轉(zhuǎn)向壓裂用暫堵劑研究進(jìn)展與展望

路智勇

(中國(guó)石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠， 東營(yíng) 257000)

石油天然氣是極為重要的一次性能源，隨著全球油氣資源的大量開采，世界能源供應(yīng)形勢(shì)日漸嚴(yán)峻，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向低滲透油氣資源。資料顯示，全球約38%、中國(guó)約46%的油氣屬于以“低孔隙度、低滲透率”為主要特征的低品位資源[1]。低滲透油氣資源已成為中國(guó)勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，而水力壓裂是開采此類資源的關(guān)鍵技術(shù)[2]。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，水力裂縫導(dǎo)流能力下降，含水率上升，導(dǎo)致油氣產(chǎn)量大幅降低，嚴(yán)重影響開發(fā)效果，一般采用轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)來(lái)恢復(fù)和提高這類生產(chǎn)井的油氣產(chǎn)量[3]。由于傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向技術(shù)具有施工風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，近年來(lái)，化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)已成為油氣井轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂的主流方法，暫堵劑在該技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，暫堵劑也被應(yīng)用于水平井分段壓裂初次改造以促進(jìn)段內(nèi)多條裂縫充分延伸[4]，還用在無(wú)法下封隔工具的套變井以保證大多數(shù)孔眼能夠進(jìn)液并在相應(yīng)位置產(chǎn)生裂縫[5]，從而最大程度改造低滲透儲(chǔ)層。

暫堵劑，也稱轉(zhuǎn)向劑，是一種具有臨時(shí)封堵作用的化學(xué)劑，廣泛應(yīng)用于油氣田開發(fā)領(lǐng)域的鉆完井、壓裂酸化、堵水、修井等作業(yè)中。其中，暫堵劑在水力壓裂領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛，也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。暫堵劑可以對(duì)原裂縫的縫口和射孔孔眼實(shí)現(xiàn)封堵，形成高強(qiáng)度的濾餅，從而產(chǎn)生較高的裂縫凈壓力，迫使后續(xù)壓裂液不再流入原裂縫，而是促使其流向剩余油聚集的區(qū)域并產(chǎn)生新的水力裂縫，從而增大油氣泄流面積。相比于其他用途的暫堵劑，壓裂用暫堵劑的特點(diǎn)包括承壓能力更強(qiáng)、地層傷害更低、暫堵時(shí)間更可控等。

早在20世紀(jì)30年代，哈里伯頓公司基于脂肪酸鹽和氯化鈣反應(yīng)首次研發(fā)了一種不溶于水但溶于油的鈣化物，用作油田鹽酸酸化作業(yè)的轉(zhuǎn)向劑[6]。20世紀(jì)50年代萘開始作為暫堵材料用于油氣井轉(zhuǎn)向酸化，隨后瀝青、四硼酸鈉、牡蝸殼、石灰?guī)r以及多聚四醛等也開始被用作化學(xué)轉(zhuǎn)向劑。但是上述材料并不能快速?gòu)氐兹芙猓瑢?huì)滯留于儲(chǔ)層并產(chǎn)生污染，因此逐漸被淘汰。隨著20世紀(jì)90年代轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)的興起，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向酸化用暫堵劑已經(jīng)不能完全滿足轉(zhuǎn)向壓裂施工的需求。目前中外對(duì)暫堵劑的研究日趨成熟，發(fā)展了適用于不同地層的多種類型的暫堵劑，這些暫堵劑的溶解性及承壓能力得到了提高。根據(jù)原料的不同，可將暫堵劑分為固體有機(jī)酸、惰性有機(jī)樹脂、遇酸溶脹的聚合物及惰性固體等。根據(jù)形態(tài)的不同，可將暫堵劑分為顆粒類暫堵劑、壓裂暫堵球、纖維類暫堵劑及凍膠類暫堵劑等。本文主要依據(jù)暫堵劑形態(tài)的不同，對(duì)目前中外主要的壓裂用暫堵劑的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)、暫堵機(jī)理及研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)暫堵劑的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 顆粒類暫堵劑

1.1 封堵機(jī)理研究現(xiàn)狀

顆粒類暫堵劑是目前用于封堵裂縫最為常用的材料之一，主要依靠暫堵劑顆粒在裂縫或孔眼處橋堵堆積形成暫堵層。顆粒類暫堵劑具有承壓能力強(qiáng)、儲(chǔ)層傷害低、價(jià)格低、溶解時(shí)間可控、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。顆粒類暫堵劑的制備材料來(lái)源廣泛，一般包括無(wú)機(jī)鹽、生物可降解材料、高分子聚合物等。中外對(duì)顆粒類暫堵劑封堵機(jī)理的研究較多，Kaeuffer[7]首次提出了d1/2架橋原則，即當(dāng)顆粒累積體積分?jǐn)?shù)與粒徑d的1/2次方線性相關(guān)時(shí)，形成的暫堵層最為穩(wěn)定。Hands等[8]改進(jìn)了上述原則，認(rèn)為當(dāng)顆粒粒徑的d90(累計(jì)分布曲線上累計(jì)質(zhì)量90%所對(duì)應(yīng)的顆粒直徑)等于儲(chǔ)層最大孔喉直徑時(shí)，產(chǎn)生的暫堵層最為穩(wěn)定。羅平亞等[9]提出了鉆井過(guò)程中的屏蔽暫堵理論，認(rèn)為當(dāng)外來(lái)架橋粒子的粒徑與儲(chǔ)層孔隙平均孔徑的比例介于1/3～2/3時(shí)形成的架橋最為穩(wěn)定。Valdes等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在一定的開放孔道尺寸條件下，暫堵劑形狀將會(huì)一定程度影響封堵效果，顆粒越光滑、圓球度和磨圓度越高，形成穩(wěn)定架橋的可能性越低(圖1)。Shahri等[11]通過(guò)離散元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，顆粒結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性及微觀接觸特征也會(huì)影響暫堵劑的封堵效果，當(dāng)孔道尺寸與顆粒尺寸的比例低于2.5時(shí)，才會(huì)形成穩(wěn)定的橋堵結(jié)構(gòu)。而當(dāng)摩擦系數(shù)較高時(shí)，即便孔道直徑達(dá)到顆粒直徑的5倍，仍能形成穩(wěn)定的橋堵結(jié)構(gòu)。

