作工藝：①將工具串下入井內(nèi)，到達(dá)大斜度段后，加壓泵送工具串至目的層段；②校深后，上提可溶橋塞到坐封位置，點(diǎn)火坐封可溶橋塞；③依次上提工具串至射孔位置，分別完成多簇射孔；④起出管柱，投球泵送到橋塞處，開始?jí)毫咽┕ぷ鳂I(yè)；⑤壓裂結(jié)束后，重復(fù)上述作業(yè)步驟，完成其余層段壓裂作業(yè)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可溶橋塞的工作原理：利用電纜輸送橋塞到井筒預(yù)定位置，通過(guò)火藥爆破產(chǎn)生的推力作用于推環(huán)，推動(dòng)卡瓦錨定，壓縮膠筒密封，當(dāng)坐封力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，剪斷丟手銷釘，坐封工具與橋塞完成丟手，橋塞完成坐封。壓裂施工時(shí)，投入可溶球，泵送至中心管上端密封面，密封中心管內(nèi)部空間，開始?jí)毫咽┕?。?dāng)壓裂作業(yè)施工完成后，可溶橋塞自動(dòng)溶解，隨返排及生產(chǎn)過(guò)程排出地面。可溶橋塞的結(jié)構(gòu)主要包括錨定機(jī)構(gòu)、丟手機(jī)構(gòu)及密封機(jī)構(gòu)等部分，國(guó)內(nèi)外可溶橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外可溶橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)遼河油田壓裂井層間矛盾大的特點(diǎn)，研制了可溶橋塞，如圖3 所示。采用鑲嵌陶瓷的可溶雙向卡瓦錨定確保橋塞的承壓、錨定及溶解性能；材料設(shè)計(jì)時(shí)采用溶解差異性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中心管溶解速率低于其他部件，避免橋塞溶解過(guò)程中發(fā)生坍塌形成死堵，始終保持通道暢通，不影響放噴和生產(chǎn)；膠筒選取可降解橡膠材料。研制的橋塞主要包括中心管、推環(huán)、卡瓦、可溶膠筒、錐體、下接頭等零件，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 可溶橋塞的技術(shù)指標(biāo)

圖3 根據(jù)遼河油田壓裂特點(diǎn)研制的可溶橋塞

2.3 配套工具的研制

（1）液壓坐封工具。根據(jù)可溶橋塞室內(nèi)試驗(yàn)需要，參照貝克20 火藥坐封工具研制了液壓坐封工具（見圖4），包括上接頭、上液缸、下液缸及拉桿等部分，最大坐封力為30 t，有效行程為210 mm。針對(duì)液壓坐封工具在下入過(guò)程中存在內(nèi)外壓不平衡、易提前坐封的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了壓力平衡式結(jié)構(gòu)，確保坐封工具下入過(guò)程中的安全性。同時(shí)，雙級(jí)液缸結(jié)構(gòu)可確保液壓坐封工具設(shè)計(jì)為小直徑，便于坐封工具進(jìn)入水平井段。

圖4 液壓坐封工具

（2）坐封連接裝置。分段壓裂現(xiàn)場(chǎng)大都采用貝克20 火藥工具坐封壓裂橋塞，為此研制了坐封連接裝置，以確?？扇軜蛉軕?yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。坐封連接裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括連接頭和推筒兩部分，螺紋分別為 2?6ACME 和 31/2?6ACME。

圖5 坐封連接裝置

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，先將連接頭套入推筒，上緊連接頭和貝克20 火藥坐封工具拉桿處螺紋，將推筒擰至貝克坐封工具最上端，調(diào)整位置露出連接頭上剪切銷釘孔，推入可溶橋塞，上緊剪切銷釘，然后調(diào)整推筒至合適位置，上緊推筒螺紋處防轉(zhuǎn)銷釘。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證所研制的可溶橋塞的性能，開展了承壓和溶解性能試驗(yàn)。

3.1 可溶球溶解試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程：將配備的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 的溶液加入燒杯，并置于恒溫水浴槽，加熱至90 ℃后放入可溶球，每隔一定時(shí)間撈出可溶球，吹干并測(cè)量其質(zhì)量?？扇芮蛟谌芙膺^(guò)程中的形狀變化如圖6 所示，壓裂球質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖7 所示。由圖6及圖7 可見，在溶液Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、溫度為90 ℃的條件下，可溶球30.0 h 溶解完畢，溶解末期會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)碎裂現(xiàn)象。

圖6 可溶球在溶解過(guò)程中的形狀變化

圖7 壓裂球質(zhì)量隨時(shí)間的變化

3.2 橋塞性能試驗(yàn)

（1）承壓性能。將可溶橋塞與液壓坐封工具連接，放入試驗(yàn)套管（材質(zhì)P110）內(nèi)，連接打壓接頭，開始打壓，壓力為16.0 MPa 時(shí)橋塞丟手，提出液壓坐封工具，投入可溶球，試驗(yàn)套管上端連接打壓接頭，打壓72 MPa，穩(wěn)壓15.0 min 無(wú)泄漏，證明研制的橋塞滿足承壓≥70.0 MPa 的要求。試驗(yàn)后橋塞的坐封狀態(tài)如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)后橋塞的坐封狀態(tài)

