可溶橋塞室內(nèi)試驗(yàn)及匹配性工藝

易建國，鄧 波，張克成，高鳳壘，劉 嚴(yán)

（四川省威沃敦化工有限公司，四川廣漢 618300）

可溶橋塞作為頁巖氣分段壓裂改造的主體工具，在北美超過85%的頁巖氣井中使用［1-2］，而國內(nèi)頁巖氣井則全部采用橋塞工具進(jìn)行壓裂施工改造。相比較速鉆橋塞、大通徑橋塞，可溶橋塞在壓后一定時(shí)間內(nèi)，橋塞本體和膠筒等自行溶解，可實(shí)現(xiàn)套管全通徑生產(chǎn)，具有綜合成本低、投產(chǎn)時(shí)間短、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及可實(shí)現(xiàn)二次改造的優(yōu)點(diǎn)［3］。

目前，可溶橋塞現(xiàn)場(chǎng)工藝一般是根據(jù)壓裂酸化設(shè)計(jì)方案提供的井況參數(shù)，進(jìn)行橋塞匹配選型，往往是一口井只使用一種型號(hào)。但在實(shí)際施工過程中，井筒溫度、施工液體礦化度都會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致在施工過程中，尤其是施工后期，橋塞型號(hào)與井況參數(shù)不相匹配，再加上為了加快生產(chǎn)周期，施工完后沒有進(jìn)行足夠的悶井作業(yè)，直接進(jìn)行連油鉆塞，導(dǎo)致可溶橋塞沒有足夠的溶解時(shí)間，從而加大了連油鉆塞時(shí)間，反而增加了生產(chǎn)周期。因此，可溶橋塞的溶解情況良好與否，直接影響了連油通井鉆塞作業(yè)時(shí)間、頁巖氣投產(chǎn)周期。為進(jìn)一步加快連油通井鉆塞作業(yè)時(shí)間，縮短投產(chǎn)周期，通過可溶橋塞室內(nèi)溶解試驗(yàn)研究，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，對(duì)加快頁巖氣投入生產(chǎn)具有重大意義。

1 可溶橋塞室內(nèi)試驗(yàn)

目前，頁巖氣井按施工液體可分為清水井及返排液井，按井筒溫度可大致分為90 ℃井及60 ℃井，以KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的液體為清水，KCL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的液體為返排液，現(xiàn)有橋塞的規(guī)格型號(hào)見表1。

開展表1 中2 種類型橋塞本體、2 種類型膠筒溶解試驗(yàn)，以期為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)橋塞施工工藝優(yōu)化提供理論支撐。

1.1 可溶金屬溶解試驗(yàn)

可溶性橋塞主要由可溶性材料加工、制作而成，可溶性材料是一種在特定環(huán)境中，通過物理化學(xué)反應(yīng)或生物同化作用在一定時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自行降解、甚至完全消失的多相復(fù)合材料［4-5］，主要包括可溶性金屬材料和可溶性高分子材料兩類［6］，其溶解速率受鹽度和溫度影響較大［7-10］?？扇軜蛉慕饘俨糠忠枣V合金為主，鎂合金可溶性橋塞是通過局部電化學(xué)腐蝕實(shí)現(xiàn)可溶，主要包括陽級(jí)和陰極反應(yīng)法，其反應(yīng)式為

分別對(duì)適應(yīng)于清水的可溶金屬材料A 及適應(yīng)于返排液的可溶金屬材料B 開展室內(nèi)溶解試驗(yàn)。

將可溶金屬材料A，可溶金屬材料B 分別制作成20×Φ20 的樣塊，進(jìn)行稱重后，分別放入KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、2%的水浴鍋中浸泡，恒溫90 ℃，如圖1 所示。

圖1 樣塊稱重及浸泡

對(duì)樣塊浸泡溶解過程進(jìn)行記錄，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，其溶解曲線如圖2 所示，樣塊溶解后狀態(tài)如圖3 所示。

圖2 樣塊溶解曲線

圖3 樣塊溶解后狀態(tài)

從圖2 可知，可溶金屬材料A 在KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的清水中，溶解速率為0.51 g/h，溶解速率較好；可溶金屬材料A 在KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的液體中，溶解速率為1.10 g/h，溶解速率快。可溶材料金屬B 在KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的清水，溶解速率為0.10 g/h，溶解速率慢；在KCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的液體中，溶解速率為0.36 g/h，溶解速率較好。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，可溶材料金屬A 不適合在高礦化度條件下，適合在清水條件下使用；可溶材料金屬B 不適合在清水條件下使用，適合在高礦化度條件下使用。

1.2 可溶膠筒溶解試驗(yàn)

可溶膠筒主要由可降解高分子材料制成，在水環(huán)境下表現(xiàn)出較高的降解性，其單位體積內(nèi)含有大量可水解的酯基。

模擬現(xiàn)場(chǎng)使用條件，對(duì)兩種規(guī)格可溶膠筒進(jìn)行浸泡溶解實(shí)驗(yàn)。將膠筒1 和膠筒2 進(jìn)行稱重后，放入水浴鍋中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的KCl 液體浸泡，分別恒溫60、90 ℃，如圖4 所示。

圖4 膠筒稱重浸泡

對(duì)膠筒浸泡溶解過程進(jìn)行記錄，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，膠筒的溶解時(shí)間曲線及溶解后狀態(tài)如圖5 所示。

從圖5 可知，膠筒1 在90 ℃條件下，104 h 后完全溶解成碎渣，60 ℃條件下，155 h 完全溶解成碎；膠筒2 在90 ℃條件下，85 h 后完全溶解成碎渣，60 ℃條件下，100 h 完成溶解成碎渣。

