投球滑套分段壓裂用可分解壓裂球

裴曉含，魏松波，石白茹，沈澤俊，王新忠，童征，付濤

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

投球滑套分段壓裂用可分解壓裂球

裴曉含，魏松波，石白茹，沈澤俊，王新忠，童征，付濤

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

研制了適用于多級(jí)投球滑套分段壓裂的可分解壓裂球，分析了可分解壓裂球材料的分解特性及力學(xué)性能，并對可分解壓裂球進(jìn)行了地面承壓試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用?？煞纸獠牧鲜?種鎂合金，密度在1.8～2.0 g/cm3。實(shí)驗(yàn)研究表明：可分解材料在氯化鉀溶液中可自行分解，分解速率隨溫度升高而加快，但在胍膠壓裂液中分解緩慢；可分解材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到360 MPa，變形量達(dá)到約20%時(shí)發(fā)生斷裂，斷口具有韌脆混合斷裂特征。地面承壓試驗(yàn)結(jié)果表明：壓裂球在80 ℃下能夠承壓70 MPa，保壓4 h效果良好，且壓裂球與球座間密封性能良好。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：可分解壓裂球在壓裂過程中性能良好，壓裂完成后可自行分解，避免了因返排壓裂球產(chǎn)生的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了作業(yè)成本和時(shí)間。圖8表1參17

可分解材料；壓裂球；分解速率；抗壓強(qiáng)度；承壓性能；分段壓裂

0 引言

對油氣藏尤其是低滲透油氣藏進(jìn)行壓裂改造是增加單井產(chǎn)量和提高可動(dòng)用儲(chǔ)量的有效技術(shù)措施，相關(guān)壓裂工具、工藝以及評價(jià)技術(shù)也成為當(dāng)今油氣田開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-4]。多級(jí)投球滑套壓裂是目前應(yīng)用比較廣泛的直井分層和水平井分段增產(chǎn)改造技術(shù)，其原理是根據(jù)地質(zhì)和工藝要求采用封隔器把油氣井裸眼段分為若干段，在需要改造的位置下入投球滑套，在壓裂施工時(shí)向井中投入壓裂球依次打開投球滑套，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)壓裂的目的。這種工藝具有工具一次入井即可實(shí)現(xiàn)分級(jí)壓裂的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約作業(yè)時(shí)間，縮短了試油周期[5-6]。

投球滑套系統(tǒng)提供了管柱內(nèi)壓裂液流向地層的通道，壓裂前滑套處于關(guān)閉狀態(tài)，壓裂過程中投送壓裂球至球座通過打壓來開啟滑套，打通管柱和地層間的通道，因此壓裂球是決定壓裂是否成功的關(guān)鍵因素[5-7]。壓裂施工完成后，傳統(tǒng)的工序是將壓裂球返排至地面，但有時(shí)存在由于地層壓力不足或球變形等導(dǎo)致壓裂球卡死在通道內(nèi)而無法返排至地面的情況，此時(shí)需要下鉆磨銑球和球座，否則將嚴(yán)重影響油井產(chǎn)量[8]。使壓裂球具備可分解功能成為解決這個(gè)問題的有效辦法之一，即壓裂作業(yè)完成后壓裂球可自行分解，從而可以免去返排或磨銑工序，消除了壓裂球阻塞通道的可能性[9]。2011年貝克休斯公司公布了1種由可控電解金屬納米結(jié)構(gòu)材料制造的可分解壓裂球，其具備密度小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)[10-12]。美國Magnum石油工具公司也報(bào)道了1種新型壓裂球Magnum Fastball，相對密度為1.5，可以在井下進(jìn)行分解，從而降低了生產(chǎn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間[13]。但使用國外可分解壓裂球存在價(jià)格高、技術(shù)受限等問題，因此需要發(fā)展適合國內(nèi)壓裂工具的可分解壓裂球。

