王紀偉,康玉柱,張殿偉,馮動軍,陳 剛,田玲鈺
(中國石化石油勘探開發研究院,北京 102206)
隨著非常規油氣資源勘探開發節奏的加快,非常規油氣資源已成為國內外石油行業關注的焦點[1-4]。壓裂技術是頁巖油氣經濟開發的有效手段,其中,壓裂形成復雜縫網、提高裂縫復雜程度是頁巖儲層獲得工業油氣流的關鍵[5-9]。美國90%、中國95%以上的頁巖氣儲層采用精細分段壓裂改造工藝。但微地震監測技術、產液剖面測試技術、示蹤劑測試技術等表明,約1/3的射孔簇因應力差異、套管變形等因素,沒有得到充分改造,嚴重影響單井產量。四川盆地長寧-威遠地區頁巖氣井壓裂施工中,大約有1/3的井均發生了不同程度的套管變形現象。頁巖氣井壓裂一般采用泵送橋塞分段壓裂技術,若遇套管變形,橋塞將無法泵送至設計位置,導致套管變形段以下層段改造困難,造成頁巖氣井控制儲量無法充分動用,同時也對壓裂施工效果產生較大影響[10-12]。Barnett盆地某頁巖氣井產氣剖面顯示,20%的壓裂改造段貢獻了70%的產量,低效改造段占比大于50%[13]。暫堵是提高裂縫復雜程度、儲層滲透率和油氣井產量的有效方法之一,可以解決因水平應力差大或套管變形,而難以形成復雜裂縫的難題[14-15]。該文系統總結了國內外頁巖等非常規儲層壓裂過程中各類型暫堵劑的應用狀況以及相關室內實驗研究成果,闡述了各類型暫堵劑的配方、適用條件、優缺點等,并分析了暫堵劑的未來發展方向,以期為相關領域的研究提供參考。
暫堵劑是一種暫時降低儲層滲透率或暫時封堵高滲透層的物質,可與水溶性物質混合后注入儲層,在壓差的作用下迅速形成薄而致密的暫堵帶,一段時間后又可自行或人工解堵。暫堵劑作用機理[16]為:壓裂施工時,在壓裂液中加入根據橋堵原理而研發的暫堵材料,即暫堵劑,其顆粒直徑一般是裂縫縫寬的1.3~1.6倍。當暫堵劑隨壓裂液進入裂縫后,可在裂縫中形成橋堵,并有效阻止后續暫堵劑的繼續進入,進而在該位置逐漸堆積。隨著后續暫堵劑的不斷注入,越來越多的暫堵劑堆積、橋堵在該位置,在裂縫中形成具有一定強度的橋堵帶,進而阻止裂縫繼續向遠處伸展,迫使壓裂液轉向,如圖1所示。隨著后續壓裂液的不斷注入,裂縫內部的凈壓力不斷升高,當裂縫內部的凈壓力達到儲層微裂縫開啟壓力或新裂縫破裂壓力時,微裂縫或新裂縫開啟。隨著后續壓裂液不斷注入,微裂縫或新裂縫不斷伸展成為新的分支縫,最終提高壓裂裂縫的復雜程度。一般情況下,暫堵劑在可控的時間內會溶于水相或烴中,不會對儲層產生傷害,滿足壓裂后的生產需求。

圖1 暫堵球(劑)橋堵示意圖
非常規儲層復雜縫網壓裂改造常用的暫堵劑包括以暫堵炮眼為主的暫堵球、以暫堵裂縫通道為主的常規類暫堵劑和纖維類暫堵劑、其他新型合成暫堵劑等。各類型暫堵劑性能如表1所示。

表1 各類型暫堵劑性能Table 1 The performance of various temporary plugging agents
壓裂施工過程中,暫堵球可暫堵射孔孔眼和高滲透層[17]。暫堵球在以上部位可以產生濾餅橋堵,濾餅橋堵能力高于裂縫破裂壓力,迫使后續壓裂液不能繼續進入,從而轉向新的裂縫,建立新的流動通道,擴大儲層改造體積。其適用于直井多層、水平井多段壓裂改造不均勻的情況。暫堵球的暫堵效果受其自身密度、射孔孔眼尺寸和數量影響較大,原則上射孔孔眼數量越少、暫堵球密度越低,暫堵效果越好[18]。
