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(shù)研究院 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

目前，我國部分油田區(qū)塊已進(jìn)入開發(fā)中后期，早期壓裂的大部分井因長期生產(chǎn)、后期作業(yè)等影響裂縫已逐漸失效，迫切需要暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)來挖潛剩余油富集區(qū)[1-5]。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂是指通過一次或多次投送高強(qiáng)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(nèi)壓力，迫使層間或者層內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)開啟一條或多條新的裂縫，從而獲得比常規(guī)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(jié)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(jìn)行復(fù)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(dá)68.9 MPa。2014年，閆旭[9]等結(jié)合國內(nèi)M油田的實(shí)際情況，研制了適合該油田儲層的纖維暫堵劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huán)保型可降解暫堵劑，該種暫堵劑的封堵強(qiáng)度高達(dá)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(yè)[11]等對可降解纖維進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，暫堵劑的用量越多，其暫堵時間越長，最大驅(qū)替壓差也越大。2017年，劉豇瑜[12]等根據(jù)對比分析的結(jié)果，優(yōu)選了符合庫車山前的復(fù)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(jìn)行封堵，結(jié)果表明,當(dāng)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(qiáng)的封堵承壓能力是暫堵劑的必備條件，而目前國內(nèi)外在纖維暫堵方面研究較多，但對于顆粒、復(fù)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(jī)理的基礎(chǔ)上，開展縫內(nèi)暫堵劑封堵承壓能力實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化暫堵劑類型及組合，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

一、暫堵劑封堵機(jī)理

目前油田暫堵轉(zhuǎn)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(jī)理，為后續(xù)暫堵劑組合提供了思路。

1. 纖維暫堵機(jī)理

纖維進(jìn)入地層后，橋接作用的存在使得纖維容易在裂縫中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在壓差存在的情況下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠保持其穩(wěn)定性，隨著纖維的增多，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得致密起來，其封堵承壓的能力也越來越強(qiáng)。

2. 顆粒橋堵機(jī)理

由于裂縫內(nèi)也存在吼道，當(dāng)單個或者多個顆粒的當(dāng)量直徑大于裂縫內(nèi)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(jī)理示意圖

3. 顆粒/纖維復(fù)合暫堵機(jī)理

在纖維/顆粒的復(fù)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(lián)作用(見圖1)。

由于理論能夠更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，故在明確了暫堵劑封堵機(jī)理的基礎(chǔ)上，開展了縫內(nèi)暫堵劑暫堵效率和承壓能力的系列實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置及輔助部件：自主設(shè)計(jì)的動態(tài)暫堵評價裝置基于SWDLY-1型三維裂縫堵漏儀改進(jìn)而來，該流動裝置能滿足較高排量驅(qū)替，可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)縫寬來調(diào)整排量，以使室內(nèi)模擬與現(xiàn)場施工更具相似性。實(shí)驗(yàn)過程中巖板為表面粗糙的金屬巖板。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

暫堵劑的封堵效率和封堵承壓能力是其在轉(zhuǎn)向壓裂實(shí)施過程中能否起到暫堵轉(zhuǎn)向效果的關(guān)鍵因素。為了系統(tǒng)評價不同暫堵劑的封堵承壓能力，制定的實(shí)驗(yàn)方案見表1，在60℃條件下實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為暫堵工藝選擇及優(yōu)化提供依據(jù)。

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(shí)驗(yàn)方案開展實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)，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(fù)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(fù)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(dú)使用顆粒或復(fù)合顆粒便能達(dá)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?fù)合顆粒，還需要配合一定用量的纖維才能達(dá)到較好的封堵效果。

2. 承壓能力

承壓實(shí)驗(yàn)主要考慮不同暫堵材料能否實(shí)現(xiàn)對不同開度裂縫的暫堵，當(dāng)暫堵體系實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(dú)使用顆粒的承壓能力最差(顆粒二差于顆粒一)，復(fù)合顆粒相對較高，但相比于顆粒/纖維復(fù)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(fù)合顆粒即可達(dá)到承壓要求，在高裂縫開度下，只有復(fù)合顆粒的濃度較高，才能達(dá)到承壓要求。

3. 封堵深度

根據(jù)封堵承壓能力實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)合顆粒承壓能力與封堵深度的關(guān)系曲線，見圖4。

圖2 不同濃度顆粒或材料組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(guān)系曲線

四、暫堵劑用量優(yōu)化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立起裂縫寬度、封堵深度及暫堵劑承壓能力間關(guān)系，得到封堵不同縫寬對應(yīng)的組合、濃度及封堵深度，并結(jié)合實(shí)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(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程見圖5。

五、現(xiàn)場應(yīng)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(fā)育，濾失大。設(shè)計(jì)采用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，溝通微裂縫，形成復(fù)雜縫，增加泄油面積，提高單井產(chǎn)量。根據(jù)測井曲線資料計(jì)算壓裂層水平應(yīng)力差介于3.5～6.4 MPa，平均5 MPa(圖6)，結(jié)合應(yīng)力場模擬，縫內(nèi)轉(zhuǎn)向需附加凈壓力5 MPa以上可實(shí)現(xiàn)縫內(nèi)轉(zhuǎn)向(圖7)，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及裂縫模擬，設(shè)計(jì)40/60目與80/100目顆粒復(fù)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(xiàn)拐點(diǎn)，顯示裂縫閉合現(xiàn)象。第3階段加入220 kg縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向劑進(jìn)地層后壓力瞬間上漲，后出現(xiàn)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(xù)加砂，在加入1 m3支撐劑進(jìn)入地層后出現(xiàn)砂堵超壓，停止施工。

該井壓前間抽，日產(chǎn)液1.4 t，日產(chǎn)油0.6 t，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂后日產(chǎn)液8.0 t，日產(chǎn)油6.7 t，日增油6.1 t。盡管該井未完成設(shè)計(jì)加砂，但通過在裂縫近井附近暫堵轉(zhuǎn)向，溝通了天然裂縫，取得了較好增油效果。

圖5 縫內(nèi)轉(zhuǎn)向暫堵劑用量優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

圖6 一維地應(yīng)力剖面

圖7 不同凈壓力下的轉(zhuǎn)向情況(原地應(yīng)力差為5 MPa)

六、結(jié)論與認(rèn)識

(1)對于窄裂縫，單獨(dú)使用顆?；驈?fù)合顆粒便能達(dá)到有效的封堵效果；對于寬裂縫，需要高濃度復(fù)合顆?；蝾w粒/纖維組合才能達(dá)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(fù)合顆粒或顆粒/纖維組合后，相比單一顆粒能夠獲得更高承壓能力。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用表明復(fù)合暫堵轉(zhuǎn)向壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)封堵轉(zhuǎn)向并溝通天然裂縫系統(tǒng)，提高油井壓裂效果，可為含天然裂縫系統(tǒng)的儲層壓裂提供指導(dǎo)。