炮眼暫堵室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

方裕燕，馮 煒，張 雄，侯 帆，安 娜，袁立山，汪 杰

(1中國石油化工股份有限公司西北油田分公司2中國石油大學(xué)·北京3油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著人類對油氣資源需求的不斷增長，水力壓裂技術(shù)成為重要的油氣田增產(chǎn)措施之一。針對深層、致密儲層等非常規(guī)油田的開發(fā)，籠統(tǒng)壓裂產(chǎn)生的裂縫單一、溝通天然裂縫效率低，無法實(shí)現(xiàn)長井段均勻高效改造;常規(guī)的機(jī)械分段壓裂施工難度大、成本高。在此背景下，暫堵分層與轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在非均質(zhì)較為嚴(yán)重的縱向產(chǎn)層中，通過泵入暫堵顆粒和其他暫堵材料，封堵射孔孔眼，迫使后續(xù)壓裂液轉(zhuǎn)向進(jìn)入其他層段［1］，實(shí)現(xiàn)分層改造效果。

目前，炮眼暫堵的研究集中在理論與實(shí)驗(yàn)兩部分。理論方面，肖輝［2］等人研究了封堵球在流體的受力情況以及管壁效應(yīng)，描述了封堵球在攜帶液中的運(yùn)動方程;M．Nozaki［3］等人建立了單個、多個暫堵球的運(yùn)移模型，通過射孔的壓降確定了坐封效率，給出了封堵炮眼的經(jīng)驗(yàn)公式;鄭志兵［4］針對投球暫堵效果從投球后暫堵球運(yùn)行過程、受力情況、影響暫堵球坐封的關(guān)鍵性因素等方面進(jìn)行了研究，得出了排量、密度差、封堵孔眼數(shù)、流體黏度等參數(shù)對暫堵球封堵效率的影響。實(shí)驗(yàn)方面，熊穎［5］等建立了封堵效果與正向承壓模型，對封堵效果進(jìn)行了評價，人工采用暫堵轉(zhuǎn)向劑對巖心或裂縫端面進(jìn)行封堵，通過測試封堵前后的滲透率計(jì)算封堵率，炮眼暫堵的封堵評價同樣適用這種方法;Xue［6］等在2015年SPE會議上提出混合封堵材料的封堵機(jī)理與評價，并測試對比了單一材料的承壓強(qiáng)度，可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)選用封堵材料。

盡管暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究逐漸深入，但是針對具體炮眼尺寸下，暫堵劑配方、段塞組合、排量等技術(shù)參數(shù)仍難以形成精細(xì)化的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，坐封效果較差是投球暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的一大難題。本文在前人的研究基礎(chǔ)上開展了?10 mm、?12 mm炮眼暫堵的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，探究了炮眼的暫堵規(guī)律。

一、炮眼暫堵技術(shù)

壓裂技術(shù)是一種重要的增產(chǎn)方法，特別是對于致密儲層產(chǎn)能提高有著明顯的效果。目前國內(nèi)外油田使用較為廣泛的是籠統(tǒng)壓裂，籠統(tǒng)壓裂對多個油層沒有針對性，不能達(dá)到預(yù)期的壓裂效果。在實(shí)際的開采中多會遇到層數(shù)多的情況，普遍存在非均質(zhì)性。在非均質(zhì)較為嚴(yán)重的縱向多產(chǎn)層的施工中，分層壓裂是提高縱向改造強(qiáng)度的一項(xiàng)重要措施［7］。通過投入暫堵球與其他暫堵材料坐封炮眼迫使壓裂液流向低滲層段，實(shí)現(xiàn)縱向改造，該工藝簡單，施工安全［8］。