東方寶麟公司開發研制生產的可降解聚合物暫堵球GX-200,外觀呈圓球粒狀,粒徑為5.00~50.00 mm,密度為1.23~1.90 g/cm3,圓度或球度不小于0.9;在90 ℃清水中可溶解,溶解時間為15 h,殘渣含量不大于5.00%,耐壓為40.0~70.0 MPa[19]。威遠構造南翼某頁巖氣井,地層傾角為8 °,儲層埋深為2 220~2 889 m,生產層位為龍馬溪組,儲層壓力系數為1.4。在壓裂施工過程中,投放了48個粒徑為9.00 mm和29個粒徑為11.00 mm的可降解聚合物暫堵球,暫堵直徑為8.90 mm的射孔孔眼,總投球數量是射孔孔眼的1.6倍,當暫堵球泵送到位后,施工壓力升高了3.3~3.7 MPa,暫堵效果明顯[20]。針對威榮頁巖氣田套管變形嚴重,影響壓裂改造效果的問題,使用可降解聚合物暫堵球實現壓裂液轉向,該可降解聚合物暫堵球耐壓為50.0 MPa,粒徑為5.00~18.00 mm,施工中,孔眼數量與投球數之比為1.0∶1.2~1.0∶1.6,施工壓力上升2.0~18.0 MPa,微地震監測結果表明,暫堵效果顯著,儲層得到了充分改造[21]。Allison等[22]研制了一種可降解聚合物暫堵球,密度為1.25~1.36 g/cm3,需要用低黏度或者交聯體系攜砂液攜帶,該暫堵球在Barnett頁巖儲層壓裂施工過程中暫堵效果明顯,另外,該暫堵球還具有儲層傷害小、環境友好無污染等優點。
針對新疆油田礫巖儲層壓裂,采用一種水溶性無機暫堵球,暫堵球粒徑為3.50~7.50 mm,含水低于0.45%,耐壓為45.0~52.0 MPa,殘渣含量小于2.50%,密度為1.32 g/cm3,具有用量少、壓裂后完全溶解、無污染的特點。礦場試驗顯示,使用該水溶性無機暫堵球改變了裂縫的起裂方位,開啟了新裂縫,而不是對原裂縫再充填和延伸,進而改變了儲層滲流規律,增加了泄油氣面積,取得了較好的壓裂增產效果,但該方法無法控制裂縫轉向角度和方位[23]。廖仕孟等[24]將可溶性無機暫堵球應用于四川盆地長寧-威遠區塊龍馬溪組頁巖儲層壓裂中,該暫堵球密度為1.74~1.84 g/cm3,耐溫為90 ℃,耐壓為60.0 MPa,室溫下在清水中的降解時間為3~5 d。壓裂過程中井下微地震監測、鄰井壓力監測數據均表明,注入暫堵球后,改造井段附近有新事件點出現,暫堵球實現了提高壓裂改造體積的目的;針對四川盆地某頁巖氣井,采用耐壓為70.0 MPa,粒徑分別為5.50、13.50 mm的可溶性無機暫堵球進行壓裂施工,其中,粒徑為13.5 mm的暫堵球與孔眼數之比為1.0∶1.0,粒徑為5.50 mm暫堵球與孔眼數之比為0.5∶1.0。壓裂施工工程中,壓力升高了2.0~9.0 MPa,暫堵效果明顯[25]。
暫堵球一般選用活性可溶耐壓小球,易溶于地層水或壓裂液,對儲層污染小。具備施工操作方便、配套工藝簡單、成本低等優點。適用于套管變形位置深度為300~500 m的非常規儲層壓裂改造。缺點是若套管變形長度較長,暫堵球用量多,難以確保均勻造縫。暫堵球一般密度較大,施工停泵后部分球會掉落,有沉降問題,易導致暫堵失效。
常規類暫堵劑主要暫堵裂縫通道,強制人工裂縫轉向,迫使產生分支縫,壓裂液進入新的裂縫,實現縫內轉向。同時,也可以部分暫堵射孔孔眼,實現層間轉向,從而提高壓裂改造縫網的復雜程度。一般常規類暫堵劑具有耐高溫、耐高壓和封堵裂縫效果好的特點,并且在儲層溫度下可以自動徹底降解,對儲層無損害[26]。
