暫堵劑形狀對裂縫封堵影響規(guī)律的實驗研究

許江文 ，張谷暢 ，李建民 ，王濤 ，程家麒 ，王博

（1.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

水平井多級壓裂技術(shù)是非常規(guī)油氣高效開發(fā)的必備手段，單個壓裂段內(nèi)形成多條裂縫，可充分切割儲層，提高油氣單井產(chǎn)量［1-5］。然而，由于儲層非均質(zhì)性和裂縫間相互干擾作用，水力裂縫傾向于在低應(yīng)力處起裂并沿著阻力較小方向擴(kuò)展，使得段內(nèi)多裂縫擴(kuò)展不均衡，嚴(yán)重影響整體動用程度［6］。現(xiàn)場管外光纖測試表明，約1/3射孔簇未產(chǎn)生裂縫，約1/2射孔簇對產(chǎn)量無貢獻(xiàn)。提高段內(nèi)多簇裂縫均衡改造程度是非常規(guī)油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵。

暫堵壓裂技術(shù)通過泵入可降解暫堵劑，封堵優(yōu)勢裂縫，改變液流方向，在未改造層段開啟新裂縫，獲得段內(nèi)均衡改造，從而大幅提高整體改造效果［7］。為了提高暫堵劑的封堵效率，國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)實驗研究了不同暫堵劑配方、裂縫寬度、注入速度等因素下的裂縫封堵效果。Potapenko等［8］采用含一長槽的金屬圓筒模擬水力裂縫，利用含有纖維和顆粒的攜帶液進(jìn)行一系列封堵實驗，發(fā)現(xiàn)影響裂縫封堵性能的因素主要包括纖維濃度、支撐劑濃度、注入速度、裂縫寬度和攜帶液流變性質(zhì)。Kefi等［9］利用長46 mm、寬1～5 mm的金屬槽評估了暫堵劑的裂縫封堵效果。Gomaa等［10］采用含槽圓盤模擬水力裂縫，研究了暫堵劑濃度和粒徑分布對封堵能力的影響規(guī)律。Wang等［11］通過在金屬表面刻槽模擬裂縫的粗糙度，研究了不同硬度材料及其組合對封堵效果的影響，但金屬刻槽無法模擬真實裂縫壁面形態(tài)。Zhang等［12-13］利用高承壓暫堵劑封堵能力評價實驗，研究暫堵劑封堵規(guī)律，并對暫堵劑配方進(jìn)行優(yōu)化，為裂縫封堵評價提供了可靠的實驗手段。

隨著暫堵壓裂技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場工程師提出泵注不同形狀的暫堵劑，但裂縫封堵效果不穩(wěn)定［14］?，F(xiàn)場普遍采用多次嘗試的方法，但暫堵劑用量大，施工成本高。不同形狀暫堵劑對裂縫封堵的影響規(guī)律尚未開展相關(guān)研究，暫堵劑形狀選擇缺乏理論支撐。為此，本文利用高承壓裂縫封堵實驗裝置，研究了不同裂縫寬度、裂縫壁面形態(tài)及暫堵劑配方下，暫堵劑形狀對裂縫封堵的影響規(guī)律；利用可視化粗糙迂曲裂縫暫堵劑運移實驗裝置，研究了不同形狀暫堵劑的架橋封堵過程。本研究為暫堵壓裂中暫堵劑的形狀選擇提供了一定的指導(dǎo)。

1 暫堵壓裂技術(shù)原理

暫堵壓裂技術(shù)原理是利用暫堵劑封堵優(yōu)勢裂縫孔眼或縫口，提高井筒凈壓力，迫使液流轉(zhuǎn)向，改造欠改造/未改造層段。井下照相監(jiān)測表明，高排量高砂量下，孔眼沖蝕嚴(yán)重，造成暫堵劑封堵孔眼難度大，如何有效封堵裂縫縫口成為研究熱點［15］。根據(jù)施工目的，暫堵壓裂技術(shù)可分為近井筒暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、水平井段內(nèi)簇間暫堵轉(zhuǎn)向壓裂和直井暫堵分層壓裂。近井筒暫堵轉(zhuǎn)向壓裂指在直井同一層不同方位開啟新裂縫；水平井段內(nèi)簇間暫堵轉(zhuǎn)向壓裂指在水平井段內(nèi)不同射孔簇開啟新裂縫；直井暫堵分層壓裂指在縱向不同層位開啟新裂縫。壓裂結(jié)束后，在儲層溫度、流體的作用下，暫堵劑降解并隨流體返排至地面，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)［16］。

2 高承壓裂縫封堵實驗設(shè)計

2.1 實驗裝置

高承壓裂縫封堵實驗裝置包括泵注系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及裂縫模擬裝置。泵注系統(tǒng)采用ISCO泵供液，排量上限為100 mL/min，壓力可達(dá)50 MPa，采用10 L中間容器可以確保持續(xù)供液不間斷；通過水壓致裂造縫，借助激光掃描和3D打印技術(shù)，制備2組粗糙迂曲裂縫模型，能夠反映地下巖石真實裂縫壁面形態(tài)；加工厚度為3，4，5 mm的墊片，用于控制裂縫寬度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時記錄泵注壓力和出液量。

