暫堵劑的研究進(jìn)展

何明舫 張燕明 趙振峰 崔云群 梁凌云

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710018)

人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展高度依賴于煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石資源。石油作為傳統(tǒng)的化石能源之一，與人類生活密不可分。然而，由于地層性質(zhì)不均勻，在開采石油的過程中易造成鉆井液由孔道滲透進(jìn)入油井內(nèi)部，在造成石油產(chǎn)量降低的同時(shí)嚴(yán)重影響石油開采的質(zhì)量。因此，需要對(duì)高滲透層進(jìn)行臨時(shí)封堵來降低油井的滲水效果，從而達(dá)到提升石油開采效率的目的。

油田堵水的本質(zhì)就是改變水在儲(chǔ)層中的流動(dòng)方向，也就是改變滲透匯率，目前的堵水方式主要包括機(jī)械堵水和使用化學(xué)暫堵劑[1]。其中，機(jī)械堵水成本較高，操作復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間。使用化學(xué)暫堵劑進(jìn)行堵水，不僅能減少地層的管線和設(shè)備腐蝕，同時(shí)還能增加原油的采收率，因此化學(xué)暫堵劑成為了更好的選擇。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)暫堵劑進(jìn)行了深入的探索，早在1936年，Halliburton在專利中就提出了以脂肪酸鹽與氯化鈣反應(yīng)的沉淀物作為暫堵劑[2]。我國(guó)油田化學(xué)堵水技術(shù)起步于二十世紀(jì)中期，通過幾十年的研究與發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出種類繁多的應(yīng)用于不同油藏條件的暫堵劑。

本文首先介紹了暫堵劑的應(yīng)用以及在應(yīng)用過程中的暫堵機(jī)理；再根據(jù)暫堵與解堵方式將暫堵劑劃分為堿溶性、酸溶性、油溶性、水溶性。基于此種分類方法分別介紹了不同種類暫堵劑的研究進(jìn)展，并總結(jié)了其在應(yīng)用過程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)暫堵劑的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 化學(xué)暫堵劑的應(yīng)用

1.1 酸化

酸化處理是解除地層傷害，恢復(fù)儲(chǔ)層滲透性的常用措施。主要是將酸化流體注入地層中促使粘土顆粒、碳酸鹽等溶解，從而對(duì)流體的流動(dòng)通道進(jìn)行疏通，增加近井地帶的滲透率，以此來達(dá)到改善和提升油井產(chǎn)率的目的。然而，常規(guī)酸化過程中，酸化液往往會(huì)沿著阻力小的通道進(jìn)入高滲透區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)酸的均勻分布[3]。在這種情況下需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分層改造。當(dāng)前，分層酸化工藝主要包括機(jī)械分層和化學(xué)分層。傳統(tǒng)的機(jī)械分層酸化不僅成本高昂、耗時(shí)長(zhǎng)且施工過程受限，此外，井況惡化等因素在一定程度上也增大了施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，在酸化過程中需要注入化學(xué)暫堵劑以封堵高滲透區(qū)，從而達(dá)到消除污染、縮小現(xiàn)有滲透率差的目的[4]。

在酸化過程中，暫堵劑會(huì)優(yōu)先進(jìn)入吸水能力強(qiáng)的地層，在一定程度上阻礙了酸化液進(jìn)入高滲透區(qū)，起到了分流酸液的作用，促使主體酸化液轉(zhuǎn)向注入低滲透區(qū)，提升酸化液的有效利用率。酸化液會(huì)將孔隙中的堵塞物清除，疏通原地層中的孔隙或者間隙，有效提高地層的滲透率，促使酸化液在儲(chǔ)層中均勻分布，起到了分層酸化的作用，對(duì)緩和層間矛盾具有關(guān)鍵作用。酸化作業(yè)結(jié)束后，暫堵劑迅速降解，地層滲透性逐漸恢復(fù)，不會(huì)對(duì)地層造成污染[5]。

