無(wú)固相絨囊流體混合固相纖維的重復(fù)壓裂暫堵技術(shù)

許洪星，魏攀峰，王祖文，張 冕，楊明正，樊晶晶

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710000；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；3.路易斯安那州立大學(xué)，美國(guó)路易斯安那州 U70808；4.河北省化工學(xué)會(huì)化學(xué)封堵材料綜合利用研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京力會(huì)瀾博能源技術(shù)有限公司，北京 102200)

油氣井重復(fù)壓裂暫堵作業(yè)中，通過(guò)注入適量堵劑暫堵地層裂縫，提高裂縫承壓能力，促使后續(xù)新裂縫起裂位置發(fā)生改變，提高油氣井壓裂增產(chǎn)效果。國(guó)外Potapenko等開(kāi)發(fā)可降解纖維并用于北美Barnett氣田頁(yè)巖水平井重復(fù)壓裂暫堵，提高裂縫承壓可行[1]。隨后，Albertus等將可降解纖維引入碳酸鹽巖酸液改造裂縫暫堵作業(yè)，提高酸化效率可行[2]。纖維逐漸成為重復(fù)壓裂暫堵的重要手段之一。

國(guó)內(nèi)針對(duì)纖維材料實(shí)施重復(fù)壓裂暫堵研究相對(duì)較晚。張合文等[3]試驗(yàn)評(píng)價(jià)長(zhǎng)度4～8 mm、直徑10～20 μm可降解纖維在0.5～2 MPa壓力下，縫寬0.5～2 mm裂縫中30 min內(nèi)纖維累計(jì)濾失量低于60 mL，暫堵起效時(shí)間最低40 s，降解后巖心滲透率恢復(fù)78.32%～95.71%。楊國(guó)威等[4]針對(duì)纖維在壓裂液中分散困難、與支撐劑間黏結(jié)力差的特點(diǎn)，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑完成長(zhǎng)度8 mm纖維表面改性，室內(nèi)評(píng)價(jià)長(zhǎng)10 cm巖心柱塞中纖維暫堵后突破壓力達(dá)0.3 MPa。周福建等[5]試驗(yàn)測(cè)量可降解纖維于直徑25 mm巖心柱塞內(nèi)寬度0.5～5 mm裂縫中濾失系數(shù)為滑溜水0.27～0.63倍。試驗(yàn)同時(shí)指出，當(dāng)裂縫過(guò)窄(寬0.5 mm)時(shí)，纖維進(jìn)入裂縫困難；裂縫過(guò)寬(寬3 mm)時(shí)，纖維形成濾餅困難，封堵效果較差。鐘森等[6]試驗(yàn)評(píng)價(jià)直徑35 μm、長(zhǎng)度3～4 mm可降解纖維暫堵初始滲透率77～80 mD巖心柱塞后滲透率降至0.049 mD。蔣衛(wèi)東等[7]以有機(jī)聚合物為原料研發(fā)高強(qiáng)度可降解單絲DF纖維。試驗(yàn)測(cè)量驅(qū)壓0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa下，寬0.5～2 mm、長(zhǎng)46 mm裂縫中纖維暫堵液濾失量4.5～56.7 mL，纖維降解后巖心柱塞滲透率恢復(fù)78.32%～95.71%。汪道兵等[8]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維堵劑封堵寬度小于0.5 mm，裂縫效果低于顆粒堵劑；纖維堵劑封堵寬度0.1～0.5 mm，裂縫效果高于顆粒堵劑。尹俊祿等[9]利用支撐砂體坍塌試驗(yàn)評(píng)價(jià)直徑5～20 μm、長(zhǎng)度1～8 mm纖維暫堵后砂體坍塌壓力分布，優(yōu)化適合鄂爾多斯蘇里格氣田特低滲透率氣藏壓裂暫堵纖維尺度為直徑10 μm、長(zhǎng)8 mm。

