可降解压裂堵球的研究与应用

王熹颖

(中国石油吉林油田分公司)

压裂技术是油气藏增产的一项主要措施，尤其致密油气藏需要进行直井多层或水平井多段压裂才能获得工业油气流[1-5]。吉林油田属于典型低孔、低渗、低丰度的“三低”油气藏，目前新发现及动用的区块皆为非常规致密油气藏，直井分层、水平井分段大规模压裂改造经先期试验到规模应用推广，证实了其提高产能的有效性[6-8]。但因常规压裂堵球密度大、滞留井筒且难以降解，压后产能受到一定的抑制，而且其钻除费用高，占井周期长，也会影响产能[9-11]。针对该问题，开展机械性能好且可降解的压裂堵球的研究，对于有效提高非常规致密油气藏开发压裂工艺实施效率具有重要意义。

一、技术原理

铝、镁具有较高的比强度、比刚度以及非常高的电化学性质，经过Fe、Ni、Cu、Co及稀土元素的合金化及热处理，实现优良机械强度及较快腐蚀降解速率[12-14]，可以满足制造可降解压裂堵球的需求。

铝镁合金通过合适的固溶处理工艺形成两种相态：基体α相和晶界处的β相，α相性质活泼，易于腐蚀，β相是耐腐蚀相，阻碍铝镁合金的腐蚀作用，但β相与α相可组成腐蚀电池加速α相腐蚀。通过固溶处理增加α相，增加铝镁合金硬度，达到耐高压差的目的，并使铝镁合金中β相分布颗粒化，形成微小原电池，促进铝镁合金腐蚀。另外，铝镁合金在含有氯化物的水中，其表面耐腐蚀氧化膜易形成破坏而产生点蚀，并且套管、油管、压裂工具为低腐蚀速率钢材，与铝镁合金接触形成原电池，加速其腐蚀降解。

二、可降解压裂堵球性能评价

目前压裂堵球在大型压裂施工过程中需承受4 h的高压差，施工完成后为不影响压后产能发挥需尽快降解至直径小于球座内径，所以制造材料应具备短时优良的机械强度和较快的自降解速率。

1.机械性能

按照GB/T 228.1-2010标准进行室温下金属材料拉伸试验，镁铝合金可降解材料室温抗拉强度396 MPa，形变量达到22%发生断裂。

可降解压裂堵球的主要作用是压裂施工时封堵前期施工层段，要求其在工作状态中具有在一定温度下耐高压差的能力。因此设计实验：环境温度150℃，压裂堵球上下压差70 MPa，观察该压差下可降解压裂堵球的耐压差稳定性。图1可以看出其压力稳定性较好，在260 min的测试中压力保持稳定，且图2可以看出堵球未发生破损，这说明该堵球可以满足温度和压力的要求。

图1 可降解球的耐温、耐压差稳定性曲线

图2 可降解球耐温、耐压差实验前后对比图

2.降解性能

2.1 腐蚀液体对降解性能影响

为了研究不同腐蚀液体对可降解压裂堵球降解性能的影响，设计压裂施工中常用三种液体在恒温水浴90℃进行实验，腐蚀反应如图3所示。

图3 可降解球在不同介质中反应情况

实验用三种液体分别为：

a自来水(矿化度300～350 mg/L，Cl-含量40～50 mg/L)；b模拟地层水(矿化度5 000 mg/L，Cl-含量1 000 mg/L)；c压裂破胶液(矿化度600～700 mg/L，Cl-含量150～200 mg/L)。

随着自来水、压裂破胶液、模拟地层水三种反应液体矿化度与成分复杂性越来越高，可降解球腐蚀速度明显变快。

2.2 室内实验降解效果

将可降解球置于模拟地层水500 mL中(每天进行更换)，在环境温度90℃下观察其质量、最大直径变化情况，实验结果如图4所示。

图4 可降解球降解变化曲线

从图4中可以看出，可降解球原始直径为35 mm，第5 d降解至最大直径31.8 mm，小于球座直径(32 mm)，封堵失效。经20 d降解，最大直径12.42 mm，质量由44.68 g降至1.79 g，实现完全降解。

随着原油、天然气的生产，地层产出的大量地层水中Cl-含量较高(一般500～20 000 mg/L)，具有加速可降解压裂堵球腐蚀的作用，Cl-在反应中起桥梁作用，腐蚀反应产物为Al(OH)3、Mg(OH)2等碱性物质，待反应体系pH值达到11以上时，腐蚀反应将会被抑制[15]。而相对于井筒中数个可降解球，大量的、流动的压裂液及地层水组成的井底腐蚀环境可以看做无限大pH值稳定的腐蚀系统。因此，该可降解压裂堵球在压裂施工后可以实现迅速、完全降解。

三、压裂施工及压后效果

吉林油田L3井储层埋深3 800～4 300 m，储层温度135℃～150℃，采用套管注入，套内丢开式分层压裂工具+可降解球工艺三层分压合试，施工排量6～14 m3/min，施工压力60～85 MPa，总加砂量280 m3，总液量4 650 m3，L3井施工曲线如图5。

L3井三层分压，投2个可降解堵球，两级滑套开启过程压力波动明显，地面压力升高10～12 MPa后马上回落；压后初期油嘴直径8 mm日排液100～200 m3，排液顺畅。另外，压后25 d采用连续油管下探至人工井底，下放全过程无阻滞，证明可降解球完全溶解。

可降解压裂堵球现场应用69井243层(段)，未出现堵塞井筒或井口等影响后期生产的问题，有效保障了直井分层、水平井分段压裂改造技术的实施效果。

图5 L3井施工曲线

四、结论与认识

(1)研究形成可降解压裂堵球，具有优良的机械性能与可降解性能，可以满足压裂施工现场需求。

(2)经室内实验及现场验证可降解压裂堵球可以满足地层温度150℃，耐压差70 MPa，连续压裂施工4 h以上的需求。

(3)可降解压裂堵球在高含Cl-、较低pH值的环境，降解速度较快，降解5 d压裂堵球直径即可完全小于球座内径，反应20～30 d即可完全降解。

(4)现场应用表明，可降解压裂堵球满足现场压裂施工需求，较普通不可降解堵球在压后返排保障井筒通畅方面具有较大优势，有效保障了直井分层、水平井分段压裂改造技术的实施效果。