可溶镁合金材料在井下压裂工具中的应用效果

—94 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2018年第46卷第7期◄油气田开发工程►可溶桥塞试验研究及现场应用杨小城李俊邹刚(中石化石油机械股份有限公司）摘要：为了解决水平井分段压裂后连续管钻磨和碎屑打捞等问题，研制了一种以镁合金材料 为主的全可溶桥塞。

通过对桥塞施工工艺分析，引入新型无干预化作业工具——趾端滑套。

根据 可溶桥塞的结构和工作原理，对关键零部件进行了溶解测试，对可溶桥塞总成进行了室内试验与 现场应用。

现场应用结果表明：可溶桥塞可以在温度120^下承压差70 MPa,而且在120^、氯 离子质量分数1%溶液中10 d可以完全溶解，验证了可溶桥塞的可行性。

所得结论可为可溶桥塞 设计提供技术参数，结合新工艺完全消除连续管作业，并帮助用户降低使用风险和作业成本。

关键词：水平井；连续管；可溶桥塞；压裂；趾端滑套中图分类号：TE934 文献标识码：A doi:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2018.07.018 Dissolvable Bridge Plug Test and Field ApplicationYang Xiaocheng Li Jun Zou Gang{Petroleum Machinery Co., Ltd. , SINOPEC)Abstract ：To eliminate the need of coiled tubing milling and debris fishing after multistage fracturing in hori-zontal wells，a fully dissolvable bridge plug made by magnesium alloy material was developed.Through the analysis of the dissolvable bridge plug operation,a new type of non-interventional tool—the toe end sliding sleeve—was in­troduced.According to the structure and working principle of the dissolvable bridge plug,the key components were tested for dissolution.Experimental study and field application have been conducted on the dissolvable bridge plug. Field application results showed that the dissolvable bridging plug can withstand a pressure difference of70 MPa at a temperature of120 T l,and can be completely dissolved in a 1%chloride ion solution at 120 Tl in 10 days, which verifies the feasibility of the dissolvable bridging plug.The study could provide important technical parame­ters for the design and application of bridge plug.By means of the new technology,the coiled tubing operation could be completely eliminated,helping to reduce the operating risks and costs.Keywords：horizontal well；coiled tubing；dissolvable bridge plug；fracturing；toe end sliding sleeve0引言采用复合桥塞射孔联座可以一趟完成桥塞坐封 和地层射孔，施工速度快，是目前国内外进行页岩 气藏开发使用的主体储层改造技术。

一种可快速溶解无稀土镁合金材料及其制造方法本发明属于金属材料制造的技术领域，特别涉及一种可溶解的金属材料及其制备方法。

背景技术：在一些特殊施工环境，在人工难于到达的区域，需要送入一些特殊设备完成工作。

工作完成后，由于环境诸方面因素限制，设备无法有效移除。

使用可溶解材料制作则可避免这个限制而直接在环境中讲解消失。

因此，要求使用具有一定机械强度的金属材料，在发挥完它的功能后金属材料本体能在一定环境介质中迅速降解或完全溶解掉。

这些材料多用于人工难于接触或操作的远距离施工环境如地下工程，采油，采矿工程等。

目前，现有的主要材料则以简单的镁基合金添加一些其他合金元素构成基本的溶解体系。

可溶解镁合金技术都是通过选择一些活性金属元素与镁共同合金化，利用这些合金元素的活性特征在一定介质中溶解。

材料的机械力学性能取决于所用合金元素的种类和数量以及冶炼工艺。

这类材料主要被用于油田，矿山以及生物医学工程。

其缺陷是：1、溶解速率慢，实际电化学溶解机理不明确。

从而无法简单建立材料配比与溶解速率间有效关联而随环境介质控制溶解。

2、胶状溶解残留延缓或阻滞后续溶解进程。

如专利申请.8所公开的一种可溶解合金及其制备方法和应用。

以质量百分比计，可溶解合金含有：铝0.5-8.0wt％、硅0.5-6.0wt％、铜 0.4-5.0wt％、锡0.8-6.0wt％、锌0.3-4wt％和余量的镁。

上述可溶解合金的制备方法包括以下步骤：将金属镁、铝、铜、锡和锌熔炼为熔体；将Al-50wt％Si中间合金加入到上述熔体中，搅拌均匀后浇铸，制得可溶解合金；在满足各组分配比的前提下，硅是以Al-50wt％Si中间合金的形式加入的。

