可降解暫堵球動態封堵承壓性能評價方法及裝置研制

韓慧芬

1中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院 2頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室

0 引言

“長水平段+分段多簇縫網壓裂”改造工藝已成為非常規儲層的高效開發模式[1]，簇間距越來越小，射孔簇均勻起裂難度大，難以形成復雜縫網，改造體積有限。如何提高分簇效率，增加裂縫復雜程度是關鍵問題。密切割及高密度完井壓裂工藝能夠增加射孔簇數，使壓裂段改造更加充分，在提高單井產量方面取得一定效果，但存在無效射孔簇問題[2]。對于這兩項完井技術，還需要配合縫口暫堵技術，封堵無效射孔簇，促使新縫的產生和增加單縫的復雜程度。高密度射孔和密切割完井工藝配合暫堵轉向壓裂工藝在德克薩斯州西部眾多的壓裂井中均非常成功的應用，顯著的增加了儲層接觸面積。

頁巖氣井大規模縫網壓裂容易導致套管變形，使得無法下入橋塞而導致大部分壓裂層段無法改造。通過加強地質建模、鉆井工程、壓裂改造、套變后措施的技術攻關，長寧—威遠區塊頁巖氣井套變比例大幅降低，但仍占20%～30%[3- 4]，需采用可降解暫堵球轉向壓裂技術，解決套管變形段丟段的問題[5- 6]。縫口暫堵轉向技術的暫堵效果受多種因素影響，目前主要依靠微地震監測裂縫形態和壓裂施工壓力是否提高這兩個方面來進行籠統評價，但是泵入的可降解暫堵球是否達到了暫堵效果、封堵效果控制因素等方面都缺乏相應的依據和手段，制約了暫堵轉向壓裂優化設計及暫堵材料的優選，進而達不到預期的效果。可降解暫堵球性能評價主要包括降解、密度、尺寸、形態、耐溫性能、承壓及轉向能力等，承壓及轉向能力是評價可降解暫堵球封堵效果的重要性能指標，目前對轉向能力、孔眼的形態及大小、投球方式等方面缺乏系統研究。文章通過可降解暫堵球性能評價裝置的研制，形成了可降解暫堵球動態封堵承壓性能評價方法，為暫堵球性能優選、暫堵球與孔眼大小的匹配、暫堵球投球方式及投球時機等提供了依據。

1 可降解暫堵球封堵承壓性能評價方法

可降解暫堵球承壓能力是評價暫堵球封堵效果的一個重要性能指標，測試方法包括靜態測試法和動態測試法兩種。

1.1 靜態測試法

靜態承壓能力測試采用壓力機進行可降解暫堵球變形承壓能力測試，也可采用流動設備，在巖心前端放置多種尺寸孔板，將可降解暫堵球放在測試孔眼上，加壓、測試其靜態承壓封堵能力，如周怡、方裕燕[7- 10]等人開展了研究。這兩種方法得到的承壓能力相差較大，前者得到的承壓能力不能代表暫堵球的封堵承壓能力，現場選擇暫堵球的時候不能采用該指標。

1.2 動態測試法

高學生[11]、龔蔚[12]等人研發了暫堵球動態抗壓裝置，在金屬管上布孔并連接塑料軟管，后端與流量計相連，能夠模擬水平管(或垂直管)不同相位孔眼的封堵情況，但主要集中在評價暫堵球動態承壓封堵方面的性能，對轉向能力、孔眼形態及大小、暫堵球運移及坐封影響因素等方面缺乏系統研究。

2 實內評價裝置需要解決的關鍵問題

已有的研究成果實現了暫堵球在水平管(或垂直管)中的動態運移及不同相位孔眼封堵模擬。但是將室內模擬暫堵球封堵射孔孔眼效果的結果用于指導現場,還需解決以下四個方面的問題。

