可溶桥塞缓蚀助溶剂先导性试验与应用

刘 虎 徐兴海 刘 望 唐 勇 肖勇军 何先君 古志斌

（1. 四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610000；2. 四川华顺通能源技术开发有限公司，四川 成都 610000；3. 四川省华鑫盛油气运营管理有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

页岩气作为一种非常规天然气，具有孔隙度低、渗透率低、开发成本高等特点。水平井分段压裂改造技术是实现页岩气工业化开采的主要技术手段，运用低粘度的滑溜水体系、大排量、大液量的施工工艺对页岩气储层进行充分改造，形成复杂缝网，提高储层渗透率，增加单井控制储量，提高单井产能［1-6］。为提高页岩气改造时效，加快投产时间，目前主要采用可溶桥塞作为页岩气压裂分段改造工具。理论上，可溶桥塞大部分部件在压裂施工结束后会在返排液中自行溶解，为后期生产测试提供井筒全通径条件，但是通过大量现场试验发现，大规模的体积压裂后，井筒温度较低且恢复缓慢，不能达到可溶桥塞溶解阈值，桥塞溶解异常缓慢，在井筒条件下无法实现全部溶解。为加快投产时间，需要采用连续油管带一定尺寸磨鞋进行通井钻塞作业，但因桥塞没有充分溶解，钻塞后井筒内有大量的大尺寸残骸，极易造成连续油管卡钻等井下复杂［7-11］。针对以上问题，通过对可溶桥塞缓蚀助溶剂的研究，加快了桥塞溶解速率，虽仍需要连续油管通井钻塞，但可溶桥塞缓蚀助溶剂可以加快桥塞钻磨时间，并使钻磨后的桥塞残骸变成粉末状，减少卡钻等风险。

1 可溶桥塞缓蚀助溶剂作用原理

可溶桥塞主要由桥塞本体、锚定机构、密封胶筒组成。其中，桥塞本体为可溶性镁、铝合金材料，其溶解速率与环境温度和浸泡流体矿化度有关，且当矿化度达到一定值以后，温度的影响极为明显。锚定机构为可溶载体镶嵌铸铁卡瓦牙，载体可溶，卡瓦牙不溶。密封胶筒为可溶性胶筒，在温度和矿化度的作用下逐渐变软，最终溶解为像砂子类的残留物［12-15］。

可溶桥塞是利用不纯的金属跟电解质溶液接触时发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的原理。可溶桥塞中金属材料为Mg、Al、Cu等多种金属合金材料，Mg 是所有工业合金中化学活泼性最高的金属，标准电极电位为-2.37 V，比Al 标准电位低0.7 V，比Fe 标准电位低2 V。在KCL 溶液中，金属失去电子而被氧化，反应产物是进入介质中的金属离子或覆盖在金属表面上的金属氧化物。因此在KCl溶液中，可溶桥塞溶解后期会产生大量残渣，导致井筒堵塞，影响返排效果［16］。而HCL 溶液属于强电解质溶液，一方面，可溶材料在HCL 溶液中会产生很强的电位差，且H+会聚集在金属合金材料周围，与之快速反应，形成阳极反应使其迅速溶解，另一方面，H+能将覆盖在金属表面上的金属氧化物完全溶解，达到可溶桥塞无残渣、快速、完全溶解的效果，加快钻磨速率，降低卡钻复杂，保障压后井筒全通径［17-19］。

2 配方优选

1）溶解性能。为优选可溶桥塞缓蚀助溶剂配方，在实验室进行了不同温度下，可溶桥塞本体在不同溶液中溶解速率对比实验，实验结果如图1、图2 所示。结果表明：可溶桥塞本体的溶解速率随Cl-离子浓度、返排液矿化度的增加而加快，也随温度的增加而加快，并且溶解速率受温度的影响较大。

图1 不同矿化度下桥塞本体溶解速率图

图2 不同大KCl浓度下桥塞本体溶解速率图

因为可溶桥塞在KCL 溶液中溶解后会产生大量残渣，为加快桥塞在井筒中的溶解速率，选取HCl作为缓蚀助溶剂的主要成分，并在实验室内进行了不同温度下，不同配方缓蚀助溶剂对桥塞本体的溶解实验，结果如表1所示。由表1可以看出，桥塞本体溶解速率随温度的增加而增大，随盐酸浓度的增加而增大。但是，随着缓蚀剂加量的增加，桥塞本体的溶解速率逐渐降低。

