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        可降解壓裂堵球的研究與應用

        2019-04-25 01:46:12王熹穎
        鉆采工藝 2019年2期
        關鍵詞:鋁鎂合金直井油氣藏

        王熹穎

        (中國石油吉林油田分公司)

        壓裂技術是油氣藏增產(chǎn)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(yè)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(fā)現(xiàn)及動用的區(qū)塊皆為非常規(guī)致密油氣藏,直井分層、水平井分段大規(guī)模壓裂改造經(jīng)先期試驗到規(guī)模應用推廣,證實了其提高產(chǎn)能的有效性[6-8]。但因常規(guī)壓裂堵球密度大、滯留井筒且難以降解,壓后產(chǎn)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(chǎn)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(guī)致密油氣藏開發(fā)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(jīng)過Fe、Ni、Cu、Co及稀土元素的合金化及熱處理,實現(xiàn)優(yōu)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(tài):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?;?,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(chǎn)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(chǎn)能發(fā)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(yōu)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(fā)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(tài)中具有在一定溫度下耐高壓差的能力。因此設計實驗:環(huán)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(wěn)定性。圖1可以看出其壓力穩(wěn)定性較好,在260 min的測試中壓力保持穩(wěn)定,且圖2可以看出堵球未發(fā)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(wěn)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(huán)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(jīng)20 d降解,最大直徑12.42 mm,質量由44.68 g降至1.79 g,實現(xiàn)完全降解。

        隨著原油、天然氣的生產(chǎn),地層產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(huán)境可以看做無限大pH值穩(wěn)定的腐蝕系統(tǒng)。因此,該可降解壓裂堵球在壓裂施工后可以實現(xiàn)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(xù)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(xiàn)場應用69井243層(段),未出現(xiàn)堵塞井筒或井口等影響后期生產(chǎn)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(yōu)良的機械性能與可降解性能,可以滿足壓裂施工現(xiàn)場需求。

        (2)經(jīng)室內實驗及現(xiàn)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(xù)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(huán)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(xiàn)場應用表明,可降解壓裂堵球滿足現(xiàn)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(yōu)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。

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