為適應(yīng)投球滑套分段壓裂需求，可分解壓裂球需同時(shí)具備兩方面特點(diǎn)：一是在地層水等電解質(zhì)液體中可自行快速分解，二是在地層較高溫度下具有較大的強(qiáng)度。本文介紹1種可分解材料及由其制備的可分解壓裂球，研究材料在不同溫度和液體中的分解特性，分析材料的力學(xué)性能和斷裂特征，測試可分解壓裂球的承壓性能，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場壓裂。

1 可分解材料

本文研制的可分解材料（見圖1）是1種鎂合金，密度在1.8～2.0 g/cm3，通過在鎂基體中添加微量合金元素并經(jīng)過后續(xù)強(qiáng)化處理加工而成。

圖1 可分解材料

1.1 分解特性

采用恒溫水浴浸泡的方法測試可分解材料在不同環(huán)境下的分解速率。將可分解材料加工成Φ10 mm×10 mm的圓柱體試樣，浸泡在裝有測試液體的燒杯中，每間隔一定時(shí)間采用精密電子天平稱取試樣的剩余質(zhì)量。浸泡溫度分別為50 ℃、60 ℃和70 ℃，浸泡液體分別為0.5%氯化鉀（KCl）溶液和胍膠壓裂液。采用掃描電子顯微鏡FEI Quanta 200觀察分析樣品分解后的微觀形貌，并采用電鏡附帶能譜分析系統(tǒng)測試分析分解產(chǎn)物的化學(xué)成分。

圖2為可分解材料試樣浸泡后剩余質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以看出：試樣在50 ℃ KCl溶液中浸泡2 d內(nèi)，由于分解產(chǎn)物附著于試樣表面不能及時(shí)脫落造成試樣質(zhì)量略有增加，隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，分解產(chǎn)物開始陸續(xù)剝離，2 d后試樣質(zhì)量迅速減少；對于在60 ℃KCl溶液中浸泡的試樣，1 d后質(zhì)量無明顯變化，之后迅速減少；對于在70 ℃ KCl溶液中浸泡的試樣，質(zhì)量在開始浸泡后就迅速降低；試樣在70 ℃胍膠壓裂液中浸泡5 d后質(zhì)量無明顯變化。

表1為可分解材料試樣浸泡5 d內(nèi)的平均分解速率，可以看出：浸泡溫度越高，試樣的分解速率越快；試樣在70 ℃胍膠壓裂液中的平均分解速率為0.09 mg/（h·cm2），是在相同溫度下KCl溶液中平均分解速率的約1/18。溫度對材料的分解速率和分解產(chǎn)物的剝離速率有顯著影響，溫度越高，材料的分解速率越快，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的分解產(chǎn)物越多，分解產(chǎn)物從材料表面剝離的時(shí)間越短。

圖2 可分解材料試樣在不同溶液和溫度下剩余質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律

表1 可分解材料試樣浸泡5 d內(nèi)的平均分解速率

圖3為可分解材料試樣在不同溶液中浸泡后的形貌，可以看出：在70 ℃胍膠壓裂液中浸泡5 d后，試樣基本維持原始形狀，表面覆蓋白色固體分解產(chǎn)物，并存在明顯的腐蝕坑；在70 ℃ KCl溶液中浸泡5 d后，試樣體積明顯減小，直徑減少2.5 mm左右，表面覆蓋白色固體分解產(chǎn)物，并呈現(xiàn)多孔且不規(guī)則的腐蝕形貌。

圖3 可分解材料試樣浸泡后形貌

可分解材料在KCl溶液中浸泡時(shí)，大量氣泡從材料表面溢出，并產(chǎn)生絮狀物懸浮在溶液中。采用掃描電子顯微鏡觀察試樣表面分解產(chǎn)物的微觀形貌（見圖4a）發(fā)現(xiàn)，分解產(chǎn)物為疏松多孔結(jié)構(gòu)。對試樣表面的分解產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析（見圖4b）發(fā)現(xiàn)，其主要化學(xué)成分為氧化鎂。根據(jù)鎂合金的腐蝕反應(yīng)機(jī)理[14-16]，材料分解時(shí)產(chǎn)生的氣體主要為氫氣，材料中的鎂元素首先形成氫氧化鎂，部分氫氧化鎂以絮狀物的形式懸浮在溶液中，試樣表面的氫氧化鎂干燥后會(huì)形成白色的氧化鎂固體，氫氣從試樣表面逸出及分解產(chǎn)物脫落造成了試樣表面的疏松多孔結(jié)構(gòu)。

