化學(xué)轉(zhuǎn)向暫堵技術(shù)的研究進(jìn)展

毛金成，范津銘，趙金洲，陳紹寧，張文龍，宋志峰

（1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2. 中國(guó)石油 川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，四川 成都 610052；3. 中國(guó)石化 西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，高滲透儲(chǔ)層幾乎開采殆盡，因此，提高低滲透儲(chǔ)層的原油采收率成為研究熱點(diǎn)。由于地層非均質(zhì)性嚴(yán)重、層間滲透率變異系數(shù)大等原因，常規(guī)增產(chǎn)措施只能改善高滲透儲(chǔ)層的物性，而低滲透儲(chǔ)層物性仍然較差。因此，會(huì)出現(xiàn)增油的同時(shí)井中含水量大幅上升的問題，解決問題的關(guān)鍵是控制壓裂液、酸液等工作液的轉(zhuǎn)向分流。油田常用工作液分流技術(shù)主要分為機(jī)械轉(zhuǎn)向和化學(xué)轉(zhuǎn)向兩類。其中，機(jī)械分段轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理是通過機(jī)械工具將目的層與其他層段分隔，從而實(shí)現(xiàn)工作液的定向流動(dòng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向主要包括堵球轉(zhuǎn)向、封隔器分段轉(zhuǎn)向等，該技術(shù)成熟有效，但是操作復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間。此外，復(fù)雜井況下應(yīng)用機(jī)械分隔的風(fēng)險(xiǎn)較高，極易發(fā)生井下事故。因此，為保證施工成功率及實(shí)現(xiàn)有效改造，化學(xué)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)成為了更好的選擇。

本文綜述了化學(xué)暫堵技術(shù)在暫堵酸化、壓裂、酸壓施工中的暫堵機(jī)理，且將目前應(yīng)用較多的暫堵劑進(jìn)行分類，并分析它們的優(yōu)劣。

1 化學(xué)轉(zhuǎn)向暫堵機(jī)理

1.1 暫堵酸化

酸化中常采用籠統(tǒng)注酸的方式，施工時(shí)酸液大量進(jìn)入大孔道、裂縫等高滲透層，較少進(jìn)入需要酸化的低滲透層，因而低滲透層難以得到改造。此外，還會(huì)導(dǎo)致高滲透層的過度酸化及酸液指進(jìn)（地層中高滲層和低滲層同時(shí)存在，籠統(tǒng)注酸時(shí)，酸壓沿高滲層流動(dòng)快，沿低滲層流動(dòng)慢或不流動(dòng)，從而形成指進(jìn)現(xiàn)象）問題，從而造成井中含水量快速上升。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工通常在注入酸液前先向地層注入暫堵劑，封堵高滲透層，以改善儲(chǔ)層滲透率差異大的情況。根據(jù)最小流動(dòng)阻力原理，暫堵劑到達(dá)儲(chǔ)層后會(huì)優(yōu)先進(jìn)入高滲透層，并對(duì)其進(jìn)行封堵，提高注入壓力。后續(xù)注入的酸液進(jìn)入高滲透層的難度增大，轉(zhuǎn)而流向中低滲透層。這種措施能達(dá)到均勻酸化的目的，避免了井中含水量的快速上升。酸化施工結(jié)束后，暫堵劑能迅速降解，不會(huì)污染地層［1-3］。

1.2 暫堵重復(fù)壓裂

類似于暫堵酸化，暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂工藝中，暫堵劑被注入地層后會(huì)優(yōu)先封堵高滲透層，阻止裂縫的繼續(xù)延伸，并升高井底壓力，當(dāng)裂縫內(nèi)靜壓力超過新裂縫的破裂壓力時(shí)，新裂縫被開啟。并隨著后續(xù)攜帶液的注入，新裂縫得到延伸和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)剩余油區(qū)的動(dòng)用，并獲得更大的改造體積，暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂機(jī)理見圖1。壓裂結(jié)束后暫堵劑溶于地層水，封堵的裂縫再次暢通［4-9］。

圖1 暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂機(jī)理Fig.1 Mechanism of temporary plugging refracturing technique.

