可溶橋塞在南川頁巖氣田的應用研究

夏海幫

（中國石化華東油氣分公司南川頁巖氣項目部，重慶408400）

南川頁巖氣田南川區(qū)塊是華東油氣分公司在重慶市境內(nèi)的主要頁巖氣勘查區(qū)塊，計劃“十三五”“十四五”期間在南川區(qū)塊累建產(chǎn)能3.2×109m3[1]。泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝是頁巖氣井大規(guī)模水力加砂分段壓裂過程中的重要一環(huán)，采用復合橋塞射孔聯(lián)作可以一趟快速完成橋塞坐封和地層射孔，是目前國內(nèi)外進行頁巖氣藏開發(fā)使用的重要儲層改造技術(shù)[2-3]，通過國內(nèi)外學者和科研機構(gòu)的大量攻關(guān)試驗，復合橋塞已經(jīng)完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并已在南川頁巖氣田使用20余井次。但是采用復合橋塞壓裂施工后，需通過連續(xù)油管鉆除并對井筒進行多次強磁打撈處理，才能為后續(xù)的采氣工藝提供合格的井筒條件。盡管國產(chǎn)化的復合橋塞降低了工具成本，但隨著勘探開發(fā)的進行，三維井眼、長水平段、上翹型水平井逐漸增多[4]，井眼軌跡控制難度增加，作業(yè)難度也隨之增加，使用連續(xù)油管鉆復合橋塞時易遇卡、強磁打撈次數(shù)增多、工時延長等問題凸顯[5-6]?？扇苄詷蛉鳛轫搸r氣水平井分段壓裂領(lǐng)域的一項新技術(shù)，該橋塞在壓裂施工結(jié)束后在返排液中自行溶解，無需鉆塞，可直接投產(chǎn)。目前國外威德福、貝克休斯、斯倫貝謝等許多石油公司均開展了可溶材料壓裂橋塞的相關(guān)研究，并已經(jīng)有了成型的整體可溶材料橋塞（價格超過5萬元/支），但國內(nèi)對可溶橋塞的研究較少。為此，中國石化華東油氣分公司針對目前南川頁巖氣田復合橋塞射孔聯(lián)作工藝的不足，結(jié)合頁巖氣井實際情況，通過優(yōu)選可溶橋塞并對施工工藝開展研究，進行了可溶橋塞射孔聯(lián)作工藝的試驗[7-8]，以期為該氣田壓裂技術(shù)提供新途徑，并形成成本低、效果好、安全風險低、可推廣應用的可溶橋塞射孔聯(lián)作工藝。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

可溶橋塞作為一種分段壓裂工具，與常見可鉆復合橋塞結(jié)構(gòu)相似，常采用通用投送工具進行投送，當泵送可溶橋塞到達預定層位后，通過火工品爆炸產(chǎn)生的推力推動推環(huán)，擠壓膠筒，帶動錐體擠壓卡瓦，當達到卡瓦的破裂壓力時，卡瓦向外移動，咬合套管，錐體與卡瓦形成自鎖，膠筒鼓脹與套管內(nèi)壁貼合，完成橋塞的丟手坐封。當需要對橋塞上部產(chǎn)層壓裂時，投球泵送到球座處密封后進行壓裂。通過調(diào)研不同類型可溶橋塞的性能，并結(jié)合經(jīng)濟成本，優(yōu)選出GC-1#型可溶橋塞，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[9]。

GC-1#型可溶橋塞主要由本體部分和膠筒部分組成，其中本體部分材質(zhì)主要為鎂基合金，由1—7，9—16組成；8為膠筒部分，材質(zhì)主要為定制可降解橡膠。GC-1#型可溶橋塞外徑為103mm，長度為521mm，耐溫系列為93/120℃，耐壓70 MPa，適用于內(nèi)徑為114.3～117.5 mm的套管；室內(nèi)實驗條件下橋塞在對應溫度含氯離子等電解質(zhì)溶液中7～15 d可以完全溶解[10]。

圖1 可溶橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of soluble bridge plug

1.2 溶解原理

1.2.1 本體溶解原理

可溶橋塞本體采用鎂基合金等材質(zhì)，一般以鎂和鋁為主，并含有不同程度的鋅或其他材質(zhì)。鎂和鋁都是第三周期的金屬元素，鎂或鋁原子的最外層分別有2個或3個電子，它們都容易失去最外層電子成為陽離子?？扇軜蛉淙芙庠碇饕獮殒V鋁合金在高礦化度液體環(huán)境中發(fā)生電化學腐蝕，以析氫腐蝕為主，金屬本體作為陽極，失去電子，變成金屬陽離子，如Mg2+、Al3+，呈溶解狀態(tài)。在pH值為8.5～11.5的堿性環(huán)境里鎂表面的氫氧化鎂、氧化鎂會形成保護膜，如式（1）所示。這層保護膜并不能長期提供保護作用，這層保護膜處于氯離子環(huán)境下或酸性溶液環(huán)境中也會因腐蝕開裂，同時溫度升高也會加速腐蝕[11]。