δmax指不穩(wěn)定架橋和未架橋的臨界顆粒粒徑比;δmin指穩(wěn)定架橋和不穩(wěn)定架橋的臨界顆粒粒徑比圖1 暫堵劑顆粒形狀對(duì)架橋效果的影響Fig.1 Plugging particle shape effect on bridging with out fluid flow

但是大多數(shù)顆粒類暫堵劑屬于剛性顆粒，形成的暫堵層的粒間孔隙較大，而不能形成嚴(yán)密的封堵結(jié)構(gòu)。因此學(xué)者們提出采用不同粒徑組合的顆粒類暫堵劑來(lái)減少孔隙度，以提升封堵效果。顆粒類暫堵劑組合暫堵的微觀機(jī)理主要是通過(guò)“卡堵”[12]和“栓塞”[13]來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖2)?？ǘ率切纬煞舛碌牡谝浑A段[圖2(a)]，在該階段中，較大粒徑的暫堵劑由于在孔道中的流動(dòng)受阻，從而導(dǎo)致其在入口處堆積，形成卡堵結(jié)構(gòu)。此時(shí)小粒徑暫堵劑和流體仍然能夠通過(guò)卡堵結(jié)構(gòu)的孔隙，而不能實(shí)現(xiàn)流體憋壓轉(zhuǎn)向的目的。第二階段就是栓塞[圖2(b)]，后加入的小粒徑暫堵劑在卡堵結(jié)構(gòu)的孔隙中充填，在卡堵結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部形成濾餅而形成栓塞結(jié)構(gòu)，此時(shí)流體不能夠進(jìn)入孔道，從而實(shí)現(xiàn)流體的憋壓轉(zhuǎn)向?？傊?，孔道的形狀、暫堵劑形狀、用量組合、粒徑組合及流體流速都會(huì)影響顆粒暫堵劑在孔道和裂縫的封堵效果。

圖2 組合粒徑顆粒暫堵劑封堵機(jī)理Fig.2 Plugging mechanism of particulate agents with combined particle size

1.2 研發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)顆粒在不同溶液中的溶解情況，可將顆粒類暫堵劑分為油溶性顆粒類暫堵劑、水溶性顆粒類暫堵劑、酸溶性顆粒類暫堵劑以及堿溶性顆粒類暫堵劑，研究現(xiàn)狀如下。

1.2.1 油溶性顆粒類暫堵劑

油溶性暫堵劑的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在地層溫壓作用下較好地溶解于原油當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)自行解堵并隨原油一同采出。油溶性樹脂是一種高分子化合物，由于其黏性及熱塑性較好，受力后易變形，故常作為油溶性暫堵劑的主要原料。20世紀(jì)70年代，Crowe等[14]提出了一種由柔性和脆性兩種樹脂混合而成的油溶性暫堵劑，能夠有效控制完井過(guò)程中的工作液漏失。陳緒清等[15]通過(guò)選用不同類型樹脂，并添加一定比例的分散劑和穩(wěn)定劑，研制了一種新型油溶性暫堵劑，并在勝利油田酸化作業(yè)中得到了應(yīng)用。向洪等[16]將兩種軟化溫度適中的強(qiáng)油溶性樹脂與硬脂酸以一定比例混配，研制了一種適用于中低溫儲(chǔ)層的油溶性暫堵劑。王盛鵬等[17]采用硬度不同的油溶樹脂及較軟的石蠟類物質(zhì)按一定比例混配，制備了不同粒徑的油溶性暫堵劑，適用溫度范圍為20～120 ℃，48 h的油溶解率達(dá)到95%。

近年來(lái)學(xué)者們基于石蠟研發(fā)了一系列油溶性暫堵劑，姜必武等[18]以松香、全煉石蠟為主要原料，同時(shí)加入瀝青、粉陶和氯化鉀等，制備了可軟化的蠟球顆粒暫堵劑。但一般的石蠟類暫堵劑軟化點(diǎn)低、破碎率較高，且封堵效果較差，不適用于高溫高應(yīng)力儲(chǔ)層。趙眾從等[19]選用松香改性季戊四醇樹脂、松香改性酚醛樹脂等為主要原料，研制了一種突破壓力梯度達(dá)到50 MPa/m的油溶性暫堵劑，該暫堵劑具有油溶性好、軟化點(diǎn)可調(diào)、適用溫度范圍大的特點(diǎn)。總之，油溶性暫堵劑解堵工藝簡(jiǎn)單，適用溫度范圍較廣，強(qiáng)度大，適用于低含水油藏。但是其價(jià)格相對(duì)較高，近年來(lái)發(fā)展相對(duì)較為緩慢。

