繩結(jié)式暫堵劑運移及封堵規(guī)律實驗研究

吳寶成， 周福建， 王明星， 周培堯， 呂雯靜, 王 博

1中國石油大學(北京) 2新疆油田公司工程技術(shù)研究院 3中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學院

0 引言

新疆瑪湖礫巖油田儲量規(guī)模達10×108t[1]，水平井段內(nèi)多簇暫堵壓裂是該油田高效開發(fā)的主體技術(shù)[2]。段內(nèi)多簇能夠減少橋塞使用數(shù)量和鉆塞次數(shù)，縮短施工周期，降低作業(yè)成本。暫堵可以實現(xiàn)砂液二次分流，避免優(yōu)勢簇過度改造及弱勢簇欠改造。2020年，瑪湖礫巖油藏主體采用暫堵球/球形暫堵劑+顆粒的方式進行段內(nèi)暫堵，但效果不理想。明確暫堵劑運移及封堵規(guī)律對優(yōu)選暫堵劑類型，制定投加方案至關(guān)重要。

暫堵劑按外觀形態(tài)分類包括暫堵球、顆粒、纖維和粉末，具有高承壓、可降解、對儲層無害、暫堵時間可控等特點[3]。暫堵劑有效封堵歷經(jīng)運移、掛壁、纏繞和架橋四個過程[4]，射孔參數(shù)、暫堵劑粒徑和暫堵劑濃度顯著影響封堵速度，球形暫堵劑坐封后由于流體沖刷作用，坐封穩(wěn)定性不高[5- 7]。針對暫堵體承壓能力方面，國內(nèi)外學者采用巖心尺度金屬裂縫模型，研究了裂縫參數(shù)、暫堵方案等對暫堵劑封堵能力的影響規(guī)律[8- 11]。ZHANG等[12]和YUAN等[13]通過水壓致裂、激光掃描和3D打印技術(shù)制作裂縫模型，能夠反映真實裂縫表面形態(tài)，為暫堵劑封堵規(guī)律研究及暫堵劑配方優(yōu)化提供了可行手段。WANG等[14]基于真三軸水力壓裂物模實驗系統(tǒng)，研究了小粒徑暫堵劑對三維裂縫的封堵效果，明確了空間裂縫形態(tài)對暫堵劑入縫及封堵具有重要影響。

綜上，前人重點研究了小粒徑暫堵劑(顆粒、粉末、纖維等)在裂縫模型內(nèi)運移及封堵規(guī)律，而孔眼暫堵需要大粒徑暫堵劑。目前尚未明確大粒徑暫堵劑運移特征及孔眼坐封效果的主控因素及影響規(guī)律。為此，本文設(shè)計了大尺度可視化孔眼暫堵劑運移觀測系統(tǒng)，研究了孔眼暫堵劑類型、泵注排量、出液孔數(shù)對孔眼封堵效果的影響規(guī)律，并基于實驗研究開展了礦場實驗，分析了段內(nèi)多簇暫堵壓裂整體改造效果，本文研究對完善瑪湖礫巖油藏段內(nèi)暫堵工藝具有重要意義。

1 繩結(jié)式暫堵劑及其暫堵轉(zhuǎn)向機理

繩結(jié)式暫堵劑由兩翼和球結(jié)組成，兩翼呈流蘇狀，長度為2～3 cm，在流體中具有很好的懸浮作用，利于產(chǎn)生較高的拖曳力，能夠優(yōu)先進入孔眼；中間的球結(jié)為八字繩結(jié)或中國結(jié)，可以根據(jù)孔眼尺寸來調(diào)整球結(jié)的大小，能夠較好地密封射孔孔眼。繩結(jié)式暫堵劑選用聚乳酸高強度材料，具有較高的承壓能力。室內(nèi)測試表明，繩結(jié)式暫堵劑耐壓可達40 MPa，確保其坐封孔眼以后在井底壓力升高下不會噴出孔眼 。通過選用不同的材質(zhì)，可以實現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑在14～15 d內(nèi)40～60 ℃、60～80 ℃、80～100 ℃三種不同溫度下全部有效降解，失去封堵性能，從而恢復(fù)孔眼通道性。

