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(中石化石油機械股份有限公司，武漢 430075)

水平井分段壓裂是頁巖氣開發(fā)儲層改造的核心技術，國內外常規(guī)方法是復合橋塞分段壓裂，為了后期生產測井，必須采用連續(xù)油管把橋塞全部鉆磨掉。 隨著涪陵地區(qū)頁巖氣勘探向深層頁巖氣開發(fā)，采用連續(xù)油管鉆磨復合橋塞已經不能滿足深層頁巖氣勘探開發(fā)的需求。因此，實現大通徑橋塞[1]的國產化以及免鉆除工藝，是頁巖氣田降本增效的方法之一。大通徑橋塞的核心技術就是可降解壓裂球[2]，隨著致密氣和頁巖氣開發(fā)的逐步推進和深入，能溶解的分段壓裂球備受重視[3]。

可降解壓裂球在工作時需要承受近150 ℃ 以上的高溫和超過70 MPa 的壓差，而且其受壓差作用時受力面積極小，所以對壓裂球的熱穩(wěn)定性能和機械強度要求高。本文通過試驗研究，分析了可降解金屬材料和可降解非金屬材料的降解機理，研究了可降解球的承壓性能，在不同溫度，不同溶液濃度，不同電解質溶液中的降解性能，為大通徑橋塞和循環(huán)滑套提供了技術方案，為全可溶橋塞的研發(fā)提供了技術依據。

1 可降解壓裂球的性能要求

1.1 可降解壓裂球的主要技術參數

根據現場施工的需要，可降解球的性能要求為：①密度，1.8～1.9 g/cm3；②耐溫，大于150 ℃；③耐壓，抗壓強度大于70 MPa；④可降解，且溶解時間可控，在含Cl-等電解質溶液中溶解。

1.2 可降解材料

非金屬可降解材料，例如聚乳酸[4]、淀粉塑料、光溶解塑料，在清水中浸泡一段時間后即可溶解。采用這些材料制作成的壓裂球，溶解容易，還非常環(huán)保。目前，非金屬可降解球以日本Kuredux公司代表，如圖1所示，但價格昂貴。

圖1 非金屬可降解球

金屬可降解材料在國內有一些科研單位已經研制出來，因此金屬可降解壓裂球在國內應用更加廣泛，如圖2所示?？山到饨饘俨牧现饕x取高強度，低密度和耐Cl-腐蝕的金屬材料?？山到饨饘俨牧显诤珻l-的電解質溶液中產生電化學腐蝕[5]反應，從而實現可溶材料的完全降解。

圖2 金屬可降解球

2 可降解壓裂球性能試驗

2.1 承壓性能測試

以139.7 mm(5.5英寸)大通徑橋塞的可降解球為研究對象，配套76.2 mm的可降解球，采用鎂鋁合金可降解壓裂球，密度為1.9 g/cm3，抗拉強度408 MPa，屈服強度321 MPa。以3% KCl溶液為介質，利用圖3所示試驗裝置對可降解球進行承壓試驗，其中球座內孔直徑為70.3 mm。在室溫條件下，加壓至70 MPa，承壓15 min，間隔4 h加壓一次，確保承壓時間超過8 h，壓力未下降為合格，達到現場應用要求。

同時對76.2 mm外徑的球與不同角度錐面的球座配合，進行承壓性能性試驗，如圖4所示。通過降解球與球座配合試驗，驗證了球與球座錐度剖面線接觸的點正好是相切點時，球的承壓性能最為穩(wěn)定。試驗結果如表1所示，可降解球試驗前后的照片如圖5～6所示。

圖3 壓裂球試壓工裝

圖4 壓裂球與球座配合示意

球直徑/mm錐角/(°)承壓/MPa承壓后球面?zhèn)?6.22085輕微76.225105良好76.23085輕微76.23570較重76.24055嚴重76.245不起壓

圖5 可降解球承壓前

圖6 可降解球承壓后

2.2 溶解性能測試

采用恒溫浸泡的方法測試可降解球在不同條件下的降解速率。將密度為1.8 ～1.9 g/cm3的可降解金屬材料加工成直徑76.2 mm的球，分別浸泡在清水、28% NaCl、10% NaCl、3.5% NaCl、1% NaCl、10% KCl溶液中進行降解試驗，浸泡溫度分別為室溫18～21℃，50 ℃和93 ℃。每隔 8 h 烘干樣品，采用精密千分尺測量球剩余直徑，直至球完全降解。

可降解球在不同溫度，不同質量濃度的Cl-溶液中浸泡后剩余直徑與溶解時間的關系如圖 7～ 9所示。

圖7 可降解球在清水中不同溫度下的降解速率

圖8 可降解球在不同NaCl濃度溶液中的溶解速率

圖9 可降解球在10% KCl溶液中不同溫度下的溶解速率

由圖7～9可以看出，可降解球在清水下，提高溫度對降解速度影響很小。在相同溫度下，NaCl溶液的變化的對可降解壓裂球降解速度有很大的影響，隨著NaCl溶液濃度提高，降解速率越快。在相同濃度Cl-電解質溶度下，溫度越高，斜率越大，降解速率越快。

