可降解壓裂球試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

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(中石化石油機(jī)械股份有限公司，武漢 430075)

水平井分段壓裂是頁(yè)巖氣開發(fā)儲(chǔ)層改造的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)外常規(guī)方法是復(fù)合橋塞分段壓裂，為了后期生產(chǎn)測(cè)井，必須采用連續(xù)油管把橋塞全部鉆磨掉。 隨著涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣勘探向深層頁(yè)巖氣開發(fā)，采用連續(xù)油管鉆磨復(fù)合橋塞已經(jīng)不能滿足深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的需求。因此，實(shí)現(xiàn)大通徑橋塞[1]的國(guó)產(chǎn)化以及免鉆除工藝，是頁(yè)巖氣田降本增效的方法之一。大通徑橋塞的核心技術(shù)就是可降解壓裂球[2]，隨著致密氣和頁(yè)巖氣開發(fā)的逐步推進(jìn)和深入，能溶解的分段壓裂球備受重視[3]。

可降解壓裂球在工作時(shí)需要承受近150 ℃ 以上的高溫和超過70 MPa 的壓差，而且其受壓差作用時(shí)受力面積極小，所以對(duì)壓裂球的熱穩(wěn)定性能和機(jī)械強(qiáng)度要求高。本文通過試驗(yàn)研究，分析了可降解金屬材料和可降解非金屬材料的降解機(jī)理，研究了可降解球的承壓性能，在不同溫度，不同溶液濃度，不同電解質(zhì)溶液中的降解性能，為大通徑橋塞和循環(huán)滑套提供了技術(shù)方案，為全可溶橋塞的研發(fā)提供了技術(shù)依據(jù)。

1 可降解壓裂球的性能要求

1.1 可降解壓裂球的主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，可降解球的性能要求為：①密度，1.8～1.9 g/cm3；②耐溫，大于150 ℃；③耐壓，抗壓強(qiáng)度大于70 MPa；④可降解，且溶解時(shí)間可控，在含Cl-等電解質(zhì)溶液中溶解。

1.2 可降解材料

非金屬可降解材料，例如聚乳酸[4]、淀粉塑料、光溶解塑料，在清水中浸泡一段時(shí)間后即可溶解。采用這些材料制作成的壓裂球，溶解容易，還非常環(huán)保。目前，非金屬可降解球以日本Kuredux公司代表，如圖1所示，但價(jià)格昂貴。

圖1 非金屬可降解球

金屬可降解材料在國(guó)內(nèi)有一些科研單位已經(jīng)研制出來，因此金屬可降解壓裂球在國(guó)內(nèi)應(yīng)用更加廣泛，如圖2所示?？山到饨饘俨牧现饕x取高強(qiáng)度，低密度和耐Cl-腐蝕的金屬材料?？山到饨饘俨牧显诤珻l-的電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[5]反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)可溶材料的完全降解。

圖2 金屬可降解球

2 可降解壓裂球性能試驗(yàn)

2.1 承壓性能測(cè)試

以139.7 mm(5.5英寸)大通徑橋塞的可降解球?yàn)檠芯繉?duì)象，配套76.2 mm的可降解球，采用鎂鋁合金可降解壓裂球，密度為1.9 g/cm3，抗拉強(qiáng)度408 MPa，屈服強(qiáng)度321 MPa。以3% KCl溶液為介質(zhì)，利用圖3所示試驗(yàn)裝置對(duì)可降解球進(jìn)行承壓試驗(yàn)，其中球座內(nèi)孔直徑為70.3 mm。在室溫條件下，加壓至70 MPa，承壓15 min，間隔4 h加壓一次，確保承壓時(shí)間超過8 h，壓力未下降為合格，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

同時(shí)對(duì)76.2 mm外徑的球與不同角度錐面的球座配合，進(jìn)行承壓性能性試驗(yàn)，如圖4所示。通過降解球與球座配合試驗(yàn)，驗(yàn)證了球與球座錐度剖面線接觸的點(diǎn)正好是相切點(diǎn)時(shí)，球的承壓性能最為穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可降解球試驗(yàn)前后的照片如圖5～6所示。

