可溶橋塞緩蝕助溶劑先導性試驗與應用

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有限責任公司，四川 成都 610000；2. 四川華順通能源技術開發有限公司，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天然氣，具有孔隙度低、滲透率低、開發成本高等特點。水平井分段壓裂改造技術是實現頁巖氣工業化開采的主要技術手段，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，形成復雜縫網，提高儲層滲透率，增加單井控制儲量，提高單井產能［1-6］。為提高頁巖氣改造時效，加快投產時間，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束后會在返排液中自行溶解，為后期生產測試提供井筒全通徑條件，但是通過大量現場試驗發現，大規模的體積壓裂后，井筒溫度較低且恢復緩慢，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全部溶解。為加快投產時間，需要采用連續油管帶一定尺寸磨鞋進行通井鉆塞作業，但因橋塞沒有充分溶解，鉆塞后井筒內有大量的大尺寸殘骸，極易造成連續油管卡鉆等井下復雜［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、密封膠筒組成。其中，橋塞本體為可溶性鎂、鋁合金材料，其溶解速率與環境溫度和浸泡流體礦化度有關，且當礦化度達到一定值以后，溫度的影響極為明顯。錨定機構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溶液接觸時發生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的原理。可溶橋塞中金屬材料為Mg、Al、Cu等多種金屬合金材料，Mg 是所有工業合金中化學活潑性最高的金屬，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，反應產物是進入介質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生大量殘渣，導致井筒堵塞，影響返排效果［16］。而HCL 溶液屬于強電解質溶液，一方面，可溶材料在HCL 溶液中會產生很強的電位差，且H+會聚集在金屬合金材料周圍，與之快速反應，形成陽極反應使其迅速溶解，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，降低卡鉆復雜，保障壓后井筒全通徑［17-19］。

2 配方優選

1）溶解性能。為優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，實驗結果如圖1、圖2 所示。結果表明：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，對套管、測井電纜、連續油管、井口防噴盒等有一定腐蝕，易造成井下復雜及設備故障。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，能夠將酸液的表面張力從45 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

根據室內對不同材料做的腐蝕實驗結果表明，當配方為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據表

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。在連續油管等外力的作用下，可溶橋塞極易脫落，變為小尺寸碎塊而隨返排液循環出井筒，減少通井作業風險，縮短作業周期。

圖3 不同環境下橋塞溶解情況圖

4 現場應用情況

現場應用過程中，施工程序與常規壓裂基本相同，僅在主壓裂施工結束后以小排量泵注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壓裂施工時間多10 min。

2018 年在四川頁巖氣區塊共應用可溶橋塞緩蝕助溶劑3 321 m3，應用效果見圖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雜的發生，縮短單井通井周期70%，實現壓裂后井筒全通徑，加快投產速度。