1.2.2 水溶性顆粒類暫堵劑

目前中國(guó)大多數(shù)油井已進(jìn)入中高含水開發(fā)期，油溶性暫堵劑已不再適用，需要研究在反排液中具有良好溶解性的水溶性暫堵劑。目前最常用的水溶性顆暫堵劑為聚合物類暫堵劑，其具有地層污染程度低、延時(shí)溶解、延遲膨脹等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，水溶性暫堵劑開始在油氣田開發(fā)中得到應(yīng)用，主要基于丙烯酰胺為單體合成得到。賴南君等[20]以丙烯酰胺、尿素等原料，通過(guò)自由基溶液共聚的方法合成了一種新型水溶性顆粒類暫堵劑，與美國(guó)同類產(chǎn)品相比，該暫堵劑具有更佳的承壓能力、壁面粘附性、膨脹性以及溶解性。黃波等[21]以丙烯酰胺單體、天然聚氨酯、磺酸鹽表面活性劑和尿素為原料，加入一定的引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑，制成了一種水溶性暫堵劑，在高溫下容易形成濾餅，溶解后無(wú)殘?jiān)?。吳曉燕等[22]以丙烯酰胺和N-芐基-N-辛基丙烯酰胺為原料，采用自由基膠束共聚法合成了一種疏水締合共聚物，其具有較好的耐溫抗鹽能力。

但是上述水溶性顆粒類暫堵劑還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即很難從地層中完全清除，仍會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生一定的傷害。故近年來(lái)許多學(xué)者致力于研發(fā)可降解暫堵劑，這種暫堵劑可降解為水溶性極高的物質(zhì)，在地層環(huán)境中能夠自然降解或生物降解，不需添加任何助劑便能順利反排。目前研制的可降解暫堵劑一般以脂肪醇、脂肪酸鹽、脂肪酸酯和纖維素等物質(zhì)為原料。Reddy等[23]介紹了一種能夠加快聚合物降解的新型活化劑，其能夠降解不同類型的含有降解官能團(tuán)的聚合物，在不同的溫度范圍及井筒條件下降解時(shí)間可控。曾斌等[24]以乳酸、丙烯酸、N-乙烯基吡咯烷酮等為原料在引發(fā)劑作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，制備了一種可降解型全可溶高強(qiáng)度化學(xué)封隔器，其在不同溫度的壓裂液環(huán)境中能夠完全溶解。該暫堵劑在水平井重復(fù)壓裂中得到了使用[25]，施工過(guò)程中共使用了剛性顆粒暫堵劑、柔性顆粒暫堵劑以及粉末暫堵劑共三種顆粒類暫堵劑，其中剛性和柔性顆粒暫堵劑粒徑介于3～8 mm，承壓強(qiáng)度大于40 MPa，粉末轉(zhuǎn)向劑粒徑介于0.15～0.825 mm，承壓強(qiáng)度大于50 MPa。趙眾從等[26]以聚碳酸亞丙酯樹脂為自降解交聯(lián)劑，采用一定的增塑劑、改性劑、促進(jìn)劑和密度調(diào)節(jié)劑，研發(fā)了一種自降解水溶性暫堵劑，其分解溫度低、分解時(shí)間短，分解產(chǎn)物無(wú)污染?？傊?，水溶性顆粒類暫堵劑在氣井及高含水油井壓裂中得到了廣泛應(yīng)用，其中由于可降解暫堵劑性能優(yōu)異，再加上生產(chǎn)成本已逐步降低，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)，在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用也越來(lái)越多。

1.2.3 酸溶性顆粒類暫堵劑

酸溶性顆粒類暫堵劑的主要原料一般為小粒徑碳酸鈣顆粒，在碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用較為廣泛。周風(fēng)山等[27]以碳酸鈣、氧化鈣、新聞紙和皮革纖維為原料，研制了一種酸溶性顆粒類暫堵劑，在15%的鹽酸中的溶解率達(dá)到90%以上。孟尚志等[28]以超細(xì)碳酸鈣顆粒為主要原料研制了一種酸溶性顆粒暫堵劑，該暫堵劑雖然對(duì)鉆井液流變性會(huì)產(chǎn)生一定影響，但滲透率恢復(fù)性、降濾失性較強(qiáng)，且能有效降低井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。由于碳酸鈣顆粒的脆性較強(qiáng)、強(qiáng)度低，且可變形程度低，單獨(dú)使用很難達(dá)到理想的架橋效果，無(wú)法滿足高溫高壓作業(yè)需求。再者，酸化解堵工藝較為復(fù)雜，通常留下的殘?jiān)^多，仍會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大傷害。因此，一般很少單獨(dú)使用酸溶性顆粒暫堵劑，一般將其與纖維或膠塞類暫堵劑聯(lián)合使用，通過(guò)復(fù)合暫堵來(lái)提升封堵效果。由于在酸壓施工后反排的殘酸可對(duì)暫堵劑進(jìn)行溶解，因此酸溶性顆粒類暫堵劑仍在高溫油氣田的酸壓作業(yè)中得到了應(yīng)用。