2.1 射孔孔眼尺寸及形狀多樣化

不同相位孔眼大小不一，現場射孔孔眼尺寸差異較大，見圖1。同時，加砂壓裂后支撐劑對孔眼的沖蝕會影響孔眼的大小，通過對加砂壓裂后射孔孔眼進行監測，利用工具標尺和圖像算法，反演各簇開啟情況，發現不同工況下孔眼沖蝕后形狀和尺寸變化也大，見圖2。因此，室內實驗要解決模擬孔眼多樣化以及孔眼大小與暫堵球尺寸的匹配問題，根據孔眼封堵效果，指導優化選擇可降解暫堵球組合尺寸的范圍。

圖1 不同相位射孔孔眼尺寸對比圖

圖2 利用工具標尺和圖像算法反演各簇開啟情況

2.2 大排量高泵壓室內實驗難以實現

頁巖氣井體積壓裂單個孔眼的流量通常能達到0.1 m3/min以上，室內模擬這樣的工況必然需要大排量高壓泵。通常，用于室內實驗的泵要么是能滿足大排量泵注、但是不耐壓；要么是能承受高壓，但是排量卻只能達到幾百毫升每分的排量，要模擬現場孔眼封堵承壓，需要解決系統大排量耐高壓的問題，優化管柱和泵選型。

2.3 如何實現模擬暫堵球封堵孔眼并轉向

縫口轉向是在壓裂施工中通過一次或多次投放高強度水溶性顆粒暫堵劑在炮眼和裂縫高滲透帶臨時封堵老裂縫，提高井筒中的壓力，促使水平產層段其他位置裂縫的開啟，最終形成多條新裂縫，達到密集切割儲層的目的，有效增加單井改造體積。但是如何實現模擬暫堵球封堵孔眼并轉向，也是室內模擬系統需要解決的問題。

2.4 投球方式及投球時機的選擇

投球方式及投球時間間隔的選擇會明顯影響暫堵球的封堵效果。目前室內大多采用手動投球方式，存在投球時間不可控，不能模擬不同投球時機下的封堵效果。同時，不同耐溫等級、不同材料的可降解暫堵球溶解性能差異較大，如某廠家的低溫暫堵球在常溫下性能穩定，隨時間變化在滑溜水中不會溶解，3 h后球粒直徑、體積及外觀均無變化(圖3)；而90℃下，該暫堵球在滑溜水中溶解速度較快，1.5 h后暫堵球完全溶解(圖4)。

圖3 某暫堵球在常溫條件下溶解后表面形態變化圖

圖4 某暫堵球在90℃條件下溶解后表面形態變化圖

3 可降解暫堵球性能評價裝置研制

針對上述問題，首次考慮孔眼沖蝕、儲層滲透性能、轉向功能，優化管柱、泵注及投球系統，研制了可降解暫堵球性能評價裝置，實現了暫堵球在井筒中運移、封堵孔眼、轉向等一體化模擬功能。

3.1 孔眼沖蝕模擬系統

3.1.1 孔眼沖蝕評價

孔眼大小及形狀直接影響暫堵球封堵效果及暫堵球尺寸的選擇，為了研究加砂壓裂過程中支撐劑對孔眼的沖蝕作用，研發了一套8～15 mm孔眼沖蝕模擬系統。取現場的套管加工成工裝試片，連接在水射流設備出口端，根據現場實際施工參數模擬加砂壓裂過程中孔眼沖蝕情況。支撐劑取自現場某平臺井的石英砂和陶粒，試驗排量為200 L/min，單孔流量為100 L/min，砂濃度8%，分別測量多次泵注500 kg支撐劑后，兩個試片的質量和孔徑變化，實驗結果見表1。實驗結果表明，孔眼直徑變化率范圍為0.64%～1.07%，沖蝕集中于孔入口處，入口棱角被明顯磨圓。