1.2 壓裂

低滲透裂縫性砂巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂縫是儲(chǔ)層的重要滲流通道。然而其分布不均勻，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，縱向上非均質(zhì)性嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)寬度的范圍較大，易受損害，工藝上經(jīng)常存在堵死現(xiàn)象，所以需要對(duì)低滲透致密油田進(jìn)行壓裂施工。壓裂開的地層裂縫開始緩慢地出油，隨著油田開發(fā)的深入，地層孔隙壓力逐漸下降，支撐劑破碎，裂縫開始閉合，原料的采出程度下降[6]。因此，為增加采收率，提高經(jīng)濟(jì)效益，需要通過暫堵劑對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行暫堵轉(zhuǎn)向壓裂改造。

壓裂施工時(shí)，在壓裂液中注入暫堵劑堵塞現(xiàn)有裂縫，會(huì)形成橋堵帶，隨后再次使用壓裂液升高井底壓力，此時(shí)壓裂液就會(huì)在原先裂縫的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的裂縫或激活天然裂縫，與地層中已有的天然裂縫連通從而形成了裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到堵老縫、開新縫的目的，增加石油的流動(dòng)性。待工作完成后，暫堵劑逐漸溶解，返排出地面，不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生損害，此時(shí)老縫新縫同時(shí)出油，從而能深入地開發(fā)尚未開采的泄油區(qū)。

1.3 暫堵酸壓

碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣藏分布廣泛，儲(chǔ)量豐富。然而，儲(chǔ)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，生產(chǎn)層厚度大，因此需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造才能達(dá)到增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。酸壓技術(shù)施工成本低廉、封堵效果較好，此外，其施工操作簡(jiǎn)單、施工方便，因此酸壓改造技術(shù)對(duì)提高油井產(chǎn)能具有關(guān)鍵作用。酸壓施工時(shí)，酸化液在井底施工壓力高于地層破裂壓力的情況下進(jìn)入地層，酸化液會(huì)溶蝕巖石表面，從而形成導(dǎo)流能力良好的不規(guī)則裂縫，溝通非均質(zhì)性較強(qiáng)的天然裂縫，提高地層滲流能力[7]。然而在酸壓過程中，酸液濾失嚴(yán)重，酸蝕作用的距離有限，改造儲(chǔ)層的效果不理想，因此，為了進(jìn)一步減少酸化液的損失，往往需要在前置液中添加暫堵劑[8]。

酸壓施工過程中，在前置液中添加暫堵劑，在天然裂縫與水力裂縫相交的地方會(huì)形成暫堵而提高了局部壓力，從而迫使酸化液進(jìn)入中低滲透區(qū)域，達(dá)到均勻布酸的效果。待工作結(jié)束后，暫堵劑逐漸降解，暫堵裂縫的滲透性逐漸恢復(fù)。酸壓與酸化之間的主要不同是施工壓力及排量，其中，酸壓施工壓力大且排量較高[9,10]。

2 國(guó)內(nèi)外化學(xué)暫堵劑的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 堿溶性暫堵劑

由于當(dāng)前堿性暫堵劑仍然處于研發(fā)階段，相關(guān)研究不多。R.Verret等[11]提出用堿溶性微米級(jí)超細(xì)纖維素作為暫堵劑，微米級(jí)纖維素是由一種具有伸縮性、壓縮性以及膨脹性的纖維素構(gòu)成，所以能迅速封堵井壁形成濾餅，在很大程度上阻礙施工過程中的液體和固相浸入地層。施工結(jié)束后，多數(shù)濾餅可采用生產(chǎn)回流的途徑被帶離儲(chǔ)層，也可以恰當(dāng)利用強(qiáng)堿溶液對(duì)濾餅進(jìn)行清除，且不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生損害。劉志明等[12]開發(fā)出一種包含羥基、羧基、羰基等官能團(tuán)的堿溶性暫堵劑LZ-1，當(dāng)溶液呈堿性時(shí)，暫堵劑可以與堿反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在鉆井液中起到良好地分散和穩(wěn)定的作用，且環(huán)保無污染。

堿溶性暫堵劑在中性條件下表現(xiàn)出化學(xué)惰性，質(zhì)地脆且具有較高的熔點(diǎn)以及較低的硬度，這些特性造成堿溶性暫堵劑易于加工成需要大小的顆粒。然而由于堿溶性暫堵劑起步時(shí)間晚，開發(fā)速度慢，所以現(xiàn)階段堿溶性暫堵劑相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)際應(yīng)用不多。