1.3 暫堵酸壓

暫堵酸壓與暫堵酸化的區(qū)別主要在于施工壓力及排量。酸化中酸液在低于地層破裂壓力的條件下進(jìn)入地層，因而酸化施工的特點(diǎn)是壓力低、排量?。凰釅褐兴嵋涸诟哂诘貙悠屏褖毫Φ臈l件下被擠入地層，通過大排量注液延伸老縫或開啟新縫，因而酸壓施工的特點(diǎn)是壓力高、排量大［10］。

2 暫堵劑分類

國(guó)內(nèi)外對(duì)暫堵劑的研究已有幾十年的歷史。早在1936年，哈里伯頓就提出了一種暫堵劑，該暫堵劑為脂肪酸鹽與氯化鈣反應(yīng)的沉淀物［11］。國(guó)內(nèi)對(duì)暫堵劑的研究始于20世紀(jì)50年代對(duì)調(diào)剖堵水技術(shù)的研究。20世紀(jì)60年代，聚合物暫堵劑因具有易分解及質(zhì)地柔軟等特性而得到大力推廣，與此同時(shí)，水玻璃-氯化鈣體系及乳化瀝青等材料也被用于制備暫堵劑。20世紀(jì)80年代，細(xì)顆粒的CaCO3及油溶性樹脂暫堵劑被大量應(yīng)用于鉆井液及完井液中。

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，暫堵劑可分為不同的類別。根據(jù)解堵時(shí)暫堵劑的溶解特性可分為酸溶性、水溶性及油溶性暫堵劑［12-14］；而根據(jù)暫堵劑的形態(tài)可分為纖維暫堵劑、顆粒暫堵劑、聚合物交聯(lián)暫堵劑、吸水膨脹型暫堵劑、泡沫暫堵劑等。本文采用后一種分類標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 纖維暫堵劑

纖維具有柔韌可變形的特性，且由于其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于裂縫寬度，在進(jìn)入裂縫后能快速搭橋并捕獲后續(xù)纖維，形成致密的“濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)”，增加了工作液的流動(dòng)阻力。此外，纖維與地層流體及巖石的良好配伍性避免了對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害。

為實(shí)現(xiàn)纖維暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，周福建等［15］對(duì)纖維封堵裂縫的物理過程進(jìn)行了研究，獲得了纖維濾餅長(zhǎng)度隨縫寬的變化曲線。此外，數(shù)值模擬結(jié)果表明，相同黏度下，濾餅的表皮因子隨注入排量的降低而升高，而黏度的增加會(huì)引起表皮因子的增加。2014年，鐘森等［16］對(duì)有機(jī)可降解纖維進(jìn)行了研究，且在施工中采用多級(jí)暫堵酸化工藝，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了暫堵級(jí)數(shù)及各級(jí)的排量，可實(shí)現(xiàn)海相水平井的有效改造。

針對(duì)纖維存在表面疏水、分散性較差的缺點(diǎn)，楊國(guó)威等［17］利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維進(jìn)行表面處理，獲得了具有良好吸附率及吸濕率的改性纖維暫堵劑。2015年，蔣衛(wèi)東等［18］對(duì)所制備的有機(jī)聚合物暫堵纖維進(jìn)行了表面處理，獲得了高強(qiáng)度的纖維，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，暫堵有效率達(dá)81.2%。同年，楊乾龍等［19］研制了新型的纖維暫堵劑，并針對(duì)性地提出了纖維暫堵劑適用的復(fù)合酸壓技術(shù)。此外，他們還分段研究了纖維封堵裂縫時(shí)的堆積過程。

纖維暫堵劑能通過快速形成“濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)暫堵，但容易聚集成團(tuán)導(dǎo)致管道堵塞。此外，纖維暫堵劑的強(qiáng)度較低，不適用于大開度裂縫的封堵。由于密度較低，纖維在施工現(xiàn)場(chǎng)的飄散會(huì)給施工過程造成影響。

2.2 顆粒暫堵劑

顆粒暫堵劑的工作原理是顆粒在裂縫中的橋堵以及微粒在裂縫壁面形成濾餅，增加了工作液的流動(dòng)阻力并減少了濾失，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。此技術(shù)的關(guān)鍵是顆粒粒徑與儲(chǔ)層孔徑的匹配，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量研究。1977年，Abrams［20］提出“三分之一”架橋理論作為鉆井液中暫堵顆粒粒徑優(yōu)選的準(zhǔn)則。羅向東等［21］在“三分之一”架橋理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，提出了屏蔽暫堵技術(shù)，即顆粒粒徑介于孔隙孔徑的1/3～2/3所取得的架橋效果最好。張金波等［22］研究應(yīng)用顆粒堆積效率最大值原理，提出了利于中、高滲透儲(chǔ)層暫堵的顆粒粒徑優(yōu)選準(zhǔn)則——d90規(guī)則，即暫堵劑顆粒在其粒徑累積分布曲線上的d90值（指體積占90%的顆粒粒徑小于該值）與儲(chǔ)層的最大孔喉直徑或最大裂縫寬度相等時(shí)，取得理想暫堵效果。

