可降解壓裂堵球的研究與應用

王熹穎

(中國石油吉林油田分公司)

壓裂技術是油氣藏增產的一項主要措施，尤其致密油氣藏需要進行直井多層或水平井多段壓裂才能獲得工業油氣流[1-5]。吉林油田屬于典型低孔、低滲、低豐度的“三低”油氣藏，目前新發現及動用的區塊皆為非常規致密油氣藏，直井分層、水平井分段大規模壓裂改造經先期試驗到規模應用推廣，證實了其提高產能的有效性[6-8]。但因常規壓裂堵球密度大、滯留井筒且難以降解，壓后產能受到一定的抑制，而且其鉆除費用高，占井周期長，也會影響產能[9-11]。針對該問題，開展機械性能好且可降解的壓裂堵球的研究，對于有效提高非常規致密油氣藏開發壓裂工藝實施效率具有重要意義。

一、技術原理

鋁、鎂具有較高的比強度、比剛度以及非常高的電化學性質，經過Fe、Ni、Cu、Co及稀土元素的合金化及熱處理，實現優良機械強度及較快腐蝕降解速率[12-14]，可以滿足制造可降解壓裂堵球的需求。

鋁鎂合金通過合適的固溶處理工藝形成兩種相態：基體α相和晶界處的β相，α相性質活潑，易于腐蝕，β相是耐腐蝕相，阻礙鋁鎂合金的腐蝕作用，但β相與α相可組成腐蝕電池加速α相腐蝕。通過固溶處理增加α相，增加鋁鎂合金硬度，達到耐高壓差的目的，并使鋁鎂合金中β相分布顆粒化，形成微小原電池，促進鋁鎂合金腐蝕。另外，鋁鎂合金在含有氯化物的水中，其表面耐腐蝕氧化膜易形成破壞而產生點蝕，并且套管、油管、壓裂工具為低腐蝕速率鋼材，與鋁鎂合金接觸形成原電池，加速其腐蝕降解。

二、可降解壓裂堵球性能評價

目前壓裂堵球在大型壓裂施工過程中需承受4 h的高壓差，施工完成后為不影響壓后產能發揮需盡快降解至直徑小于球座內徑，所以制造材料應具備短時優良的機械強度和較快的自降解速率。

1.機械性能

按照GB/T 228.1-2010標準進行室溫下金屬材料拉伸試驗，鎂鋁合金可降解材料室溫抗拉強度396 MPa，形變量達到22%發生斷裂。

可降解壓裂堵球的主要作用是壓裂施工時封堵前期施工層段，要求其在工作狀態中具有在一定溫度下耐高壓差的能力。因此設計實驗：環境溫度150℃，壓裂堵球上下壓差70 MPa，觀察該壓差下可降解壓裂堵球的耐壓差穩定性。圖1可以看出其壓力穩定性較好，在260 min的測試中壓力保持穩定，且圖2可以看出堵球未發生破損，這說明該堵球可以滿足溫度和壓力的要求。

圖1 可降解球的耐溫、耐壓差穩定性曲線

圖2 可降解球耐溫、耐壓差實驗前后對比圖

2.降解性能

2.1 腐蝕液體對降解性能影響

為了研究不同腐蝕液體對可降解壓裂堵球降解性能的影響，設計壓裂施工中常用三種液體在恒溫水浴90℃進行實驗，腐蝕反應如圖3所示。

圖3 可降解球在不同介質中反應情況

實驗用三種液體分別為：

a自來水(礦化度300～350 mg/L，Cl-含量40～50 mg/L)；b模擬地層水(礦化度5 000 mg/L，Cl-含量1 000 mg/L)；c壓裂破膠液(礦化度600～700 mg/L，Cl-含量150～200 mg/L)。

隨著自來水、壓裂破膠液、模擬地層水三種反應液體礦化度與成分復雜性越來越高，可降解球腐蝕速度明顯變快。

2.2 室內實驗降解效果

將可降解球置于模擬地層水500 mL中(每天進行更換)，在環境溫度90℃下觀察其質量、最大直徑變化情況，實驗結果如圖4所示。

圖4 可降解球降解變化曲線

從圖4中可以看出，可降解球原始直徑為35 mm，第5 d降解至最大直徑31.8 mm，小于球座直徑(32 mm)，封堵失效。經20 d降解，最大直徑12.42 mm，質量由44.68 g降至1.79 g，實現完全降解。

隨著原油、天然氣的生產，地層產出的大量地層水中Cl-含量較高(一般500～20 000 mg/L)，具有加速可降解壓裂堵球腐蝕的作用，Cl-在反應中起橋梁作用，腐蝕反應產物為Al(OH)3、Mg(OH)2等堿性物質，待反應體系pH值達到11以上時，腐蝕反應將會被抑制[15]。而相對于井筒中數個可降解球，大量的、流動的壓裂液及地層水組成的井底腐蝕環境可以看做無限大pH值穩定的腐蝕系統。因此，該可降解壓裂堵球在壓裂施工后可以實現迅速、完全降解。

三、壓裂施工及壓后效果

吉林油田L3井儲層埋深3 800～4 300 m，儲層溫度135℃～150℃，采用套管注入，套內丟開式分層壓裂工具+可降解球工藝三層分壓合試，施工排量6～14 m3/min，施工壓力60～85 MPa，總加砂量280 m3，總液量4 650 m3，L3井施工曲線如圖5。

L3井三層分壓，投2個可降解堵球，兩級滑套開啟過程壓力波動明顯，地面壓力升高10～12 MPa后馬上回落；壓后初期油嘴直徑8 mm日排液100～200 m3，排液順暢。另外，壓后25 d采用連續油管下探至人工井底，下放全過程無阻滯，證明可降解球完全溶解。

可降解壓裂堵球現場應用69井243層(段)，未出現堵塞井筒或井口等影響后期生產的問題，有效保障了直井分層、水平井分段壓裂改造技術的實施效果。

圖5 L3井施工曲線

四、結論與認識

(1)研究形成可降解壓裂堵球，具有優良的機械性能與可降解性能，可以滿足壓裂施工現場需求。

(2)經室內實驗及現場驗證可降解壓裂堵球可以滿足地層溫度150℃，耐壓差70 MPa，連續壓裂施工4 h以上的需求。

(3)可降解壓裂堵球在高含Cl-、較低pH值的環境，降解速度較快，降解5 d壓裂堵球直徑即可完全小于球座內徑，反應20～30 d即可完全降解。

(4)現場應用表明，可降解壓裂堵球滿足現場壓裂施工需求，較普通不可降解堵球在壓后返排保障井筒通暢方面具有較大優勢，有效保障了直井分層、水平井分段壓裂改造技術的實施效果。