暫堵壓裂技術(shù)研究進(jìn)展

楊旭達(dá)，榮新明，劉洋，杜勛，丁文剛(中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

目前，我國有些油田區(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)向技術(shù)作為一種儲層改造的方法，由于封堵住高滲通道而獲得了更多的潛在起裂點，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂能夠獲得更大的裂縫改造體積，從而更好地溝通尚未動用的泄油區(qū)[6-8]。

該技術(shù)的機(jī)理研究方法目前有室內(nèi)實驗以及數(shù)值模擬兩種，目前對裂縫暫堵的機(jī)理探究主要通過室內(nèi)實驗實現(xiàn)，而對炮眼暫堵的研究主要通過數(shù)值模擬的方法模擬暫堵顆粒在井筒內(nèi)運移坐封炮眼的機(jī)理研究。本文結(jié)合國內(nèi)外裂縫及炮眼暫堵機(jī)理研究現(xiàn)狀，對目前該技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以使對暫堵壓裂技術(shù)有更全面的認(rèn)識。

1 暫堵轉(zhuǎn)向機(jī)理

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)核心是選用合適的暫堵劑配方，封堵先壓裂縫或炮眼，提高井筒壓力，迫使流體轉(zhuǎn)向，直井同一層不同方位開啟新裂縫圖1(a)、在水平段不同射孔簇開啟新裂縫圖1(b)或者在在縱向不同層位開啟新裂縫圖1(c)，從而提高沿井筒的整體改造體積。壓裂結(jié)束后，在儲層溫度、流體的作用下，暫堵劑降解并溶解在流體中，隨流體返排至地面，不會造成儲層傷害，新、老裂縫恢復(fù)導(dǎo)流能力，油井開始投產(chǎn)[9-10]。

圖1 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)原理

2 裂縫暫堵研究現(xiàn)狀

早期關(guān)于裂縫暫堵機(jī)理的研究主要集中于常溫條件下的機(jī)理研究，為解決如何選擇暫堵顆粒尺寸才能得到良好的封堵效果的問題。羅向東等[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)暫堵顆粒的粒徑是儲層平均孔隙直徑的三分之二時，才能形成最穩(wěn)定的架橋情況，得出了“三分之二”架橋理論。張琰等通過對比儲層孔隙和暫堵材料的尺寸，得出了屏蔽暫堵分形理論[12]，該理論包含以下幾方面的內(nèi)容：(1)根據(jù)孔隙體積分布曲線，利用孔隙分布的分形模型，可算出平均孔隙直徑和孔隙尺寸分布的分形維數(shù)；(2)依據(jù)“1/2-2/3 架橋原則”，確定暫堵劑的粒子尺寸，初選剛性暫堵劑；(3)按照“1/4-1/3 充填規(guī)則”，確定可變形粒子尺寸；(4)測定暫堵劑尺寸分布，利用分形模型確定暫堵劑的分形維數(shù)；(5)將各種暫堵劑進(jìn)行復(fù)配，并測定復(fù)配后暫堵劑的分形維數(shù)；(6)根據(jù)孔隙尺寸的分形維數(shù)，選擇復(fù)配暫堵劑配方，要求復(fù)配暫堵劑的分形維數(shù)與孔隙尺寸的分形維數(shù)相近。黃立新等[13]通過實驗得到了當(dāng)暫堵顆粒粒徑為裂縫寬度的70%～100%時最容易產(chǎn)生封堵的結(jié)論。邱正松等[14]提出了“多級孔隙最優(yōu)充填”暫堵方法。李家學(xué)等[15]提出剛性顆粒對裂縫的封堵機(jī)理，指出當(dāng)剛性顆粒封堵在裂縫端口處時，填塞處與井壁形成一平面，液柱壓力與顆粒所受壁面摩擦力相平衡，如圖2(a)所示；當(dāng)剛性顆粒封堵在裂縫中部時，封堵段到壁面的裂縫處將受到液柱壓力，迫使裂縫張開，如圖 2(b)所示。封堵裂縫時應(yīng)盡量封堵在裂縫端口，為達(dá)到最優(yōu)封堵，作者提出了剛性顆粒的粒徑選擇和濃度估算模型。