為保證施工時的坐封與便于施工后的脫落，盧修峰［9］等從封堵球作用機(jī)理研究出發(fā)，提出暫堵球最大截面積為孔眼直徑的2．6倍，即D/Dp=2．6。通過受力計(jì)算保證了暫堵后暫堵球的返排。李勇明［10］等在此研究基礎(chǔ)上，建立了D≥1．25Dp的經(jīng)驗(yàn)公式，用于橡膠材料的暫堵球的尺寸選擇準(zhǔn)則。

考慮施工的安全易操作以及經(jīng)濟(jì)性，暫堵球尺寸不易過大，本文實(shí)驗(yàn)所用材料為可降解材料，該暫堵材料經(jīng)過評價在不同溫度條件下降解率均能達(dá)到85%以上［11］。故可忽略施工后的暫堵球脫離炮眼問題，暫堵球尺寸選擇應(yīng)遵循架橋及等徑封堵準(zhǔn)則。

二、炮眼暫堵實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)裝置

模擬炮眼暫堵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。動力泵為ISOC泵，可實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓注液，最大注入壓力為70 MPa;由暫堵球和其他暫堵材料配置的暫堵液置于中間容器內(nèi)，中間容器容積為2 L;模擬炮眼置于夾持器內(nèi)，夾持器外可加圍壓，前后連有壓力傳感器，可測壓差，實(shí)驗(yàn)所有管線均可承壓50 MPa以上，保證實(shí)驗(yàn)安全。

圖1模擬炮眼暫堵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2．實(shí)驗(yàn)材料

為了研究?10 mm炮眼的暫堵規(guī)律，選取了三種不同粒徑的可降解暫堵球，分別為6 mm、8 mm和10 mm，以及1 mm可降解暫堵顆粒與6 mm可降解纖維。選擇交聯(lián)胍膠作為暫堵材料的攜帶液，胍膠基液的配方見表1。

3．實(shí)驗(yàn)評價參數(shù)

3．1最大封堵壓力

最大封堵壓力是指暫堵區(qū)域在失穩(wěn)前能承受的最大壓力，評價封堵段強(qiáng)度和壓力承受能力。封堵段可在井筒流體壓力與地層壓力的壓差下保持穩(wěn)定，最大封堵壓力是最重要的指標(biāo)，應(yīng)盡可能的高。

表1胍膠基液配方

3．2暫堵劑用量

暫堵劑用量是評價經(jīng)濟(jì)性的最佳參數(shù)，指的是在暫堵段形成之前的所有材料的用量，包括暫堵顆粒及纖維。因次，暫堵劑用量越低越好，以最大限度的提高經(jīng)濟(jì)效益。

三、結(jié)果與討論

本研究從暫堵劑配方，段塞組合和施工參數(shù)三個方面研究暫堵材料在炮眼內(nèi)的封堵規(guī)律。

1．?10 mm炮眼暫堵劑配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

如表2所列，針對直徑10 mm炮眼的暫堵劑配方優(yōu)選，開展了11組實(shí)驗(yàn)，前6組實(shí)驗(yàn)選用的暫堵球直徑小于炮眼直徑，通過改變暫堵球濃度與纖維濃度都無法形成封堵，進(jìn)出口差壓最大0．2 MPa左右。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，使用小于炮眼直徑的暫堵球無法在炮眼內(nèi)形成架橋封堵，這與添加的小顆粒、纖維的濃度無關(guān)。

表2實(shí)驗(yàn)匯總

隨后，實(shí)驗(yàn)將所用暫堵球直徑增加到與炮眼直徑等大，瓜膠攜帶液中僅加入1%纖維，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前一樣，未形成憋壓，當(dāng)攜帶液中混入不同濃度的1 mm暫堵顆粒后，注入20 min左右，陸續(xù)出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象?？梢?，炮眼暫堵為等徑封堵，且小直徑顆粒有助于形成封堵。

如圖2、圖3所示，通過結(jié)合四組成功案例，對比可得:①炮眼一旦封堵，其承壓能力均可高達(dá)30 MPa;②暫堵劑組合(1 mm顆粒、纖維)濃度越大，封堵時間所需越短;相對應(yīng)用量也較多;③當(dāng)炮眼被等徑暫堵球封堵后，隨著暫堵劑繼續(xù)注入承壓能力更高。