圖3 壓裂球試壓工裝

圖4 壓裂球與球座配合示意

球直徑/mm錐角/(°)承壓/MPa承壓后球面?zhèn)?6.22085輕微76.225105良好76.23085輕微76.23570較重76.24055嚴(yán)重76.245不起壓

圖5 可降解球承壓前

圖6 可降解球承壓后

2.2 溶解性能測(cè)試

采用恒溫浸泡的方法測(cè)試可降解球在不同條件下的降解速率。將密度為1.8 ～1.9 g/cm3的可降解金屬材料加工成直徑76.2 mm的球，分別浸泡在清水、28% NaCl、10% NaCl、3.5% NaCl、1% NaCl、10% KCl溶液中進(jìn)行降解試驗(yàn)，浸泡溫度分別為室溫18～21℃，50 ℃和93 ℃。每隔 8 h 烘干樣品，采用精密千分尺測(cè)量球剩余直徑，直至球完全降解。

可降解球在不同溫度，不同質(zhì)量濃度的Cl-溶液中浸泡后剩余直徑與溶解時(shí)間的關(guān)系如圖 7～ 9所示。

圖7 可降解球在清水中不同溫度下的降解速率

圖8 可降解球在不同NaCl濃度溶液中的溶解速率

圖9 可降解球在10% KCl溶液中不同溫度下的溶解速率

由圖7～9可以看出，可降解球在清水下，提高溫度對(duì)降解速度影響很小。在相同溫度下，NaCl溶液的變化的對(duì)可降解壓裂球降解速度有很大的影響，隨著NaCl溶液濃度提高，降解速率越快。在相同濃度Cl-電解質(zhì)溶度下，溫度越高，斜率越大，降解速率越快。

為滿足用戶分級(jí)降解和降解速率可控的要求，對(duì)可溶球的基質(zhì)和包覆層進(jìn)行了試驗(yàn)研究。溶解條件：溫度50 ℃，2% KCl；溫度93 ℃，2% KCl。

圖10所用球沒有采用包覆層，可以看出：可降解球直徑與溶解時(shí)間呈線性減小關(guān)系，當(dāng)溫度在50 ℃時(shí)，球直徑減少 0.4 mm/h。當(dāng)溫度在93 ℃時(shí)，球直徑減少 0.8 mm/h。該可溶球會(huì)隨著井溫升高，降解速率越快。該材料可作為可降解球的基質(zhì)材料。

圖10 可降解壓裂球勻速降解

圖11所用球采用了包覆層，可以看出：當(dāng)溫度50 ℃時(shí)，前8 h不降解，8 h后球的降解速度是球直徑減少1.3 mm/h，當(dāng)溫度 93 ℃時(shí)，前8 h不降解，8 h后球球的降解速度是球直徑減少2.1 mm/h 。該可溶球會(huì)隨著井溫越高降解速率越快，而且該可溶球前8 h不會(huì)降解，從8 h以后就開始快速溶解，避免了橋塞還沒有開始使用就失封的現(xiàn)象。適合于可降解球壓裂應(yīng)用。

圖11 可降解壓裂球分段降解

圖12所用球采用兩種降解速率不同的材料復(fù)合壓制而成，可以看出：當(dāng)溫度50 ℃時(shí)，在16 h前，球直徑減少 0.4 mm/h；在16 h后，球直徑減少1.5 mm/h。當(dāng)溫度93 ℃時(shí)，在16 h前，球直徑直徑減少 0.6 mm/h；在16 h后，球直徑減少2 mm/h 。該可溶球會(huì)隨著井溫升高，降解速率越快，促使橋塞的分級(jí)降解，滿足多層壓裂時(shí)可降解橋塞分級(jí)降解的要求。