1.2.4 堿溶性顆粒類暫堵劑

劉志明等[29]研制了一種含有羥基、羧基、羰基等官能團(tuán)的新型鉆井液屏蔽暫堵劑，在pH>9的堿溶液中的溶解率超過(guò)60%，在pH較低時(shí)不溶于水，其在堿液中的溶解率隨溫度增加而增大，且該暫堵劑在鉆井液中的分散性較好，對(duì)鉆井液性能無(wú)不良影響。總體來(lái)講，目前堿溶解性顆粒類暫堵劑在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用不多，仍處于室內(nèi)研發(fā)的階段。

2 壓裂暫堵球

2.1 封堵機(jī)理研究現(xiàn)狀

目前中外水平井分段壓裂廣泛采用“橋塞+套管分簇射孔”的完井方式。在施工過(guò)程中，通常使用直徑與射孔孔眼為同一級(jí)別的壓裂暫堵球來(lái)控制壓裂液流向。暫堵球封堵裂縫的機(jī)理為：利用已壓裂裂縫吸液量大的特點(diǎn)，通過(guò)壓裂液將一定量的暫堵球攜帶進(jìn)入先壓裂縫的孔眼，并在孔眼處形成橋堵(圖3)，迫使壓裂液不再進(jìn)入該裂縫，造成裂縫凈壓力升高，并在破裂壓力更高的孔眼處產(chǎn)生新的水力裂縫[30]。盧修峰等[31]揭示了堵球封堵孔眼效果的影響因素，包括以下三個(gè)方面：①流體對(duì)暫堵球產(chǎn)生的拖曳力必須大于慣性力才能使堵球坐在孔眼口；②使球保持在孔眼口的力大于由于流動(dòng)而使之脫落的力才能使堵球堵住孔眼；③油井投產(chǎn)時(shí)，堵球能夠從孔眼處成功脫落，并能在反排液中降解。肖暉等[32]建立了暫堵球在前置液及攜砂液中的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)數(shù)值求解并分析了暫堵球密度、施工排量和攜帶液黏度等參數(shù)對(duì)暫堵球運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果顯示，壓裂排量是影響暫堵球運(yùn)動(dòng)的主要因素。廖仕孟等[33]提出暫堵球的數(shù)量主要由需要坐封孔眼的數(shù)量決定，暫堵球個(gè)數(shù)一般為孔眼數(shù)的1.2倍，暫堵球直徑一般以略大于孔眼直徑為宜。曾凌翔[34]提供了一種暫堵球數(shù)量的計(jì)算方法，并給出了堵球直徑與射孔槍型號(hào)、孔眼直徑的匹配關(guān)系，提出使用不同直徑的暫堵球(直徑為5.5～13.5 mm)和顆粒類暫堵劑對(duì)裂縫實(shí)行組合式封堵。

壓裂暫堵球在井筒中的運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上屬于固液兩相流力學(xué)問(wèn)題，目前優(yōu)化暫堵球大小、數(shù)量及攜帶液排量等參數(shù)主要基于經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，故需要充分考慮流體的影響，建立更為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用先進(jìn)的數(shù)值求解方法來(lái)模擬計(jì)算堵球在井筒的運(yùn)動(dòng)及在孔眼處的坐封，為施工參數(shù)定量?jī)?yōu)化提供依據(jù)。相比顆粒暫堵劑，壓裂暫堵球用量更少，封堵強(qiáng)度也較高，但是存在一個(gè)缺陷，即后續(xù)進(jìn)入的壓裂液很有可能將之前坐封的堵球沖刷下來(lái)，從而導(dǎo)致封堵失效。特別是對(duì)于水平井轉(zhuǎn)向壓裂，其需要封堵的裂縫條數(shù)較多，因此使用暫堵球很難保證對(duì)裂縫的有效封堵。因此，近年來(lái)顆粒類暫堵劑在水平井轉(zhuǎn)向壓裂中的應(yīng)用越來(lái)越多。

圖3 水平井段內(nèi)暫堵球暫堵轉(zhuǎn)向壓裂示意圖Fig.3 Plugging mechanism of degradable balls within a stage in a horizontal well

2.2 研發(fā)現(xiàn)狀

早期使用的暫堵球一些為實(shí)心固體，一些表面有一層堅(jiān)固的固體外殼，材質(zhì)為塑料、橡膠、鋼芯橡膠等，一般為不可降解或難溶解材料。這種暫堵球易脫落，也可能嵌在炮眼處產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致壓后生產(chǎn)不能順利進(jìn)行。因此，近年來(lái)學(xué)者們致力于研究能夠在地層流體中自行降解的可降解壓裂暫堵球。管彬等[35]以水、苯二甲酸、乙二醇、1,4-丁二酸、1,3-丙二醇和1,4-苯二酚為原料通過(guò)酯化、聚合反應(yīng)形成一種共聚酯，然后加工打磨成暫堵球，在地層溫壓條件下，該暫堵球可以水解成酸和醇，并能隨地層流體一起排出。杜林麟等[36]以聚丙烯酰胺、聚乙烯蠟、碳化硼、熱塑性聚合物、田菁膠、苯并三唑及4,4-二氨基二苯酰胺為原料，制備了一種高強(qiáng)度可降解的壓裂暫堵球。田哿等[37]以鎂銅合金、鋁鎳合金、鐵粉和銀粉等為原料，通過(guò)鑄錠、擠壓、牽引、淬水、切塊、打磨等工序，制備了一種高強(qiáng)度、高速溶性的輕質(zhì)暫堵球。