油溶性顆粒暫堵劑可溶解于原油，因而解堵時(shí)能隨產(chǎn)出油排出儲(chǔ)層，無需使用解堵劑，此類暫堵劑主要應(yīng)用于油井的暫堵作業(yè)中。2006年，姜必武等［23］研制了油溶性蠟球暫堵劑，其主要成分為松香、瀝青、粉陶等。該暫堵劑的封堵強(qiáng)度達(dá)3.5 MPa，在中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司安塞油田應(yīng)用效果良好。

單一類型的顆粒形成的空隙較多，且顆粒間的整體性較差，遭到破壞后難以恢復(fù)，封堵效果較差。李長(zhǎng)忠等［24］選用石蠟、分散劑及人工合成油溶樹脂等材料，制備了強(qiáng)耐酸性油溶暫堵劑ZDJ-1?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，平均含水率下降了11百分點(diǎn)，可滿足控水增油的要求。2008年，羅躍等［25］選用不同硬度的石油樹脂及烴類樹脂制備了暫堵劑ZDJ-1，通過兩種材料的復(fù)合提高了暫堵劑的封堵能力。王盛鵬等［26］以硬度大的油溶樹脂及較軟的石蠟為原料制備了顆粒暫堵劑ZD-150，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向能力，并將耐溫性從80 ℃提高到120 ℃。

油溶性暫堵劑不溶于水，在高含水油井及注水井中的應(yīng)用效果較差。為滿足這些井的暫堵需求，需要進(jìn)行水溶性顆粒暫堵劑的開發(fā)。2008年，鄧晶等［27］以氯化鈉、氯化銨、丙烯酸樹脂-Ⅱ等為原料，制備了水溶性顆粒暫堵劑ZDJ-J。ZDJ-J具有在水中溶解速度低、耐酸性強(qiáng)的特點(diǎn)，酸化解堵后滲透率恢復(fù)率可達(dá)90%。2009年，羅躍等［28］對(duì)微膠囊暫堵劑ZD-D進(jìn)行了研究，該暫堵劑以丙烯酸樹脂為包材，三種無機(jī)鹽復(fù)合為內(nèi)核，用于注水井暫堵酸化的成功率達(dá)80%。

在氣井的暫堵改造中，應(yīng)用常規(guī)固體顆粒會(huì)面臨無法解堵而形成堵塞的問題。李國(guó)鋒等［29］制備了由包材及內(nèi)部材料組成的顆粒暫堵劑ZD-10。其中，包材是石蠟樹脂與地蠟的復(fù)合物，而內(nèi)部材料的主要成分是CaCO3與水溶性無機(jī)鹽。暫堵劑可在地溫恢復(fù)后溶于返排液的殘酸中，從而實(shí)現(xiàn)解堵。

制備顆粒型暫堵劑的材料成本低廉，且抗溫、抗壓性很好，比較適合高溫高壓地層的暫堵施工。它的缺點(diǎn)是難以形成高強(qiáng)度的濾餅，因而形成的壓差阻力很小。其中，酸溶性顆粒暫堵劑的解堵過程較復(fù)雜，容易形成殘?jiān)?；而油溶性的顆粒暫堵劑的成本過高，限制了它的大量使用。

2.3 纖維與顆粒復(fù)合

纖維暫堵劑應(yīng)對(duì)大開度裂縫效果較差，可采用不同硬度、粒徑的顆粒與纖維復(fù)合來提高暫堵強(qiáng)度。其中，堅(jiān)硬的固體顆粒起架橋、支撐的作用，而軟顆粒與纖維嵌入空隙中，纖維的串聯(lián)牽扯作用使整體的封堵強(qiáng)度得到較大提高。纖維與顆粒的復(fù)合暫堵見圖2。

圖2 纖維與顆粒的復(fù)合暫堵Fig.2 Diagram of the composite of fiber and granular temporary plugging agent.