以形成封堵承壓30 MPa為準(zhǔn)，對比其形成時間與暫堵劑用量。見圖2、圖3。

圖2最大承壓時所需時間對比圖

對于封堵后暫堵段特征，可以看出暫堵球周圍包裹著小顆粒與纖維，且暫堵球的密集程度越靠近炮眼口越致密。通過對暫堵材料配方的優(yōu)選，明確了暫堵過程規(guī)律為暫堵球坐封炮眼，小顆粒輔助暫堵球架橋，纖維填充顆粒間的空隙，形成致密封堵帶，降低暫堵段的滲透率。

圖3暫堵劑用量對比圖

2．注入方式對暫堵形成的影響

明確了暫堵架橋機(jī)理后，通過改變暫堵材料的注入順序，研究其對暫堵形成的影響規(guī)律。開展實(shí)驗(yàn)，見表3。

表3實(shí)驗(yàn)匯總

如表3所列，針對段塞組合的優(yōu)選，通過改變暫堵劑的注入順序，開展了4組有效實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1是先混注暫堵球、暫堵顆粒、纖維后注纖維;實(shí)驗(yàn)2混注暫堵球、暫堵顆粒、纖維;實(shí)驗(yàn)3先注纖維暫堵液后混注暫堵球、暫堵顆粒、纖維;實(shí)驗(yàn)4先注暫堵球、暫堵顆粒后注纖維。通過對比四組實(shí)驗(yàn)注入壓力變化和所用暫堵材料用量評價不同暫堵劑注入方式對形成暫堵的影響。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出(圖4、圖5)，實(shí)驗(yàn)1、2、4形成暫堵所需時間與暫堵材料用量相差較少，最大差值在12%左右。實(shí)驗(yàn)3先注入纖維，沒形成憋起壓力，注入較少量顆粒后暫堵段形成。可見，纖維和小徑顆粒共同作用時，最有助于暫堵球坐封炮眼，有利于快速形成致密暫堵段，實(shí)現(xiàn)憋壓。且其注入順序的改變對材料用量影響不明顯。進(jìn)一步說明，暫堵球坐封在射孔孔眼上，先注入小直徑(1 mm)暫堵顆粒架橋，后注纖維有助于承壓。

圖4暫堵形成壓力對比曲線圖

3．排量對暫堵形成的影響

通過?10 mm炮眼暫堵劑配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)后，選用?10 mm暫堵球+1mm暫堵顆粒(0．3%)+纖維(0．5%)作為排量優(yōu)選的配方方案。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的限制，故本實(shí)驗(yàn)限制最大排量30 mL/min，定性的對比分析排量對形成暫堵的影響規(guī)律。

圖5暫堵劑用量對比圖

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下，排量越大越有利于封堵，且暫堵材料用量越少。分析其原因?yàn)楫?dāng)炮眼尺寸為固定直徑，排量越大，同一時間段內(nèi)流經(jīng)炮眼處的暫堵材料越多，在炮眼口處材料間的接觸作用越大，摩擦阻力也隨著變大，越容易堆積快速形成致密暫堵段。

四、結(jié)論

(1)暫堵球直徑小于炮眼口尺寸時無法形成封堵，炮眼暫堵為等徑封堵。

(2)室內(nèi)排量越大，暫堵劑越快形成在炮眼內(nèi)形成暫堵。

(3)當(dāng)暫堵顆粒與纖維共同作用時，注入先后順序?qū)憾滦纬捎绊懖淮蟆?/p>

(4)暫堵劑封堵炮眼的過程為暫堵球坐封炮眼，小顆粒(1 mm)助于架橋，纖維聚集形成承壓封堵，承壓能力超30 MPa。