可以看出，不同學(xué)者通過(guò)優(yōu)化纖維可降解性尋找克服固相堵劑無(wú)法回避的儲(chǔ)層傷害難點(diǎn)，并取得一定成果。但面對(duì)尺度分布且難以確定的裂縫，纖維尺寸不匹配導(dǎo)致架橋封堵模式無(wú)法提供理想暫堵強(qiáng)度。為此，部分學(xué)者嘗試組合纖維與其他類型堵劑以克服尺寸不匹配難點(diǎn)。羅云等[10]指出纖維單劑對(duì)縫寬10 mm夾持巖板暫堵壓力僅6.0 MPa，以多種粒徑顆粒堵劑組合纖維形成復(fù)合堵劑，并于塔河油田開(kāi)展轉(zhuǎn)向酸壓暫堵應(yīng)用。但可降解顆粒高溫溶解速度快、耐酸性能較差等缺陷限制其進(jìn)一步發(fā)展。劉豇瑜[11]針對(duì)纖維堵劑封堵縫寬6 mm裂縫效果欠佳，引入直徑1～6 mm球形堵劑實(shí)現(xiàn)復(fù)合堵劑?？梢?jiàn)，以顆粒堵劑為代表的充填封堵理論無(wú)法有效解決纖維堵劑裂縫暫堵難點(diǎn)。迫切需要尋找合適封堵手段解決纖維暫堵普適性難點(diǎn)。

1 技術(shù)原理

絨囊流體是在模糊封堵理論[12]指導(dǎo)下開(kāi)發(fā)的無(wú)固相暫堵流體，通過(guò)流體中囊泡結(jié)構(gòu)堆積、拉抻、堵塞封堵地層不同尺度通道[13]，解決不同尺度通道暫堵劑尺寸需求不統(tǒng)一的難題。已先后于鉆井液漏失通道暫堵[14]、固井水泥漿漏失通道暫堵[15]、老井修井液漏失通道暫堵[16]、油層產(chǎn)水通道暫堵[17]等領(lǐng)域成功應(yīng)用，暫堵適用性、廣泛性得到驗(yàn)證，并為非常規(guī)油氣聯(lián)探并采提供技術(shù)手段支撐[18]。2015年，絨囊流體引入地層裂縫暫堵，提出原縫無(wú)損重復(fù)壓裂技術(shù)，先后于油井重復(fù)壓裂[19]、氣井重復(fù)酸化[20]、氣井重復(fù)壓裂[21]成功應(yīng)用。

可見(jiàn)，以模糊封堵理論為指導(dǎo)的絨囊流體具備不同尺度裂縫暫堵普適性優(yōu)勢(shì)，為解決纖維堵劑面對(duì)尺寸偏小或過(guò)大孔隙、裂縫等結(jié)構(gòu)暫堵難點(diǎn)提供了可行性方案。同時(shí)，纖維堵劑固相結(jié)構(gòu)進(jìn)入裂縫后堆積速度優(yōu)于液體，有利于加快裂縫承壓起效速度。兩種堵劑的組合為重復(fù)壓裂暫堵手段研究提供一種新思路、新方向。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

絨囊與纖維混合實(shí)現(xiàn)氣井重復(fù)壓裂暫堵。首先兩種堵劑化學(xué)結(jié)構(gòu)兼容，即堵劑混合后無(wú)化學(xué)反應(yīng)。其次，混合堵劑相對(duì)纖維、絨囊單一堵劑暫堵能力升高、起效周期縮短，達(dá)到固相纖維與無(wú)固相絨囊流體結(jié)合目標(biāo)。最后，混合堵劑應(yīng)維持良好的破膠返排效果，保持無(wú)固相絨囊流體儲(chǔ)層傷害小、裂縫產(chǎn)能恢復(fù)快速的優(yōu)勢(shì)。為此，試驗(yàn)評(píng)價(jià)無(wú)固相絨囊流體混合固相纖維形成混合堵劑化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高暫堵效果及破膠效果兼容性。

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

絨囊流體性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括密度、表觀黏度和動(dòng)塑比。其中，密度表征流體囊泡含量，表觀黏度與動(dòng)塑比表征囊泡強(qiáng)度。試驗(yàn)測(cè)定絨囊流體密度、表觀黏度、動(dòng)塑比等3項(xiàng)參數(shù)，再將纖維以0.1%～1.0%比例逐漸加入絨囊形成混合體系，并測(cè)定混合體系3項(xiàng)參數(shù)大小，評(píng)價(jià)纖維與絨囊流體混合時(shí)的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

室內(nèi)配制絨囊流體：2.0%囊層劑+1.0%絨毛劑+0.3%囊核劑+0.8%囊膜劑，測(cè)定絨囊流體密度、表觀黏度、動(dòng)塑比大小。將絨囊流體在2000 r/min高速攪拌狀態(tài)下，按照0.1%、0.5%、1.0%的比例逐漸加入纖維，并分別利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量纖維比例不同時(shí)混合堵劑密度、表觀黏度和動(dòng)塑比大小，如圖1所示。