在涪陵頁巖氣田焦石壩西南區塊焦頁某井壓裂施工中,采用常規類凝膠暫堵劑Z,暫堵劑Z是縫內暫堵劑,粒徑為0.18~0.25 mm。該井加入凝膠暫堵劑Z后,施工壓力升高1.0~3.0 MPa,迫使液流轉向,開啟了新的裂縫,最終,該井前1/2壓裂改造段的試氣產量,超過了焦石壩西南區塊的平均日產氣水平,取得了較好的壓裂改造效果[27]。針對涪陵頁巖氣田焦頁某井構造縫較發育的問題,采用常規類聚合物暫堵劑GC-ZX1、GC-ZX2進行裂縫暫堵,其中,暫堵劑GC-ZX1粒徑為0.30~0.75 mm,暫堵劑GC-ZX2粒徑為0.25~0.50 mm。在壓裂施工過程中,排量不變,施工壓力升高了5.0~19.0 MPa;壓裂施工后G函數曲線的初期趨勢快速上升,初期濾失量大,整體波動頻率及幅度增加,說明裂縫復雜程度增加[28]。
為提高頁巖儲層裂縫復雜性,擴大儲層改造體積,在四川長寧-威遠某口頁巖氣井開展常規類暫堵劑壓裂試驗,現場注暫堵劑前后微地震事件顯示:使用暫堵劑前,井筒左側幾乎沒有微地震事件,但使用暫堵劑進行縫內暫堵后,該位置出現較多微地震事件,說明此處開始有裂縫產生,暫堵效果明顯[29]。威遠龍馬溪組頁巖最大孔喉半徑為23.53 μm,劉敏等[30]選擇粒徑為10.00、30.00、50.00 μm的常規類凝膠暫堵劑,其耐壓能力大于70.0 MPa,且溶解性好,按數量比3.0∶1.0∶1.0組合,對裂縫進行暫堵,暫堵率大于98%;秦旭等[31]研制了G-120型(粒徑為0.15~0.25 mm、0.25~0.85 mm)常規類聚合物暫堵劑,G-120暫堵劑耐壓為40.0 MPa,可完全溶解,暫堵性能好,在四川地區某頁巖氣井進行礦場試驗,縫內暫堵效果明顯,壓裂改造體積提高27%。
在Haynesville某頁巖氣井采用耐壓為70.0 MPa、粒徑為1.40~3.35 mm的常規類高分子暫堵劑進行壓裂施工改造,微地震監測事件顯示,裂縫復雜程度有所提高,裂縫改造體積提高了42%,暫堵作用顯著,保證了儲層均勻改造效果,為提高單井產量奠定了基礎[32]。吳國濤等[33]研制了一種常規類高分子暫堵劑,包括粗(0.85~1.70 mm)、中(0.60~1.18 mm)、細(0.43~0.85 mm)3種粒徑,該類型暫堵劑耐溫為40~150 ℃,耐壓為40.0 MPa,降解時間為2~120 h。暫堵方案為:近井端以縫口暫堵為主,粗、中、細粒徑暫堵劑的用量分別為40%、25%、35%,遠井端以裂縫暫堵為主,中、細粒徑暫堵劑的用量分別為35%、65%。施工過程中排量保持不變,施工壓力上升7.0 MPa,暫堵效果顯著。
常規類暫堵劑具有停泵不影響暫堵效果、施工配套工藝簡單、可以實現多次投放等優點。但該類型暫堵劑投放要求高,到位響應不明顯,尤其是在裂縫遠端時,施工泵壓一般上升不明顯,因此,最好將常規類暫堵劑與暫堵球配合使用。另外,壓裂液攜帶該類型暫堵劑的集中程度往往不夠,影響暫堵劑的作用效果。
纖維類暫堵劑是一種新型暫堵劑,其柔韌性好,易彎曲變形,易進入裂縫的微孔道,或填充在小孔隙中,增強暫堵層的致密程度,大幅降低壓裂液的漏失。另外,纖維長徑比大,密度小,進入縫隙后易被粗糙的裂縫壁面捕獲而形成暫堵層,相對于暫堵球和常規類暫堵劑,纖維形成的濾餅孔隙更小,穩定性和防漏性能也更好。因此,纖維類暫堵劑可暫堵裂縫通道,強制裂縫轉向,迫使產生分支縫,實現縫內轉向。同時,也可以暫堵射孔孔眼,實現層間轉向,從而提高壓裂改造縫網的復雜程度[34]。