2014年，鄒國(guó)慶等［30］采用小粒徑球、黏彈性固體顆粒及纖維混合制備了復(fù)合暫堵劑，小粒徑球的抗壓強(qiáng)度達(dá)50～70 MPa，在超深、超高壓井的暫堵轉(zhuǎn)向縫網(wǎng)酸壓中有很好的效果。2016年，張雄等［31］優(yōu)選出耐溫達(dá)120 ℃的可降解聚丙烯腈纖維。并對(duì)纖維、聚合物顆粒的尺寸及用量進(jìn)行了優(yōu)化，形成了“纖維+顆粒”的暫堵體系，能承受超過9 MPa的暫堵壓力。

通過顆粒與纖維暫堵劑的復(fù)配，將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，既具備了顆粒暫堵劑的高抗壓能力，也能形成較高強(qiáng)度的濾餅結(jié)構(gòu)，是目前油田上應(yīng)用較多的一種暫堵方案。

2.4 聚合物交聯(lián)暫堵劑

聚合物交聯(lián)暫堵劑的應(yīng)用可分為兩類：一是膠塞型交聯(lián)暫堵劑，低黏度液體進(jìn)入地層后在交聯(lián)作用下形成黏度大、韌性強(qiáng)的膠塞以實(shí)現(xiàn)封堵。優(yōu)點(diǎn)是無需考慮顆粒或纖維暫堵劑所面臨的堵劑攜帶問題，施工簡(jiǎn)單。但由于主劑為聚合物，在地層中成膠后難以自行破膠，需要配合破膠劑使用。二是顆粒型交聯(lián)暫堵劑在地面形成交聯(lián)液體后，通過烘干、剪切等工藝獲得暫堵顆粒。

1999年，唐孝芬等［32］制備了適用于60～80 ℃地層的暫堵劑ZDJ-98，適合應(yīng)用的最佳pH值為6～8，主要成分為聚丙烯酰胺、酚醛復(fù)合體、過硫酸鹽。施工過程中，暫堵劑由透明黏稠的水溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǚ舛聫?qiáng)度的弱凝膠。2010年，周法元等［33］采用聚合物A、交聯(lián)劑及破膠劑X等為原料研制了轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂暫堵劑ZFJ，具有封堵強(qiáng)度大、耐酸堿性及抗鹽性的特點(diǎn)。

為解決氣藏挖潛改造時(shí)壓井液漏失的問題，邱玲等［34］研制了液體膠塞暫堵劑，主要成分為高分子稠化劑、交聯(lián)劑、氧化破膠劑。它的實(shí)質(zhì)為一種隔離液，進(jìn)入裂縫后隨地層溫度恢復(fù)形成交聯(lián)凍膠。2014年，賴南君等［35］制備了一種以淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、引發(fā)劑及交聯(lián)劑為原料的壓裂暫堵劑，此類暫堵劑的水溶性良好，選擇性封堵能力強(qiáng)，降解后黏度較低，可降低返排難度。2017年，中國(guó)石油天然氣股份有限公司［36］采用丙烯酰胺、增強(qiáng)劑、復(fù)合交聯(lián)劑、引發(fā)劑，研究出適用于水平井控水的凝膠暫堵劑。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑中兩種組分的比例可實(shí)現(xiàn)對(duì)降解時(shí)間的控制，該暫堵劑具有成膠后黏度大、降解率高等優(yōu)點(diǎn)。

聚合物交聯(lián)暫堵劑的性能優(yōu)越，因而得到了廣泛應(yīng)用，但也具有一些明顯不足。首先，施工后殘?jiān)^多，會(huì)傷害地層滲透率及儲(chǔ)層裂縫的導(dǎo)流能力。其次，所使用的交聯(lián)劑大多有毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而且它的交聯(lián)過程受到pH值、溫度等的影響，破膠時(shí)間難以把控。

2.5 吸水膨脹型暫堵劑

吸水膨脹型暫堵劑主要是具有一定交聯(lián)度的聚合物顆粒，與地層水接觸后吸水膨脹，膨脹后的顆粒具有一定的彈性，可發(fā)生變形，在孔道中形成的空隙較小。此外，聚合物顆粒吸水膨脹后的產(chǎn)物在剪切力作用下被剪碎，可向深處小孔道繼續(xù)運(yùn)移、封堵。

2004年，周玲革等［37］選用乙烯基單體與交聯(lián)穩(wěn)定劑及一些無機(jī)材料，采用水溶液聚合法合成了吸水膨脹型暫堵劑JBD。JBD的吸水膨脹性能較好，與原油接觸時(shí)會(huì)發(fā)生收縮，能實(shí)現(xiàn)油層的暫堵保護(hù)，但在鹽水中膨脹能力較弱，因而在高礦化度油藏應(yīng)用效果差。2010年，賴南君等［38］以丙烯酰胺為原料通過自由基溶液共聚合成了暫堵劑CLS-1。該暫堵劑可承受1.5 MPa的突破壓力，相比美國(guó)暫堵劑DJ-UN擁有更好的膨脹比及穩(wěn)定性，返排難度更小。2012年，王正良等［39］研究了JBD吸水膨脹型暫堵劑對(duì)不同滲透率巖心的封堵能力，結(jié)果表明，該暫堵劑的漏失少，封堵效果好，但由于在高含水儲(chǔ)層中不能自行解堵，會(huì)造成較大傷害，因此需要配合破膠劑JPC使用。