（2）有效密封和溶解性能。將坐封好橋塞的試驗(yàn)套管置入Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液中，加熱至90 ℃并保持13.0 h，撈出試驗(yàn)工具，連接打壓接頭打壓至 70.0 MPa，穩(wěn)壓 15.0 min，壓降 0.2 MPa（小于1%），證明橋塞有效密封時(shí)間＞12.0 h。繼續(xù)加熱，橋塞充分溶解時(shí)間為16.0 d，滿足溶解時(shí)間15.0～20.0 d 的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2019 年5 月28 日，應(yīng)用研制的可溶橋塞在遼河油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井深3 261 m，橋塞坐封位置3 232 m。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）技術(shù)交底。與現(xiàn)場(chǎng)施工人員確定橋塞坐封參數(shù)和作業(yè)注意事項(xiàng)。

（2）井筒準(zhǔn)備。選擇合適的通井管柱對(duì)井筒進(jìn)行模擬通井作業(yè)，記錄管柱起下過(guò)程中的張力值，然后對(duì)橋塞坐封位置附近進(jìn)行刮管作業(yè)，確保井筒暢通且滿足橋塞坐封要求。

（3）連接入井工具管串。可溶橋塞在管串吊起時(shí)安裝，防止坐封工具在豎直時(shí)液缸滑動(dòng)剪切坐封銷釘，引起提前坐封風(fēng)險(xiǎn)，注意剪切銷釘須星型上緊。

（4）下入工具串。井口至100 m 處以不超過(guò)5 m/min 的速度下放，然后以不超過(guò)50 m/min 的速度下放至距坐封位置100 m 處，再以不超過(guò)20 m/min的速度下放，在標(biāo)準(zhǔn)接箍處進(jìn)行校深，然后下放可溶橋塞至設(shè)計(jì)坐封位置。

（5）坐封可溶橋塞?？刂泼姘逑掳l(fā)點(diǎn)火信號(hào)坐封可溶橋塞，注意觀察管串張力是否存在100 kg 左右的波動(dòng)。點(diǎn)火后保持3.0 min，確保可溶橋塞充分坐封，然后上提管串至設(shè)計(jì)位置依次進(jìn)行分簇射孔作業(yè)。

（6）起出工具串。初始以不超過(guò)5 m/min 的速度上提工具串，40 m 后以不超過(guò)50 m/min 加速起出至距井口10 m 處，然后緩慢提出工具串。

（7）投球壓裂。投入可溶球，以0.8 m3/min 的排量泵送可溶球至球座處，然后開始?jí)毫炎鳂I(yè)。

（8）放噴作業(yè)。壓裂完成后，關(guān)井?dāng)U散24.0 h，用2、3、5 mm 的油嘴人工控制放噴排液，每日放噴液量不超過(guò)40 m3，確保排出液不含砂。

（9）沖砂回探。若不能進(jìn)行自噴或放噴作業(yè)完成，進(jìn)行沖砂作業(yè)至人工井底，注意觀察可溶橋塞是否溶解完畢。

研制的可溶橋塞在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中坐封丟手作業(yè)順利。壓裂曲線如圖9 所示。

圖9 壓裂曲線

由圖9 可以看出，在可溶球到位時(shí)油壓明顯增加，到位顯示明顯；壓裂過(guò)程泵入液體1 048 m3，最高壓力58.0 MPa；放噴18.0 d 后回探橋塞已溶解，證明可溶橋塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功。截止2019 年12 月，該井累產(chǎn)油635 t。

5 結(jié) 論

（1）研究了可溶材料的溶解機(jī)理，設(shè)計(jì)了可控溶解鎂鋁合金，指出了可溶材料的關(guān)鍵性能為均勻溶解性和可控溶解性。在溶液Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、溫度為90 ℃的條件下，所設(shè)計(jì)的可溶材料的平均溶解速度為0.184 g/h。

（2）對(duì)比了國(guó)內(nèi)外可溶橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合遼河油田壓裂需求，基于溶解差異性理念和最優(yōu)化承壓、錨定、溶解性能目標(biāo)，研制了可溶橋塞及配套工具。

（3）開展了可溶球和可溶橋塞的承壓、有效密封及溶解性等室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果表明，研制的可溶橋塞承壓≥70.0 MPa，有效密封時(shí)間＞12.0 h；在溶液Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、溫度為90 ℃的條件下，壓裂球30.0 h 可溶解完畢，橋塞16.0 d 可完全溶解。

（4）開展了可溶橋塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，坐封丟手作業(yè)順利，可溶球到位顯示明顯，放噴18.0 d 后回探橋塞已溶解，證明研制的可溶橋塞能夠應(yīng)用于分段體積壓裂現(xiàn)場(chǎng)。