圖4 可分解材料在KCl溶液中浸泡后顯微形貌及能譜

1.2 力學(xué)性能

采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試可分解材料的抗壓強(qiáng)度。將可分解材料加工成Φ10 mm×15 mm的圓柱體試樣，對圓柱體試樣兩端面進(jìn)行應(yīng)力加載直至試樣斷裂，壓縮速率為0.5 mm/min。采用掃描電子顯微鏡觀察分析試樣斷面形貌。

在壓應(yīng)力作用下可分解材料試樣發(fā)生斷裂（見圖5a），斷口與正應(yīng)力呈45°角，試樣有鐓粗現(xiàn)象，顯示出較好的塑性。斷口上光亮的穿晶小亮面為解理面，它往往是晶體內(nèi)原子排列密度較大的晶面，因這類晶面間結(jié)合力較差，所以容易沿該面劈開[17]。利用掃描電子顯微鏡觀察斷口（見圖5b）發(fā)現(xiàn)，斷口有大量韌窩存在，這些韌窩在剪切應(yīng)力作用下被拉長后呈現(xiàn)出許多臺(tái)階，裂紋表現(xiàn)為穿晶和沿晶混合斷裂，整個(gè)斷口具有韌脆混合斷裂特征。

圖5 可分解材料試樣壓縮斷裂后宏觀形貌及斷口顯微圖像

圖6為可分解材料試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，試樣變形量達(dá)到約20%時(shí)發(fā)生斷裂，抗壓強(qiáng)度可達(dá)360 MPa。

圖6 可分解材料試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 可分解壓裂球地面承壓試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用

圖7為由可分解材料制成的不同規(guī)格壓裂球。球座材料選用42CrMo超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性。在自制可變溫承壓測試裝置中對可分解壓裂球進(jìn)行承壓測試，壓裂球直徑60.33 mm，球座內(nèi)孔直徑55.00 mm。首先將測試浴筒的水溫升至80 ℃，將壓裂球隨測試工裝放入浴筒中，然后進(jìn)行初始打壓至15 MPa，保壓30 min。如果保壓效果良好，表明球與球座已形成良好密封，則逐漸升高壓力至70 MPa，繼續(xù)保壓4 h并觀察壓力變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，可分解壓裂球在80 ℃下能夠承受70 MPa壓力，具有良好的保壓效果。

圖7 可分解壓裂球

圖8a是承壓測試后壓裂球與球座配合情況，可以看出壓裂球已經(jīng)牢固地座封在球座上。將壓裂球進(jìn)行反向打壓從而測試返排壓力，經(jīng)測試壓裂球與球座分離的峰值壓力為4.6 MPa。從圖8b可以看出壓裂球球體基本完整，無脆裂現(xiàn)象。球與球座接觸的密封段發(fā)生一定塑性變形，塑形變形區(qū)與球座接觸面緊密結(jié)合，變形圓周區(qū)直徑?jīng)]有超過球的最大直徑，表明該壓裂球有較高的承壓能力。在水環(huán)境下，壓裂球表面發(fā)生一定腐蝕，而密封面由于與液體隔離，沒有出現(xiàn)明顯腐蝕。

圖8 試驗(yàn)后壓裂球與球座配合情況及壓裂球變形情況

可分解壓裂球在吉林油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。采用投球滑套壓裂井段為2 982～3 101 m，井溫約110 ℃?？煞纸鈮毫亚蛱崆? h從井口投送，滑套一次性成功開啟，滑套開啟時(shí)井口壓力最高為40 MPa，地層破裂壓力為36 MPa，壓裂過程中井口平均壓力約30 MPa，整個(gè)壓裂過程持續(xù)近3 h。可分解壓裂球的應(yīng)用免去了返排壓裂球的作業(yè)工序，同時(shí)避免了相關(guān)作業(yè)可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，也節(jié)省了相關(guān)作業(yè)的費(fèi)用，為投球滑套壓裂管柱油氣通道的暢通提供了重要技術(shù)保障。