圖5 膠筒溶解情況

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，溫度越低，膠筒溶解越慢。90 ℃條件下，膠筒2 比膠筒1 溶解速率更快，相差10 h 左右，但差值不大，考慮到膠筒2 在90 ℃條件下，密封性能不能保證。因此為避免影響膠筒的密封性能，在此溫度條件下建議使用膠筒1；60 ℃條件下，膠筒2 比膠筒1 溶解速率更快，相差55 h，相差較大，且在60 ℃條件下，膠筒2 能夠滿足密封性能。因此為避免連油鉆塞時(shí)間過長，可建議在此溫度條件下選擇膠筒2。

2 可溶橋塞現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

根據(jù)可溶橋塞的室內(nèi)溶解試驗(yàn)可知，水質(zhì)的礦化度不同橋塞本體的溶解時(shí)間不同，井筒溫度的不同，可溶膠筒的溶解時(shí)間不同。目前，可溶橋塞的施工工藝是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂酸化設(shè)計(jì)確定的井況參數(shù)，如測(cè)井溫度、現(xiàn)場(chǎng)液體礦化度，確定可溶橋塞使用的型號(hào)進(jìn)行施工作業(yè)。但該種施工工藝沒有考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工水質(zhì)時(shí)刻變化，且井筒溫度隨施工周期的變化會(huì)逐漸降低，這會(huì)導(dǎo)致后期連油鉆塞時(shí)，通井鉆磨效果差，加長了頁巖氣井投產(chǎn)周期。因此，為了順利完成施工，且盡可能降低后續(xù)連油鉆塞時(shí)間，需要優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的匹配性。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

從前文可知，影響可溶橋塞溶解的主要因素為水質(zhì)的礦化度和井筒溫度。為便于現(xiàn)場(chǎng)可溶橋塞的匹配，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)水質(zhì)的變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整橋塞本體材料；同時(shí)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)可溶膠筒型號(hào)，以匹配現(xiàn)場(chǎng)井溫。

2.1.1 橋塞本體匹配工藝

為匹配現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)變化，實(shí)時(shí)調(diào)整橋塞本體材料，需實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)，一般采用氯根測(cè)量儀器或礦化度測(cè)量筆對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)的具體情況實(shí)時(shí)調(diào)整橋塞本體材料。一般情況下，當(dāng)?shù)V化度在2 000×10-6左右，即清水液體時(shí)，采用可溶金屬材料A 的橋塞本體，當(dāng)?shù)V化度在2 000×10-6以上，采用可溶金屬材料B 的橋塞本體。

2.1.2 可溶膠筒匹配工藝

現(xiàn)場(chǎng)井溫一般為固井時(shí)隨測(cè)井底井溫，但隨著施工的進(jìn)行，井深的減少，施工液體的沖刷，井溫會(huì)逐漸降低。一般情況下，在施工的前三段使用與井底溫度相匹配的可溶膠筒，隨后更換為更低溫的可溶膠筒。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)選擇同一平臺(tái)，兩口井分別以常用施工工藝和改進(jìn)后的施工工藝進(jìn)行施工，統(tǒng)計(jì)后期通井鉆塞數(shù)據(jù)。以寧2X9H23-2 井和寧2X9H23-3 井為對(duì)比對(duì)象，其中寧2X9H23-2 井井溫為102.8 ℃，現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)礦化度在1 000×10-6～5 000×10-6；寧2X9H23-3井井溫100.2 ℃，現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)礦化度在1 000×10-6～5 000×10-6。

對(duì)寧2X9H23-2 井橋塞使用匹配工藝采用常規(guī)使用工藝，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井溫采用匹配102.8 ℃的90 ℃可溶膠筒，采用匹配礦化度在2 000×10-6以上的可溶金屬材料B 的橋塞本體進(jìn)行施工，對(duì)該井后期通井鉆塞時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其平均鉆塞時(shí)間為40 min。

對(duì)寧2X9H23-3 井橋塞使用匹配工藝采用改進(jìn)后的施工工藝，即根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的礦化度調(diào)整橋塞本體材料，在前三段使用90 ℃膠筒，后續(xù)使用60 ℃膠筒，對(duì)該井后期通井鉆塞時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其平均鉆塞時(shí)間為16 min。

通過對(duì)寧2X9H23 平臺(tái)兩口井的對(duì)比分析可知，改進(jìn)后的橋塞施工工藝能有效改善后期連油通井鉆塞效果，相較常規(guī)施工工藝，優(yōu)化后的施工工藝鉆塞時(shí)間縮短了一半多，對(duì)縮短頁巖氣投產(chǎn)周期具有重大意義。

3 結(jié)論

1）開展了兩種常用可溶金屬材料在不同礦化度條件下的溶解試驗(yàn)，明確了可溶金屬材料A 適合在清水的環(huán)境下使用，可溶金屬材料B 適合在高礦化度的環(huán)境下使用。

2）開展了兩種常用可溶膠筒材料在不同溫度條件下的溶解試驗(yàn)，明確了膠筒的溶解時(shí)間隨溫度的降低而增加，材料1 膠筒更適合90 ℃以上的井溫，材料2 膠筒更適合60 ℃以上的井溫。

3）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果提出來一種新的可溶橋塞施工工藝，并在寧2X9H23 平臺(tái)開展了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，改進(jìn)后的施工工藝相對(duì)于常規(guī)施工工藝能有效改善后期連油通井鉆塞效果，對(duì)縮短頁巖氣投產(chǎn)周期具有重大意義。