该可溶解合金可制成的压裂桥塞用于采油工程中。

然而，该专利申请中合金材料是固定的，溶解介质无法进行选择，材料本体机械物理性能可调性差，因此，无法满足人们施工的要求。

技术实现要素：基于此，因此本发明的首要目地是提供一种可快速溶解无稀土镁合金材料及其制造方法，该合金材料及制造方法具有合金在一定介质中快速溶解的特性，快速溶解，溶解残留物都不造成溶解失控，可以改善整体环境和溶解机理。

井下压裂工具应用井下压裂工具应用目录分层压裂工具简介（一）、分层压裂井下工具组合（1）Y221封隔器+ 单滑套喷砂器+ 安全接头（2）Y221封隔器+ 单滑套喷砂器+ Y111封隔器+ 循环阀+ 安全接头（3）Y221封隔器+ 平衡阀+ 单滑套喷砂器+ 伸缩器 + Y111封隔器+ 循环阀+ 安全接头（4）Y221封隔器+ 双滑套喷砂器+ Y111封隔器+ 循环阀+ 安全接头（5）221 + 敞口喷砂器+ Y111 组合+ 循环阀+ 安全接头（二）Y221A型找漏验套工具Y221A型封隔器的改进措施施工方式使用注意事项现场应用情况（三）XF105/60型卡封专用井口结构及特点技术原理现场使用情况卡封压裂专用井口现场使用统计表井下压裂工具情况总结分层压裂工具简介随着老油田进入开发后期，主力油气藏进入采空或高含水阶段，因此出现产量逐渐下滑状态。

为了保持油田的稳产和上储的生产实际需求,对二、三油气藏的开发日益重要。

压裂是重要的开发增产手段，可是目前主要采用多层合压的施工方式，这种压裂方式对油层的压裂针对性不强，不能清晰的认识各层的产能情况和充分发挥各层生产能力，同时也不能很好的达到压裂的预期目的。

例如：对一口井三个层位进行合压，由于地层本身应力差异、地层能量差异或钻井和作业过程中造成的外来污染等原因，造成了油气层破裂压力差异。

因此在一次施工中如果各层破裂压力相差很大那么只能打开破裂压力小的层，即使是多次进行重复压裂，其压裂施工的结果可能只是反复地对同一个层位进行改造，而其他的两个层位未达到压裂改造目的；如果三个层破裂压力相差不大，施工中虽然可能都有不同程度的打开，但是也不能完全达到压裂施工的设计意图。

即使过去采用投球分层压裂、添砂分层压裂或者采用桥塞封堵非压裂层的方式进行分层压裂，但是由于多方面的原因造成投球分压的效果不明显；而采用添砂或桥塞分层压裂的方式施工量大、作业周期长、作业成本高昂，不适合大量应用，因此开展了一次性双封工艺管串分层压裂的研究。

可溶压裂球座在石油开采过程中的应用摘要目前，石油工业中的压裂球座基体大多数是采用有利于钻除的球墨铸铁材料，因在压裂工序结束后，压裂球座会受到冲蚀和挤压变形，需要对其进行钻除。

钻除过程中所耗费的时间较长，所需成本比较高，其操作更是繁琐，严重影响石油工业的产量。

因此，在水平井分段压裂技术的不断进步情况下，井下压裂工具的材料已经从可钻性转向可溶性，可溶性材料制作的压裂工具可在压裂完成后自行溶解，省略了钻除工序，节省时间的同时大大提高油田的产量。

关键词：石油开采，压裂球座，技术引言近年来，水平井分段压裂技术在石油开采过程中被广泛的应用，该技术促进了石油的高效生产。

在压裂过程中，井下石油压裂工具起着至关重要的作用，影响着石油的生产效率。

压裂球座作为压裂工具之一更是不容忽视，传统的压裂球座是多为可钻的球墨铸铁制作而成，压裂后需对其进行钻除，耗费时间长，成本高，操作复杂，对石油的生产造成了一定的影响。

