可溶桥塞室内试验及匹配性工艺

2021-08-13易建国张克成高凤垒

科技和产业 2021年7期

易建国，邓波，张克成，高凤垒，刘严

（四川省威沃敦化工有限公司，四川广汉 618300）

可溶桥塞作为页岩气分段压裂改造的主体工具，在北美超过85%的页岩气井中使用［1-2］，而国内页岩气井则全部采用桥塞工具进行压裂施工改造。相比较速钻桥塞、大通径桥塞，可溶桥塞在压后一定时间内，桥塞本体和胶筒等自行溶解，可实现套管全通径生产，具有综合成本低、投产时间短、降低作业风险及可实现二次改造的优点［3］。

目前，可溶桥塞现场工艺一般是根据压裂酸化设计方案提供的井况参数，进行桥塞匹配选型，往往是一口井只使用一种型号。但在实际施工过程中，井筒温度、施工液体矿化度都会发生变化，导致在施工过程中，尤其是施工后期，桥塞型号与井况参数不相匹配，再加上为了加快生产周期，施工完后没有进行足够的闷井作业，直接进行连油钻塞，导致可溶桥塞没有足够的溶解时间，从而加大了连油钻塞时间，反而增加了生产周期。因此，可溶桥塞的溶解情况良好与否，直接影响了连油通井钻塞作业时间、页岩气投产周期。为进一步加快连油通井钻塞作业时间，缩短投产周期，通过可溶桥塞室内溶解试验研究，优化现场施工工艺，对加快页岩气投入生产具有重大意义。

1 可溶桥塞室内试验

目前，页岩气井按施工液体可分为清水井及返排液井，按井筒温度可大致分为90 ℃井及60 ℃井，以KCl 质量分数为0.1%的液体为清水，KCL 质量分数为2%的液体为返排液，现有桥塞的规格型号见表1。

开展表1 中2 种类型桥塞本体、2 种类型胶筒溶解试验，以期为后续现场桥塞施工工艺优化提供理论支撑。

1.1 可溶金属溶解试验

可溶性桥塞主要由可溶性材料加工、制作而成，可溶性材料是一种在特定环境中，通过物理化学反应或生物同化作用在一定时间内可实现自行降解、甚至完全消失的多相复合材料［4-5］，主要包括可溶性金属材料和可溶性高分子材料两类［6］，其溶解速率受盐度和温度影响较大［7-10］。可溶桥塞的金属部分以镁合金为主，镁合金可溶性桥塞是通过局部电化学腐蚀实现可溶，主要包括阳级和阴极反应法，其反应式为

分别对适应于清水的可溶金属材料A 及适应于返排液的可溶金属材料B 开展室内溶解试验。

将可溶金属材料A，可溶金属材料B 分别制作成20×Φ20 的样块，进行称重后，分别放入KCl 质量分数为0.1%、2%的水浴锅中浸泡，恒温90 ℃，如图1 所示。

图1 样块称重及浸泡

对样块浸泡溶解过程进行记录，对记录数据进行收集整理，其溶解曲线如图2 所示，样块溶解后状态如图3 所示。

图2 样块溶解曲线

图3 样块溶解后状态

从图2 可知，可溶金属材料A 在KCl 质量分数为0.1%的清水中，溶解速率为0.51 g/h，溶解速率较好；可溶金属材料A 在KCl 质量分数为2%的液体中，溶解速率为1.10 g/h，溶解速率快。可溶材料金属B 在KCl 质量分数0.1%的清水，溶解速率为0.10 g/h，溶解速率慢；在KCl 质量分数为2%的液体中，溶解速率为0.36 g/h，溶解速率较好。

从试验数据看，可溶材料金属A 不适合在高矿化度条件下，适合在清水条件下使用；可溶材料金属B 不适合在清水条件下使用，适合在高矿化度条件下使用。

1.2 可溶胶筒溶解试验

可溶胶筒主要由可降解高分子材料制成，在水环境下表现出较高的降解性，其单位体积内含有大量可水解的酯基。

模拟现场使用条件，对两种规格可溶胶筒进行浸泡溶解实验。将胶筒1 和胶筒2 进行称重后，放入水浴锅中，加入质量分数为1.5%的KCl 液体浸泡，分别恒温60、90 ℃，如图4 所示。

