可降解暫堵球動態(tài)封堵承壓性能評價方法及裝置研制

韓慧芬

1中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2頁巖氣評價與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

“長水平段+分段多簇縫網(wǎng)壓裂”改造工藝已成為非常規(guī)儲層的高效開發(fā)模式[1]，簇間距越來越小，射孔簇均勻起裂難度大，難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)，改造體積有限。如何提高分簇效率，增加裂縫復(fù)雜程度是關(guān)鍵問題。密切割及高密度完井壓裂工藝能夠增加射孔簇?cái)?shù)，使壓裂段改造更加充分，在提高單井產(chǎn)量方面取得一定效果，但存在無效射孔簇問題[2]。對于這兩項(xiàng)完井技術(shù)，還需要配合縫口暫堵技術(shù)，封堵無效射孔簇，促使新縫的產(chǎn)生和增加單縫的復(fù)雜程度。高密度射孔和密切割完井工藝配合暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝在德克薩斯州西部眾多的壓裂井中均非常成功的應(yīng)用，顯著的增加了儲層接觸面積。

頁巖氣井大規(guī)模縫網(wǎng)壓裂容易導(dǎo)致套管變形，使得無法下入橋塞而導(dǎo)致大部分壓裂層段無法改造。通過加強(qiáng)地質(zhì)建模、鉆井工程、壓裂改造、套變后措施的技術(shù)攻關(guān)，長寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣井套變比例大幅降低，但仍占20%～30%[3- 4]，需采用可降解暫堵球轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，解決套管變形段丟段的問題[5- 6]?？p口暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)的暫堵效果受多種因素影響，目前主要依靠微地震監(jiān)測裂縫形態(tài)和壓裂施工壓力是否提高這兩個方面來進(jìn)行籠統(tǒng)評價，但是泵入的可降解暫堵球是否達(dá)到了暫堵效果、封堵效果控制因素等方面都缺乏相應(yīng)的依據(jù)和手段，制約了暫堵轉(zhuǎn)向壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及暫堵材料的優(yōu)選，進(jìn)而達(dá)不到預(yù)期的效果?？山到鈺憾虑蛐阅茉u價主要包括降解、密度、尺寸、形態(tài)、耐溫性能、承壓及轉(zhuǎn)向能力等，承壓及轉(zhuǎn)向能力是評價可降解暫堵球封堵效果的重要性能指標(biāo)，目前對轉(zhuǎn)向能力、孔眼的形態(tài)及大小、投球方式等方面缺乏系統(tǒng)研究。文章通過可降解暫堵球性能評價裝置的研制，形成了可降解暫堵球動態(tài)封堵承壓性能評價方法，為暫堵球性能優(yōu)選、暫堵球與孔眼大小的匹配、暫堵球投球方式及投球時機(jī)等提供了依據(jù)。

1 可降解暫堵球封堵承壓性能評價方法

可降解暫堵球承壓能力是評價暫堵球封堵效果的一個重要性能指標(biāo)，測試方法包括靜態(tài)測試法和動態(tài)測試法兩種。

1.1 靜態(tài)測試法

靜態(tài)承壓能力測試采用壓力機(jī)進(jìn)行可降解暫堵球變形承壓能力測試，也可采用流動設(shè)備，在巖心前端放置多種尺寸孔板，將可降解暫堵球放在測試孔眼上，加壓、測試其靜態(tài)承壓封堵能力，如周怡、方裕燕[7- 10]等人開展了研究。這兩種方法得到的承壓能力相差較大，前者得到的承壓能力不能代表暫堵球的封堵承壓能力，現(xiàn)場選擇暫堵球的時候不能采用該指標(biāo)。

1.2 動態(tài)測試法

高學(xué)生[11]、龔蔚[12]等人研發(fā)了暫堵球動態(tài)抗壓裝置，在金屬管上布孔并連接塑料軟管，后端與流量計(jì)相連，能夠模擬水平管(或垂直管)不同相位孔眼的封堵情況，但主要集中在評價暫堵球動態(tài)承壓封堵方面的性能，對轉(zhuǎn)向能力、孔眼形態(tài)及大小、暫堵球運(yùn)移及坐封影響因素等方面缺乏系統(tǒng)研究。

2 實(shí)內(nèi)評價裝置需要解決的關(guān)鍵問題

已有的研究成果實(shí)現(xiàn)了暫堵球在水平管(或垂直管)中的動態(tài)運(yùn)移及不同相位孔眼封堵模擬。但是將室內(nèi)模擬暫堵球封堵射孔孔眼效果的結(jié)果用于指導(dǎo)現(xiàn)場,還需解決以下四個方面的問題。