表1 實驗前后孔徑變化情況

3.1.2 射孔孔眼孔徑分析

采用不同的射孔彈、射孔方式、不同的套管尺寸等都會使射孔孔眼直徑不同，而且不同的射孔相位，孔眼直徑差異也非常大，例如外徑為140 mm的套管，采用89射孔槍，常規射孔彈，孔徑范圍為7.5～12.7 mm，采用等孔徑射孔彈，孔徑范圍為9.4～102 mm。目前頁巖氣井大多采用等孔徑射孔彈進行射孔，雖然減小了孔眼直徑的變化范圍，但總體來說各相位上孔眼大小是非等徑的。

為了研究孔眼與暫堵球的匹配關系，考慮孔眼沖蝕、射孔相位的影響，孔眼部件設計成固定母扣+活動模擬孔眼的組合方式，需模擬實際沖砂后孔眼與暫堵球匹配關系的時候，只需將孔眼模擬井筒與水射流設備相連進行沖砂后，然后再連接到暫堵球性能評價裝置上進行封堵承壓實驗即可，實現了模擬孔眼在7～16 mm內尺寸和形狀的任意調節，并按照60°相位等間距布孔，模擬了實際工況。

3.2 泵注和暫堵球運移模擬系統

目前，泵注系統無法實現現場?139.7 mm套管和16～20 m3/min大排量模擬，室內實驗通常采用低壓大排量泵或高壓低排量泵，但無法同時滿足高壓大排量的泵注能力。根據相似理論設計管柱直徑，引入π定理對井筒內流體流動進行量綱分析，獲取壓降與各量綱間的關系式，得到表征流態、流速等相似準數。

(1)

式中：v—現場井筒中的運動速度，m/s；v′—模擬井筒中的運動速度，m/s;h—現場井筒長度，m；h′—模擬井筒長度，m;g—重力加速度，N/kg。

當井筒直徑比尺為n，高度比尺為m時，則流速關系轉換為：

(2)

設計泵排量公式為：

(3)

式中：Q—泵注排量，m3/min；Q′—模擬泵注排量，m3/min;D—管柱直徑，mm;D′—模擬管柱直徑，mm。

化簡得到實驗室模擬的泵排量與原型泵排量的關系為：

(4)

現場頁巖氣井施工排量通常為15～20 m3/min，室內耐壓的注入泵排量上限基本為0.5 m3/min，其比例值處于30～40之間。現場頁巖氣井井深通常為2 000 m以上，室內流動管路按照5 m設計，其比例尺的平方根達到20以上，因此，直徑比例尺的選擇達到2倍以上即可。同時考慮布孔，建議可采用?38.1 mm管柱尺寸。

注入泵采用低壓大排量泵的組合方式，低壓大排量泵的注入能力為500 L/min，承壓低于1 MPa，高壓低排量泵承壓能力為35 MPa，注入能力為500 mL/min，通過自動控制系統切換實現大排量泵球、封堵承壓能力測試的功能。根據泵注能力和孔眼流量需求，選擇合適的孔眼數開展室內模擬試驗。

3.3 暫堵球自動投球模塊

考慮投球方式及投球時機對封堵效果的影響，在注入泵出口端設計了投球裝置，常規的手動投球器(圖5a)存在操作費力、投球間隔時間長、時間不可控、無法對暫堵球進行加溫等缺陷。本文設計的自動化投球裝置(圖5b)實現了自動投球、投球時間可控、可預熱加溫的功能，具有以下特點：

圖5 投球裝置

(1)投球器由預熱系統、圓盤裝置、投球腔體、控制閥門等部件組成。

(2)為了模擬暫堵球在井筒中預熱降解，采用水浴加熱的方式，實驗溫度可達90 ℃。

(3)設計成雙層圓盤轉動結構，上層布有7個直徑為20 mm的圓孔，下層與主體投球器相連的部分設計了20 mm的圓孔，通過電機控制轉速，自動控制投球器開關閥門，實現每隔5 s投球一次，滿足直徑小于20 mm的暫堵球自動投球。

干法回收工藝流程短，且不需要使用酸堿溶液，減少了有機廢液的產生，但是高溫過程會產生大量的廢氣和廢渣。針對動力電池拆解回收的模式，分析回收過程的各項成本，以數學模型的形式建立回收利潤的模型，表達式如下：

