投球滑套分段压裂用可分解压裂球

裴晓含，魏松波，石白茹，沈泽俊，王新忠，童征，付涛

（中国石油勘探开发研究院）

投球滑套分段压裂用可分解压裂球

裴晓含，魏松波，石白茹，沈泽俊，王新忠，童征，付涛

（中国石油勘探开发研究院）

研制了适用于多级投球滑套分段压裂的可分解压裂球，分析了可分解压裂球材料的分解特性及力学性能，并对可分解压裂球进行了地面承压试验及现场应用。可分解材料是1种镁合金，密度在1.8～2.0 g/cm3。实验研究表明：可分解材料在氯化钾溶液中可自行分解，分解速率随温度升高而加快，但在胍胶压裂液中分解缓慢；可分解材料抗压强度达到360 MPa，变形量达到约20%时发生断裂，断口具有韧脆混合断裂特征。地面承压试验结果表明：压裂球在80 ℃下能够承压70 MPa，保压4 h效果良好，且压裂球与球座间密封性能良好。现场应用结果表明：可分解压裂球在压裂过程中性能良好，压裂完成后可自行分解，避免了因返排压裂球产生的作业风险，节省了作业成本和时间。图8表1参17

可分解材料；压裂球；分解速率；抗压强度；承压性能；分段压裂

0 引言

对油气藏尤其是低渗透油气藏进行压裂改造是增加单井产量和提高可动用储量的有效技术措施，相关压裂工具、工艺以及评价技术也成为当今油气田开发领域的研究热点[1-4]。多级投球滑套压裂是目前应用比较广泛的直井分层和水平井分段增产改造技术，其原理是根据地质和工艺要求采用封隔器把油气井裸眼段分为若干段，在需要改造的位置下入投球滑套，在压裂施工时向井中投入压裂球依次打开投球滑套，从而实现分级压裂的目的。这种工艺具有工具一次入井即可实现分级压裂的优点，节约作业时间，缩短了试油周期[5-6]。

投球滑套系统提供了管柱内压裂液流向地层的通道，压裂前滑套处于关闭状态，压裂过程中投送压裂球至球座通过打压来开启滑套，打通管柱和地层间的通道，因此压裂球是决定压裂是否成功的关键因素[5-7]。压裂施工完成后，传统的工序是将压裂球返排至地面，但有时存在由于地层压力不足或球变形等导致压裂球卡死在通道内而无法返排至地面的情况，此时需要下钻磨铣球和球座，否则将严重影响油井产量[8]。使压裂球具备可分解功能成为解决这个问题的有效办法之一，即压裂作业完成后压裂球可自行分解，从而可以免去返排或磨铣工序，消除了压裂球阻塞通道的可能性[9]。2011年贝克休斯公司公布了1种由可控电解金属纳米结构材料制造的可分解压裂球，其具备密度小、强度高等特点[10-12]。美国Magnum石油工具公司也报道了1种新型压裂球Magnum Fastball，相对密度为1.5，可以在井下进行分解，从而降低了生产成本和风险，节约了作业时间[13]。但使用国外可分解压裂球存在价格高、技术受限等问题，因此需要发展适合国内压裂工具的可分解压裂球。

为适应投球滑套分段压裂需求，可分解压裂球需同时具备两方面特点：一是在地层水等电解质液体中可自行快速分解，二是在地层较高温度下具有较大的强度。本文介绍1种可分解材料及由其制备的可分解压裂球，研究材料在不同温度和液体中的分解特性，分析材料的力学性能和断裂特征，测试可分解压裂球的承压性能，并将其应用于现场压裂。

1 可分解材料

本文研制的可分解材料（见图1）是1种镁合金，密度在1.8～2.0 g/cm3，通过在镁基体中添加微量合金元素并经过后续强化处理加工而成。

图1 可分解材料

1.1 分解特性

采用恒温水浴浸泡的方法测试可分解材料在不同环境下的分解速率。将可分解材料加工成Φ10 mm×10 mm的圆柱体试样，浸泡在装有测试液体的烧杯中，每间隔一定时间采用精密电子天平称取试样的剩余质量。浸泡温度分别为50 ℃、60 ℃和70 ℃，浸泡液体分别为0.5%氯化钾（KCl）溶液和胍胶压裂液。采用扫描电子显微镜FEI Quanta 200观察分析样品分解后的微观形貌，并采用电镜附带能谱分析系统测试分析分解产物的化学成分。