2.2 酸溶性暫堵劑

酸溶性暫堵劑常用于酸化壓裂作業(yè)中，主要以酸溶性暫堵材料作為主體材料，結(jié)合其他助劑組成。在暫堵過程中，酸溶性暫堵劑在孔喉和裂縫部位會(huì)架橋填充從而形成暫堵層，以防入井液的漏失。作業(yè)結(jié)束后，通常需要利用酸液進(jìn)行酸化解堵。

周成裕等[13]將酸溶性暫堵顆粒添加至重復(fù)酸壓工作液體系中，在施工作業(yè)時(shí)，暫堵劑可以封堵老裂縫，導(dǎo)致液體的流動(dòng)方向在地層內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生新的裂縫。針對(duì)順北一區(qū)裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層，方俊偉等[14]制備了一種耐高溫的酸溶性暫堵劑，其主要成分包括可酸溶纖維、剛性填充材料以及可變性彈性石墨。該暫堵劑具有較高的承壓性能，酸溶性能良好，可達(dá)到致密封堵的效果，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)性能。張利威等[15]針對(duì)伊拉克米桑油田群設(shè)計(jì)開發(fā)了一種酸溶性堵漏劑，將其應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中獲得了良好的效果，研究表明該新型暫堵劑有助于提升鉆井液封堵性和耐壓性能，此外該暫堵劑有效地解決了油田裂縫性漏失問題，且滿足儲(chǔ)層保護(hù)的要求。Zhang等[16]針對(duì)含H2S和CO2的低滲透碳酸鹽巖儲(chǔ)層提出了一種暫堵鉆井液配方體系，其中包括專門制備的酸溶性暫堵劑DSK-1。

酸溶性暫堵劑價(jià)格低廉，可變形程度較低，具有良好的耐溫性，抗溫性能優(yōu)良，普遍適用于高溫高壓地層[17]。然而酸溶性暫堵劑的封堵效果不理想，并且酸化解堵過程復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高昂，通常剩余較多殘留物，且極易對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生二次污染，所以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有一定的局限性。

2.3 油溶性暫堵劑

油溶性暫堵劑作為一種選擇性暫堵劑，在油中具有較高的溶解度，在解堵過程中不需要添加其他試劑即可溶解在地層的原油中從而被帶出儲(chǔ)層，起到了保護(hù)儲(chǔ)層的作用，因此油溶性暫堵劑具有良好的應(yīng)用前景。

油溶性暫堵劑通常以石油樹脂產(chǎn)品為原料，如油溶性樹脂、松香及松香改性劑、聚氨酯等。這種材料不溶于水，易溶于油，對(duì)油藏危害較小。其中，油溶性樹脂具有良好的黏性和熱塑性，受到外力作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)塑性變形，在制備油溶性暫堵劑方面得到了廣泛的應(yīng)用。趙慶波等[18]對(duì)松香進(jìn)行改性制備了一種油溶性暫堵劑，暫堵性能優(yōu)異，可以選擇性酸化高含水油井。Zhao等[19]通過采用不同類型的石油樹脂和烴類樹脂制備了一種新型油溶性暫堵劑，在應(yīng)用于華北油田時(shí)呈現(xiàn)出優(yōu)異的效果。余小燕等[20]開發(fā)出一種油溶性暫堵劑用于河南油田WB2-32-4井轉(zhuǎn)向壓裂試驗(yàn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的暫堵和解堵性能，同時(shí)起到了良好的增油作用。在暫堵材料的選擇上，石蠟、瀝青等也可用于制備油溶性暫堵劑。如姜必武等[21]針對(duì)安塞油田開發(fā)了一種以松香、全煉石蠟、瀝青等為主要原料的蠟球暫堵劑，其性能優(yōu)良，成本合理。此外，Li等[22]采用聚乙烯蠟作為主要成分研制了一種油溶性暫堵劑，并研究了其對(duì)天然巖心的封堵性能，暫堵劑封堵率為99.9%，解堵后巖心滲透率的恢復(fù)率為90.1%，這一結(jié)果優(yōu)于常規(guī)油溶性暫堵劑W-11，解決了現(xiàn)有暫堵劑存在的封堵強(qiáng)度低、解堵后滲透率恢復(fù)率低的問題。