因此，压裂球座已经从可钻除发展为可溶解，可溶压裂球座在完成工作后会自行溶解，无需钻除，节约时间，降低成本的同时提高了石油生产效率。

目前，可溶压裂球应用较为广泛，而可溶球座的发展较为缓慢，因此研究可溶性压裂球座有着极其重要的作用。

1可溶压裂球座的工作原理由于井下环境复杂，球座需要承受大的压力和流体的冲蚀磨损，所以利用可溶材料制作的球座首先要满足施工所要求的支撑强度和硬度，在达到施工要求的时间后又能自行溶解至完全溶解。

目前，可溶压裂球应用较为广泛，可溶材料制作的井下工具已满足施工要求的支撑强度，而由可溶材料制作的球座还需要研究其受到流体冲蚀磨损的规律。

可溶球座要满足压裂完成的同时，还要进行自行分解。

首先要避免球座内流道表面受到冲蚀破坏，需要采取防护措施，如可以喷涂耐磨涂层；其次，为避免球座整个表面与液体接触而发生溶解，还需要对整个球座表面进行防护。

在满足施工需求的时间后，注入特制液体来去除防护层和耐磨涂层，使球座材料接触到液体并发生反应，从而开始进行分解至完全溶解。

1 概述随着分段压裂技术的发展，应用于压裂工艺的井下工具由可钻向可溶方向发展，目前压裂用井下工具的可溶材料主要有非金属可溶复合材料和金属可溶复合材料，可溶复合材料的井下工具具有以下特点：1）比重小，将其他常规金属工具轻；2）强度高，且耐高温，能够满足分段压裂工艺技术的要求；3）工具在一定的温度和介质中随着时间的延长，可以自行分解变小甚至完全溶解，不需要后期对工具进行磨洗、返排等处理，大大减小了施工工序，缩短了施工时间，降低了施工成本。

目前国外的压裂用可溶复合材料井下工具已经比较成熟，形成了可溶压裂球、可溶压裂球座、可式压裂桥塞等多种工具。

国内的起步晚一些，但目前也在可溶压裂球方面取得了一定的成果。

2 压裂用新型可溶复合材料井下工具2.1 可溶复合材料压裂球可溶式复合材料压裂球较以往的高强度压裂球具有明显的技术优势：首先压裂过程中当当投球速度由44.7m/s突变为0时，能够避免球遇卡；其次当水平段过长（>1828.8m）或者压裂级数多（20级以上）时，解决了常规压裂球取出或者清除困难的问题。

1）国外可溶复合材料压裂球国外威德福、贝克休斯、斯伦贝谢、PEAK等许多石油公司目前都形成了自己品牌的可溶复合材料压裂球，magnum、Bruce Diamond Corp公司、康菲、沙特阿美、雪佛龙等公司等公司也进行了可溶压裂球的研究，可溶压裂球的应用也是以国外为主。

威德福公司研发了酸性条件下可溶球和金属可溶球两种，应用在不同需要的井况中。

其中酸性条件下的可溶球主要为满足有酸性气体条件下压裂的需要，强度高。

指标为42MPa压力下可分40级。

金属可溶球为了实现更多级数的压裂，强度更高，密度2.6g/cm 3，104MPa压力下可分40级。

试验测得3.53in 的球在5%浓度Kcl溶液中，120℃下6天可完全溶解。

图1 金属可溶球溶解变化图威德福公司对压裂球进行了承压、级差优化等多种测试评价，确保在压裂过程中能够安全打开滑套。

可溶材料在井下工具中的应用现状与发展前景尹强;刘辉;喻成刚;邓友超;李奎;江源【摘要】可溶材料与工具设计制造的有机结合是实现井下工具无干预作业、保证最优后续作业条件的有效途径.为了了解可溶材料在井下工具中的应用情况及未来的发展前景,对国内外可溶材料在井下工具中的应用现状进行了调研,可溶性球、可溶性桥塞及可溶性套管球座等工具的成功研发有效解决了水平井分段改造过程中遇到的诸多难题,降低了作业风险,提高了作业效率,充分体现了新材料背景下井下工具的优质特性.结合部分井下工具在应用过程中存在的不足,对未来可溶材料在井下工具应用中的新需求及发展方向进行了预测分析.【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】4页(P71-74)【关键词】可溶材料;井下工具;分段改造;可溶性球;可溶性桥塞;可溶性套管球座;发展前景【作者】尹强;刘辉;喻成刚;邓友超;李奎;江源【作者单位】中国石油西南油气田公司工程技术研究院;中国石油西南油气田公司工程技术研究院;中国石油西南油气田公司工程技术研究院;中国石油西南油气田公司工程技术研究院;中国石油西南油气田公司工程技术研究院;中国石油西南油气田公司工程技术研究院【正文语种】中文随着现代材料科学的不断进步，生物医学、航空航天及石油工业等领域的装备制造技术发生了重大变革，就石油工具而言，材料科学催生其向着信息化、智能化、精细化方向发展，其中可溶材料在井下工具中的成功应用就是该发展方向的重要体现[1-5]。