近年來(lái)部分學(xué)者也致力研究適用于高溫深層的壓裂暫堵球，劉多容等[38]以聚乙烯醇或聚己內(nèi)酯為殼體材料，以聚乙醇酸、聚乙烯醇、聚乳酸和聚乙丙交酯中的一種為芯體材料，制備了一種適用溫度范圍廣的可溶性壓裂暫堵球，其承壓性能、彈性變形能力均較好。安志杰等[39]以可溶性聚四氟乙烯、重質(zhì)芳烴樹脂、非離子表面活性劑、軟化點(diǎn)添加劑和增塑劑為原料，制備了一種適用于高溫油藏的暫堵球。

3 纖維類暫堵劑

3.1 封堵機(jī)理研究現(xiàn)狀

纖維類暫堵劑目前較多應(yīng)用于天然裂縫及孔洞發(fā)育的碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓作業(yè)中。纖維類暫堵劑的柔韌性較好，易彎曲變形，比重小，長(zhǎng)度直徑比例大，相比顆粒暫堵劑，纖維能形成更為穩(wěn)定的封堵結(jié)構(gòu)，且能在一定程度防止支撐劑回流。但是，纖維類暫堵劑的承壓能力不強(qiáng)，難以適用于深部破裂壓力較高的地層。纖維類暫堵劑的封堵可以分為三個(gè)階段[40-41](圖4)：①由于裂縫面凹凸不平，纖維剛進(jìn)入裂縫時(shí)被裂縫面阻擋并捕獲；②纖維被捕獲后導(dǎo)致工作液的流動(dòng)通道變窄，后續(xù)注入的纖維充填于原來(lái)的纖維之間，并以架橋的方式形成纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；③當(dāng)注入的纖維達(dá)到一定量時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙度降低到極低，導(dǎo)致壓裂液幾乎不能進(jìn)入裂縫，在壓差作用下纖維暫堵層更為致密，被壓實(shí)而失水，裂縫凈壓力迅速增加，迫使壓裂液改變流向并產(chǎn)生新的裂縫。壓裂施工結(jié)束后，纖維類暫堵劑在壓裂液或殘酸中完全溶解，幾乎不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生傷害。邵俊杰等[42]基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，纖維濃度越大，暫堵層的承壓能力越強(qiáng)，暫堵時(shí)間越長(zhǎng)；并且采用較長(zhǎng)的纖維有利于形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增大承壓能力。溫度越高，纖維的降解速度越快。

圖4 纖維暫堵劑封堵裂縫機(jī)理示意圖Fig.4 Plugging mechanism of fiber temporary plugging agent

但是，對(duì)于較寬的裂縫，單一使用纖維類暫堵劑往往效果不佳。因此，學(xué)者們提出將不同粒徑的顆粒類暫堵劑和纖維類暫堵劑聯(lián)合使用，其中纖維能夠堆積形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，而顆粒的加入可以使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加牢固，降低纖維之間的孔隙，由于顆粒類暫堵劑的承壓能力更強(qiáng)，從而大幅提高了復(fù)合暫堵層的封堵強(qiáng)度[43]。Yang等[44]基于大尺寸可視化窄縫平板實(shí)驗(yàn)研究了顆粒與纖維暫堵劑復(fù)合暫堵的微觀機(jī)理(圖5)。結(jié)果表明，隨著暫堵劑與纖維的同時(shí)注入，首先二者均勻向前推進(jìn)(階段Ⅰ)，然后纖維在裂縫頂部和底部逐漸聚集并附著于裂縫面(階段Ⅱ)，隨后纖維捕獲顆粒并形成多個(gè)離散的暫堵區(qū)(階段Ⅲ)，最后所有纖維及顆粒運(yùn)動(dòng)至裂縫頂部和底部，并在裂縫中部留出一條壓裂液流動(dòng)通道(階段Ⅳ)，隨后該通道逐漸變窄并最終暫堵區(qū)域覆蓋到整個(gè)裂縫范圍。本文還研究得出，顆粒暫堵劑滯后于纖維暫堵劑50 s注入最佳，二者之間比例最好為1∶1，當(dāng)顆粒暫堵劑的粒徑為縫寬的60%～80%時(shí)，形成的封堵效果最佳。

圖5 纖維及顆粒類組合暫堵形成機(jī)理示意圖Fig.5 Forming process of compound plugging: combined used of fiber and particulate temporary plugging agents

3.2 研發(fā)現(xiàn)狀

目前，纖維主要是以聚乙烯醇(PVA)為原料改性制備得到的，其水溶性和生物降解性均較優(yōu)異[45]。其中，產(chǎn)品的聚合度、醇解度對(duì)水溶性的影響較為明顯。張紹彬等[46]發(fā)明了一種壓裂用纖維暫堵劑，類型為聚乙烯醇纖維、改性聚酯纖維、聚氨酯纖維的一種或多種，纖維長(zhǎng)度為3～15 mm，抗拉強(qiáng)度為20～800 MPa，直徑為10～100 μm，其在水或酸溶液中皆可溶，50 min溶解率超過(guò)95%。穆瑞花[47]提供了一種溫控聚合物纖維暫堵劑的制備方法，首先以由苯乙烯、馬來(lái)酸酐與引發(fā)劑為原料制備溫控顆粒，然后將其加入聚乙烯醇制備成聚合物纖維，該纖維具有低溫不溶，90 ℃以上快速溶解的特點(diǎn)，解決了常規(guī)聚合物暫堵劑的封堵時(shí)間與溶解時(shí)間的矛盾，其能夠在24 h內(nèi)全部溶解，能夠滿足暫堵壓裂施工的需要。