StimMORE壓裂技術采用纖維暫堵劑進行壓裂,纖維材料采用惰性聚酯材料,密度低,固相含量低,暫堵效果好,可完全降解,不會對儲層造成損害。將纖維暫堵劑RDF注入頁巖儲層的復雜裂縫中,可提升縫內壓力,使裂縫向新方向延伸。室內實驗表明,纖維暫堵劑RDF注入后,施工壓力最大增幅達30.0 MPa,轉向性能良好[35-36]。Marcellus頁巖氣田采用StimMORE壓裂技術重復壓裂后,單井水平段壓裂長度增加25%,日產氣量從1.4×104m3/d提高至3.4×104m3/d[37]。Barnett頁巖氣田將一種可降解纖維暫堵劑FDS應用于水平井重復壓裂改造中,該可降解纖維暫堵劑對已形成的裂縫形成了暫堵,施工壓力提高2.0~10.0 MPa[38]。汪道兵等[39]研制了纖維暫堵劑DCF,直徑為10.00~20.00 μm,纖維長度為5.00~6.00 mm,密度為1.00~1.02 g/cm3,5 h后降解率大于85%。將該纖維暫堵劑應用于重慶地區致密儲層壓裂施工中,結果顯示,DCF注入后裂縫的進液阻力明顯增大。
Ghommem等[40]將自動可降解纖維暫堵劑應用于碳酸鹽巖油氣藏的現場壓裂施工中,增加了溝通縫洞體的機率,可有效暫堵裂縫,迫使裂縫轉向,施工壓力增加5.0 MPa以上。該纖維暫堵劑體系中,可降解纖維長度為3.00~5.00 mm,質量分數為3%時效果最佳。Dashti等[41]使用可降解纖維暫堵劑,提高了碳酸鹽巖儲層壓裂改造效果,降低了壓裂液濾失,減少了進入天然裂縫系統、高滲區域、蚓孔等區域的壓裂液量,有利于壓裂液深穿透,提高了儲層縱向動用率。汪道兵[42]研制了一種纖維暫堵劑,配方為0.3%普通瓜膠+1.0%纖維+蒸餾水,在碳酸鹽巖儲層壓裂中,該纖維暫堵劑可使濾失系數降低50%~75%,暫堵后自身可依靠儲層溫度自動降解。
纖維類暫堵劑具有適應高溫地層、耐壓能力強、易形成橋堵、暫堵效果好、儲層條件下自動降解、對儲層無污染等優點。在壓裂施工后期的排液階段,纖維還可以與支撐劑產生協同作用,形成較為穩定的復合網狀結構,充分有效地阻止支撐劑回流,避免因支撐劑等堆積導致的射孔孔眼和油嘴堵塞。目前,纖維類暫堵劑已成功進行先導性礦場試驗。但是,纖維類暫堵劑措施成本高、施工操作性差,纖維在隨壓裂液注入射孔孔眼時,易因纖維纏繞分散不均勻或因表面快速水化作用而聚結成團(圖2),導致施工泵壓升高。纖維類暫堵劑作為一種新型裂縫暫堵劑,其在不同裂縫尺度下的暫堵規律與機理、強制裂縫轉向的條件與因素、最佳的纖維用量、儲層條件下纖維的降解過程與規律等,均需要作進一步的深入分析與研究,以便更充分發揮其暫堵效果。

圖2 纖維纏繞聚團示意圖Fig.2 The schematic diagram of fibre entanglement agglomerate
近幾年,國內外學者合成的新型暫堵劑種類較多,如脂族聚酯類、聚酸酐類、聚酰胺類等聚合物型暫堵劑,凍膠類、鉻離子凝膠類等交聯型暫堵劑,改性淀粉類暫堵劑以及利用PLA、PGA、PCL等制備的樹脂納米類暫堵劑等[43-44]。