可溶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，主要包括可溶金属材料和可溶高分子材料。

以镁合金为代表的可溶金属材料具有稳定的力学特性和良好的机械加工性能。

可溶高分子材料是一种绿色、轻质的生物聚合物，其生物降解特性在环保方面具有独特优势[6-7]。

可溶材料与工具设计制造的有机结合是实现井下工具无干预作业、保证最优后续作业条件的有效途径，目前在水平井分段压裂改造、排水采气等领域已有研发产品并成功开展了现场应用。

镁合金滑套压裂球的表面改性研究尚晓峰;樊金喆;尚进【摘要】In petroleum exploitation,controlled electrolytic metallic (CEM) has been used as the main components of sliding sleeve fracturing ball abroad. Because of the magnesium alloy has a low potential, easy corrosion ,low cost,easy processing has become the preferred alternative materials. However ,China’s development of magnesium alloy has not yet reached the technical level of similar foreign products. Therefore ,AZ31and AZ91 are used as the experimental object which is treated by heat treatment,micro arc oxidation, composite processing, rare earth alloying technology means. The soluble control,shear mechanical property and other technical indicators of the magnesium alloys can meet the operating requirement.%在石油开采业中，国外已经开始使用controlled electrolytic metallic（CEM）作为滑套压裂球的主要成分，而镁合金因其具有低电位、易腐蚀、成本低、易加工等优点成为替代这种材料的首选。

压裂分隔工具用可溶镁合金 Mg-7Al-1Zn-1Ni-1Cu的制备与性能摘要：使用熔炼、热挤压工艺制备生产制造工具，将其运用在油气田开发中。

油田开发中使用低渗透油气藏进行压裂改造，是现阶段提升油田开采质量的重要方式，对于油田资源开采工具的研究、制造也成为热点。

关键词：分隔工具；合金；力学性能可溶镁合金Mg-7Al-1Zn-1Ni-1Cu性能特殊，力学性能优良，铸态在室状态下为160、150MPa，经过工艺进行挤压处理之后，合金的抗拉强度显著提升，为300、252MPa，硬度值上升，延伸率也显著上升，性能优良。

1.分隔工具研究多层多段压裂中层段要通过投压裂球、下桥塞的方式来分段和间隔，依次对目标层进行压裂和改造，当层段施工完毕后，压裂球跟随返排液带出井筒，桥塞则是使用钻具磨掉，从而打通井道，实现油气的开采，该工艺亟需改进。

传统分隔工具多使用普通的合金钢制作得到，普通合金钢密度为7.8g/cm3，具体使用过程中存在钻后粉末返排困难、碎块排出困难等。

传统施工中的钻磨工序也降低了整体上的施工效率[1]。

镁合金是现阶段工业使用中最轻便的金属结构材料，整体上具备极高的铸造、焊接、加工可行性，本身强度高，硬度好，性能高，与传统的很相比，将镁合金制作成分隔工具，在井下复杂工况中，镁合金分隔工具被高矿化度液体腐蚀，减少了传统作业中钻磨、回收的工序，保证施工效率，还可以避免钻屑、循环液等对油气存储层产生的伤害。

镁合金系列很多，以AZ系列为例，通过分析添加Cu、Ni元素，开发出可溶镁合金Mg-7Al-1Zn-1Ni-1Cu合金材料，通过使用需要，对该合金的显微组织结构、力学性能、腐蚀性能等进行了研究。