2.1 射孔孔眼尺寸及形狀多樣化

不同相位孔眼大小不一，現(xiàn)場射孔孔眼尺寸差異較大，見圖1。同時，加砂壓裂后支撐劑對孔眼的沖蝕會影響孔眼的大小，通過對加砂壓裂后射孔孔眼進(jìn)行監(jiān)測，利用工具標(biāo)尺和圖像算法，反演各簇開啟情況，發(fā)現(xiàn)不同工況下孔眼沖蝕后形狀和尺寸變化也大，見圖2。因此，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要解決模擬孔眼多樣化以及孔眼大小與暫堵球尺寸的匹配問題，根據(jù)孔眼封堵效果，指導(dǎo)優(yōu)化選擇可降解暫堵球組合尺寸的范圍。

圖1 不同相位射孔孔眼尺寸對比圖

圖2 利用工具標(biāo)尺和圖像算法反演各簇開啟情況

2.2 大排量高泵壓室內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)

頁巖氣井體積壓裂單個孔眼的流量通常能達(dá)到0.1 m3/min以上，室內(nèi)模擬這樣的工況必然需要大排量高壓泵。通常，用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的泵要么是能滿足大排量泵注、但是不耐壓；要么是能承受高壓，但是排量卻只能達(dá)到幾百毫升每分的排量，要模擬現(xiàn)場孔眼封堵承壓，需要解決系統(tǒng)大排量耐高壓的問題，優(yōu)化管柱和泵選型。

2.3 如何實(shí)現(xiàn)模擬暫堵球封堵孔眼并轉(zhuǎn)向

縫口轉(zhuǎn)向是在壓裂施工中通過一次或多次投放高強(qiáng)度水溶性顆粒暫堵劑在炮眼和裂縫高滲透帶臨時封堵老裂縫，提高井筒中的壓力，促使水平產(chǎn)層段其他位置裂縫的開啟，最終形成多條新裂縫，達(dá)到密集切割儲層的目的，有效增加單井改造體積。但是如何實(shí)現(xiàn)模擬暫堵球封堵孔眼并轉(zhuǎn)向，也是室內(nèi)模擬系統(tǒng)需要解決的問題。

2.4 投球方式及投球時機(jī)的選擇

投球方式及投球時間間隔的選擇會明顯影響暫堵球的封堵效果。目前室內(nèi)大多采用手動投球方式，存在投球時間不可控，不能模擬不同投球時機(jī)下的封堵效果。同時，不同耐溫等級、不同材料的可降解暫堵球溶解性能差異較大，如某廠家的低溫暫堵球在常溫下性能穩(wěn)定，隨時間變化在滑溜水中不會溶解，3 h后球粒直徑、體積及外觀均無變化(圖3)；而90℃下，該暫堵球在滑溜水中溶解速度較快，1.5 h后暫堵球完全溶解(圖4)。

圖3 某暫堵球在常溫條件下溶解后表面形態(tài)變化圖

圖4 某暫堵球在90℃條件下溶解后表面形態(tài)變化圖

3 可降解暫堵球性能評價裝置研制

針對上述問題，首次考慮孔眼沖蝕、儲層滲透性能、轉(zhuǎn)向功能，優(yōu)化管柱、泵注及投球系統(tǒng)，研制了可降解暫堵球性能評價裝置，實(shí)現(xiàn)了暫堵球在井筒中運(yùn)移、封堵孔眼、轉(zhuǎn)向等一體化模擬功能。

3.1 孔眼沖蝕模擬系統(tǒng)

3.1.1 孔眼沖蝕評價

孔眼大小及形狀直接影響暫堵球封堵效果及暫堵球尺寸的選擇，為了研究加砂壓裂過程中支撐劑對孔眼的沖蝕作用，研發(fā)了一套8～15 mm孔眼沖蝕模擬系統(tǒng)。取現(xiàn)場的套管加工成工裝試片，連接在水射流設(shè)備出口端，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工參數(shù)模擬加砂壓裂過程中孔眼沖蝕情況。支撐劑取自現(xiàn)場某平臺井的石英砂和陶粒，試驗(yàn)排量為200 L/min，單孔流量為100 L/min，砂濃度8%，分別測量多次泵注500 kg支撐劑后，兩個試片的質(zhì)量和孔徑變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔眼直徑變化率范圍為0.64%～1.07%，沖蝕集中于孔入口處，入口棱角被明顯磨圓。

表1 實(shí)驗(yàn)前后孔徑變化情況

3.1.2 射孔孔眼孔徑分析

采用不同的射孔彈、射孔方式、不同的套管尺寸等都會使射孔孔眼直徑不同，而且不同的射孔相位，孔眼直徑差異也非常大，例如外徑為140 mm的套管，采用89射孔槍，常規(guī)射孔彈，孔徑范圍為7.5～12.7 mm，采用等孔徑射孔彈，孔徑范圍為9.4～102 mm。目前頁巖氣井大多采用等孔徑射孔彈進(jìn)行射孔，雖然減小了孔眼直徑的變化范圍，但總體來說各相位上孔眼大小是非等徑的。