3 結(jié)論

本文研制的可分解材料密度在1.8～2.0 g/cm3，在KCl溶液中可自行分解，在50～70 ℃ 0.5% KCl溶液中平均分解速率在0.92～1.63 mg/（h·cm2），且分解速率隨溫度升高而加快?？煞纸獠牧显陔夷z壓裂液中的分解速率比KCl溶液中慢?？煞纸獠牧系目箟簭?qiáng)度可達(dá)360 MPa，變形量達(dá)到約20%時(shí)發(fā)生斷裂，斷口具有韌脆混合斷裂特征。

由可分解材料制成的可分解壓裂球在80 ℃下能夠承壓70 MPa，具有良好的保壓效果?？煞纸鈮毫亚蛞褢?yīng)用于現(xiàn)場投球滑套壓裂，應(yīng)用效果良好。

[1]陳作,王振鐸,曾華國.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].天然氣工業(yè),2007,27(9):1-3.Chen Zuo,Wang Zhenduo,Zeng Huaguo.Status quo and prospect of staged fracturing technique in horizontal wells[J].Natural Gas Industry,2007,27(9):1-3.

[2]吳奇,胥云,王曉泉,等.非常規(guī)油氣藏體積改造技術(shù):內(nèi)涵、優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石油勘探與開發(fā),2012,39(3):352-358.Wu Qi,Xu Yun,Wang Xiaoquan,et al.Volume fracturing technology of unconventional reservoirs:Connotation,optimization design and implementation[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(3):352-358.

[3]張海燕,魏新芳,余金陵,等.水平井裸眼分段壓裂完井關(guān)鍵工具研制[J].石油鉆采工藝,2013,35(2):86-89.Zhang Haiyan,Wei Xinfang,Yu Jinling,et al.Development of open hole staged fracturing key tools in horizontal well[J].Oil Drilling &Production Technology,2013,35(2):86-89.

[4]王曉冬,羅萬靜,侯曉春,等.矩形油藏多段壓裂水平井不穩(wěn)態(tài)壓力分析[J].石油勘探與開發(fā),2014,41(1):74-78,94.Wang Xiaodong,Luo Wanjing,Hou Xiaochun,et al.Transient pressure analysis of multiple-fractured horizontal wells in boxed reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(1):74-78,94.

[5]馮長青,張華光,趙粉霞,等.分層壓裂滑套與密封球受力分析研究[J].石油機(jī)械,2013,41(2):75-78.Feng Changqing,Zhang Huaguang,Zhao Fenxia,et al.Force analysis of layered fracture sliding sleeve and seal ball[J].China Petroleum Machinery,2013,41(2):75-78.

[6]孫騫,田啟忠,呂瑋,等.水平井管內(nèi)分段壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2012,40(5):92-96.Sun Qian,Tian Qizhong,Lü Wei,et al.Research and application of the horizontal multistage fracture technology[J].China Petroleum Machinery,2012,40(5):92-96.

[7]張磊,彭志剛,余金陵,等.非常規(guī)油氣壓裂球的研制及分析[J].石油與天然氣化工,2012,42(2):165-167.Zhang Lei,Peng Zhigang,Yu Jinling,et al.Preparation and structure analysis of unconventional oil/gas fracturing ball[J].Chemical Engineering of Oil &Gas,2012,42(2):165-167.

[8]Xu Zhiyue,Agrawal G,Salinas B J.Smart nanostructured materials deliver high reliability completion tools for gas shale fracturing[R].SPE 146586,2011.

[9]Zhang Zhihui,Xu Zhiyue,Salinas B J.High strength nanostructured materials and their oil field applications[R].SPE 157092,2012.

