轉向壓裂用復合暫堵劑優選及應用

金智榮， 吳 林， 何天舒， 周 鑫， 余 洋

(1中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院 2西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室)

目前，我國部分油田區塊已進入開發中后期，早期壓裂的大部分井因長期生產、后期作業等影響裂縫已逐漸失效，迫切需要暫堵轉向壓裂技術來挖潛剩余油富集區[1-5]。暫堵轉向壓裂是指通過一次或多次投送高強度水溶性多裂縫暫堵劑，形成暫堵層臨時封堵裂縫，提高井筒或者縫內壓力，迫使層間或者層內的高應力區開啟一條或多條新的裂縫，從而獲得比常規壓裂大的有效改造體積[6]。

2012年，周志世[7]等測試了不同縫寬條件下FCL工程纖維的封堵能力，結果表明1 mm寬度裂縫時0.8%的FCL能夠成功封堵，2 mm寬度裂縫時需采用“FCL+顆粒堵漏漿”的方式進行復合封堵。2013年，Jason Baihly[8]等人提出了可降解合金暫堵球，該暫堵球的承壓能力可達68.9 MPa。2014年，閆旭[9]等結合國內M油田的實際情況，研制了適合該油田儲層的纖維暫堵劑，實驗結果表明纖維的長度越長，濃度越低，攜帶液黏度越低，則纖維分散性越好,懸浮性越差。2015年，Andrew Babey[10]等人提出了環保型可降解暫堵劑，該種暫堵劑的封堵強度高達29 MPa，在Wasatch和Green River地層的2口井中使用效果較好。2016年，牟建業[11]等對可降解纖維進行了室內實驗，暫堵劑的用量越多，其暫堵時間越長，最大驅替壓差也越大。2017年，劉豇瑜[12]等根據對比分析的結果，優選了符合庫車山前的復合暫堵劑材料，并獲取了最佳暫堵球的粒徑組合、最佳纖維長度及濃度等。劉少克[13]以骨膠、磺化瀝青等為原料研制了水溶性壓裂液暫堵劑，并對填砂管封口進行封堵，結果表明,當濾餅厚度大于2.3 cm時才具有較好的承壓能力。在確保順利注入的情況下，較強的封堵承壓能力是暫堵劑的必備條件，而目前國內外在纖維暫堵方面研究較多，但對于顆粒、復合顆?；蝾w粒/纖維組合研究較少，因此本文在明確暫堵材料的封堵機理的基礎上，開展縫內暫堵劑封堵承壓能力實驗，優化暫堵劑類型及組合，以更好地指導現場施工。

一、暫堵劑封堵機理

目前油田暫堵轉向壓裂工藝常用的可降解暫堵劑類型主要有纖維、粉末及顆粒等[14]。本文針對不同類型暫堵劑從理論上剖析了各自的封堵機理，為后續暫堵劑組合提供了思路。

1. 纖維暫堵機理

纖維進入地層后，橋接作用的存在使得纖維容易在裂縫中形成網狀結構，在壓差存在的情況下，網狀結構能夠保持其穩定性，隨著纖維的增多，網狀結構變得致密起來，其封堵承壓的能力也越來越強。

2. 顆粒橋堵機理

由于裂縫內也存在吼道，當單個或者多個顆粒的當量直徑大于裂縫內某處吼道的直徑時，顆粒就會被滯留從而形成單顆粒橋堵或者多顆粒橋堵(見圖1)。

圖1 暫堵劑封堵機理示意圖

3. 顆粒/纖維復合暫堵機理

在纖維/顆粒的復合暫堵體系中，纖維的作用主要包括以下幾種：①纖維的輔助架橋作用；②纖維的嵌入和阻塞作用；③串聯作用(見圖1)。

由于理論能夠更好地指導實驗的進行，故在明確了暫堵劑封堵機理的基礎上，開展了縫內暫堵劑暫堵效率和承壓能力的系列實驗。

二、實驗材料及裝置

實驗材料包括：胍膠粉末，纖維材料，顆粒一(40/60目)，顆粒二(80/100目)，金屬巖板，墊片(0.5 mm，1 mm，2 mm)，足量蒸餾水。

實驗裝置及輔助部件：自主設計的動態暫堵評價裝置基于SWDLY-1型三維裂縫堵漏儀改進而來，該流動裝置能滿足較高排量驅替，可以根據現場施工情況，結合實驗設計縫寬來調整排量，以使室內模擬與現場施工更具相似性。實驗過程中巖板為表面粗糙的金屬巖板。

三、實驗結果及分析

暫堵劑的封堵效率和封堵承壓能力是其在轉向壓裂實施過程中能否起到暫堵轉向效果的關鍵因素。為了系統評價不同暫堵劑的封堵承壓能力，制定的實驗方案見表1，在60℃條件下實驗過程中攜帶液均為瓜膠，裂縫開度分別為0.5 mm、1 mm、2 mm，實驗結果為暫堵工藝選擇及優化提供依據。