圖1 4種比例纖維混合絨囊流體后性能變化Fig.1 The performance change of fuzzy-ball fluid with four kinds of proportions of fibre

圖1中，纖維以0、0.1%、0.5%、1%等4種比例逐漸混入絨囊流體，形成混合堵劑密度0.86 g/cm3增至0.87 g/cm3，表觀黏度52.50 mPa·s升至53.00 mPa·s，動(dòng)塑比1.06 Pa/(mPa·s)升至1.08 Pa/(mPa·s)。密度最大增幅0.01 g/cm3，表觀黏度最大增幅0.50 mPa·s，動(dòng)塑比最大增幅0.02 Pa/(mPa·s)。試驗(yàn)表明，纖維混入絨囊流體形成混合堵劑后無(wú)化學(xué)反應(yīng)，共存狀態(tài)下兩種堵劑化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.2 提高暫堵效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)定絨囊、纖維、絨囊與纖維混合堵劑注入裂縫后提高承壓能力幅度及承壓起效時(shí)間，對(duì)比混合堵劑相對(duì)單一堵劑提高暫堵效果。配制絨囊流體：2.0%囊層劑+1.0%絨毛劑+0.3%囊核劑+0.8%囊膜劑。室內(nèi)利用直徑38 mm、長(zhǎng)600 mm人造砂巖柱塞，柱塞中部加工高2 mm、寬30 mm、長(zhǎng)600 mm貫穿型裂縫模擬地層裂縫結(jié)構(gòu)?？刂浦麌鷫? MPa、回壓0.5 MPa、溫度120 ℃模擬地層壓力、溫度環(huán)境。先期使用地層水(6%KCl溶液)以恒定流速0.5 mL/min穩(wěn)定注入，連續(xù)測(cè)定60 min驅(qū)壓變化。分別使用絨囊流體、纖維堵劑(1.0%纖維+滑溜水)以相同流速穩(wěn)定注入巖心柱塞60 min，記錄注入壓力變化，測(cè)定絨囊流體、纖維堵劑單劑封堵裂縫提高承壓能力效果及承壓起效時(shí)間。使用相同尺寸巖心柱塞，重復(fù)清水驅(qū)替過(guò)程后，分別用纖維以0.1%、0.5%、1.0%比例加入絨囊形成混合堵劑，以0.5 mL/min恒定流速穩(wěn)定注入，連續(xù)測(cè)定60 min驅(qū)壓變化。

試驗(yàn)中，以堵劑持續(xù)通入60 min時(shí)，柱塞進(jìn)出口壓力差值相對(duì)清水驅(qū)替時(shí)進(jìn)出口壓力差值增加幅度，表征堵劑提高裂縫承壓效果。以堵劑連續(xù)注入至提高裂縫進(jìn)出口壓差達(dá)20 MPa所用時(shí)間，表征堵劑暫堵起效時(shí)間周期。對(duì)比絨囊單劑(纖維加量比0)、纖維單劑、纖維以0.1%、0.5%、1.0%比例加入絨囊流體形成混合堵劑提高裂縫承壓效果和暫堵起效周期，如圖2所示。

圖2 纖維及4種比例混合堵劑承壓能力及起效周期分布Fig.2 The plugging strength and effective speed of fuzzy-ball fluid with four kinds of proportions of fibre

圖2中，纖維以0.1%、0.5%、1.0%比例加入絨囊流體形成混合堵劑提高裂縫承壓能力25.14 MPa、26.02 MPa、26.45 MPa，相對(duì)纖維單劑升高4.18 MPa、5.06 MPa、5.49 MPa，相對(duì)絨囊單劑升高0.29 MPa、1.17 MPa、1.60 MPa。混合堵劑暫堵起效周期系數(shù)分別為48 min、45 min、42 min，相對(duì)纖維單劑縮短1 min、4 min、7 min，相對(duì)絨囊單劑縮短11 min、14 min、17 min。試驗(yàn)表明，纖維加入絨囊形成混合堵劑相對(duì)纖維、絨囊單劑提高裂縫承壓能力更強(qiáng)，起效周期更短。