由于儲層非均質(zhì)性和孔眼沖蝕的影響，水平井分段多簇壓裂過程中，段內(nèi)多裂縫難以均衡起裂與擴展。泵注一定體積的支撐劑后(1/3～2/3)，再泵注繩結(jié)式暫堵劑，其隨液體流動進入主進液通道孔眼，利用繩結(jié)式暫堵劑的球結(jié)結(jié)構(gòu)封堵孔眼。隨著井筒壓力升高，迫使壓裂液轉(zhuǎn)向進入欠改造射孔簇，從而提高整個壓裂段的均衡改造效果。通過調(diào)配繩結(jié)式暫堵劑合成材料的類型，控制其在指定儲層溫度下的初始降解時間和完全降解時間。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗裝置

本文自主設(shè)計了大尺度可視化暫堵劑運移模擬裝置，包括供液系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、暫堵劑投放裝置、透明管道裝置以及水管線，見圖1。供液系統(tǒng)采用1 m3供水罐，通過水管線與透明管尾端裝置連接，確保實驗期間供液充足；動力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機及羅茨油泵組成，保證實驗所需排量達到0.2 m3/min；暫堵劑投放裝置用于投放暫堵劑；透明管直徑為140 mm、壁厚20 mm、管道長5 m，前端連接暫堵劑投放裝置，中后段設(shè)置3個直徑為10 mm的射孔孔眼。通過透明管道可以實時觀測暫堵劑在管道中的運移以及封孔狀態(tài)，應(yīng)用該裝置研究不同施工參數(shù)下暫堵劑運移及孔眼封堵規(guī)律，從而指導現(xiàn)場施工。

圖1 大尺度可視化暫堵劑運移模擬裝置示意圖

2.2 實驗材料

為了驗證繩結(jié)式暫堵劑的封堵效果，選用繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球作實驗對比。繩結(jié)式暫堵劑特征為中國結(jié)或八字結(jié)、球結(jié)直徑13.5 mm、兩翼各2～3 cm(圖2a)；暫堵球的密度1.3 g/cm3、直徑13.5 mm(圖2b)。攜帶液為自來水，黏度約為1 mPa·s。

圖2 實驗材料實物圖

2.3 實驗方案設(shè)計

可視化井筒材質(zhì)為有機玻璃，承壓0.8 MPa，出于安全考慮，排量設(shè)計為0.15 m3/min。本文共設(shè)計6組實驗(表1)，實驗1、2、3對比研究不同類型暫堵劑井筒運移及封堵效果，實驗4、5、6研究繩結(jié)式暫堵劑對不同數(shù)量孔眼的封堵效果，實驗1和6研究多孔眼下，不同泵送排量對暫堵劑運移及封堵的影響規(guī)律。

表1 暫堵實驗方案設(shè)計

3 實驗分析

3.1 繩結(jié)式暫堵劑與暫堵球運移對比實驗

3.1.1 繩結(jié)式暫堵劑運移封堵實驗

基于大尺度可視化實驗裝置，設(shè)定泵注速度為0.15 m3/min，井筒120°方位設(shè)有3個出液孔眼，孔眼直徑均為10 mm。實驗1投注3個繩結(jié)式暫堵劑，其兩翼呈散狀形態(tài)，在流體中能夠保持較好的懸浮狀態(tài)，跟隨流體翻轉(zhuǎn)前移，且速度較快(圖3a)；3個繩結(jié)式暫堵劑依次進入射孔孔眼，繩結(jié)式暫堵劑在運移的過程中分散獨立，不會發(fā)生打結(jié)纏繞的現(xiàn)象(圖3b)；在暫堵過程中繩結(jié)式暫堵劑的翼端跟隨流體先進入射孔孔眼，后球結(jié)部分封堵射孔孔眼，球結(jié)的結(jié)構(gòu)能夠很好地卡在射孔孔眼上(圖3c)，3個繩結(jié)式暫堵劑能夠有效地封堵3個射孔孔眼(圖3d)。