1.试验方式使用纯度为99.9%的各纯合金、Mg-Al中间体合金熔炼浇铸，制作出可溶镁合金Mg-7Al-1Zn-1Ni-1Cu。

铸态后的合金，设置400℃挤压温度，进行热挤压处理，挤压比与挤压速度为10.7、12mm/s。

水溶解合金球试验成功
佚名
【期刊名称】《石油化工应用》
【年(卷),期】2013(32)8
【摘要】8月2日笔者获悉，长庆油田油气工艺研究院自主研发的可溶解合金球，在苏里格气田水平井分段压裂施工中首次成功应用。

在6段压裂施工作业中，合
金球经受住了高温高压的考验，所有滑套均一次性成功打开，最高井口施工压力
58MPa，最高施工排量10m3／min，地层温度100℃，放喷时合金球返排出地面，表面溶解明显，成功解决了因高压作业造成复合球变形卡球影响改造效果和生产的技术难题。

在传统压裂工艺中，投球滑套所使用的密封球有钢球和复合球两种。

在前期大规模压裂试验中，球座卡球引起压裂液和油气流排出不畅的现象时有发生，严重时会堵住油气流通道，影响油气井排液和后期生产。

【总页数】1页(P126-126)
【关键词】水溶解;合金;试验成功;压裂施工;施工作业;高温高压;压裂工艺;后期生产【正文语种】中文
【中图分类】TE357.46
【相关文献】
1.12万吨高档新闻纸项目投产铝箔复合铜版纸和布(花)纹铜版纸开发成功高档电话号簿纸和橙色施胶新闻纸通过鉴定硅体胶助留剂试验成功自备电厂实现并网成功中段水项目进展顺利岳纸新春"双喜临门" [J],
2.一种计算水溶解度的经验加合模型的适用范围与局限 [J], 段宝根;李嫣;李婕;程
铁军;王任小
3.混凝土拌合水水质检测试验分析——以拌合水中PH、氯离子和硫酸根为例 [J], 袁卫东
4.中国石油长庆油田油气工艺研究院水溶解合金球试验成功 [J], 天工
5.工程院自主研制可溶桥塞溶解试验取得圆满成功 [J], 张鹏;裴晶晶
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

可溶解镁合金油气开采及植入领域应用研究摘要：镁合金具有自然的降解性能、综合的力学性能及良好的生物相容性等优点，引起了研究学者的广泛关注。

本文介绍了可溶解镁合金在石油压裂球、骨科和心血管植入材料领域的应用，并总结了可溶解镁合金未来发展趋势。

关键词：可溶解镁合金，石油压裂球，骨科材料，血管支架可溶解镁合金具有高的比强度、综合的力学性能及良好的生物相容性等优点。

其作为可溶解压裂球的材料，与一般的非金属材料相比，它既满足了可溶解压裂球所需要的力学性能，又具有天然的可降解性；作为骨科可降解材料，与钛合金、不锈钢等传统临床应用的惰性金属相比，它既能有效缓解“应力遮挡”效应，又能避免二次手术取出给患者带来经济负担和心理负担；作为心血管支架材料，它能有效避免内膜增生及再狭窄发生，具有广阔的应用前景。

一、可溶解压裂球镁合金具有可溶解性、比强度高和化学性质活泼等优点，作为制备可溶解压裂球材料，在油气开采领域具有广泛的应用前景。

纪志康[1]等通过制备漂珠/镁合金复合材料的压裂球发现，镁合金可溶复合材料抗压强度达到330MPa，表明镁合金可溶复合材料符合压裂球使用要求。

何慧[2]等研究发现，镁合金材料制备的可溶解压裂球能够满足70MPa、90°C的工作条件。

刘志斌[3]等发现，采用熔炼成型法制备的镁合金可溶解压裂球在承压70MPa时，返排压力≤3，容易返排；而且在电解质溶液中，可溶解压裂球不超过15d就能完全降解。

因此镁合金作为可溶解压裂球材料既能在工作时完成承压，又能自然溶解。

二、可降解骨科材料镁作为人体中不可缺少的元素，大概占人体总重量的0.05%，其中大部分以磷酸盐的形式参与骨骼的组成。

因此镁合金作为骨科材料有良好的生物安全性。

Gu等[4]通过细胞毒性实验发现，多种二元镁合金没有降低体内纤维细胞的细胞活力，说明了镁合金没有毒性。

Wang等[5]通过体外细胞毒性研究发现，镁合金具有促进细胞生长的作用和良好的生物活性。