2.3 破膠效果兼容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

絨囊流體用于氣井壓裂暫堵時(shí)，可通過(guò)注入破膠劑加快破膠速度，強(qiáng)化裂縫產(chǎn)能恢復(fù)效果。試驗(yàn)測(cè)定絨囊流體現(xiàn)有破膠劑對(duì)混合堵劑破膠效果，評(píng)價(jià)纖維結(jié)構(gòu)對(duì)絨囊體系破膠性影響。配制絨囊流體：2.0%囊層劑+1.0%絨毛劑+0.3%囊核劑+0.8%囊膜劑。配制濃度1.5%的絨囊流體破膠液。對(duì)比纖維加量0、0.1%、0.5%、1%等4種比例混合堵劑，在60 ℃下、加入破膠劑15 min后流體密度、表觀黏度、動(dòng)塑比等3項(xiàng)參數(shù)變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 4種比例纖維混合絨囊后體系破膠15 min后性能參數(shù)分布Fig.3 The performance of fuzzy-ball fluid with four kinds of proportions of fibre after gel breaking

圖3中，纖維以0.1%、0.5%、1%等3種比例加入絨囊流體形成混合堵劑與破膠液混合15 min后，密度0.98～0.99 g/cm3，與絨囊單劑破膠后參數(shù)相同，表明液體中囊泡含量大幅度衰減?；旌狭黧w表觀黏度4.00～5.00 mPa·s，動(dòng)塑比0.25～0.30 Pa/(mPa·s)，同樣與絨囊單劑破膠后參數(shù)相同，表明流體中囊泡強(qiáng)度基本降解充分。相對(duì)不含纖維絨囊流體破膠，混合堵劑密度、表觀黏度、動(dòng)塑比增幅最高0.01 g/cm3、1.00 mPa·s、0.05 Pa/(mPa·s)。試驗(yàn)表明，混合堵劑中纖維結(jié)果對(duì)絨囊結(jié)構(gòu)破膠效果無(wú)影響。依托纖維自身可降解性，現(xiàn)場(chǎng)使用絨囊流體破膠劑可實(shí)現(xiàn)暫堵結(jié)構(gòu)快速破膠。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

SDX井為我們西北部一口致密砂巖氣井，目標(biāo)地層石盒子組地層深度3310 m。設(shè)計(jì)應(yīng)用絨囊與纖維混合體系開(kāi)展氣井轉(zhuǎn)向壓裂暫堵作業(yè)，評(píng)價(jià)混合堵劑提高承壓能力效果的同時(shí)，促使裂縫層內(nèi)轉(zhuǎn)向，提高氣層有效供氣面積，改善壓裂增產(chǎn)改造效果。

現(xiàn)場(chǎng)配制絨囊暫堵劑40 m3，密度0.87 g/cm3，表觀黏度56 mPa·s，動(dòng)塑比1.09 Pa/(mPa·s)?，F(xiàn)場(chǎng)注入過(guò)程利用混砂車按照0.2%的比例加入80 kg可降解纖維。SDX井先期泵入60 m3前置液和75 m3攜砂液完成第一階段造縫，不停泵持續(xù)注入纖維與絨囊混合堵劑40 m3實(shí)施裂縫暫堵，再注入30 m3前置液和45 m3攜砂液完成第二階段造縫。對(duì)比混合堵劑注入前后地層壓力升高6.20 MPa，復(fù)產(chǎn)后SDX氣井產(chǎn)量約8×104m3，相對(duì)鄰井提高產(chǎn)量幅度超過(guò)15%。應(yīng)用表明，無(wú)固相絨囊流體配合固相纖維堵劑，能夠提高裂縫封堵效果，加強(qiáng)氣井重復(fù)壓裂暫堵增產(chǎn)效果。

4 結(jié)論與建議

(1)無(wú)固相絨囊流體與固相纖維混合后化學(xué)結(jié)構(gòu)及破膠性能穩(wěn)定，混合堵劑相對(duì)單一堵劑暫堵裂縫后提高承壓能力更強(qiáng)、暫堵起效周期更短，為油氣井重復(fù)壓裂暫堵提供了新手段。

(2)絨囊流體依托模糊封堵理論，以集合大小材料“模糊封堵”集合尺寸的裂縫通道，為以纖維為代表的架橋封堵模式提供補(bǔ)充，解決架橋封堵難以滿足尺度過(guò)小或過(guò)大通道封堵需求的難題。

(3)以模糊封堵理論為核心，以多種封堵理論混合強(qiáng)化封堵效果，成為油氣井多個(gè)環(huán)節(jié)、多種類型暫堵難題研究的新方向、新思路。