图2为可分解材料试样浸泡后剩余质量随时间的变化规律，可以看出：试样在50 ℃ KCl溶液中浸泡2 d内，由于分解产物附着于试样表面不能及时脱落造成试样质量略有增加，随着反应继续进行，分解产物开始陆续剥离，2 d后试样质量迅速减少；对于在60 ℃KCl溶液中浸泡的试样，1 d后质量无明显变化，之后迅速减少；对于在70 ℃ KCl溶液中浸泡的试样，质量在开始浸泡后就迅速降低；试样在70 ℃胍胶压裂液中浸泡5 d后质量无明显变化。

表1为可分解材料试样浸泡5 d内的平均分解速率，可以看出：浸泡温度越高，试样的分解速率越快；试样在70 ℃胍胶压裂液中的平均分解速率为0.09 mg/（h·cm2），是在相同温度下KCl溶液中平均分解速率的约1/18。温度对材料的分解速率和分解产物的剥离速率有显著影响，温度越高，材料的分解速率越快，相同时间内产生的分解产物越多，分解产物从材料表面剥离的时间越短。

图2 可分解材料试样在不同溶液和温度下剩余质量随时间的变化规律

表1 可分解材料试样浸泡5 d内的平均分解速率

图3为可分解材料试样在不同溶液中浸泡后的形貌，可以看出：在70 ℃胍胶压裂液中浸泡5 d后，试样基本维持原始形状，表面覆盖白色固体分解产物，并存在明显的腐蚀坑；在70 ℃ KCl溶液中浸泡5 d后，试样体积明显减小，直径减少2.5 mm左右，表面覆盖白色固体分解产物，并呈现多孔且不规则的腐蚀形貌。

图3 可分解材料试样浸泡后形貌

可分解材料在KCl溶液中浸泡时，大量气泡从材料表面溢出，并产生絮状物悬浮在溶液中。采用扫描电子显微镜观察试样表面分解产物的微观形貌（见图4a）发现，分解产物为疏松多孔结构。对试样表面的分解产物进行能谱分析（见图4b）发现，其主要化学成分为氧化镁。根据镁合金的腐蚀反应机理[14-16]，材料分解时产生的气体主要为氢气，材料中的镁元素首先形成氢氧化镁，部分氢氧化镁以絮状物的形式悬浮在溶液中，试样表面的氢氧化镁干燥后会形成白色的氧化镁固体，氢气从试样表面逸出及分解产物脱落造成了试样表面的疏松多孔结构。

图4 可分解材料在KCl溶液中浸泡后显微形貌及能谱

1.2 力学性能

采用电子万能材料试验机测试可分解材料的抗压强度。将可分解材料加工成Φ10 mm×15 mm的圆柱体试样，对圆柱体试样两端面进行应力加载直至试样断裂，压缩速率为0.5 mm/min。采用扫描电子显微镜观察分析试样断面形貌。

在压应力作用下可分解材料试样发生断裂（见图5a），断口与正应力呈45°角，试样有镦粗现象，显示出较好的塑性。断口上光亮的穿晶小亮面为解理面，它往往是晶体内原子排列密度较大的晶面，因这类晶面间结合力较差，所以容易沿该面劈开[17]。利用扫描电子显微镜观察断口（见图5b）发现，断口有大量韧窝存在，这些韧窝在剪切应力作用下被拉长后呈现出许多台阶，裂纹表现为穿晶和沿晶混合断裂，整个断口具有韧脆混合断裂特征。

图5 可分解材料试样压缩断裂后宏观形貌及断口显微图像

图6为可分解材料试样应力-应变曲线，可以看出，试样变形量达到约20%时发生断裂，抗压强度可达360 MPa。

图6 可分解材料试样应力-应变曲线

2 可分解压裂球地面承压试验和现场应用

图7为由可分解材料制成的不同规格压裂球。球座材料选用42CrMo超高强度钢，具有高强度和韧性。在自制可变温承压测试装置中对可分解压裂球进行承压测试，压裂球直径60.33 mm，球座内孔直径55.00 mm。首先将测试浴筒的水温升至80 ℃，将压裂球随测试工装放入浴筒中，然后进行初始打压至15 MPa，保压30 min。如果保压效果良好，表明球与球座已形成良好密封，则逐渐升高压力至70 MPa，继续保压4 h并观察压力变化。试验结果表明，可分解压裂球在80 ℃下能够承受70 MPa压力，具有良好的保压效果。