[10]Salinas B J,Xu Zhiyue,Agrawal G,et al.Controlled electrolytic metallics:An interventionless nanostructured platform[R].SPE 153428,2012.

[11]Mazyar O A,Johnson M,Guest R,et al.Method of controlling the corrosion rate of alloy particles,alloy particle with controlled corrosion rate,and articles comprising the particle:US,US2013/0029886 A1[P].2013-01-31.

[12]Agrawal G,Xu Zhiyue.Method of making and using multi-component disappearing tripping ball:US,US2013/0048304 A1[P].2013-02-28.

[13]Magnum Oil Tools International Ltd.Magnum fastball[EB/OL].[2014-04-02].http://www.magnumoiltools.com/index.php?id=96.

[14]亢海娟,李全安,周偉.鎂合金的腐蝕特性與防護(hù)措施[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2012,24(6):513-516.Kang Haijuan,Li Quan’an,Zhou Wei.Corrosion characteristic and protection measures of magnesium alloy[J].Corrosion Science and Protection Technology,2012,24(6):513-516.

[15]郭冠偉,蘇鐵健,譚成文,等.鎂合金腐蝕與防護(hù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝,2007,9:69-71.Guo Guanwei,Su Tiejian,Tan Chengwen,et al.Advances in research on corrosion and protection of magnesium alloys[J].New Technology &New Process,2007,9:69-71.

[16]許越,陳湘,呂祖舜,等.鎂合金表面的腐蝕特性及其防護(hù)技術(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,33(6):753-757.Xu Yue,Chen Xiang,Lü Zushun,et al.Corrosion characteristic and protection technique for Mg alloy[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2001,33(6):753-757.

[17]劉天模,盧立偉,劉宇.鎂合金塑性變形與斷裂行為的研究[EB/OL].(2008-06-06)[2014-04-06].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/ 2008/ 06/157/.Liu Tianmo,Lu Liwei,Liu Yu.A study on the deformation and fracture behaviors of Mg alloy[EB/OL].(2008-06-06)[2014-04-06].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2008/06/157/.

（編輯 胡葦瑋 繪圖 劉方方）

Disintegrating fracturing ball used in ball injection sliding sleeve for staged fracturing

Pei Xiaohan,Wei Songbo,Shi Bairu,Shen Zejun,Wang Xinzhong,Tong Zheng,Fu Tao
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &Development,Beijing 100083,China)

A disintegrating fracturing ball used for multi-stage fracturing stimulation was studied and developed,the disintegrating characteristics and mechanical properties of the disintegrating material were analyzed,and the ball was tested in both ground pressure test and field operation.The disintegrating material is an Mg-based alloy with the density of 1.8?2.0 g/cm3.The disintegrating material can dissolve in KCl solution and the disintegration rate increases with increasing temperature,while the disintegration rate is low in the guar gum fracturing fluid;the compressive strength of the disintegrating material can reach 360 MPa,and the material breaks when the deformation reaches 20% with a mixed ductile-brittle fracture.The ground pressure test shows that the ball can hold pressure of 70 MPa and keep for 4 hours under 80 ℃ with the sealing performance between fracturing ball and ball seat meeting operation needs.Field fracturing operation shows that the disintegrating fracturing ball demonstrates high quality performance during the operation and dissolves in-situ after fracturing,eliminating the operation risk that might be caused by fracturing ball flow-back,thereby decreasing production cost and saving operation time.

disintegrating material;fracturing ball;disintegration rate;compressive strength;bearing strength;staged fracturing

中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“油氣藏儲(chǔ)層改造技術(shù)重大現(xiàn)場攻關(guān)試驗(yàn)”（2013FCGYLGZ001）

TE357

：A

1000-0747(2014)06-0738-04

10.11698/PED.2014.06.14

裴曉含（1964-），男，陜西眉縣人，博士，中國石油勘探開發(fā)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事采油采氣工藝技術(shù)方面的研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號(hào)，中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所，郵政編碼：100083。E-mail：peixh@163.com

2014-05-09

2014-08-26