為滿足用戶分級降解和降解速率可控的要求，對可溶球的基質和包覆層進行了試驗研究。溶解條件：溫度50 ℃，2% KCl；溫度93 ℃，2% KCl。

圖10所用球沒有采用包覆層，可以看出：可降解球直徑與溶解時間呈線性減小關系，當溫度在50 ℃時，球直徑減少 0.4 mm/h。當溫度在93 ℃時，球直徑減少 0.8 mm/h。該可溶球會隨著井溫升高，降解速率越快。該材料可作為可降解球的基質材料。

圖10 可降解壓裂球勻速降解

圖11所用球采用了包覆層，可以看出：當溫度50 ℃時，前8 h不降解，8 h后球的降解速度是球直徑減少1.3 mm/h，當溫度 93 ℃時，前8 h不降解，8 h后球球的降解速度是球直徑減少2.1 mm/h 。該可溶球會隨著井溫越高降解速率越快，而且該可溶球前8 h不會降解，從8 h以后就開始快速溶解，避免了橋塞還沒有開始使用就失封的現象。適合于可降解球壓裂應用。

圖11 可降解壓裂球分段降解

圖12所用球采用兩種降解速率不同的材料復合壓制而成，可以看出：當溫度50 ℃時，在16 h前，球直徑減少 0.4 mm/h；在16 h后，球直徑減少1.5 mm/h。當溫度93 ℃時，在16 h前，球直徑直徑減少 0.6 mm/h；在16 h后，球直徑減少2 mm/h 。該可溶球會隨著井溫升高，降解速率越快，促使橋塞的分級降解，滿足多層壓裂時可降解橋塞分級降解的要求。

圖12 可降解壓裂球分級降解

2.3 曲線擬合

為了讓試驗結果對現場應用更有指導意義，取了其中一種可降解球，在93 ℃ NaCl溶液中，做可降解測試，通過MATLAB軟件擬合，獲得可降解球的降解速率預測公式。(y為球直徑，單位mm；x為溶解時間，單位6 h)。

當質量濃度為1%時，降解球的降解速率預測公式為

y=-6.39×10-4x2-0.089x+43.95

當質量濃度為3.5%時，降解球的降解速率預測公式為

y=-1.11×10-3x2-0.152x+41.65

當質量濃度為10%時，降解球的降解速率預測公式為

y=-5.83×10-4x2-0.381x+49.98

當質量濃度為28%時，降解球的降解預測為

y=-2.36×10-3x2-0.442x+49.64

因此，在93℃ 10% NaCl溶液中完全降解需要112 h，約4.7 d；在93 ℃ 3.5% NaCl溶液中完全降解需要137 h，約5.7 d；在93 ℃ 1% NaCl溶液中完全降解需要201.7 h，約8.4 d。

3 現場應用及效果

3.1 YP10-8井基本情況

YP10-8井位于新疆吐哈地區(qū)，井深4 132 m，垂深3 100 m，水平段長960 m，最大井斜角 89.5°。采用外徑139.7 mm(5.5英寸)、P110鋼級的套管。根據施工工藝要求，該井采用大通徑橋塞作為分段壓裂工具。由于井底壓力低，鉆塞時不利于鉆屑返排，鉆塞時間長，而且有易卡鉆等風險，因此采用免鉆磨大通徑橋塞+分簇射孔聯作分段壓裂工藝[6-10]。

3.2 壓裂施工情況

YP10-8井分12段進行壓裂，共注入壓裂液22 050.8 m3，壓裂液Cl-含量20～30 g/L，井底溫度95 ℃。施工排量8.5～13.2 m3/min，施工壓力61～89 MPa。 施工流程：第1段采用連續(xù)油管射孔，起出連續(xù)油管后，進行壓裂施工。第2段采用電纜泵送射孔槍及外徑110 mm大通徑橋塞至設計井深，排量控制在0.5～2.0 m3/min，對橋塞點火坐封后，電纜起至設計井深，進行分簇射孔，射孔槍起出井口后，投直徑76.2 mm可降解壓裂球，球入座坐封后進行第2 段壓裂。 第3～12段重復第2 段的壓裂流程。

壓裂完工后，未鉆磨橋塞即開始排液測試，排液過程歷經7 d，累計排液5 624 m3，占總壓裂液的25.5% 。為了進一步驗證可降解壓裂球是否完全溶解，采用63.5 mm(2英寸)連續(xù)油管進行通井作業(yè)，一次性通過全部內通徑為70.3 mm的大通徑橋塞，證明可降解壓裂球已經全部溶解，無需鉆磨橋塞，該井即可投入生產。

4 結論

1) 研制了一種降解速率可控壓裂球，最高能承受103 MPa工作壓力，現場應用成功。

2) 獲得了一種可降解球的降解速率預測公式，可以為現場應用提供技術指導。

3) 可降解球的試驗研究為接下來全可溶橋塞的自主研發(fā)提供了技術儲備。

4) 建議增加可降解球材料的研發(fā)，開發(fā)出更多降解速率的材料，從溶度、溫度等方面進一步完善降解球的降解預測模型。

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