GC-1#型可溶橋塞由不同溶解速度的溶解材料組成，通過室內(nèi)實驗測試不同礦化度，不同溫度條件下，不同材料的溶解速率見圖2。

圖2 不同材料不同條件下溶解速率對比Fig.2 Comparison of dissolution rates of different materials under different conditions

從圖2中可以看出，同一類材料，溫度相同，礦化度越高，溶解速率越快；礦化度相同，溫度越高，溶解速率越快。從GC-1#型可溶橋塞室在60℃、3%KCl溶液條件腐蝕狀況（圖3）中可以看出，10 h后觀察可溶橋塞本體表面，在氯離子的作用下，鎂與水發(fā)生化學反應生成白色粉末狀的Mg（OH）2；24 h后，腐蝕進一步加深；30 h后，可溶橋塞本體樣品腐蝕嚴重，局部完全降解。

圖3 GC-1#型可溶橋塞本體材料在60℃、3%KCl溶液中不同時間下腐蝕狀況Fig.3 Corrosion status of GC-1#soluble bridge plug bulk material in 60℃and 3%KCl solution at different time

1.2.2 膠筒定制及溶解原理

由于氟橡膠具有強度高、耐高溫、耐酸堿、表面防水等特點，為同步滿足壓裂期間承壓和溶解性能，通過多次配方試驗，優(yōu)選出氟橡膠作為膠筒主體橡膠。可降解膠筒橡膠在定制過程中，首先在專用密煉設(shè)備中將氟橡膠以及一定比例的聚乙醇酸、可溶性金屬粉、木纖維等材料進行預加熱，同時對設(shè)備采用兩個不同速度進行特殊攪拌，在強力捏合、剪切、破碎、熔融等作用下，使它們能很好的融合分散均勻；在二次加工中添加雙酚硫化助劑，將氟橡膠和含有豐富羥基結(jié)構(gòu)的有機無機耐溫顏填料進行共混或者熱混合，充分發(fā)揮雙酚硫化助劑上的第三活性基團作用，與顏填料上的羥基結(jié)合形成獨立于彈性體分子鏈外的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有更高的交聯(lián)密度，從而提高了膠筒的承壓能力[12-13]。

膠筒溶解主要原理是木纖維素的加入使得水分借助木纖維的組織結(jié)構(gòu)，進入氟橡膠內(nèi)部，使得聚乙醇酸和可溶金屬粉末充分吸水產(chǎn)生化學反應形成水垢類物質(zhì)。從而溶解進水中，最終成塊的可溶橡膠以木纖維為裂縫快速分解為以氟橡膠為主的顆?；蛘邿o強度泥狀[14]。

結(jié)合井況，定制了耐溫120℃和93℃兩類可降解橡膠系列，性能參數(shù)見表1。

表1 定制可降解橡膠性能參數(shù)Table1 Performance parameters of customized biodegradable rubber

2 試驗情況

2.1 NC-3HF井基本情況

可溶橋塞于2018年5月在NC-3HF井進行了試驗。NC-3HF井是部署在上奧陶五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部的一口頁巖氣開發(fā)井，為下傾型井，主要穿行龍馬溪組三號小層，A靶點井深4 426 m，垂深3 372 m，井溫111.4℃；B靶點井深5 926 m，垂深3 616 m，井溫117.6℃。該井水平段長1 482 m，分20段壓裂施工。由于儲層埋深較深，施工壓力高，壓裂后鉆磨橋塞難度較大，因此，全井選用可溶橋塞射孔聯(lián)作分段改造工具。

2.2 可溶橋塞優(yōu)選及處理情況

NC-3HF井全井筒使用可溶橋塞進行分段壓裂，為更好地探索可溶橋塞的應用性能，分別選用了GC-1#型耐溫93℃橋塞14支，耐溫120℃橋塞5支。壓裂施工結(jié)束后，通過放噴溶解后再探塞檢查溶解情況，處理情況詳見表2。

2.3 施工情況

施工時，第1段采用連續(xù)油管傳輸射孔。第2段泵送射孔槍及第1支可溶橋塞至設(shè)計井深，泵送排量1.5～2.0 m3/min，泵送施工壓力34～56 MPa，對橋塞點火坐封后，起電纜至設(shè)計井深進行分簇射孔，射孔槍起出井口，在壓裂施工開始前，投25.4 mm可溶球，通過2 m3/h排量泵送可溶球進入球座，球快入座時可提前降低排量，球入座時，泵壓會驟增。球入座坐封后進行第2段壓裂，第3—20段重復第2段的壓裂流程。