圖12 可降解壓裂球分級(jí)降解

2.3 曲線擬合

為了讓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用更有指導(dǎo)意義，取了其中一種可降解球，在93 ℃ NaCl溶液中，做可降解測(cè)試，通過MATLAB軟件擬合，獲得可降解球的降解速率預(yù)測(cè)公式。(y為球直徑，單位mm；x為溶解時(shí)間，單位6 h)。

當(dāng)質(zhì)量濃度為1%時(shí)，降解球的降解速率預(yù)測(cè)公式為

y=-6.39×10-4x2-0.089x+43.95

當(dāng)質(zhì)量濃度為3.5%時(shí)，降解球的降解速率預(yù)測(cè)公式為

y=-1.11×10-3x2-0.152x+41.65

當(dāng)質(zhì)量濃度為10%時(shí)，降解球的降解速率預(yù)測(cè)公式為

y=-5.83×10-4x2-0.381x+49.98

當(dāng)質(zhì)量濃度為28%時(shí)，降解球的降解預(yù)測(cè)為

y=-2.36×10-3x2-0.442x+49.64

因此，在93℃ 10% NaCl溶液中完全降解需要112 h，約4.7 d；在93 ℃ 3.5% NaCl溶液中完全降解需要137 h，約5.7 d；在93 ℃ 1% NaCl溶液中完全降解需要201.7 h，約8.4 d。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 YP10-8井基本情況

YP10-8井位于新疆吐哈地區(qū)，井深4 132 m，垂深3 100 m，水平段長(zhǎng)960 m，最大井斜角 89.5°。采用外徑139.7 mm(5.5英寸)、P110鋼級(jí)的套管。根據(jù)施工工藝要求，該井采用大通徑橋塞作為分段壓裂工具。由于井底壓力低，鉆塞時(shí)不利于鉆屑返排，鉆塞時(shí)間長(zhǎng)，而且有易卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)，因此采用免鉆磨大通徑橋塞+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工藝[6-10]。

3.2 壓裂施工情況

YP10-8井分12段進(jìn)行壓裂，共注入壓裂液22 050.8 m3，壓裂液Cl-含量20～30 g/L，井底溫度95 ℃。施工排量8.5～13.2 m3/min，施工壓力61～89 MPa。 施工流程：第1段采用連續(xù)油管射孔，起出連續(xù)油管后，進(jìn)行壓裂施工。第2段采用電纜泵送射孔槍及外徑110 mm大通徑橋塞至設(shè)計(jì)井深，排量控制在0.5～2.0 m3/min，對(duì)橋塞點(diǎn)火坐封后，電纜起至設(shè)計(jì)井深，進(jìn)行分簇射孔，射孔槍起出井口后，投直徑76.2 mm可降解壓裂球，球入座坐封后進(jìn)行第2 段壓裂。 第3～12段重復(fù)第2 段的壓裂流程。

壓裂完工后，未鉆磨橋塞即開始排液測(cè)試，排液過程歷經(jīng)7 d，累計(jì)排液5 624 m3，占總壓裂液的25.5% 。為了進(jìn)一步驗(yàn)證可降解壓裂球是否完全溶解，采用63.5 mm(2英寸)連續(xù)油管進(jìn)行通井作業(yè)，一次性通過全部?jī)?nèi)通徑為70.3 mm的大通徑橋塞，證明可降解壓裂球已經(jīng)全部溶解，無需鉆磨橋塞，該井即可投入生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1) 研制了一種降解速率可控壓裂球，最高能承受103 MPa工作壓力，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功。

2) 獲得了一種可降解球的降解速率預(yù)測(cè)公式，可以為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

3) 可降解球的試驗(yàn)研究為接下來全可溶橋塞的自主研發(fā)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

4) 建議增加可降解球材料的研發(fā)，開發(fā)出更多降解速率的材料，從溶度、溫度等方面進(jìn)一步完善降解球的降解預(yù)測(cè)模型。

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