夏海帮
【摘 要】为解决页岩气水平井分段压裂使用连续油管钻复合桥塞时容易遇卡、强磁打捞次数多、工时长等问题,对可溶桥塞的结构和溶解原理进行了深入分析,并根据影响可溶桥塞压裂性能和溶解性能的关键因素,优选了不同耐温性能的可溶桥塞在南川页岩气田进行现场试验.试验结果表明,可溶桥塞在温度112℃下可承压差70 MPa,耐温93℃的桥塞可完全溶解,耐温120℃的桥塞只能部分溶解,与传统复合桥塞相比,单井可节约成本108.7万元.最后得出了影响可溶桥塞压裂性能和溶解性能的主要因素有温度、溶液矿化度和溶解时间,矿化度越高、温度越高,可溶桥塞溶解速率越快,尤其井温对可溶桥塞的溶解效果至关重要.并验证了可溶桥塞在页岩气井分段压裂中的可行性和经济性,对页岩气井压裂施工降本增效有良好的推广应用价值. 【期刊名称】《油气藏评价与开发》
【年(卷),期】2019(009)004
【总页数】linux操作系统论文5页(P79-82,88)
【关键词】南川页岩气田;井温;可溶桥塞;分段压裂;降本增效
【作 者】天津师大夏海帮
【作者单位】中国石化华东油气分公司南川页岩气项目部,重庆408400
双膝之间1984【正文语种】中 文
【中图分类】TE37
南川页岩气田南川区块是华东油气分公司在重庆市境内的主要页岩气勘查区块，计划“十三五”“十四五”期间在南川区块累建产能3.2×109m3[1]。泵送桥塞射孔联作工艺是页岩气井大规模水力加砂分段压裂过程中的重要一环，采用复合桥塞射孔联作可以一趟快速完成桥塞坐封和地层射孔，是目前国内外进行页岩气藏开发使用的重要储层改造技术[2-3]，通过国内外学者和科研机构的大量攻关试验，复合桥塞已经完全实现了国产化，并已在南川页岩气田使用20余井次。但是采用复合桥塞压裂施工后，需通过连续油管钻除并对井筒进行多
次强磁打捞处理，才能为后续的采气工艺提供合格的井筒条件。尽管国产化的复合桥塞降低了工具成本，但随着勘探开发的进行，三维井眼、长水平段、上翘型水平井逐渐增多[4]，井眼轨迹控制难度增加，作业难度也随之增加，使用连续油管钻复合桥塞时易遇卡、强磁打捞次数增多、工时延长等问题凸显[5-6]。可溶性桥塞作为页岩气水平井分段压裂领域的一项新技术，该桥塞在压裂施工结束后在返排液中自行溶解，无需钻塞，可直接投产。目前国外威德福、贝克休斯、斯伦贝谢等许多石油公司均开展了可溶材料压裂桥塞的相关研究，并已经有了成型的整体可溶材料桥塞（价格超过5万元/支），但国内对可溶桥塞的研究较少。为此，中国石化华东油气分公司针对目前南川页岩气田复合桥塞射孔联作工艺的不足，结合页岩气井实际情况，通过优选可溶桥塞并对施工工艺开展研究，进行了可溶桥塞射孔联作工艺的试验[7-8]，以期为该气田压裂技术提供新途径，并形成成本低、效果好、安全风险低、可推广应用的可溶桥塞射孔联作工艺。
1 结构及原理
1.1 基本结构
地源热泵案例可溶桥塞作为一种分段压裂工具，与常见可钻复合桥塞结构相似，常采用通用投送工具进
行投送，当泵送可溶桥塞到达预定层位后，通过火工品爆炸产生的推力推动推环，挤压胶筒，带动锥体挤压卡瓦，当达到卡瓦的破裂压力时，卡瓦向外移动，咬合套管，锥体与卡瓦形成自锁，胶筒鼓胀与套管内壁贴合，完成桥塞的丢手坐封。当需要对桥塞上部产层压裂时，投球泵送到球座处密封后进行压裂。通过调研不同类型可溶桥塞的性能，并结合经济成本，优选出GC-1#型可溶桥塞，结构示意图见图1[9]。
