超深碳酸鹽巖裸眼分段完井可溶球研究與應用

黃亮 張永峰 張杰 魯剛 吳春洪 蔡小東

針對順北油田5號條帶超深碳酸鹽巖儲層裸眼分段完井工藝特點，研究設計了一種可控溶解的壓裂球，主要用以解決“高耐酸腐蝕性、高速溶解特性、耐高壓性能”等3個問題。可溶球采用“基體+涂層”結構，基體材料采用鎂鋁合金，涂層優選改性聚四氟乙烯+酚醛樹脂納米材料，并使用有機涂層對鎂鋁合金進行表面處理。對新研制的可溶球分別進行了承壓數值仿真分析、耐酸承壓測試和高溫溶解測試，最后在順北4-13H井進行了現場應用。研究結果表明：新研制的可溶球能夠承受高溫160 ℃、高壓70 MPa、耐酸且能高速溶解，平均溶解速率為7.19 g/h，完全溶解只需12 h左右，實現了壓裂時承壓、生產時快速溶解不堵塞通道的雙重要求，能有效提高可溶球在順北區塊裸眼分段完井工藝中的適用性和有效性，滿足現場使用需求。研究結果可為油田現場水平井分段完井工藝提供參考。

超深碳酸巖；裸眼井；壓裂球；分段完井；滑套；可溶解

Research and Application of Soluble Balls for Segregated Open Hole

Completion in Ultra-Deep Carbonate Reservoirs

According to the technological characteristics of segregated open hole completion in ultra-deep carbonate reservoir of No.5 belt in Shunbei oilfield，a controllable soluble fracturing ball was studied and designed to solve 3 problems such as high acid corrosion resistance，high-speed solubility and high-pressure resistance.A “base + coating” structure was adopted for the soluble ball： magnalium was used as base material，a modified teflon + phenolic resin nanophase material was selected for coating，and an organic coating was used to conduct surface treatment on magnalium.A pressure bearing numerical simulation analysis，an acid resistance pressure bearing test and a high-temperature dissolution test were conducted on the newly developed soluble balls respectively，and finally，they were applied in Well Shunbei 4-13H.The research results show that the newly developed soluble ball can withstand high temperature of 160 ℃，high pressure of 70 MPa，is resistant to acid，and can dissolve at high speed；the average dissolution rate is 7.19 g/h，and complete dissolution only takes about 12 h；it meets the dual requirements of pressure bearing during fracturing and fast dissolution during production without blocking the channel；it can effectively improve the applicability and effectiveness of soluble balls in segregated open hole completion process in the Shunbei block，and meet the needs of field application.The research results provide reference for the segregated completion technology of horizontal wells in the oilfield.

ultra-deep carbonate reservoirs;open holes；fracturing ball；segregated completion；sliding sleeve；soluble

0 引 言

順北油田位于塔河油田西南部，勘探面積19 979 km2，資源量17 億t。構造位于塔里木盆地北部坳陷中西部，處于阿瓦提坳陷與順托果勒低隆及沙雅隆起之間，屬于超深（＞7 500 m）、高溫（160～180 ℃）、高壓（90～140 MPa）、非均質性極強的斷溶體油氣藏［1］。其中順北5號帶前期完井工藝單一，常規的漏失井誘噴投產或籠統酸壓完井工藝對儲層動用不充分，導致單井產量低、開發效益差；這其中主要表現為斷裂帶分布關聯性弱、酸液向薄弱點流失，滑套成功率只有70%。針對油藏非均質特點，西北油田分公司正在推進超深水平井裸眼分段完井技術，釋放超深大斷裂帶產能，滿足油藏開發需求，實現長期穩產的目的。因此，相應的完井工具和配套工藝也需要不斷完善，相關配套技術優化的挑戰也越來越大［2］，其中用于分段壓裂的可溶解壓裂球首當其沖。

國內相關人員對裸眼分段壓裂投球滑套技術開展了各項研究［3-5］，其中多數研究是針對可鉆式投球滑套進行的［6-7］，少數學者對可溶球座或可溶球進行了相關研究［8］。其中，陳振宇［9］基于石油壓裂開采開展了可溶球座技術的研究；楊同玉等［10］對全自溶分段壓裂滑套進行了研制與應用；劉運樓等［11］研制了分段壓裂用可溶球，耐溫150 ℃，承壓70 MPa；裴曉含等［12］也研制了分段壓裂用可分解壓裂球，80 ℃下能承壓70 MPa，但是其一般溶解時間為10 d甚至更久，溶解效率偏低。綜上所述，現有的水平井裸眼分段壓裂可溶球并不能完全滿足順北油田5號帶超深碳酸鹽巖儲層裸眼分段完井工藝。為此，筆者針對順北油田高溫高壓超深井裸眼分段完井的特點及施工需求，設計了一種新的可溶壓裂球，并對其進行了相關研究及工程應用，用以提升國內超深水平井裸眼分段完井技術。