為了研究孔眼與暫堵球的匹配關(guān)系，考慮孔眼沖蝕、射孔相位的影響，孔眼部件設(shè)計(jì)成固定母扣+活動模擬孔眼的組合方式，需模擬實(shí)際沖砂后孔眼與暫堵球匹配關(guān)系的時候，只需將孔眼模擬井筒與水射流設(shè)備相連進(jìn)行沖砂后，然后再連接到暫堵球性能評價裝置上進(jìn)行封堵承壓實(shí)驗(yàn)即可，實(shí)現(xiàn)了模擬孔眼在7～16 mm內(nèi)尺寸和形狀的任意調(diào)節(jié)，并按照60°相位等間距布孔，模擬了實(shí)際工況。

3.2 泵注和暫堵球運(yùn)移模擬系統(tǒng)

目前，泵注系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場?139.7 mm套管和16～20 m3/min大排量模擬，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常采用低壓大排量泵或高壓低排量泵，但無法同時滿足高壓大排量的泵注能力。根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)管柱直徑，引入π定理對井筒內(nèi)流體流動進(jìn)行量綱分析，獲取壓降與各量綱間的關(guān)系式，得到表征流態(tài)、流速等相似準(zhǔn)數(shù)。

(1)

式中：v—現(xiàn)場井筒中的運(yùn)動速度，m/s；v′—模擬井筒中的運(yùn)動速度，m/s;h—現(xiàn)場井筒長度，m；h′—模擬井筒長度，m;g—重力加速度，N/kg。

當(dāng)井筒直徑比尺為n，高度比尺為m時，則流速關(guān)系轉(zhuǎn)換為：

(2)

設(shè)計(jì)泵排量公式為：

(3)

式中：Q—泵注排量，m3/min；Q′—模擬泵注排量，m3/min;D—管柱直徑，mm;D′—模擬管柱直徑，mm。

化簡得到實(shí)驗(yàn)室模擬的泵排量與原型泵排量的關(guān)系為：

(4)

現(xiàn)場頁巖氣井施工排量通常為15～20 m3/min，室內(nèi)耐壓的注入泵排量上限基本為0.5 m3/min，其比例值處于30～40之間?，F(xiàn)場頁巖氣井井深通常為2 000 m以上，室內(nèi)流動管路按照5 m設(shè)計(jì)，其比例尺的平方根達(dá)到20以上，因此，直徑比例尺的選擇達(dá)到2倍以上即可。同時考慮布孔，建議可采用?38.1 mm管柱尺寸。

注入泵采用低壓大排量泵的組合方式，低壓大排量泵的注入能力為500 L/min，承壓低于1 MPa，高壓低排量泵承壓能力為35 MPa，注入能力為500 mL/min，通過自動控制系統(tǒng)切換實(shí)現(xiàn)大排量泵球、封堵承壓能力測試的功能。根據(jù)泵注能力和孔眼流量需求，選擇合適的孔眼數(shù)開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

3.3 暫堵球自動投球模塊

考慮投球方式及投球時機(jī)對封堵效果的影響，在注入泵出口端設(shè)計(jì)了投球裝置，常規(guī)的手動投球器(圖5a)存在操作費(fèi)力、投球間隔時間長、時間不可控、無法對暫堵球進(jìn)行加溫等缺陷。本文設(shè)計(jì)的自動化投球裝置(圖5b)實(shí)現(xiàn)了自動投球、投球時間可控、可預(yù)熱加溫的功能，具有以下特點(diǎn)：

圖5 投球裝置

(1)投球器由預(yù)熱系統(tǒng)、圓盤裝置、投球腔體、控制閥門等部件組成。

(2)為了模擬暫堵球在井筒中預(yù)熱降解，采用水浴加熱的方式，實(shí)驗(yàn)溫度可達(dá)90 ℃。

(3)設(shè)計(jì)成雙層圓盤轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，上層布有7個直徑為20 mm的圓孔，下層與主體投球器相連的部分設(shè)計(jì)了20 mm的圓孔，通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，自動控制投球器開關(guān)閥門，實(shí)現(xiàn)每隔5 s投球一次，滿足直徑小于20 mm的暫堵球自動投球。

干法回收工藝流程短，且不需要使用酸堿溶液，減少了有機(jī)廢液的產(chǎn)生，但是高溫過程會產(chǎn)生大量的廢氣和廢渣。針對動力電池拆解回收的模式，分析回收過程的各項(xiàng)成本，以數(shù)學(xué)模型的形式建立回收利潤的模型，表達(dá)式如下：