富士j25GC-1#型可溶桥塞主要由本体部分和胶筒部分组成，其中本体部分材质主要为镁基合金，由1—7，9—16组成；8为胶筒部分，材质主要为定制可降解橡胶。GC-1#型可溶桥塞外径为103mm，长度为521mm，耐温系列为93/120℃，耐压70 MPa，适用于内径为114.3～117.5 mm的套管；室内实验条件下桥塞在对应温度含氯离子等电解质溶液中7～15 d可以完全溶解[10]。
图1 可溶桥塞结构示意图Fig.1 Structure of soluble bridge plug1.球座；2.推环；3.卡瓦圈；4.上卡瓦齿；5.上卡瓦本体；6.上锥体；7.安全销钉；8.下护碗；9.胶筒；10.中护碗；11.下锥体；12.下卡瓦本体；13.下卡瓦齿；14.防磨齿；15.防撞环；16.防转销钉
1.2 溶解原理
1.2.1 本体溶解原理
可溶桥塞本体采用镁基合金等材质，一般以镁和铝为主，并含有不同程度的锌或其他材质。镁和铝都是第三周期的金属元素，镁或铝原子的最外层分别有2个或3个电子，它们都容易失去最外层电子成为阳离子。可溶桥塞其溶解原理主要为镁铝合金在高矿化度液体环境中发生电化学腐蚀，以析氢腐蚀为主，金属本体作为阳极，失去电子，变成金属阳离子，如Mg2+、Al3+，呈溶解状态。在pH值为8.5～11.5的碱性环境里镁表面的氢氧化镁、氧化镁会形成保护膜，如式（1）所示。这层保护膜并不能长期提供保护作用，这层保护膜处于氯离子环境下或酸性溶液环境中也会因腐蚀开裂，同时温度升高也会加速腐蚀[11]。
GC-1#型可溶桥塞由不同溶解速度的溶解材料组成，通过室内实验测试不同矿化度，不同温度条件下，不同材料的溶解速率见图2。
右派分子图2 不同材料不同条件下溶解速率对比Fig.2 Comparison of dissolution rates of different materials under different conditions
从图2中可以看出，同一类材料，温度相同，矿化度越高，溶解速率越快；矿化度相同，温
度越高，溶解速率越快。从GC-1#型可溶桥塞室在60℃、3%KCl溶液条件腐蚀状况（图3）中可以看出，10 h后观察可溶桥塞本体表面，在氯离子的作用下，镁与水发生化学反应生成白粉末状的Mg（OH）2；24 h后，腐蚀进一步加深；30 h后，可溶桥塞本体样品腐蚀严重，局部完全降解。
图3 GC-1#型可溶桥塞本体材料在60℃、3%KCl溶液中不同时间下腐蚀状况Fig.3 Corrosion status of GC-1#soluble bridge plug bulk material in 60℃and 3%KCl solution at different time
1.2.2 胶筒定制及溶解原理
由于氟橡胶具有强度高、耐高温、耐酸碱、表面防水等特点，为同步满足压裂期间承压和溶解性能，通过多次配方试验，优选出氟橡胶作为胶筒主体橡胶。可降解胶筒橡胶在定制过程中，首先在专用密炼设备中将氟橡胶以及一定比例的聚乙醇酸、可溶性金属粉、木纤维等材料进行预加热，同时对设备采用两个不同速度进行特殊搅拌，在强力捏合、剪切、破碎、熔融等作用下，使它们能很好的融合分散均匀；在二次加工中添加双酚硫化助剂，将氟橡胶和含有丰富羟基结构的有机无机耐温颜填料进行共混或者热混合，充分发挥双酚
硫化助剂上的第三活性基团作用，与颜填料上的羟基结合形成独立于弹性体分子链外的交联结构，具有更高的交联密度，从而提高了胶筒的承压能力[12-13]。
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