圖3 繩結(jié)式暫堵劑封堵實驗過程

3.1.2 暫堵球運移封堵實驗

暫堵球在透明井筒內(nèi)的運移封堵情況見圖4。暫堵球隨流體在整個運移過程中以底部滾動狀態(tài)向前移動，懸浮能力差；暫堵球運移到射孔孔眼附近位置時，仍處于井筒底部，不能跟隨流體進入射孔孔眼，不能有效封堵射孔孔眼。

圖4 球形暫堵劑封堵實驗

3.1.3 繩結(jié)式暫堵劑與暫堵球同時運移封堵實驗

繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球同時在可視化井筒運移過程中(圖5)，繩結(jié)式暫堵劑的特殊結(jié)構(gòu)使其跟隨流體進行雙翼擺動，保持良好的懸浮狀態(tài)，以較快的速度進行翻轉(zhuǎn)運移，從而增大繩結(jié)式暫堵劑的運移速度；繩結(jié)式暫堵劑能夠在流體拖曳力的作用下，吸入并坐封高邊孔，實現(xiàn)有效暫堵，而暫堵球只能停留在可視化井筒底部，無法封堵孔眼。對比實驗表明，繩結(jié)式暫堵劑運移及封堵孔眼效果明顯優(yōu)越暫堵球，能夠縮短施工時間，提高暫堵效率。

圖5 繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球混合封堵實驗

3.2 出液孔數(shù)對孔眼封堵效果影響的實驗

水平井段內(nèi)多簇壓裂過程中，單射孔簇內(nèi)通常含有多個孔眼，射孔孔眼距離較近，一般為6.25 cm，孔眼出液過程中將產(chǎn)生流動干擾[15]。為此，基于該實驗裝置，研究了出液孔數(shù)對繩結(jié)式暫堵劑運移及孔眼封堵的影響規(guī)律。本文設(shè)計了3組實驗，泵注速度均為0.1 m3/min，出液孔眼數(shù)目分別為1、2、3，孔眼直徑均為10 mm，每組均投加3個繩結(jié)式暫堵劑。

當只有1個孔眼出液時，投加1個繩結(jié)式暫堵劑，能夠有效封堵孔眼，且在外力作用下，繩結(jié)式暫堵劑能夠牢牢地卡封孔眼(圖6)；當有2個孔眼出液時，投加2個繩結(jié)式暫堵劑，發(fā)現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑在運移過程中會發(fā)生相互纏繞，但依然能夠?qū)崿F(xiàn)2個繩結(jié)式暫堵劑封堵2個孔眼(圖7)；當有3個孔眼出液時，投加3個繩結(jié)式暫堵劑，在運移過程中，繩結(jié)式暫堵劑發(fā)生纏繞現(xiàn)象，不能實現(xiàn)有效封堵孔眼(圖8)。

圖6 1個孔眼出液時繩結(jié)式暫堵劑封孔實驗

圖7 2個孔眼出液時繩結(jié)式暫堵劑封孔實驗

圖8 3個孔眼出液時繩結(jié)式暫堵劑封孔實驗

3.3 泵注排量對封堵效果的影響

現(xiàn)場段內(nèi)暫堵壓裂過程中，暫堵劑泵送通常為1～4 m3/min，考慮單個壓裂段孔眼數(shù)通常為20～50孔，單孔排量為0.02～0.2 m3/min。確保井下單孔排量與本文實驗單孔排量水平相當，該部分設(shè)計了泵注排量分別為0.15 m3/min和0.1 m3/min兩組試驗。當泵注排量為0.15 m3/min時，投加的3個繩結(jié)式暫堵劑懸浮在流體中，旋轉(zhuǎn)擺動向前，未發(fā)生相互纏繞，實現(xiàn)3個繩結(jié)式暫堵劑封堵3個孔眼(圖3)；當泵注排量為0.1 m3/min時，投加的3個繩結(jié)式暫堵劑同步向前運移，發(fā)生相互纏繞，未能有效封堵孔眼(圖6)。因此，增大泵注排量，能夠有效緩解繩結(jié)式暫堵劑在運移過程中相互纏繞的程度，提高繩結(jié)式暫堵劑封孔效果。然而，段內(nèi)暫堵壓裂過程中，單簇孔數(shù)通常為24～48孔，繩結(jié)式暫堵劑單次投加數(shù)量為24～56個，數(shù)量較多時繩結(jié)式暫堵劑在運移過程中相互纏繞的幾率增大，顯著降低繩結(jié)式暫堵劑封孔效果。為此，提出在繩結(jié)式暫堵劑外包裹塑料膜(圖9)，實現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑運移過程中不發(fā)生纏繞，而在入孔時，較高的孔眼剪切力將塑料外殼剪碎，釋放繩結(jié)式暫堵劑，完成孔眼封堵。