吸水膨脹型暫堵劑由于具有彈性，可以較好地適應(yīng)裂縫形狀，對(duì)空隙的封堵效果很好，但吸水膨脹后形成的彈性顆粒容易遭到剪切破壞，因而封堵強(qiáng)度不高，適用于對(duì)暫堵強(qiáng)度要求不高的地層。

2.6 泡沫暫堵劑

泡沫暫堵劑的暫堵原理是通過泡沫的賈敏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)高滲透層的封堵，迫使后續(xù)工作液進(jìn)入中低滲透層。它的主要組成為起泡劑和穩(wěn)泡劑。有機(jī)酸銨鹽與酸反應(yīng)生成的CO2及N2等氣體與起泡劑產(chǎn)生泡沫；穩(wěn)泡劑的加入提高了液體黏度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泡沫的目的。

2013年，楊偉等［40］將泡沫暫堵技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)慶油田的油井暫堵酸化中，有效解決了酸液指進(jìn)的問題。針對(duì)常規(guī)泡沫暫堵劑穩(wěn)定性差、承壓能力弱的缺陷，中國(guó)石油天然氣股份有限公司以黃原膠等為原料制得充N2微泡沫暫堵劑［41］。將低密度微泡體系與暫堵劑復(fù)配后形成了穩(wěn)定的大尺寸微泡暫堵劑體系，可應(yīng)對(duì)修井過程中的漏失問題。2015年，中國(guó)石油天然氣股份有限公司對(duì)N2與泡沫凝膠復(fù)合的泡沫暫堵劑進(jìn)行了研究［42］。該暫堵劑的阻力因子隨巖心滲透率的增加而升高，因而具有較好的選擇性封堵能力。

泡沫暫堵劑濾失較少，且能實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。但它在與原油接觸后難以保持強(qiáng)度，且穩(wěn)定性受高溫的影響較大，另外，需要額外的制氮設(shè)備也大幅增加了它的應(yīng)用成本。

3 結(jié)語(yǔ)

纖維柔韌可變形，被裂縫的粗糙壁面掛住后會(huì)逐漸形成致密結(jié)實(shí)的濾網(wǎng)，但容易成團(tuán)，堵塞管線。其次，易出現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)纖維飄散的現(xiàn)象，因而需要研發(fā)專用的纖維泵，以實(shí)現(xiàn)大量、快速的纖維混合工作。此外，纖維暫堵劑的承壓能力有限，對(duì)于大開度裂縫封堵效果差。為提高封堵強(qiáng)度，常采用纖維與不同尺寸、硬度的顆粒復(fù)配進(jìn)行暫堵作業(yè)。聚合物交聯(lián)暫堵劑對(duì)高滲透層封堵效果好，但難以區(qū)分油層和水層，且容易在地層中留下大量難以清除的殘?jiān)?，造成二次傷害。吸水膨脹型暫堵劑?duì)水層的封堵作用強(qiáng)，而對(duì)油層的封堵能力較弱。此外，得益于較強(qiáng)的吸水性，吸水膨脹型暫堵劑在封堵時(shí)吸收了地層中多余的水分，能起到較好的控水作用。泡沫暫堵劑具有濾失少、轉(zhuǎn)向作用快速有效的優(yōu)點(diǎn)，且處理液返排徹底，對(duì)地層傷害小。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)為：1）與原油接觸后泡沫的強(qiáng)度受到大幅削弱，且高溫條件會(huì)影響泡沫的穩(wěn)定。2）超高滲透層應(yīng)用泡沫轉(zhuǎn)向技術(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯的滲漏現(xiàn)象，應(yīng)用效果較差。3）該技術(shù)的實(shí)施需要配備制氮設(shè)備與泵組，應(yīng)用成本較高。

目前，暫堵劑技術(shù)發(fā)展的方向是低成本、能適應(yīng)不同復(fù)雜地層條件的暫堵劑，纖維與顆粒復(fù)合的暫堵劑封堵強(qiáng)度高，且在高溫時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但存在成本較高以及降解難度大的缺點(diǎn)?？煽紤]從多學(xué)科交叉的角度，參考其他行業(yè)，推進(jìn)低成本、可降解材料的研究。