部分學(xué)者采用其他方法制備了纖維暫堵劑，畢磊等[48]以聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺、聚丙烯酰胺、乙二醇、甘油、四氫呋喃及N-丙基-N-羥乙基全氟辛基磺酰胺等為原料，以氧化錫為催化劑，研制了一種纖維暫堵劑，其暫堵率達(dá)到95%以上，施工結(jié)束后能夠自行解堵。陳峰等[49]發(fā)明了一種高強(qiáng)度水解纖維壓裂用暫堵劑體系，其中水解纖維為棉花酸水解纖維，攜帶液由黃原膠、殺菌劑和水組成，配合使用的暫堵劑顆粒為桃膠酸水解顆粒。杜娟等[50]以醋酸和纖維素為原料通過(guò)酯化反應(yīng)制備了一種不溶于水但溶于酸的醋酸纖維，與常規(guī)黏膠纖維相比，醋酸纖維的密度更低，斷裂伸長(zhǎng)更高，吸水性更強(qiáng)，熱穩(wěn)定性更好。部分學(xué)者以纖維為主要原料研發(fā)了復(fù)合暫堵劑體系，張軍等[51]以超細(xì)碳酸鈣顆粒作為架橋粒子，植物纖維作為包裹材料，氧化瀝青作為填充粒子，制備了一種承壓能力較強(qiáng)的復(fù)合材料暫堵劑。Xue等[52]介紹了一種纖維和顆粒組成的復(fù)合暫堵劑，承壓強(qiáng)度大于40 MPa，降解率大于90%。其中，纖維的直徑為10～20 mm，密度為1.2～1.3 g/cm3，在壓裂液中均勻分散只需要10 s。

目前，關(guān)于壓裂用纖維類暫堵劑的研究較多，但是仍不能完全滿足高溫高壓儲(chǔ)層的性能要求，主要是承壓強(qiáng)度不夠高，纖維與顆粒類暫堵劑等聯(lián)合使用能夠有效規(guī)避這一缺點(diǎn)。另外，面對(duì)尺度大小認(rèn)識(shí)不清的裂縫，纖維尺寸不匹配將可能導(dǎo)致無(wú)法形成理想的架橋結(jié)構(gòu)?？傊?，多種暫堵材料的復(fù)合暫堵是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但是關(guān)于暫堵劑類型、用量組合、泵注程序以及排量等施工參數(shù)的優(yōu)化仍缺乏理論支撐，這方面的研究有待加強(qiáng)。

4 凍膠類暫堵劑

4.1 封堵機(jī)理研究現(xiàn)狀

凍膠類暫堵劑主要是指可溶于水的聚合物凍膠暫堵劑，與壓裂液類似，凍膠類暫堵劑通過(guò)交聯(lián)后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠狀物，從而達(dá)到暫堵轉(zhuǎn)向壓裂所需的強(qiáng)度，在施工結(jié)束后利用破膠劑破膠，形成的破膠液能夠順利反排。在形態(tài)上，凍膠類暫堵劑可分為顆粒型和膠塞型兩種。將凍膠進(jìn)行烘干、剪切、造粒等一系列加工可制備為顆粒型凍膠類暫堵劑，如果直接將高黏凍膠注入地層，可以形成膠塞來(lái)對(duì)地層實(shí)現(xiàn)封堵。目前的凍膠類暫堵劑主要是在地面完成交聯(lián)。顆粒型凍膠類暫堵劑的封堵機(jī)理在1.1節(jié)已介紹，而對(duì)于膠塞型凍膠類暫堵劑而言，其形狀類似于果凍，黏彈性更好，形成的暫堵層更為致密，因此對(duì)裂縫的封堵性更好。但是，凍膠類暫堵劑存在一個(gè)致密缺點(diǎn)，即耐溫抗鹽性較差，不適用于高溫儲(chǔ)層[53]。此外，凍膠類暫堵劑采用的是內(nèi)置破膠劑，其隨暫堵劑體系一起泵入地層，因此在地下的破膠時(shí)間難以控制。

近年來(lái)，部分學(xué)者提出將膠塞型凍膠類暫堵劑和顆粒類暫堵劑等聯(lián)合使用以增強(qiáng)封堵效果。Liu等[54]提出向裂縫中先后注入大粒徑顆粒類暫堵劑、小粒徑顆粒類暫堵劑以及膠塞型凍膠類暫堵劑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的復(fù)合暫堵(圖6)。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，復(fù)合暫堵形成的濾餅的水溶率達(dá)到100%，承壓性能滿足高破裂壓力地層的施工要求。

圖6 膠塞和顆粒暫堵劑復(fù)合暫堵機(jī)理示意圖Fig.6 Combined use of gel and particulate temporary plugging agents