表1 在不同类型缓蚀助溶剂及不同温度下的溶解速率表

2）缓蚀性能。因可溶桥塞缓蚀助溶剂主要成分为盐酸，注入井筒后会部分残留在井筒内，对套管、测井电缆、连续油管、井口防喷盒等有一定腐蚀，易造成井下复杂及设备故障。因此，需要在助溶剂中加入缓蚀剂。

由表2 可以看出，当缓蚀剂加量为2%时，缓蚀率达到98%以上，比1.5%的加量下缓蚀率高约25%。但再增加缓蚀剂后，缓蚀效果增加不明显。由表3可以看出，井口放喷盒密封件在10%盐酸+2%缓蚀剂中浸泡8 h后其拉伸强度为23.29 MPa，未浸泡空白样为23.49 MPa，拉伸强度基本无变化，实验表明：该浸泡液对井口防喷盒密封件材料基本无腐蚀。因此选择2%缓蚀剂为可溶桥塞缓蚀助溶剂配方中的加量。

可溶桥塞缓蚀助溶剂还具有的助排促进作用，能够将酸液的表面张力从45 mN／m 降至28 mN／m 以下（表4），能够起到一定的提高压裂液返排的效率的作用。

3 配方选定

根据室内对不同材料做的腐蚀实验结果表明，当配方为10%盐酸+2%缓蚀剂加量时，配方对可溶材料的溶解速率以及对井内各工具的缓蚀作用综合配伍性最好，整体溶解时间较为合适，比返排液中溶解速率快44～50 倍，平均缓蚀率超过98%，并且最为经济。因此，选定10%盐酸+2%缓蚀剂加量为可溶桥塞缓蚀助溶剂最终配方。

表2 70 ℃下套管、测井电缆、连续油管腐蚀试验对比表

表3 70 ℃条件下井口防喷盒密封件材料浸泡实验对比表

表4 不同配方下表面张力测试数据表

由图3可以看出，可溶桥塞本体在10%盐酸+2%缓蚀剂溶液中溶解完全，无任何残渣。因此，可溶桥塞缓蚀助溶剂能缩短可溶桥塞本体溶解时间，并使可溶桥塞本体完全溶解。在连续油管等外力的作用下，可溶桥塞极易脱落，变为小尺寸碎块而随返排液循环出井筒，减少通井作业风险，缩短作业周期。

图3 不同环境下桥塞溶解情况图

4 现场应用情况

现场应用过程中，施工程序与常规压裂基本相同，仅在主压裂施工结束后以小排量泵注2～3 m3缓蚀助溶剂至桥塞座封位置，过顶0.5 m3，停泵及压降15～20 min后，转入下段施工。因此，使用可溶桥塞缓蚀助溶剂后，每段施工时间仅比常规压裂施工时间多10 min。

2018 年在四川页岩气区块共应用可溶桥塞缓蚀助溶剂3 321 m3，应用效果见图4、图5。由图4可以看出，使用可溶桥塞缓蚀助溶剂后，平均单个桥塞纯钻磨时间为10 min，纯钻时间提高71%。若加上施工时间，单个桥塞作业时间为20 min，比不使用缓蚀助溶剂的可溶桥塞钻磨速率提高42.85%，单井平均通井周期较历年整体通井周期缩短70%。

图4 桥塞纯钻磨时间对比图

图5 历年通井周期对比图

5 结论与认识

为加快可溶桥塞溶解速率，缩短通井周期，达到快速返排、提高采收率的目的，通过对不同浓度盐酸和缓蚀助溶剂配方进行试验分析对比，最终得到了10%HCl+2.0%缓蚀剂的可溶桥塞缓蚀助溶剂的配方。通过现场试验，采用以上配方的可溶桥塞缓蚀助溶剂，可提高单个桥塞的钻磨速率，并大大减少卡钻等井下复杂的发生，缩短单井通井周期70%，实现压裂后井筒全通径，加快投产速度。