易建國,鄧 波,張克成,高鳳壘,劉 嚴
(四川省威沃敦化工有限公司,四川廣漢 618300)
可溶橋塞作為頁巖氣分段壓裂改造的主體工具,在北美超過85%的頁巖氣井中使用[1-2],而國內(nèi)頁巖氣井則全部采用橋塞工具進行壓裂施工改造。相比較速鉆橋塞、大通徑橋塞,可溶橋塞在壓后一定時間內(nèi),橋塞本體和膠筒等自行溶解,可實現(xiàn)套管全通徑生產(chǎn),具有綜合成本低、投產(chǎn)時間短、降低作業(yè)風險及可實現(xiàn)二次改造的優(yōu)點[3]。
目前,可溶橋塞現(xiàn)場工藝一般是根據(jù)壓裂酸化設計方案提供的井況參數(shù),進行橋塞匹配選型,往往是一口井只使用一種型號。但在實際施工過程中,井筒溫度、施工液體礦化度都會發(fā)生變化,導致在施工過程中,尤其是施工后期,橋塞型號與井況參數(shù)不相匹配,再加上為了加快生產(chǎn)周期,施工完后沒有進行足夠的悶井作業(yè),直接進行連油鉆塞,導致可溶橋塞沒有足夠的溶解時間,從而加大了連油鉆塞時間,反而增加了生產(chǎn)周期。因此,可溶橋塞的溶解情況良好與否,直接影響了連油通井鉆塞作業(yè)時間、頁巖氣投產(chǎn)周期。為進一步加快連油通井鉆塞作業(yè)時間,縮短投產(chǎn)周期,通過可溶橋塞室內(nèi)溶解試驗研究,優(yōu)化現(xiàn)場施工工藝,對加快頁巖氣投入生產(chǎn)具有重大意義。
目前,頁巖氣井按施工液體可分為清水井及返排液井,按井筒溫度可大致分為90 ℃井及60 ℃井,以KCl 質量分數(shù)為0.1%的液體為清水,KCL 質量分數(shù)為2%的液體為返排液,現(xiàn)有橋塞的規(guī)格型號見表1。
開展表1 中2 種類型橋塞本體、2 種類型膠筒溶解試驗,以期為后續(xù)現(xiàn)場橋塞施工工藝優(yōu)化提供理論支撐。
可溶性橋塞主要由可溶性材料加工、制作而成,可溶性材料是一種在特定環(huán)境中,通過物理化學反應或生物同化作用在一定時間內(nèi)可實現(xiàn)自行降解、甚至完全消失的多相復合材料[4-5],主要包括可溶性金屬材料和可溶性高分子材料兩類[6],其溶解速率受鹽度和溫度影響較大[7-10]??扇軜蛉慕饘俨糠忠枣V合金為主,鎂合金可溶性橋塞是通過局部電化學腐蝕實現(xiàn)可溶,主要包括陽級和陰極反應法,其反應式為
分別對適應于清水的可溶金屬材料A 及適應于返排液的可溶金屬材料B 開展室內(nèi)溶解試驗。
將可溶金屬材料A,可溶金屬材料B 分別制作成20×Φ20 的樣塊,進行稱重后,分別放入KCl 質量分數(shù)為0.1%、2%的水浴鍋中浸泡,恒溫90 ℃,如圖1 所示。
圖1 樣塊稱重及浸泡
對樣塊浸泡溶解過程進行記錄,對記錄數(shù)據(jù)進行收集整理,其溶解曲線如圖2 所示,樣塊溶解后狀態(tài)如圖3 所示。
圖2 樣塊溶解曲線
圖3 樣塊溶解后狀態(tài)
從圖2 可知,可溶金屬材料A 在KCl 質量分數(shù)為0.1%的清水中,溶解速率為0.51 g/h,溶解速率較好;可溶金屬材料A 在KCl 質量分數(shù)為2%的液體中,溶解速率為1.10 g/h,溶解速率快??扇懿牧辖饘貰 在KCl 質量分數(shù)0.1%的清水,溶解速率為0.10 g/h,溶解速率慢;在KCl 質量分數(shù)為2%的液體中,溶解速率為0.36 g/h,溶解速率較好。
從試驗數(shù)據(jù)看,可溶材料金屬A 不適合在高礦化度條件下,適合在清水條件下使用;可溶材料金屬B 不適合在清水條件下使用,適合在高礦化度條件下使用。
可溶膠筒主要由可降解高分子材料制成,在水環(huán)境下表現(xiàn)出較高的降解性,其單位體積內(nèi)含有大量可水解的酯基。
模擬現(xiàn)場使用條件,對兩種規(guī)格可溶膠筒進行浸泡溶解實驗。將膠筒1 和膠筒2 進行稱重后,放入水浴鍋中,加入質量分數(shù)為1.5%的KCl 液體浸泡,分別恒溫60、90 ℃,如圖4 所示。
圖4 膠筒稱重浸泡
對膠筒浸泡溶解過程進行記錄,對記錄數(shù)據(jù)進行收集整理,膠筒的溶解時間曲線及溶解后狀態(tài)如圖5 所示。
從圖5 可知,膠筒1 在90 ℃條件下,104 h 后完全溶解成碎渣,60 ℃條件下,155 h 完全溶解成碎;膠筒2 在90 ℃條件下,85 h 后完全溶解成碎渣,60 ℃條件下,100 h 完成溶解成碎渣。
