致密油水平井全可溶橋塞體積壓裂技術評價與應用

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

以復合橋塞分段多簇壓裂工藝為主的水平井體積壓裂技術在鄂爾多斯盆地實現了致密油單井產量的突破[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)中井控風險高、周期長、費用高。隨著水平段長度不斷增加，鉆塞的難度更大，技術局限性愈明顯[7-8]。全可溶橋塞分段壓裂技術是一種新興的非常規(guī)水平井體積壓裂技術[9-12]，其兼具可鉆式、免鉆式復合橋塞分段多簇體積壓裂工藝的諸多優(yōu)點[13-14]。全可溶橋塞與復合橋塞相比，最大優(yōu)勢就是壓裂后橋塞和封堵球可自行溶解，不需鉆塞即可實現井筒全通徑，實現壓裂后直接投產。該技術國外已有應用，國內相關研究起步較晚，尚無礦場應用經驗可供借鑒[15]。為解決該問題，引進了國外全可溶橋塞，對全可溶橋塞的優(yōu)選、材料結構分析、溶解和承壓性能室內實驗評價、泵送橋塞關鍵參數的優(yōu)化以及配套可溶封堵球的研制等方面開展了研究，并進行了規(guī)模化現場試驗。試驗結果表明，該技術提效降本效果明顯，可為全可溶橋塞、可溶井下工具實現國產化提供技術借鑒。

1 工藝原理

通過電纜傳輸將全可溶橋塞、射孔槍和坐封聯作工具串[16]泵送至井筒預定位置，啟動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，整個橋塞完成封隔下層目的，然后進行光套管壓裂施工。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，隨著時間的推移，橋塞卡瓦、膠筒、本體完全溶解，無需鉆銑作業(yè)即可實現全通徑。

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，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]時更具有明顯的優(yōu)越性。

2 全可溶橋塞的優(yōu)選

調研了國內外全可溶橋塞技術的進展情況，國內受制于可溶材料的限制，尚無礦場試驗經驗可供借鑒；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)，該橋塞自產品發(fā)布以來在國外非常規(guī)油氣井上已累計應用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，內徑為44.0 mm。主要結構由中心管、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度鋁鎂合金、可溶橡膠材料組成，耐壓強度為350～650 MPa。

3 室內實驗評價

3.1 溶解實驗

溶解實驗目的是評價全可溶橋塞的溶解程度及溶解時間。實驗模擬井筒環(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套管規(guī)格相同的實驗套管中，加入清水或不同濃度的KCl溶液，并加溫到設定的溫度，定時測量并記錄全可溶橋塞的長度和質量，將質量損失率和實驗時間繪制成溶解曲線，評價其溶解效果。

圖1 Illusion?全可溶橋塞結構

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

圖2 在3%KCl溶液中的溶解實驗曲線

圖3為93 ℃時在不同礦化度溶液中的溶解實驗曲線。由圖3可知：清水中，30 d后橋塞的質量損失率可達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。實驗結果說明，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驗曲線

溶解實驗中，橋塞溶解主要分為3個階段：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)生化學反應，產生的大量氣泡攜帶走溶解物，提高了溶解速度；第2階段是橡膠結構強度變弱，出現開裂、掉塊現象；第3階段是橡膠徹底喪失強度，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)物質被沖走分散。

3.2 耐溫承壓實驗

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，實驗溫度分別為地層溫度66 ℃和預測地層最高溫度93 ℃，分別加壓50、70 MPa(井筒限壓為70 MPa)，實驗時間為6 h。通過觀察壓力是否穩(wěn)定、有無液體滲漏來評價不同溫度條件下全可溶橋塞的承壓性能。

實驗結果表明，全可溶橋塞在上述實驗條件下，6 h內均未出現滲漏現象。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，在壓裂時起封隔下層的作用[18]。施工結束后封堵球可自行溶解，橋塞中心管通道暢通，為油氣介質提供流動通道。針對進口的可溶堵球價格昂貴的問題，自主研制了配套的可溶封堵球，成本較進口堵球降低60%。其由高強度鋁鎂合金、溶解功能添加劑、金屬氧化物等材料構成，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。

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，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時堵球直徑為34.6 mm，遠小于橋塞中心管道內徑(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，實現快速投產；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 泵送施工參數優(yōu)化

為檢驗全可溶橋塞、射孔投放聯作工具串在井筒中的通過性，測試電纜拉伸強度，檢測橋塞的坐封、封隔性能，研究最佳的泵送施工參數，在地面建立了一套長300 m的模擬水平井套管結構的泵送實驗系統(tǒng)，開展了泵送全可溶橋塞地面實驗。實驗結果表明：泵送過程順暢，全可溶橋塞、射孔投放聯作工具串在套管、套管結箍處通過性良好；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影響[21]，以安全高效為目的優(yōu)化了泵送施工參數(圖5)。由圖5可知：在井斜角小于30 °的直井段，不需要啟動泵車，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，需開啟地面泵車進行泵送，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，當泵送排量為2.5 m3/min時，電纜下放速度達到1 500 m/h，此時電纜張力值為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。

圖5 泵送橋塞施工參數圖版

6 現場試驗及效果分析

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)模試驗示范區(qū)，現場試驗25口水平井，應用全可溶橋塞500余個，橋塞泵送、坐封成功率和封隔有效率均為100%，封堵球20 h內溶解，壓裂后油井可快速投產，橋塞在15 d內基本溶解，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。該井設計采用全可溶橋塞體積壓裂工藝，設計壓裂30段106簇，使用29個橋塞，橋塞泵送排量為0.4～2.4 m3/min。在井斜角小于30 °時，電纜下放速度為400～2 950 m/h；井斜角大于30 °時，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，試油日產油為118.3 t/d，投產初期日產油為32.7 t/d，截至目前，累計產油13 866.0 t。

壓裂后15 d和30 d時分別下油管進行通井作業(yè)，驗證橋塞的溶解程度。生產15 d時，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、封隔機構已失效，殘余橋塞可人工推移至井底，不影響油井正常生產；生產30 d時，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：應用全可溶橋塞代替可鉆復合橋塞，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%；引進的全可溶橋塞單只成本較可鉆復合橋塞高60%，但通過規(guī)模應用，單只成本可比可鉆復合橋塞低30%；自主研制的配套可溶封堵球成本約為進口封堵球的1/3。綜上所述，該技術規(guī)模化應用后，綜合成本可降低36%，施工效率和經濟效益顯著。

7 結 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內基本溶解，30 d內完全溶解，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，實現壓裂后快速投產，成本僅是進口封堵球的1/3。

(3) 建成了致密油水平井全可溶橋塞體積壓裂技術規(guī)模應用示范區(qū)，填補了國內該項技術礦場應用的空白，為全可溶橋塞實現國產化提供了寶貴的技術借鑒。