油溶性暫堵劑在作業(yè)過程中被擠入井筒附近，受壓力、溫度的影響會(huì)變軟發(fā)生形變，封堵巖石的孔隙從而形成暫堵。施工結(jié)束后，暫堵劑溶解在原油中，恢復(fù)儲(chǔ)層的滲透率，避免對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害，有利于后續(xù)的持續(xù)開采。油溶性暫堵劑解堵方式簡(jiǎn)便，具有優(yōu)異的暫堵性能，且適用的溫度范圍廣泛，然而由于其成本高昂，難溶于水，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 水溶性暫堵劑

由于油溶性暫堵劑難以應(yīng)用于高含水油井以及注水井，為了滿足該類型井的暫堵需要，研究學(xué)者對(duì)水溶性暫堵劑進(jìn)行了深入的研究。水溶性暫堵劑一般易溶于水，不溶于油，具有良好的黏彈性，其暫堵原理為：當(dāng)水流經(jīng)孔喉時(shí)，聚合物遇水發(fā)生膨脹伸展，從而增加了水的流動(dòng)阻力，達(dá)到了堵水的效果；當(dāng)油經(jīng)過時(shí)，由于其不溶于油，因而不會(huì)阻礙油的流動(dòng)，因此能起到選擇性堵水的作用。

趙強(qiáng)等[23]利用納米復(fù)合技術(shù)研制出一種新型的顆粒水溶性暫堵劑，該暫堵劑具有吸水倍率較大、破碎強(qiáng)度不高、對(duì)地層無污染等優(yōu)點(diǎn)。李侖諭等[24]通過水溶液聚合法開發(fā)了一種水溶性暫堵劑。無論是在酸中還是水中，暫堵劑均有優(yōu)良的溶解性，能有效保護(hù)地層，對(duì)返排施工作業(yè)具有促進(jìn)作用，此外，該暫堵劑耐壓性良好，可以達(dá)到壓裂施工的要求。Reena等[25]開發(fā)了以聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮以及這兩種聚合物與有機(jī)交聯(lián)劑交聯(lián)的混合物形成的水溶性暫堵劑，該暫堵劑的堵水性能優(yōu)異，同時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。李翠霞等[26]研制了一種五元共聚物水溶性暫堵劑，研究結(jié)果表明，該暫堵劑的暫堵性能優(yōu)異，且暫堵結(jié)束后無須添加破膠劑即可達(dá)到解堵目的。

水溶性暫堵劑不但具有良好的暫堵效果，而且可以通過直接溶解于地層水中以達(dá)到解堵目的，溶解率較高，溶解后殘?jiān)伲扯容^小，更易于返排，不會(huì)對(duì)地層造成污染，目前在修井作業(yè)施工中已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用。但是，水溶性暫堵劑的生產(chǎn)成本高昂，堵漏和溶解的速度緩慢，承壓能力較弱。由于在油氣田開采過程中對(duì)水溶性暫堵劑具有較高需求，因此，水溶性暫堵劑仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)語及建議

石油資源作為國(guó)家關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。隨著油田的深入開采，油田資源日益緊張，廣泛分布但開采困難的低滲透油田逐漸吸引了人們的廣泛關(guān)注。為了提升油井的產(chǎn)能，研究者通過各種方法對(duì)油井進(jìn)行改造，暫堵劑在油井改造過程中起到關(guān)鍵作用。目前已經(jīng)開發(fā)了種類繁多的新型暫堵劑應(yīng)用于油田改造。然而，當(dāng)前開發(fā)的暫堵劑依然存在封堵強(qiáng)度不足、耐溫性能較差、溶解后剩余較多殘?jiān)鼜亩荒芎芎玫乇Ｗo(hù)儲(chǔ)層免受損害、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、施工成本高等問題。此外，在制備暫堵劑的過程中仍然需要考慮經(jīng)濟(jì)可行性以及環(huán)境友好等方面的問題。因此，未來的暫堵劑開發(fā)仍需要不斷改進(jìn)發(fā)展，需要結(jié)合不同類型暫堵劑的優(yōu)點(diǎn)，深入探討、研究暫堵劑的暫堵以及解堵機(jī)理，在此基礎(chǔ)上研制出適應(yīng)不同油藏條件的新型暫堵劑。