低溫低礦化度可溶橋塞研究及應用

趙爍，李鵬輝，李云濤，王玉明，劉亞軍，楊麗霞

（中國石油吐哈油田公司 工程技術研究院，新疆 鄯善838202）

0 引言

近年來，可溶橋塞壓裂技術得到不斷發展，已經漸漸取代了復合橋塞壓裂技術。可溶橋塞的優勢主要體現在其全可溶、無需鉆塞、節約施工成本、降低作業風險，而其溶解速度主要受地層的溫度和礦化度的影響，溫度和礦化度越高，其溶解速度越快[1-5]。目前，吐哈油田水平井體積壓裂主要集中在三塘湖油田，該油田具有溫度低（20～70 ℃），礦化度低（氯離子濃度1000～3000 mg/L）等特點，不利于可溶橋塞溶解，目前國內外應用的可溶橋塞無法滿足三塘湖油田施工需求。為此，開展了低溫低礦化度可溶橋塞研究，以期解決橋塞溶解速率難題，降低作業成本，促進油田經濟高效發展。

1 低溫低礦化度可溶橋塞介紹

1.1 結構

低溫低礦化度可溶橋塞主要由坐封球、中心管、膠筒、膠筒護環、防坐剪釘、錐體、卡瓦、引鞋、坐封環、坐封剪釘等組成，如圖1所示。所有部件均可在溶液中溶解，其中坐封球等金屬部分采用鎂鋁合金制成[6]，膠筒采用可溶橡膠（PLA、PGA）制成[7-9]。

1.2 工作原理

圖1 低溫低礦化度可溶橋塞結構圖

將低溫低礦化度可溶橋塞與電纜坐封工具或者油管坐封工具下到設計深度后，啟動坐封工具。坐封工具推力傳遞到坐封套擠壓橋塞，在推力作用下首先剪斷防坐剪釘，擠壓膠筒和卡瓦，使膠筒臌脹貼合套管內壁密封環空通道，卡瓦延錐體移動破裂咬合在套管壁上，從而固定橋塞，然后在推力作用下剪斷坐封剪釘，完成橋塞丟手。壓裂時，投入坐封球，泵送坐封球到中心管上端密封面形成密封，封堵中心通道，從而實現對上下層的封隔；壓裂后，在返排液中，橋塞自溶解，最終實現套管全通徑。

1.3 技術參數

目前，主要配套3種尺寸規格低溫低礦化度可溶橋塞，在溫度20～70 ℃，氯離子濃度≤3000 mg/L條件下，橋塞可以全部溶解。其技術參數如表1所示。

表1 低溫低礦化度可溶橋塞技術參數

1.4 施工步驟

1）將低溫低礦化度可溶橋塞連接到電纜坐封工具上或者液壓坐封工具上，下至設計深度，使用井下工具串上的定位工具定位，在設計深度的位置點火坐封或者打壓坐封；2）電纜點火射孔或者液壓打壓射孔，溝通產層；3）從套管或者油管進行壓裂作業，對產層進行改造，達到增產效果；4）重復步驟1）～步驟4）實現多段壓裂；5）壓裂施工結束后，低溫低礦化度可溶橋塞自溶解，實現套管全通徑。

2 室內試驗

2.1 承壓試驗

為了確保低溫低礦化度可溶橋塞在三塘湖區塊現場試驗成功，選用該區塊極限條件進行試驗。將低溫低礦化度可溶橋塞與液壓坐封工具相連，放入裝滿氯離子濃度為3000 mg/L的試驗井筒中，打壓坐封、丟手橋塞，其坐封壓力為10 MPa，如圖2所示。將試驗井筒中溶液溫度加熱到70 ℃，持續浸泡橋塞12 h，然后投入坐封球，依次打壓至70 MPa并穩壓觀察，壓力幾乎無變化，密封良好，如圖3所示。

圖2 橋塞坐封曲線

2.2 溶解試驗

為了驗證可溶橋塞膠筒及本體在低溫條件和不同礦化度溶液中的溶解性能，選擇在25 ℃條件下開展室內溶解試驗。

2.2.1 膠筒溶解試驗

取低溫低礦化度橋塞膠筒試樣73.01 g，放入25 ℃的清水中，每隔12 h取出膠筒試樣進行稱重，直至膠筒試樣完全溶解。膠筒試樣溶解試驗記錄如表2所示，稱重記錄如圖4所示。