1 可溶球結構設計

根據順北5號帶分段酸壓對可溶球的要求，需要重點解決“高耐酸腐蝕性、高速溶解特性、耐高壓性能”等3個問題，從結構設計和材料優選等角度出發進行可溶球的設計，研制一種耐高溫高壓、耐酸、可控溶解的壓裂球，簡稱可溶球，以提高可溶球在順北區塊的適用性和有效性。

為達到高耐酸腐蝕性要求，使用鎂鋁合金防腐涂/鍍層技術，優選防腐涂層或鍍層，進行鎂鋁合金表面處理，確保其具有良好的耐高溫、耐酸、耐堿、耐鹽等性能，保證在壓裂過程中正常承壓。為達到高速溶解目的，從材質優選、結構設計2方面入手，優選在井筒介質中可快速溶解的可溶材質；從結構設計出發，確保球座被擊落后，可溶材質與井筒介質接觸后迅速溶解。耐高壓性能從與可溶球配套壓裂滑套結構設計出發，提高可溶球與壓裂滑套密封過程中的應力狀態，在保證通徑的情況下，提高可溶球的承壓性能。

首先，可溶球采用“基體+涂層”結構，如圖1所示。可溶解材料的基體可以是木材或木質材料、高分子材料、纖維材料、多孔陶瓷材料、鋁及其合金、鎂及其合金材料。從耐溫性能、材料強度、加工性能及降解能力等綜合考慮，研究設計的基體材料為鎂鋁合金，其金相顯微結構如圖2所示。

其次，為提高耐蝕性，鎂鋁合金在使用前要進行相關的表面處理。最常用的處理方法有化學轉化（鉻化酸鹽轉化膜、磷酸鹽轉化膜、磷酸鹽-高錳酸鹽轉化、稀土轉化）、陽極氧化（包括微弧陽極氧化）、金屬涂層、擴散涂層等［8］。由于上述幾種表面處理工藝分別存在表面不均勻、耐溫性能差、成本高等缺點，故考慮使用有機涂層對鎂鋁合金進行表面處理。有機涂層技術能夠提高鎂鋁合金的耐蝕性、耐磨性，而且與合金基體結合力低，在強腐蝕介質、沖刷、沖擊、高溫下容易脫落，能短時間保護金屬。

最后，涂層優選改性聚四氟乙烯+酚醛樹脂納米材料，具有耐高溫及耐酸性能，同時加入合適比例的橡膠粉末增強涂層韌性，在入井及承壓過程中能有效保護可溶基體。可溶球涂層厚度0.4～0.6 mm，耐溫200 ℃，耐強酸腐蝕，并與可溶合金球基體具有優良的結合性能。當球體與球座形成密封并承壓后，表面有機層發生破裂，基層合金材料開始溶解，涂層在高溫環境下6～10 h（可根據現場需求調整）后會發生老化、鼓包、自行剝落。

2 可溶球承壓數值仿真

利用有限元仿真軟件對新設計的可溶球進行承壓模擬仿真［13-14］，從理論角度研究可溶球的承壓能力與強度。首先建立可溶球與球座的有限元仿真分析模型，并劃分網格，如圖3所示；對可溶球體采用六面體實體單元網格C3D8R，球座下部及上表面采用六面體網格，球座與球體接觸區域不規則，無法使用六面體網格，所以對球座接觸區域采用四面體網格進行劃分；對球座底部施加完全約束，可溶球體與球座之間設置為硬接觸，在可溶球上表面施加壓力p，得到可溶球承壓應力分布云圖，如圖4所示。由圖4可知，在額定承壓70 MPa工況下，可溶球的最大等效應力為162.3 MPa，小于可溶球基體材料的屈服強度200 MPa，說明在70 MPa的工況下，可溶球強度可靠，滿足工程需求。

為進一步了解可溶球的承壓性能，開展50～90 MPa工況下可溶球的承壓性能仿真分析［15-16］，得到可溶球的最大應力和最大應變與承壓載荷之間的關系曲線，如圖5所示。由仿真結果可知，隨著載荷的不斷增大，可溶球的最大應力也增大，基本上呈線性關系；可溶球的最大應變先增大后趨于穩定。當載荷為70 MPa時，可溶球最大應力距離其屈服強度有37.7 MPa的落差，安全系數18.85%，由此可知可溶球相對比較安全；當載荷為80 MPa時，可溶球最大應力雖然小于200 MPa，但是距離其屈服強度只有7.6 MPa的落差，安全系數3.8%，由此可知可溶球瀕臨失效，在該載荷下可溶球并不是非常可靠；當載荷達到90 MPa時，可溶球最大應力已超過其屈服強度，發生失效。