(4)考慮可降解暫堵球與水接觸后的降解粘稠特性，放置暫堵球的轉(zhuǎn)盤等部件采用四氟材料。

(5)投球形式多樣化，滿足一次性投球和控制投球時間間隔。

(6)投球器系統(tǒng)耐壓35 MPa。

3.4 地層模擬器模塊

為了模擬暫堵球封堵孔眼實(shí)現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向的功能，設(shè)計(jì)了地層模擬器，由內(nèi)筒和外筒組成的30 cm長圓柱狀金屬體組成，其中內(nèi)筒周圍布置有不同數(shù)量和大小的孔眼，內(nèi)筒和外筒環(huán)形空間可充填支撐劑或礫石等，入口與孔眼尺寸一致，出口端設(shè)計(jì)為死堵。外筒通過絲扣與孔眼連接，入口與孔眼尺寸一致，出口端設(shè)計(jì)10 mm孔眼，并與流量計(jì)連接，實(shí)驗(yàn)過程中連接在不同的模擬孔眼上，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了不同滲透地層的封堵轉(zhuǎn)向模擬過程。

3.5 暫堵球性能評價裝置

暫堵球性能評價裝置包括透明可視化模擬系統(tǒng)和承壓轉(zhuǎn)向不銹鋼模擬系統(tǒng)(圖6)，具有自動投球、調(diào)節(jié)孔眼尺寸和形狀、加熱等功能，耐壓35 MPa、模擬溫度達(dá)到90 ℃，自動化程度強(qiáng)、模擬結(jié)果準(zhǔn)確、功能更強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)暫堵球運(yùn)移、封堵、轉(zhuǎn)向等一體化室內(nèi)動態(tài)模擬，為暫堵球選擇、施工參數(shù)和施工工藝優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，該裝置性能參數(shù)見表2。

圖6 暫堵球性能評價裝置

4 可降解暫堵球動態(tài)封堵承壓性能評價方法

可降解暫堵球動態(tài)封堵承壓性能評價首先要確定實(shí)驗(yàn)用可降解暫堵球，主要性能包括暫堵球的密度、直徑、降解性能等，實(shí)驗(yàn)前需測定其相關(guān)性能；其次需要確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件，包括流速、溫度、暫堵球數(shù)量、孔眼相位、孔眼數(shù)量、實(shí)驗(yàn)壓力、投球方式、地層模擬器滲透能力等參數(shù)；最后根據(jù)確定的暫堵球和實(shí)驗(yàn)條件，開展不同影響因素下暫堵球動態(tài)封堵承壓效果實(shí)驗(yàn)。該評價方法步驟為：

(2)打開大排量低壓泵，泵注清水或滑溜水，讓流體充滿整個管路，直到管路不再有氣泡存在為止。

(3)將可降解暫堵球放在投球器托盤圓孔上，按照設(shè)定參數(shù)自動投球。

(4)觀察暫堵球在孔眼上的坐封位置、運(yùn)移情況，并通過監(jiān)測孔眼出口端的流量判定封堵效果。

(5)按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定時間持續(xù)泵注流體，然后停泵，觀察暫堵球是否脫落孔眼。

(6)沖球，停止實(shí)驗(yàn)。

(7)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析暫堵球坐封及封堵效果的影響因素。

5 認(rèn)識與結(jié)論

(1)采用密切割+高強(qiáng)度加砂,同時搭配縫口暫堵轉(zhuǎn)向工藝是解決無效射孔簇、增加裂縫復(fù)雜程度的重要技術(shù)手段，但縫口暫堵轉(zhuǎn)向效果受多種因素影響，暫堵球選擇不當(dāng)、泵注參數(shù)不合適都會影響封堵效率，達(dá)不到暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的效果，造成簇效率低。

(2)大多數(shù)室內(nèi)暫堵球動態(tài)封堵孔眼效果實(shí)驗(yàn)主要集中在評價暫堵球動態(tài)承壓封堵方面的性能，對轉(zhuǎn)向能力、孔眼的形態(tài)及大小、暫堵球運(yùn)移過程及坐封影響因素等方面缺乏系統(tǒng)的研究。

(3)考慮孔眼沖蝕、射孔相位和儲層滲透性能，通過優(yōu)化供液、管柱、模擬孔眼及投球模塊，研制的暫堵球動態(tài)封堵承壓性能評價裝置能更好的模擬現(xiàn)場實(shí)際孔眼大小、單孔流量、投球方式等情況下暫堵球的暫堵轉(zhuǎn)向效果，實(shí)現(xiàn)了暫堵球在井筒中運(yùn)移、封堵孔眼、轉(zhuǎn)向等一體化模擬功能，有效地指導(dǎo)現(xiàn)場可降解暫堵球優(yōu)選、投球方式選擇、施工參數(shù)優(yōu)化，提高縫口暫堵轉(zhuǎn)向壓裂效果。