圖9 有外殼包裹的繩結(jié)式暫堵劑

4 現(xiàn)場應(yīng)用

新疆瑪湖礫巖油藏瑪18區(qū)塊一口現(xiàn)場試驗井，垂深3 920 m，水平段長度1 076 m，分10段壓裂，第9段段內(nèi)射孔6簇，每簇3孔，則第9段共18孔，壓裂過程中投加30個包有外殼的繩結(jié)式暫堵劑進行段內(nèi)暫堵。投加繩結(jié)式暫堵劑前，施工排量為8.5～10.5 m3/min，泵壓83～68 MPa，加砂90 m3。投繩結(jié)式暫堵劑后，施工排量為8.5～10.5 m3/min，加砂90 m3。為了驗證繩結(jié)式暫堵劑對暫堵前優(yōu)勢射孔簇(進液多的孔簇)的封堵效果，采用鷹眼監(jiān)測手段(陣列環(huán)掃井下成像技術(shù))，分別對暫堵前和暫堵后的射孔孔眼進行監(jiān)測。鷹眼監(jiān)測指采用井下照相機，對孔眼進行拍照，根據(jù)參考臂標定孔眼直徑大小。井下照相機在沿井筒環(huán)向360°范圍內(nèi)有四個攝像頭，360°無死角連續(xù)環(huán)掃測量，一次即可實現(xiàn)套管一周上的孔眼拍攝，避免遺漏孔眼(圖10)。

圖10 井下照相機及監(jiān)測結(jié)果

進一步計量暫堵前和暫堵后第9段18個孔眼的沖蝕面積，結(jié)果見圖11。原始孔面積為78.5 mm2，暫堵前泵注90 m3支撐劑后，第6簇的第1孔和第3孔沖蝕較為嚴重(藍色柱狀圖)，說明進砂量過多，產(chǎn)生超級裂縫。投加繩結(jié)式暫堵劑后，第6簇第1孔得到有效封堵，不再沖蝕。第6簇第3孔封堵不徹底，繼續(xù)發(fā)生部分沖蝕。第6簇1、2孔、第4簇2、3孔、第3簇第1孔、第2簇1、2孔，第1簇1孔(紅色柱狀圖)，均在投加繩結(jié)式暫堵劑后發(fā)生新的沖蝕，說明支撐劑從優(yōu)勢孔轉(zhuǎn)移進入弱勢孔，獲得了更加均勻的砂液分流效果，提高了段內(nèi)整體改造均勻度。

圖11 第9段暫堵前和暫堵后孔眼沖蝕面積統(tǒng)計及對比

5 結(jié)論

(1)大尺度可視化暫堵劑運移實驗表明，繩結(jié)式暫堵劑具有兩翼和球結(jié)結(jié)構(gòu)，兼顧攜帶運移和穩(wěn)定坐封孔眼的特性，與暫堵球相比，具有更好的孔眼封堵效果。

(2)由于運移過程中相互纏繞，多個繩結(jié)式暫堵劑難以封堵多個孔眼，提高泵注排量或為繩結(jié)式暫堵劑包裹外殼，能夠有效消除繩結(jié)式暫堵劑相互纏繞的問題，提高孔眼封堵效果。

(3)陣列環(huán)掃井下成像技術(shù)能夠準確監(jiān)測孔眼沖蝕面積，進而評價各孔進砂均勻程度。對比暫堵前、后孔眼沖蝕特征，證實繩結(jié)式暫堵劑能夠有效封堵優(yōu)勢孔眼，提高段內(nèi)均衡改造效果。