圖2 裂縫中填塞層剖面

之后有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，單獨使用固體顆?；蚶w維時，暫堵裂縫的效率較低[16]，當(dāng)暫堵顆粒與纖維復(fù)合封堵裂縫時產(chǎn)生的封堵效果更好。Zhang等[17]通過使用酸蝕裂縫研究了載液類型、注入速度、裂縫寬度和裂縫形態(tài)對纖維和顆粒堵塞行為的影響，實驗表明暫堵效果隨著注入速度的降低而變差，這可以歸結(jié)為高注入速度增加了橋堵的概率。在裂縫寬度為2 mm的情況下，只有纖維具有良好的封堵效果。然而，單一類型的暫堵劑(僅纖維或顆粒)在裂縫寬度為4 mm的條件下無法實現(xiàn)有效封堵。纖維和顆粒的結(jié)合可以獲得良好的封堵效果。當(dāng)裂縫寬度增加到6 mm時，如果顆粒直徑小于裂縫寬度的50%，很難獲得良好的封堵效果。陳波[18]通過實驗探究了暫堵顆粒與纖維如何配比才能達(dá)到最好的暫堵效果，結(jié)果表明纖維以及單一粒徑的顆粒單獨作用時封堵效果較差，當(dāng)纖維和多粒徑的顆粒通過合理配比復(fù)合作用時封堵效果最好。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)既有剛性顆粒又有柔性顆粒的暫堵顆粒與纖維復(fù)合封堵裂縫時產(chǎn)生的封堵效果要更好。Kang等[19]分析了柔性變形顆粒、剛性顆粒和纖維復(fù)合暫堵的封堵效果。分析認(rèn)為剛性顆粒擁有良好的抗壓能力，柔性變形顆粒變形能力較強(qiáng)，能夠?qū)Ψ忾]區(qū)域的孔隙進(jìn)行填充隙，可以提高暫堵帶的承壓能力。吳彬等[20]采用纖維、可變形油溶性暫堵劑及球形顆粒復(fù)配暫堵技術(shù)，利用纖維暫堵劑的吸附作用，使其吸附在裂縫表面，再由顆粒進(jìn)行橋堵，成功防止了鉆井液對地層的侵入，加強(qiáng)了裂縫性油氣藏的保護(hù)效果。

雖然發(fā)現(xiàn)暫堵顆粒和纖維能夠封堵裂縫，但對于整個封堵的過程并不清楚，為解決這個問題。Yang等[21]基于相似準(zhǔn)則建立了一個大型可視化實驗系統(tǒng)，通過一系列對比實驗發(fā)現(xiàn)，堵塞過程從纖維附著在裂縫底部、頂部和表面開始，然后附著的纖維不斷捕獲流動的顆粒，形成分散的堵塞區(qū)，最后形成一個流動通道，并逐漸變窄，直至完全堵塞。梅艷等[22]對纖維暫堵原理進(jìn)行了說明，纖維封堵裂縫主要包括以下過程：

(1)架橋作用：暫堵纖維在凹凸不平的表面及狹窄部位(喉道)產(chǎn)生掛阻“架橋”，形成橋堵的基本骨架，不同尺寸組合可增大橋堵機(jī)會。纖維在裂縫狹窄部位掛阻架橋示意圖如圖3所示。

圖3 纖維在裂縫狹窄部位掛阻架橋示意圖

(2)充填和嵌入作用：暫堵纖維的柔性變形功能對基本骨架中的微小孔道和地層中原有的小孔道進(jìn)行逐步充填和嵌入，在壓差作用下慢慢壓實，形成暫堵隔墻。纖維的充填嵌入示意圖如圖4所示。

圖4 纖維的充填嵌入示意圖

(3)滲濾和拉筋作用：纖維暫堵液在壓差的作用下失水迅速形成濾餅，同時相互纏繞和變形形成塞狀封堵墊層。纖維的纏繞封堵示意圖如圖5所示。

圖5 纖維的纏繞封堵示意圖

但由此也產(chǎn)生了一個問題，產(chǎn)生封堵的位置并不能確定。為解決上述問題，Yuan等[23]對裂縫表面起伏和粗糙度影響下的裂縫暫堵轉(zhuǎn)向規(guī)律進(jìn)行研究，提出粗糙的裂縫具有特定的堵塞位置，其位置在最小法向縫寬處。為探究其他因素對特征封堵位置的影響，高俊杰[24]通過實驗探究了不同因素對迂曲縫暫堵位置的影響規(guī)律。

隨著非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)，油氣井井深不斷加深儲層溫度不斷變高，針對高溫深層條件，需要對高溫條件下暫堵材料封堵裂縫機(jī)理進(jìn)行研究。羅向東等[11]通過對高溫下可變形顆粒的研究得到溫度適當(dāng)升高后粒子發(fā)生變形，使形成的填充更加致密，但當(dāng)溫度超過其軟化點則會使粒子失效，對填充效果不利的結(jié)論。姜必武等[25]通過對蠟球暫堵劑的性能測試以及現(xiàn)場試驗，認(rèn)為如果想要封堵舊的水力裂縫并產(chǎn)生新的壓裂裂縫，暫堵劑需要具備在特定的溫度、壓力條件下軟化并填充到支撐劑的孔隙中的能力。邵俊杰等[26]通過室內(nèi)實驗測定了不同溫度下的暫堵纖維封堵裂縫效果，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，纖維形成的濾餅的承壓能力越小。

上述研究都是基于室內(nèi)實驗基礎(chǔ)上研究，缺少對于裂縫暫堵的數(shù)值模擬研究，許成元等[27]通過CFD-DEM耦合計算的方法模擬了暫堵劑封堵裂縫形成封堵段的動態(tài)過程，揭示了裂縫形成封堵的過程，解決了不能通過數(shù)值模擬的方法研究裂縫暫堵的難題。但是由于目前計算機(jī)計算能力的局限性，許成元模擬過程中使用裂縫的粗糙度并不能完全擬合現(xiàn)場裂縫表面粗糙度。