董志剛[45]研制了溫控型可降解暫堵劑,成分包括聚乙烯醇纖維、萘類衍生物、分散劑、密度調節劑等,粒徑為1.00~4.00 mm,密度為1.00~1.05 g/cm3,軟化溫度為80.5 ℃,不溶物質量分數為0.02%;該暫堵劑分散性能較好,利于泵送,在頁巖儲層壓裂施工中,加入質量分數為5.00%的溫控型可降解暫堵劑,導流能力提高4.5%。另一種研究思路是基于物理暫堵、吸附作用原理,在壓裂施工過程中形成絮狀物,迫使裂縫轉向,形成復雜縫網,壓裂后再利用藥劑將絮狀物溶解。Camellia等[46]以聚丙烯酰胺、環氧樹脂、酚醛樹脂、糠醇樹脂等為材料,研制了一種新型暫堵劑,該暫堵劑中絮狀物的形成存在不確定性,且成本較高,現場應用較少。Martin等[47]使用新型無聚合物纖維暫堵劑,強化碳酸鹽巖儲層壓裂暫堵效果,該新型無聚合物纖維暫堵劑隨時間的推移易降解,對儲層損害較小。Gamarra等[48]研究了微生物類暫堵劑,如葡萄糖13球菌型暫堵劑、硫酸鹽還原菌型暫堵劑等,該方法需要在壓裂施工前在井下種菌,使細菌在儲層中繁殖生長,壓裂過程中以微生物暫堵高滲裂縫,實現裂縫均勻延伸。薛亞斐等[49]將絨囊暫堵劑應用于致密儲層的壓裂改造中,用于臨時暫堵原裂縫。其配方為:2.0%囊層劑+0.5%絨毛劑+0.1%囊核劑+0.4%囊膜劑。該絨囊暫堵劑耐壓為25.0 MPa,暫堵能力強,對儲層傷害小,暫堵后儲層滲透率恢復85%以上,能夠滿足壓裂改造暫堵的要求,但絨囊暫堵劑的絨囊暫堵機理尚不明確,裂縫的延伸形態也難以預測。
優質的暫堵劑密度為1.00 g/cm3左右,與壓裂液易混溶,不沉淀易分散易攜帶,攜帶暫堵劑的壓裂液可以長時間保持穩定狀態;暫堵劑要便于現場實時加入,要能夠橋結形成致密充填帶,暫堵射孔孔眼或者裂縫,并且具有一定的抗壓能力;暫堵完成后,要求暫堵劑能夠在水相或烴中完全溶解,保證降解徹底,解除暫堵不影響生產,并且與儲層和壓裂液配伍,對儲層無傷害;最后,從經濟角度出發,還要求暫堵劑的價格不能過高[50]。
近幾年,眾多學者在裂縫暫堵規律、裂縫轉向力學機理研究的基礎上,分析控制裂縫轉向的影響因素,暫堵劑的研究逐漸開始從單一型向組合型、從籠統型向定向型、從低效型向高效型轉變。
目前,常用的組合型暫堵劑,主要是暫堵球、常規類暫堵劑、纖維類暫堵劑三者互相組合(圖3)。

圖3 常用組合型暫堵劑組合Fig.3 The combination of common combined temporary plugging agents
針對涪陵頁巖氣田焦石壩區塊西南區壓裂改造困難等問題,焦頁某井采用常規凝膠暫堵劑A+聚合物暫堵球B+常規凝膠暫堵劑A的施工模式:縫內暫堵劑A,粒徑為0.08~0.15 mm,對儲層裂縫進行橋堵;簇間暫堵劑B,粒徑為0.08~2.36 mm,主體粒徑為0.60~0.85 mm,暫堵射孔孔眼。施工結果顯示:排量保持不變,施工壓力升高20.0~30.0 MPa,成功暫堵射孔孔眼,暫堵成功率為100%。同時,微地震監測結果表明,裂縫的延伸有明顯的轉向現象[27]。針對威榮頁巖氣田套管變形嚴重的問題,采用“高分子暫堵球+暫堵劑”組合暫堵技術,提高壓裂改造效果,施工過程中,保持排量不變,壓力上升5.0~16.0 MPa[51]。針對Utica某頁巖氣井,采用耐壓為60.0 MPa、粒徑為11.00 mm暫堵球+暫堵劑組合進行壓裂施工改造,其中,暫堵球與孔眼數之比為1.2∶1.0。壓裂施工過程中,低應力區域被暫堵后,施工凈壓力升高6.0 MPa[52]。方裕燕等[53]采用可降解暫堵球+可降解纖維暫堵劑組合體系,開展了壓裂改造暫堵室內實驗,組合體系中可降解暫堵球粒徑為1.00~10.00 mm,可降解纖維長度為6.00 mm,組合體系耐壓大于30.0 MPa。實驗結果表明:暫堵球主要暫堵射孔孔眼,直徑需大于射孔孔眼直徑,纖維有助于聚集、架橋,形成耐壓暫堵,施工排量越大,暫堵現象形成越快,組合體系用量越少。