圖5 膠筒溶解情況
從試驗數(shù)據(jù)可知,溫度越低,膠筒溶解越慢。90 ℃條件下,膠筒2 比膠筒1 溶解速率更快,相差10 h 左右,但差值不大,考慮到膠筒2 在90 ℃條件下,密封性能不能保證。因此為避免影響膠筒的密封性能,在此溫度條件下建議使用膠筒1;60 ℃條件下,膠筒2 比膠筒1 溶解速率更快,相差55 h,相差較大,且在60 ℃條件下,膠筒2 能夠滿足密封性能。因此為避免連油鉆塞時間過長,可建議在此溫度條件下選擇膠筒2。
根據(jù)可溶橋塞的室內(nèi)溶解試驗可知,水質的礦化度不同橋塞本體的溶解時間不同,井筒溫度的不同,可溶膠筒的溶解時間不同。目前,可溶橋塞的施工工藝是根據(jù)現(xiàn)場壓裂酸化設計確定的井況參數(shù),如測井溫度、現(xiàn)場液體礦化度,確定可溶橋塞使用的型號進行施工作業(yè)。但該種施工工藝沒有考慮到現(xiàn)場施工水質時刻變化,且井筒溫度隨施工周期的變化會逐漸降低,這會導致后期連油鉆塞時,通井鉆磨效果差,加長了頁巖氣井投產(chǎn)周期。因此,為了順利完成施工,且盡可能降低后續(xù)連油鉆塞時間,需要優(yōu)化現(xiàn)場施工工藝的匹配性。
從前文可知,影響可溶橋塞溶解的主要因素為水質的礦化度和井筒溫度。為便于現(xiàn)場可溶橋塞的匹配,需對現(xiàn)場水質進行實時監(jiān)控,根據(jù)水質的變化情況實時調整橋塞本體材料;同時,需要實時調整現(xiàn)場可溶膠筒型號,以匹配現(xiàn)場井溫。
2.1.1 橋塞本體匹配工藝
為匹配現(xiàn)場水質變化,實時調整橋塞本體材料,需實時監(jiān)控現(xiàn)場水質,一般采用氯根測量儀器或礦化度測量筆對現(xiàn)場水質進行測量,根據(jù)現(xiàn)場水質的具體情況實時調整橋塞本體材料。一般情況下,當?shù)V化度在2 000×10-6左右,即清水液體時,采用可溶金屬材料A 的橋塞本體,當?shù)V化度在2 000×10-6以上,采用可溶金屬材料B 的橋塞本體。
2.1.2 可溶膠筒匹配工藝
現(xiàn)場井溫一般為固井時隨測井底井溫,但隨著施工的進行,井深的減少,施工液體的沖刷,井溫會逐漸降低。一般情況下,在施工的前三段使用與井底溫度相匹配的可溶膠筒,隨后更換為更低溫的可溶膠筒。
現(xiàn)場選擇同一平臺,兩口井分別以常用施工工藝和改進后的施工工藝進行施工,統(tǒng)計后期通井鉆塞數(shù)據(jù)。以寧2X9H23-2 井和寧2X9H23-3 井為對比對象,其中寧2X9H23-2 井井溫為102.8 ℃,現(xiàn)場水質礦化度在1 000×10-6~5 000×10-6;寧2X9H23-3井井溫100.2 ℃,現(xiàn)場水質礦化度在1 000×10-6~5 000×10-6。
對寧2X9H23-2 井橋塞使用匹配工藝采用常規(guī)使用工藝,即根據(jù)現(xiàn)場井溫采用匹配102.8 ℃的90 ℃可溶膠筒,采用匹配礦化度在2 000×10-6以上的可溶金屬材料B 的橋塞本體進行施工,對該井后期通井鉆塞時間進行統(tǒng)計,其平均鉆塞時間為40 min。
對寧2X9H23-3 井橋塞使用匹配工藝采用改進后的施工工藝,即根據(jù)實時測得的礦化度調整橋塞本體材料,在前三段使用90 ℃膠筒,后續(xù)使用60 ℃膠筒,對該井后期通井鉆塞時間進行統(tǒng)計,其平均鉆塞時間為16 min。
通過對寧2X9H23 平臺兩口井的對比分析可知,改進后的橋塞施工工藝能有效改善后期連油通井鉆塞效果,相較常規(guī)施工工藝,優(yōu)化后的施工工藝鉆塞時間縮短了一半多,對縮短頁巖氣投產(chǎn)周期具有重大意義。
1)開展了兩種常用可溶金屬材料在不同礦化度條件下的溶解試驗,明確了可溶金屬材料A 適合在清水的環(huán)境下使用,可溶金屬材料B 適合在高礦化度的環(huán)境下使用。
2)開展了兩種常用可溶膠筒材料在不同溫度條件下的溶解試驗,明確了膠筒的溶解時間隨溫度的降低而增加,材料1 膠筒更適合90 ℃以上的井溫,材料2 膠筒更適合60 ℃以上的井溫。
3)根據(jù)室內(nèi)試驗結果提出來一種新的可溶橋塞施工工藝,并在寧2X9H23 平臺開展了對比實驗,現(xiàn)場使用結果表明,改進后的施工工藝相對于常規(guī)施工工藝能有效改善后期連油通井鉆塞效果,對縮短頁巖氣投產(chǎn)周期具有重大意義。