图7 可分解压裂球

图8a是承压测试后压裂球与球座配合情况，可以看出压裂球已经牢固地座封在球座上。将压裂球进行反向打压从而测试返排压力，经测试压裂球与球座分离的峰值压力为4.6 MPa。从图8b可以看出压裂球球体基本完整，无脆裂现象。球与球座接触的密封段发生一定塑性变形，塑形变形区与球座接触面紧密结合，变形圆周区直径没有超过球的最大直径，表明该压裂球有较高的承压能力。在水环境下，压裂球表面发生一定腐蚀，而密封面由于与液体隔离，没有出现明显腐蚀。

图8 试验后压裂球与球座配合情况及压裂球变形情况

可分解压裂球在吉林油田进行了现场应用。采用投球滑套压裂井段为2 982～3 101 m，井温约110 ℃。可分解压裂球提前6 h从井口投送，滑套一次性成功开启，滑套开启时井口压力最高为40 MPa，地层破裂压力为36 MPa，压裂过程中井口平均压力约30 MPa，整个压裂过程持续近3 h。可分解压裂球的应用免去了返排压裂球的作业工序，同时避免了相关作业可能带来的风险，也节省了相关作业的费用，为投球滑套压裂管柱油气通道的畅通提供了重要技术保障。

3 结论

本文研制的可分解材料密度在1.8～2.0 g/cm3，在KCl溶液中可自行分解，在50～70 ℃ 0.5% KCl溶液中平均分解速率在0.92～1.63 mg/（h·cm2），且分解速率随温度升高而加快。可分解材料在胍胶压裂液中的分解速率比KCl溶液中慢。可分解材料的抗压强度可达360 MPa，变形量达到约20%时发生断裂，断口具有韧脆混合断裂特征。

由可分解材料制成的可分解压裂球在80 ℃下能够承压70 MPa，具有良好的保压效果。可分解压裂球已应用于现场投球滑套压裂，应用效果良好。

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（编辑 胡苇玮 绘图 刘方方）

Disintegrating fracturing ball used in ball injection sliding sleeve for staged fracturing

Pei Xiaohan,Wei Songbo,Shi Bairu,Shen Zejun,Wang Xinzhong,Tong Zheng,Fu Tao
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &Development,Beijing 100083,China)

A disintegrating fracturing ball used for multi-stage fracturing stimulation was studied and developed,the disintegrating characteristics and mechanical properties of the disintegrating material were analyzed,and the ball was tested in both ground pressure test and field operation.The disintegrating material is an Mg-based alloy with the density of 1.8−2.0 g/cm3.The disintegrating material can dissolve in KCl solution and the disintegration rate increases with increasing temperature,while the disintegration rate is low in the guar gum fracturing fluid;the compressive strength of the disintegrating material can reach 360 MPa,and the material breaks when the deformation reaches 20% with a mixed ductile-brittle fracture.The ground pressure test shows that the ball can hold pressure of 70 MPa and keep for 4 hours under 80 ℃ with the sealing performance between fracturing ball and ball seat meeting operation needs.Field fracturing operation shows that the disintegrating fracturing ball demonstrates high quality performance during the operation and dissolves in-situ after fracturing,eliminating the operation risk that might be caused by fracturing ball flow-back,thereby decreasing production cost and saving operation time.

disintegrating material;fracturing ball;disintegration rate;compressive strength;bearing strength;staged fracturing

中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“油气藏储层改造技术重大现场攻关试验”（2013FCGYLGZ001）

TE357

：A

1000-0747(2014)06-0738-04

10.11698/PED.2014.06.14

裴晓含（1964-），男，陕西眉县人，博士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事采油采气工艺技术方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所，邮政编码：100083。E-mail：peixh@163.com

2014-05-09

2014-08-26