非常規儲層的物性差異大,尤其是頁巖儲層,不同井、不同區域需要差異化設計。針對微裂縫較發育的儲層進行壓裂改造,壓裂施工過程中,施工壓力波動較大,較難改造形成復雜縫網。可以利用高分子聚合物的架橋作用、堆砌作用以及水膨體的吸水膨脹作用,以及高溫降解性能,通過對暫堵材料進行分散,研制定向型暫堵劑。該類型暫堵劑暫堵效果好,在水基壓裂液中易溶解、易分散,耐高溫。熊穎等[54]以直鏈型多羥基聚合物ZJ為主劑,再加入改性聚丙烯酸類交聯樹脂FJ進行復配,研制了一種新型定向暫堵劑:ZJ粒徑為0.60~1.20 mm,質量分數為30.00%~45.00%,70 ℃以上可完全溶解;FJ粒徑為0.30~0.60 mm,質量分數為5.00%~12.00%;兩者以亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑。該暫堵劑在標準鹽水中吸水倍數大于15倍,且高溫條件下可降解。將該暫堵劑應用于四川盆地某頁巖氣井,該井套管變形嚴重致橋塞無法坐封。壓裂施工過程中,盡管排量略有降低,但施工壓力仍上升了5.0~20.0 MPa,暫堵效果較好,壓裂施工結束后排液正常。
定向型暫堵劑主要包括以下幾種類型:抗高溫、高鹽定向型暫堵劑,主要用于高溫、高鹽儲層壓裂改造;抗油定向型暫堵劑,主要用于頁巖油、致密油等儲層壓裂改造;易分散低密度、溶解時間可調的定向型暫堵劑,主要用于套管變形嚴重井或者壓裂分段間距較大的井;還有能夠適用于儲層裂縫較為發育、地應力較大的儲層壓裂改造的定向型暫堵劑等。
重復壓裂是頁巖氣儲層進一步挖潛的重要手段。美國多口頁巖氣井重復壓裂試驗已經證實,重復壓裂的裂縫方位與初次裂縫的方位有較大偏差,這也說明重復壓裂在一定程度上可以形成新的裂縫[55-56]。但重復壓裂井儲層的非均質性往往更強,壓裂改造體積偏小,裂縫擴展延伸偏單一,井下情況更復雜,套管更易變形[57-58]。因此,結合國外致密油氣、頁巖氣的壓裂經驗,需要研制一種高效高強度水溶性暫堵劑,并形成一種自然選擇“甜點”的高效暫堵壓裂技術。在第1條裂縫壓裂完成后,向縫內注入高效高強度水溶性暫堵劑,對主裂縫暫堵,迫使其他位置壓開新的裂縫。該技術可適用于套管變形異常嚴重的頁巖儲層體積壓裂改造,使其具有分段壓裂改造的優點,缺點是難以確保儲層均勻改造。
(1) 頁巖儲層復雜縫網壓裂改造,常用的暫堵劑包括暫堵球、常規類暫堵劑、纖維類暫堵劑以及其他新型合成暫堵劑。其中,暫堵球以暫堵射孔孔眼為主,常規類暫堵劑和纖維類暫堵劑以暫堵裂縫為主。
(2) 暫堵球施工操作方便、成本低,有沉降問題;常規類暫堵劑停泵不影響暫堵效果,可多次投放,但有壓力響應不明顯的問題;纖維類暫堵劑耐壓耐溫能力強,暫堵裂縫能力好,但成本高。
(3) 在裂縫暫堵規律、裂縫轉向力學機理、控制裂縫轉向影響因素的理論研究基礎上,合成組合型暫堵劑、定向型暫堵劑、高效型暫堵劑是未來的主要研究方向。