3 可溶球性能評價測試

為驗證可溶球的各項性能指標是否滿足現場使用需求，對新研制的可溶球分別進行耐酸承壓測試和高溫溶解測試。

3.1 耐酸承壓測試

44.45 mm的壓裂球經涂層處理后如圖6a所示。

在120 ℃、20%地面交聯酸（配方：20.0% HCl+0.8% SRAP-1稠化劑+1.0% SRAC-2交聯劑+3.0% SRAI-1緩蝕劑+1.0% SRAF-1鐵離子穩定劑+1.0% SRAD-1破乳劑+0.05% SRAB-1破膠劑）環境下逐漸加壓至70 MPa，并穩壓6 h，120 ℃的承壓曲線如圖7所示。由圖7可知，可溶球在該工況下壓力基本穩定，沒有明顯壓降，說明耐酸承壓測試成功。將溫度降至90 ℃，再次在20%的地面交聯酸環境下加壓至70 MPa，并穩壓4 h，90 ℃的承壓曲線如圖8所示。由圖8可知，可溶球在該工況下壓力比較穩定，沒有明顯壓降，說明耐酸承壓測試成功。耐酸承壓測試后的可溶球如圖6b所示，相比于使用前，承壓測試后的可溶球的上表面由于在高溫下浸泡于酸液中，發生了明顯的老化，球座接觸區域以下的表面未和酸液接觸，但是在高溫環境下發生了明顯的變色。總體來講，耐酸承壓測試表明新研制的可溶球承壓指標符合現場使用需求，能夠在高溫強酸環境下承受70 MPa的壓力。

3.2 高溫溶解測試

為驗證可溶球的溶解性能，利用完成承壓測試后的可溶球在順北油田的地層水（順北5區1號聯合站未經處理的產出水）和清水中繼續進行高溫溶解測試試驗，溶解試驗后的可溶球如圖6c所示。可溶球在油田地層水和清水中的溶解性能測試曲線分別如圖9和圖10所示。由圖9可知，可溶球在160 ℃下的油田地層水中溶解前的質量為81.7 g，溶解5 h后的質量為45.75 g，5 h累計溶解44%，平均溶解速率為7.19 g/h；由圖10可知，可溶球在160 ℃下的清水中溶解前的質量為45.75 g，溶解66 h后的質量為37.97 g，平均溶解速率為0.118 g/h，66 h累計溶解17%。由此可見，可溶球在油田地層水中的平均溶解速率是清水中的60.93倍，地層水中的溶解速率明顯高于清水。根據油田地層水中的平均溶解速率計算，可溶球完全溶解約需12 h左右，能夠滿足順北油田超深碳酸鹽巖儲層分段完井的工程需求。

4 現場應用

針對順北5號帶超深碳酸鹽巖裂縫、溶蝕孔洞型儲層本質易漏、長水平段固井質量無法保證、井眼條件差等問題，通過研制關鍵工具，為保障超深井滑套打開一次成功率，利用研制的可溶球開啟投球滑套。以順北4-13H井為例，2022年8月8日，江漢壓裂107隊對該井采用“懸掛式封隔器+高性能擴張式裸眼封隔器+投球滑套+壓裂滑套+可溶壓裂球”的裸眼分段完井工藝進行完井施工，施工井段7 564.00～8 659.11 m，施工工藝管柱如圖11所示。該管柱實現了分三段的目標，可溶球的級差為6.35 mm。為保障裸眼封隔器的性能穩定，3個裸眼封隔器坐封位置依次如下。

1#裸眼封隔器，8 445～8 455 m（井徑170.2～172.7 mm，平均171.2 mm；井徑擴大率3.070%～4.585%，平均3.678%）。

2#裸眼封隔器，8 250～8 260 m（井徑169.4～176.6 mm，平均171.0 mm；井徑擴大率2.600%～6.938%，平均3.570%）。

3#裸眼封隔器，7 905～7 915 m（井徑169.4～173.8 mm，平均170.5 mm；井徑擴大率2.585%～5.277%，平均3.292%）。

4-13H井壓裂施工工具依次按照設計要求完成了規定動作，成功率100%，為儲層改造提供了通道。封隔器與投球滑套工作數據見表1。

該井酸壓施工總液量為2 535 m3，最高排量10.3 m3/min，最高泵壓134.8 MPa，停泵壓力11.5 MPa，可溶球在順北5號帶超深碳酸鹽巖儲層裸眼分段完井工藝中應用成功。測試求產情況：該井采用13 mm油嘴求產，油壓52.83 MPa，天然氣測試產量99.87×104 m3/d，日產油288 m3，折算油氣當量1 017 t/d。

5 結 論

（1）針對順北5號帶超深碳酸鹽巖儲層分段完井工藝研制了一種耐高溫、高壓、耐酸、可控溶解的壓裂球。可溶球采用“基體+涂層”結構，基體材料為鎂鋁合金，并使用有機涂層對基體進行表面處理，實現了壓裂時承壓、生產時快速溶解不堵塞通道的雙重要求，能夠有效提高可溶球在順北區塊裸眼分段完井工藝中的適用性和有效性。

（2）室內評價測試結果進一步驗證了可溶球的耐酸承壓性能和高溫溶解效率，平均溶解速率為7.19 g/h，可溶球完全溶解大概只需12 h，并成功應用于順北4-13H井。應用結果表明可溶球滿足超深碳酸鹽巖儲層分段完井的現場使用需求。

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