图4 胶筒称重浸泡

对胶筒浸泡溶解过程进行记录，对记录数据进行收集整理，胶筒的溶解时间曲线及溶解后状态如图5 所示。

从图5 可知，胶筒1 在90 ℃条件下，104 h 后完全溶解成碎渣，60 ℃条件下，155 h 完全溶解成碎；胶筒2 在90 ℃条件下，85 h 后完全溶解成碎渣，60 ℃条件下，100 h 完成溶解成碎渣。

图5 胶筒溶解情况

从试验数据可知，温度越低，胶筒溶解越慢。90 ℃条件下，胶筒2 比胶筒1 溶解速率更快，相差10 h 左右，但差值不大，考虑到胶筒2 在90 ℃条件下，密封性能不能保证。因此为避免影响胶筒的密封性能，在此温度条件下建议使用胶筒1；60 ℃条件下，胶筒2 比胶筒1 溶解速率更快，相差55 h，相差较大，且在60 ℃条件下，胶筒2 能够满足密封性能。因此为避免连油钻塞时间过长，可建议在此温度条件下选择胶筒2。

2 可溶桥塞现场施工工艺

根据可溶桥塞的室内溶解试验可知，水质的矿化度不同桥塞本体的溶解时间不同，井筒温度的不同，可溶胶筒的溶解时间不同。目前，可溶桥塞的施工工艺是根据现场压裂酸化设计确定的井况参数，如测井温度、现场液体矿化度，确定可溶桥塞使用的型号进行施工作业。但该种施工工艺没有考虑到现场施工水质时刻变化，且井筒温度随施工周期的变化会逐渐降低，这会导致后期连油钻塞时，通井钻磨效果差，加长了页岩气井投产周期。因此，为了顺利完成施工，且尽可能降低后续连油钻塞时间，需要优化现场施工工艺的匹配性。

2.1 现场施工工艺

从前文可知，影响可溶桥塞溶解的主要因素为水质的矿化度和井筒温度。为便于现场可溶桥塞的匹配，需对现场水质进行实时监控，根据水质的变化情况实时调整桥塞本体材料；同时，需要实时调整现场可溶胶筒型号，以匹配现场井温。

2.1.1 桥塞本体匹配工艺

为匹配现场水质变化，实时调整桥塞本体材料，需实时监控现场水质，一般采用氯根测量仪器或矿化度测量笔对现场水质进行测量，根据现场水质的具体情况实时调整桥塞本体材料。一般情况下，当矿化度在2 000×10-6左右，即清水液体时，采用可溶金属材料A 的桥塞本体，当矿化度在2 000×10-6以上，采用可溶金属材料B 的桥塞本体。

2.1.2 可溶胶筒匹配工艺

现场井温一般为固井时随测井底井温，但随着施工的进行，井深的减少，施工液体的冲刷，井温会逐渐降低。一般情况下，在施工的前三段使用与井底温度相匹配的可溶胶筒，随后更换为更低温的可溶胶筒。

2.2 现场试验及结果分析

现场选择同一平台，两口井分别以常用施工工艺和改进后的施工工艺进行施工，统计后期通井钻塞数据。以宁2X9H23-2 井和宁2X9H23-3 井为对比对象，其中宁2X9H23-2 井井温为102.8 ℃，现场水质矿化度在1 000×10-6～5 000×10-6；宁2X9H23-3井井温100.2 ℃，现场水质矿化度在1 000×10-6～5 000×10-6。

对宁2X9H23-2 井桥塞使用匹配工艺采用常规使用工艺，即根据现场井温采用匹配102.8 ℃的90 ℃可溶胶筒，采用匹配矿化度在2 000×10-6以上的可溶金属材料B 的桥塞本体进行施工，对该井后期通井钻塞时间进行统计，其平均钻塞时间为40 min。

对宁2X9H23-3 井桥塞使用匹配工艺采用改进后的施工工艺，即根据实时测得的矿化度调整桥塞本体材料，在前三段使用90 ℃胶筒，后续使用60 ℃胶筒，对该井后期通井钻塞时间进行统计，其平均钻塞时间为16 min。

通过对宁2X9H23 平台两口井的对比分析可知，改进后的桥塞施工工艺能有效改善后期连油通井钻塞效果，相较常规施工工艺，优化后的施工工艺钻塞时间缩短了一半多，对缩短页岩气投产周期具有重大意义。