(4)考慮可降解暫堵球與水接觸后的降解粘稠特性，放置暫堵球的轉盤等部件采用四氟材料。

(5)投球形式多樣化，滿足一次性投球和控制投球時間間隔。

(6)投球器系統耐壓35 MPa。

3.4 地層模擬器模塊

為了模擬暫堵球封堵孔眼實現暫堵轉向的功能，設計了地層模擬器，由內筒和外筒組成的30 cm長圓柱狀金屬體組成，其中內筒周圍布置有不同數量和大小的孔眼，內筒和外筒環形空間可充填支撐劑或礫石等，入口與孔眼尺寸一致，出口端設計為死堵。外筒通過絲扣與孔眼連接，入口與孔眼尺寸一致，出口端設計10 mm孔眼，并與流量計連接，實驗過程中連接在不同的模擬孔眼上，創新實現了不同滲透地層的封堵轉向模擬過程。

3.5 暫堵球性能評價裝置

暫堵球性能評價裝置包括透明可視化模擬系統和承壓轉向不銹鋼模擬系統(圖6)，具有自動投球、調節孔眼尺寸和形狀、加熱等功能，耐壓35 MPa、模擬溫度達到90 ℃，自動化程度強、模擬結果準確、功能更強大，實現暫堵球運移、封堵、轉向等一體化室內動態模擬，為暫堵球選擇、施工參數和施工工藝優化提供實驗數據支撐，該裝置性能參數見表2。

圖6 暫堵球性能評價裝置

4 可降解暫堵球動態封堵承壓性能評價方法

可降解暫堵球動態封堵承壓性能評價首先要確定實驗用可降解暫堵球，主要性能包括暫堵球的密度、直徑、降解性能等，實驗前需測定其相關性能；其次需要確定實驗參數及實驗條件，包括流速、溫度、暫堵球數量、孔眼相位、孔眼數量、實驗壓力、投球方式、地層模擬器滲透能力等參數；最后根據確定的暫堵球和實驗條件，開展不同影響因素下暫堵球動態封堵承壓效果實驗。該評價方法步驟為：

(2)打開大排量低壓泵，泵注清水或滑溜水，讓流體充滿整個管路，直到管路不再有氣泡存在為止。

(3)將可降解暫堵球放在投球器托盤圓孔上，按照設定參數自動投球。

(4)觀察暫堵球在孔眼上的坐封位置、運移情況，并通過監測孔眼出口端的流量判定封堵效果。

(5)按照實驗設定時間持續泵注流體，然后停泵，觀察暫堵球是否脫落孔眼。

(6)沖球，停止實驗。

(7)處理實驗數據，分析暫堵球坐封及封堵效果的影響因素。

5 認識與結論

(1)采用密切割+高強度加砂,同時搭配縫口暫堵轉向工藝是解決無效射孔簇、增加裂縫復雜程度的重要技術手段，但縫口暫堵轉向效果受多種因素影響，暫堵球選擇不當、泵注參數不合適都會影響封堵效率，達不到暫堵轉向壓裂的效果，造成簇效率低。

(2)大多數室內暫堵球動態封堵孔眼效果實驗主要集中在評價暫堵球動態承壓封堵方面的性能，對轉向能力、孔眼的形態及大小、暫堵球運移過程及坐封影響因素等方面缺乏系統的研究。

(3)考慮孔眼沖蝕、射孔相位和儲層滲透性能，通過優化供液、管柱、模擬孔眼及投球模塊，研制的暫堵球動態封堵承壓性能評價裝置能更好的模擬現場實際孔眼大小、單孔流量、投球方式等情況下暫堵球的暫堵轉向效果，實現了暫堵球在井筒中運移、封堵孔眼、轉向等一體化模擬功能，有效地指導現場可降解暫堵球優選、投球方式選擇、施工參數優化，提高縫口暫堵轉向壓裂效果。