表1 不同裂縫開度下的暫堵材料

1. 封堵效率

按照表1所示的實驗方案開展實驗，并以出液量代表封堵的快慢，出液量越小表示封堵越快，封堵能力越強，得到不同裂縫開度下的暫堵效率。

由圖2可知，在所有的裂縫開度下,隨著顆粒濃度的增加，裂縫完全封堵所需的時間也就越短，濾失液體積也更少；復合顆粒的封堵效果最好，顆粒一次之，顆粒二最差，但相比顆粒/纖維復合暫堵體系而言，前三者的封堵效果均較差。

故對于低開度裂縫，單獨使用顆?；驈秃项w粒便能達到有效的封堵效果；對于較高開度裂縫，不僅需要使用高濃度的顆?；驈秃项w粒，還需要配合一定用量的纖維才能達到較好的封堵效果。

2. 承壓能力

承壓實驗主要考慮不同暫堵材料能否實現對不同開度裂縫的暫堵，當暫堵體系實現對裂縫的封堵或者很大程度降低排出口液體的流動速度后，這個封堵體系能承受的最大外加壓力的強度就決定了該體系對裂縫的承壓能力。如圖3所示。

在所有裂縫開度下，單獨使用顆粒的承壓能力最差(顆粒二差于顆粒一)，復合顆粒相對較高，但相比于顆粒/纖維復合封堵體系而言，前兩者都比較差。在低裂縫開度下，低濃度的復合顆粒即可達到承壓要求，在高裂縫開度下，只有復合顆粒的濃度較高，才能達到承壓要求。

3. 封堵深度

根據封堵承壓能力實驗結果，測量不同承壓能力下暫堵劑的封堵長度。由于油田上使用得最多的還是顆粒，且裂縫開度相對較高，故建立1 mm及2 mm裂縫開度下，復合顆粒承壓能力與封堵深度的關系曲線，見圖4。

圖2 不同濃度顆?；虿牧辖M合對不同裂縫開度暫堵效率的影響

圖3 不同裂縫開度下暫堵體系的承壓能力

圖4 高裂縫開度下承壓能力與封堵深度關系曲線

四、暫堵劑用量優化

根據實驗結果建立起裂縫寬度、封堵深度及暫堵劑承壓能力間關系，得到封堵不同縫寬對應的組合、濃度及封堵深度，并結合實際裂縫的幾何尺寸，確保有效封堵已壓開裂縫，建立起暫堵劑加量的優化設計方法，優化設計流程見圖5。

五、現場應用情況

以X油田S井為例，該井壓裂井段儲層孔隙度為7%，滲透率為1.28 mD，屬于特低滲儲層，物性差，總跨度17 m，地層微裂縫發育，濾失大。設計采用縫內暫堵轉向壓裂，溝通微裂縫，形成復雜縫，增加泄油面積，提高單井產量。根據測井曲線資料計算壓裂層水平應力差介于3.5～6.4 MPa，平均5 MPa(圖6)，結合應力場模擬，縫內轉向需附加凈壓力5 MPa以上可實現縫內轉向(圖7)，結合室內實驗及裂縫模擬，設計40/60目與80/100目顆粒復合暫堵劑用量220 kg。

施工過程中：第1階段加砂8.3 m3；第2階段停泵測壓降60 min，油壓18 MPa降至3.5 MPa，壓力下降快，顯示地層濾失大，約在停泵40 min左右，壓力遞減速率出現拐點，顯示裂縫閉合現象。第3階段加入220 kg縫內暫堵轉向劑進地層后壓力瞬間上漲，后出現3次2～3 MPa壓力波動下降，顯示地層逼壓溝通天然裂縫。隨后繼續加砂，在加入1 m3支撐劑進入地層后出現砂堵超壓，停止施工。

該井壓前間抽，日產液1.4 t，日產油0.6 t，暫堵轉向壓裂后日產液8.0 t，日產油6.7 t，日增油6.1 t。盡管該井未完成設計加砂，但通過在裂縫近井附近暫堵轉向，溝通了天然裂縫，取得了較好增油效果。

圖5 縫內轉向暫堵劑用量優化設計流程

圖6 一維地應力剖面

圖7 不同凈壓力下的轉向情況(原地應力差為5 MPa)

六、結論與認識

(1)對于窄裂縫，單獨使用顆?；驈秃项w粒便能達到有效的封堵效果；對于寬裂縫，需要高濃度復合顆?；蝾w粒/纖維組合才能達到較好的封堵效果。

(2)僅用單一顆粒，隨著裂縫開度增加，其承壓能力有明顯下降；相同裂縫開度下，其承壓能力隨顆粒濃度的增加輕微提升，而使用復合顆?；蝾w粒/纖維組合后，相比單一顆粒能夠獲得更高承壓能力。

(3)現場應用表明復合暫堵轉向壓裂能夠實現封堵轉向并溝通天然裂縫系統，提高油井壓裂效果，可為含天然裂縫系統的儲層壓裂提供指導。