3 炮眼暫堵研究現(xiàn)狀

3.1 炮眼暫堵實驗

目前對暫堵球在井筒內(nèi)運移轉(zhuǎn)向封堵炮眼的機(jī)理，這一方面的研究分為三個方面。

首先研究了暫堵球在井筒內(nèi)的運移規(guī)律，為暫堵球在井筒內(nèi)運移提供了力學(xué)理論支持，肖暉等[28]通過對暫堵球進(jìn)行受力狀態(tài)進(jìn)行分析，建立了暫堵球在井筒中的運動方程。韓慧芬等[29]通過對暫堵球力學(xué)條件的分析，建立了暫堵球在運移過程中的動量守恒模型，并通過實驗探究了直井條件下暫堵球的粒徑、密度以及排量對暫堵球運移特征的影響規(guī)律。通過上述研究，對暫堵球在井筒內(nèi)運移的力學(xué)機(jī)理基本得到了了解，但井筒內(nèi)接近炮眼處的由于炮眼的存在暫堵球的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，需要對接近炮眼處的區(qū)域進(jìn)行力學(xué)分析以確定暫堵球轉(zhuǎn)向進(jìn)入炮眼的力學(xué)條件以及影響因素。

為解決上述問題，Brown R W等[30]探究了暫堵球在井筒中的運移規(guī)律，分析得到了暫堵球粒封堵炮眼的力學(xué)條件。Erbstoesser SR[31]探究了暫堵球的浮力對炮眼暫堵的影響情況，并通過實驗得到了當(dāng)攜帶液速度越高暫堵顆粒越容易產(chǎn)生封堵的結(jié)論。學(xué)者將轉(zhuǎn)向進(jìn)入炮眼的暫堵球數(shù)量與投放入井筒內(nèi)的暫堵球數(shù)量的比值百分?jǐn)?shù)定義為封堵效率，封堵效率是衡量暫堵球能否封堵炮眼的一個重要指標(biāo)，為解決現(xiàn)場施工過程其他因素對封堵效率的影響規(guī)律不明的問題。李昊[32]通過投球分壓實驗探究了攜帶液黏度、一次性投球數(shù)量以及混合投入時不同粒徑組合對封堵效率的影響規(guī)律。王賀等研究了影響炮眼暫堵球坐封行為的因素，根據(jù)暫堵轉(zhuǎn)向機(jī)理和理論計算可以得出，為了提高暫堵球封堵炮眼時的封堵效率，應(yīng)盡可能加大排量同時暫堵球數(shù)量最好是1.1～1.2倍炮眼數(shù)。

3.2 炮眼暫堵數(shù)值模擬

為解決室內(nèi)實驗條件不能模擬現(xiàn)場施工條件的問題，可以通過數(shù)值模擬的方法對現(xiàn)場條件進(jìn)行模擬，孫同文等[33]通過Fluent軟件模擬了暫堵球封堵炮眼的過程，得到了封堵效率最高時的水流條件。在進(jìn)行現(xiàn)場條件數(shù)值模擬之前，要首先確定建立的模擬是否正確，為解決這個問題，李昊[32]運用Fluent模擬軟件DPM模型模擬了在水平井筒內(nèi)暫堵球封堵炮眼的過程，探究了不同因素對封堵效率的影響規(guī)律。張峰等[34]基于DDPM、DEM和CFD耦合計算模型，結(jié)合暫堵顆粒與攜帶液的運動參數(shù)，得到了暫堵顆粒的運移封堵規(guī)律。

4 結(jié)語

針對裂縫暫堵機(jī)理的研究，前人對裂縫暫堵的研究主要集中于通過選擇暫堵材料類型、尺寸以及配比來得到最好的封堵效果，近幾年對特征封堵位置的研究開始興起。隨著未來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)數(shù)值模擬模型能夠正確模擬裂縫表面形態(tài)時，對于裂縫暫堵過程的數(shù)值模擬也可能會成為未來研究的一個熱點。

前人對炮眼暫堵的實驗研究主要集中于對暫堵球在井筒內(nèi)運移封堵炮眼的力學(xué)機(jī)理、暫堵球在井筒內(nèi)運動狀態(tài)和暫堵球粒徑、密度等因素對炮眼封堵效率的影響規(guī)律研究，但由于室內(nèi)實驗條件的局限性，一些參數(shù)例如排量沒有與現(xiàn)場施工參數(shù)保持一致，只能通過低排量下的規(guī)律來確定現(xiàn)場施工規(guī)模的參數(shù)的影響規(guī)律，這在科學(xué)研究上是不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，未來隨著室內(nèi)實驗設(shè)備的不斷完善，對現(xiàn)場條件下的模擬研究對現(xiàn)場施工會有很大的指導(dǎo)意義。

目前對炮眼暫堵數(shù)值模擬方法包含DPM模型、CFD-DEM耦合計算模型和基于計算流體力學(xué)(CFD)、離散單元法(DEM)、稠密離散相(DDPM)的耦合計算模型，可以看出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對炮眼暫堵模擬的模型在不斷完善。