圖3 橋塞承壓曲線

表2 膠筒試樣溶解試驗記錄

試驗表明：在溫度25 ℃條件下，73.01 g膠筒試樣完全溶解時間為168 h。

2.2.2 本體溶解試驗

圖4 膠筒試樣溶解試驗稱重記錄

取低溫低礦化度橋塞本體試樣3份，每份質量均為38.65 g，分別放入清水、0.5%KCl溶液（氯離子濃度2385 mg/L）、1%KCl溶液（氯離子濃度4770 mg/L）的溶液中，每隔12 h取出本體試樣進行稱重，直至本體試樣完全溶解。

本體試樣在清水中的溶解試驗記錄如表3所示，稱重記錄如圖5所示。

表3 本體試樣溶解試驗記錄（清水）

試驗表明：在溫度25 ℃條件下，38.65 g本體試樣在清水中完全溶解時間約288 h。

本體試樣在0.5%KCl溶液中的溶解試驗記錄如表4所示，稱重記錄如圖6所示。

表4 本體試樣溶解試驗記錄（0.5%KCl）

圖6 本體試樣溶解試驗稱重記錄（0.5%KCl）

試驗表明：在溫度25 ℃條件下，38.65 g本體試樣在0.5%KCl溶液中完全溶解時間約108 h。

本體試樣在1%KCl溶液中的溶解試驗記錄如表5所示，稱重記錄如圖7所示。

表5 本體試樣溶解試驗記錄（1%KCl）

圖7 本體試樣溶解試驗稱重記錄（1%KCl）

試驗表明：在溫度25 ℃條件下，38.65 g本體試樣在1%KCl溶液中完全溶解時間約84 h。

試驗結論：1）低溫低礦化度可溶橋塞材料在清水中即可溶解，溶解速度緩慢；2）隨著氯離子濃度不斷升高，其溶解速度逐漸加快，如圖8所示。

圖8 不同礦化度下可溶橋塞試樣溶解曲線

3 現場應用及效果

3.1 NDP-XX井井況

NDP-XX井位于三塘湖采油廠牛東區塊，該井井深2147 m，井斜87°，垂深1470.95 m，水平段長525 m，溫度梯度2.68 ℃/100 m，返排液氯離子濃度1200 mg/L。套管外徑139.7 mm、內徑121.36 mm，鋼級P110。根據溫度梯度計算，目的層溫度在38 ℃左右。按照工藝要求，該井設計使用低溫低礦化度可溶橋塞完成5段壓裂施工。

3.2 NDP-XX施工情況

2019年4月6日，低溫低礦化度可溶橋塞在NDP-XX井開展現場試驗，共下入4級低溫低礦化度可溶橋塞。該井入井總液量2615.5 m3，入井總砂量491.9 m3，施工排量8.6～9.2 m3/min，施工最高壓力41.1 MPa，順利完成壓裂施工。壓裂25 d后，該井壓力落零，進行轉抽作業，對低溫低礦化度可溶橋塞進行探塞，整個探塞過程無遇阻，證實了低溫低礦化度橋塞已經全部溶解。

3.3 推廣應用效果

NDP-XX井試驗成功后，繼續在三塘湖區塊推廣應用低溫地礦化度可溶橋塞。截止到目前，已經累計應用51井次、262段，其中30井次、154段已經進行探塞，探塞過程全部無遇阻，真正實現了免鉆塞作業[10]，降低作業成本。

4 結論及認識

1）低溫低礦化度可溶橋塞滿足承壓差70 MPa，在溫度20～70 ℃、氯離子濃度1000～3000 mg/L條件下，可以實現橋塞全部溶解。

2）低溫地礦化度可溶橋塞在三塘湖油田應用取得成功，實現了免鉆塞作業，有效解決了復合橋塞鉆塞卡鉆、對套管產生傷害等施工風險，提高了生產效率，具備推廣應用的條件。

3）可溶橋塞其優勢主要體現在全可溶，從而有效降低作業成本，因此在選擇可溶橋塞產品時，應確定該區塊油藏溫度、氯離子濃度等條件，確保壓裂施工成功后，可溶橋塞完全溶解。