4.2 研發(fā)現(xiàn)狀

李長(zhǎng)忠等[55]以骨膠粉、苯甲酸、改性淀粉、聚氧乙烯二丙烯酸酯等為原料，加入一定的交聯(lián)劑和引發(fā)劑，經(jīng)過(guò)造粒、上油、烘干制成了一種耐高溫水溶性顆粒型凍膠類暫堵劑，突破壓力梯度達(dá)到30 MPa/m。劉祥等[56]以胍膠、無(wú)機(jī)填料、體膨顆粒等為原料，研制出了一種新型復(fù)合凍膠類暫堵劑。賴南君等[57]以淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺為原料，以過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，以不飽和雙鍵的有機(jī)物為交聯(lián)劑，研發(fā)了一種水溶性凍膠類暫堵劑，其在20～80 ℃、16 h的水溶解率為最高達(dá)到98%，封堵壓力梯度達(dá)到47.1 MPa/m。常冬梅等[58]以丙烯酰胺、丙烯酸鈉為聚合單體，膨潤(rùn)土為填充劑，聚乙二醇二丙烯酸酯為交聯(lián)劑、過(guò)硫酸鉀與亞硫酸鈉為氧化還原引發(fā)劑，采用水溶液聚合法制備了一種水溶性凍膠暫堵劑，在80 ℃、21 h內(nèi)完全降解。張易航等[59]以丙烯酰胺、丙烯酸、疏水大單體作為主劑、N,N,N′,N′四甲基乙二胺為促交聯(lián)劑，采用膠束接枝共聚制備了一種高強(qiáng)度凝膠暫堵劑，80 ℃、10 h內(nèi)可實(shí)現(xiàn)完全破膠。李欣儒等[60]以丙烯酰胺和丙烯酸為功能單體，以硝酸鋁為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，基于微流體與乳液聚合技術(shù)，引入氧化石墨烯納米材料制備了一種新型復(fù)合石墨烯凝膠暫堵劑顆粒。

近年來(lái)部分學(xué)者致力于研發(fā)耐高溫凍膠類暫堵劑，李丹等[61]采用抗高溫鉻復(fù)配交聯(lián)劑與低水解度聚丙烯酰胺交聯(lián)，制備了一種耐高溫凍膠類暫堵劑，其耐溫抗鹽性能較好，暫堵時(shí)間可控，且在120 ℃條件下對(duì)巖心的封堵率達(dá)到92%以上，滲透率恢復(fù)率超過(guò)83%。徐昆等[62]研發(fā)了一種新型超分子熱致凝膠暫堵劑，在100～110 ℃下能夠迅速成膠，封堵強(qiáng)度達(dá)到超過(guò)122 MPa/m，高于大多數(shù)同類產(chǎn)品。郭錦棠等[63]以丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為主要原料，以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，以高溫引發(fā)劑過(guò)氧化二異丙苯為引發(fā)體系，利用溶液聚合法制備了一種耐高溫耐鹽的膠塞型暫堵劑，凝膠時(shí)間大于2 h，在330 ℃高溫下無(wú)明顯熱分解。總體來(lái)講，凍膠類暫堵劑具有封堵強(qiáng)度大、選擇封堵效果好等優(yōu)點(diǎn)，常用于封堵開度較小的裂縫，雖然近年來(lái)學(xué)者們通過(guò)改性實(shí)驗(yàn)提升了凍膠類暫堵劑的耐溫抗鹽性，但是破膠時(shí)間和破膠程度仍難以控制，地面交聯(lián)造成泵注時(shí)的井筒摩阻較大，導(dǎo)致在部分儲(chǔ)層施工風(fēng)險(xiǎn)高。

5 新型暫堵劑

5.1 絨囊類暫堵劑

絨囊流體是在模糊封堵理論[64]指導(dǎo)下開發(fā)的一種油氣井用無(wú)固相流體，其原理為通過(guò)流體中的囊泡結(jié)構(gòu)以堆積、拉抻及堵塞等形式對(duì)不同尺度的裂縫或孔道實(shí)施封堵，其主要由絨毛劑、囊膜劑、囊核劑組成。絨囊原本用于修井、完井作業(yè)的工作液堵漏，近年來(lái)也開始用于重復(fù)壓裂作業(yè)，并研發(fā)了各種絨囊轉(zhuǎn)向劑，其最終能夠完全降解并順利反排。絨囊暫堵劑也存在一些缺點(diǎn)，比如抗高溫性能不好，不適用于高溫低壓儲(chǔ)層。此外，由于絨囊不能像纖維和顆粒一樣在裂縫和孔眼形成橋堵，故不能有效封堵較寬的裂縫。邵建軍[65]以無(wú)機(jī)水溶液、三硝溶液硝酸鈉、亞硝酸鈉、硝酸鉀為原料制備一種低溫絨囊工作液的成核劑。鄭力會(huì)等[66]以一定比例的囊絨劑、囊質(zhì)劑、囊膽劑為原料制備了一種煤層氣絨囊鉆井液。聶帥帥等[67]介紹了一種無(wú)固相絨囊流體，其主要成分包括囊層劑(主要成分為羥乙基淀粉)、絨毛劑(主要成分為聚陰離子纖維素)、囊核劑(主要成分為十二烷基磺酸鈉)及囊膜劑(主要成分為十二烷基苯磺酸鈉)，其在剖縫煤巖中的承壓能力達(dá)到18 MPa，能夠有效降低壓裂液在煤層的濾失。許洪星等[68]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在無(wú)固相絨囊流體中加入纖維后能夠有效提升封堵能力，且能加快封堵起效的速度。