表2 壓后可溶橋塞處理情況Table2 Treatment of soluble bridge plug after fracturing

3 可溶橋塞試驗效果評價

3.1 承壓性能分析

頁巖氣井使用投球式可溶橋塞壓裂，與球籠式可鉆橋塞相比，必須進行投球、送球操作。在確?？扇芮蛲度氩⑼ㄟ^井口后，受井眼軌跡、井內(nèi)流體、井筒沉砂等影響，可溶球一般無法自動快速到達球座，需要依靠液體推動進入球座，堵塞橋塞本體，使壓裂液轉(zhuǎn)向進入上部射孔段造縫，完成上部層位改造。一般泵送液量呈現(xiàn)井越深，壓力越高，液量越大的現(xiàn)象，反之則越少。可溶球到達球座位置后將導致井筒壓力快速上升，這一現(xiàn)象是承壓性能可靠的重要判斷依據(jù)。

NC-3HF井破裂壓力為69.8～88.1 MPa，平均80.7 MPa；開井壓力為14.2 ～ 23.5 MPa，平均19 MPa；破裂壓力與開井壓力差介于54.3～70.0 MPa，平均60.6 MPa；壓裂施工排量11.5～18 m3/min。壓裂施工中，地層破裂壓力大多為該段壓裂最高壓力，選用耐壓差70 MPa的可溶橋塞滿足壓裂期間的承壓要求。該井應用可溶橋塞壓裂投球送球排量介于1.5～2.0 m3/min，送球入座后起壓明顯，典型壓裂曲線見圖4。

圖4 NC-3HF井第17段壓裂曲線Fig.4 Fracturing curves of the 17th section of well NC-3HF

3.2 溶解效果分析

因同平臺井壓裂施工，本井壓裂施工結(jié)束后，放噴生產(chǎn)38 d，產(chǎn)液量由346 m3/d下降至5.54 m3/d，期間共產(chǎn)出液體1 049.5 m3，壓裂返排液氯離子濃度值從3 540 mg/L上升至13 404 mg/L，通過地面初步判斷可溶橋塞已基本溶解。為進一步驗證溶解效果，采用連續(xù)油管進行探塞驗證，檢查確認溶解情況，壓裂段7—20段井溫范圍為111.6～116.4℃，探塞情況表明7—20段使用的耐溫93℃的可溶橋塞完全溶解，無遇阻現(xiàn)象，溶解率100%；2—6段使用的耐溫120℃的可溶橋塞有輕微遇阻現(xiàn)象，可溶橋塞未完全溶解。通過分析可知，壓裂段2—6段井溫范圍為116.4～117.2℃，可溶橋塞耐溫系列為120℃，未完全溶解的主要原因是耐溫系列與井溫不完全匹配，最后未完全溶解橋塞部分通過連續(xù)油管成功鉆除，平均鉆磨時間僅為12 min。

3.3 經(jīng)濟評價

以NC-3HF井施工為例，全井筒分20段進行壓裂施工，需使用19支橋塞，分析使用復合橋塞和可溶橋塞兩類情況下，對比工具成本及鉆塞作業(yè)成本（表3）。

表3 復合橋塞和可溶橋塞成本對比 萬元Table3 Cost comparison of composite bridge plug and soluble bridge plugs

從表3中可以看出，NC-3HF井使用可溶橋塞相比使用復合橋塞可節(jié)約108.7萬元，同時還可以提前約10 d開始采氣生產(chǎn)，不僅經(jīng)濟效益突出，而且有利于壓裂施工整體提速提效。

4 結(jié)論

1）影響可溶橋塞壓裂性能和溶解性能的主要因素有溫度、溶液礦化度和溶解時間；室內(nèi)實驗結(jié)果表明，礦化度越高、溫度越高，可溶橋塞溶解速率越快。

2）可溶橋塞在NC-3HF井進行試驗應用，能夠滿足目前南川頁巖氣田大規(guī)模水力加砂壓裂的需求，壓裂可靠性較高；探塞驗證結(jié)果表明，耐溫93℃系列的可溶橋塞完全溶解，耐溫120℃系列的可溶橋塞部分溶解，井溫是優(yōu)選可溶橋塞的關(guān)鍵因素。

3）與傳統(tǒng)復合橋塞相比，使用可溶橋塞單井可節(jié)約成本108.7萬元，驗證了可溶橋塞在頁巖氣井分段壓裂中的可行性和經(jīng)濟性，對國內(nèi)外頁巖氣井壓裂施工降本增效有良好的應用推廣價值。