5.2 膨脹性暫堵劑

膨脹性暫堵劑是一種網(wǎng)狀高分子化合物，在吸水后能夠快速膨脹，具有吸水但不吸油的特點(diǎn)，之前常用于調(diào)剖堵水，近年來(lái)也開始應(yīng)用于轉(zhuǎn)向壓裂施工。膨脹性暫堵劑在攜帶液作用下進(jìn)入地層后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同尺寸裂縫的封堵。施工結(jié)束后，在破膠劑作用下能夠徹底降解于反排液中。Gomaa等[69]介紹了一種可膨脹性暫堵劑，遇清水90 min后體積可增大5倍以上，且溫度越高，膨脹程度越大。常冬梅等[70]采用水溶液聚合法，通過(guò)改變膨潤(rùn)土、淀粉、交聯(lián)劑、引發(fā)劑的加量，研發(fā)了一種新型水膨性暫堵劑，吸水倍率最高達(dá)到184，降解時(shí)間可控制在4.5～19 h。丁其杰等[71]以丙烯酰胺、丙烯酸、碳酸鈣、交聯(lián)劑、硫酸銨、硫酸亞鐵等為主要原料，通過(guò)聚合反應(yīng)制備了一種耐溫抗鹽、高凝膠強(qiáng)度、膨脹時(shí)間較長(zhǎng)的水膨脹體。丁宇[72]采用水溶液聚合法，通過(guò)改變單體和配比合成了一種水溶性凍膠，耐溫達(dá)到110～180 ℃，可在殘酸或清水中膨脹20～30倍，48 h內(nèi)降解率達(dá)到95%。膨脹性暫堵劑也存在一些缺點(diǎn)，首先，其膨脹能力難以控制，甚至有可能在井筒就能引起堵塞；其次，突破壓力梯度較小，不能形成穩(wěn)定的暫堵層，不能適用于高破裂壓力儲(chǔ)層。

5.3 包裹式暫堵劑

隨著化學(xué)與材料技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們研發(fā)了各種性能優(yōu)異的新型暫堵劑，但這些暫堵劑的成本往往較高。因此，對(duì)傳統(tǒng)暫堵劑進(jìn)行低成本改性，使之達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)施工的性能要求是未來(lái)的研究方向之一。對(duì)碳酸鹽巖酸化壓裂而言，碳酸鈣顆粒是一種低成本、粒徑可控的酸溶性暫堵劑，但其強(qiáng)度低、可變形程度低，在酸性環(huán)境中快速溶解而達(dá)不到封堵效果。因此，學(xué)者們嘗試在碳酸鈣顆粒外部包裹一層耐酸但在一定溫度下可以自行溶解的特殊材料[73]，其封堵原理和普通顆粒類暫堵劑一樣，施工結(jié)束后，隨著井筒附近溫度上升，包裹層材料逐漸溶解、脫落，暴露出來(lái)的碳酸鈣顆粒在酸液中溶解并反排。但是，由于工藝水平的限制，包裹式顆粒暫堵劑的粒徑較大，因此在理論上只適用于封堵較寬的裂縫。

6 結(jié)論與展望

暫堵劑化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)已成為油氣井暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的主流方法，通過(guò)加入暫堵劑來(lái)改變壓裂液流向，能夠有效溝通剩余油聚集區(qū)，提高油氣采收率。

(1)酸溶性顆粒類暫堵劑由于需要酸化解堵，易引起儲(chǔ)層傷害，而油溶性顆粒類暫堵劑只適用于低含水油藏，其應(yīng)用受到一定的局限，因此有必要添加合適的水溶性材料來(lái)拓寬暫堵劑的應(yīng)用范圍。水溶性暫堵劑在老油井及氣井暫堵轉(zhuǎn)向壓裂中具有較好的適用性，其中可降解水溶性顆粒類暫堵劑是今后的主流發(fā)展趨勢(shì)。壓裂暫堵球具有封堵強(qiáng)度高、用量少等優(yōu)點(diǎn)，但是壓裂液很可能將已坐封的堵球沖刷下來(lái)，從而導(dǎo)致封堵失效，導(dǎo)致暫堵球的應(yīng)用效果不能得到保證。

(2)纖維類暫堵劑較多應(yīng)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化壓裂作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)在于水溶性強(qiáng)、柔韌性好，能形成纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但承壓能力不強(qiáng)。凍膠類暫堵劑具有封堵強(qiáng)度大、選擇封堵效果好等優(yōu)點(diǎn)，常用于封堵寬度較小的裂縫。但破膠時(shí)間和破膠程度難以控制，耐溫抗鹽性總體較差。

(3)根據(jù)地層情況選擇合適的暫堵劑組合來(lái)對(duì)裂縫實(shí)施封堵能夠充分吸收各種暫堵劑的性能優(yōu)勢(shì)，從而有效提高封堵效果。故研發(fā)性能優(yōu)異、低成本的復(fù)合暫堵材料對(duì)于提高油氣產(chǎn)量具有十分重要的意義。

(4)目前廣泛使用的轉(zhuǎn)向壓裂施工參數(shù)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)方法缺乏理論依據(jù)，應(yīng)用效果欠佳。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于數(shù)值模擬來(lái)定量?jī)?yōu)化暫堵劑類型、用量、大小組合及攜帶液排量、泵序等施工參數(shù)是亟待攻關(guān)的難題。