2.2 實驗材料

2.2.1 暫堵劑

本文主要研究不同形狀的暫堵劑對裂縫封堵的影響規(guī)律，故采用4種不同形狀的暫堵劑作為實驗材料，分別為粉末、纖維、高3 mm圓柱形顆粒和φ3 mm球形顆粒。

2.2.2 攜帶液

本實驗根據(jù)配方0.3%胍膠+0.02%檸檬酸+0.15%YC-150調(diào)節(jié)劑+0.3%ZFJ-8793交聯(lián)劑（其中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），配制交聯(lián)胍膠液作為攜帶液，攜帶液黏度約為 400 mPa·s。

2.3 實驗步驟

1）配制一定質(zhì)量濃度、含暫堵劑的混合液4 L，倒入中間容器待用；2）將裂縫模型置于夾持器中，利用金屬墊片控制裂縫寬度為3，4，5 mm，利用圍壓泵提供加持壓力10 MPa，連接管線，測密封能力；3）啟動ISCO泵定排量60 mL/min泵注，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄泵注壓力及出液量（間隔0.1 min），當(dāng)泵注壓力達(dá)到10 MPa時，停止泵注；4）實驗結(jié)束后，取出裂縫模型，拍照記錄暫堵劑縫口分布狀態(tài)；5）清理設(shè)備。

2.4 實驗方案

為了研究不同條件下暫堵劑形狀對裂縫封堵的影響規(guī)律，設(shè)計了2種不同壁面形態(tài)的裂縫模型（裂縫1、裂縫 2）、3 種不同的裂縫寬度（3，4，5 mm）以及 4 種不同的暫堵劑配方（1.0%圓柱形顆粒+1.0%粉末、1.0%圓柱形顆粒+1.0%纖維、1.0%球形顆粒+1.0%粉末、1.0%球形顆粒+1.0%纖維），其他條件相同，共24組實驗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 纖維和粉末對裂縫封堵的影響

水平井分段壓裂中，單個水平段長度處于50～150 m，泵注壓力達(dá)到10 MPa足以克服段內(nèi)簇間應(yīng)力差異，實現(xiàn)簇間轉(zhuǎn)向，為此本文實驗設(shè)定10 MPa為泵注壓力上限。為便于對比纖維和粉末對裂縫封堵的影響，將24組實驗的泵注壓力曲線分為4組，如圖1所示。定義泵注壓力陡升點為起壓點。陡升點越早，起壓速度越快；陡升點越晚，起壓速度越慢。由圖1可知：在相同裂縫壁面形態(tài)及裂縫寬度條件下，纖維封堵比粉末起壓速度快。不同暫堵劑配方的起壓時間對比見圖2。

圖1 以纖維和粉末為對象的泵注壓力曲線組合方式

圖2 不同暫堵劑配方的起壓時間對比

針對裂縫1，在3，4，5 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比球形顆粒+粉末分別提高60%，56%，13%；圓柱形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末分別提高56%，29%，7%。

針對裂縫2，在3，4，5 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比球形顆粒+粉末分別提高71%，64%，11%，圓柱形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末分別提高27%，17%，8%。

究其原因在于，封堵過程中，纖維比粉末更易在裂縫壁面上掛壁黏附，減小過流面積，逐步捕獲顆粒，形成架橋封堵，起壓速度更快。

3.2 球形與圓柱形顆粒對裂縫封堵的影響

為便于對比球形和圓柱形顆粒對裂縫的封堵效果，重新將24組實驗的泵注壓力曲線分為4組，如圖3所示。對比得出：裂縫寬度較小時，球形顆粒架橋封堵快；裂縫寬度較大時，圓柱形顆粒架橋封堵快。針對裂縫1，在3，4 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+纖維分別提高50%，60%，球形顆粒+粉末的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末分別提高44%，36%；在5 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+纖維降低4%，球形顆粒+粉末的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末降低9%。針對裂縫2，在3，4 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+纖維分別提高71%，67%，球形顆粒+粉末的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末分別提高27%，22%；在5 mm裂縫寬度下，球形顆粒+纖維的起壓速度比圓柱形顆粒+纖維降低5%，球形顆粒+粉末的起壓速度比圓柱形顆粒+粉末降低8%。

圖3 以顆粒形狀為對象的泵注壓力曲線組合方式

因此，裂縫寬度較小時（對應(yīng)巖石彈性模量高、閉合應(yīng)力大的儲層），應(yīng)盡量選擇較為規(guī)則的球形顆粒，起壓速度快，封堵效果好；裂縫寬度較大時（對應(yīng)巖石彈性模量低、閉合應(yīng)力小的儲層），應(yīng)選擇圓柱形顆粒，相比球形顆粒，其在裂縫內(nèi)運移過程中，更加有助于顆粒間以及顆粒與壁面間碰撞與架橋堆積，迫使暫堵劑形成致密暫堵段，提高起壓速度。

3.3 裂縫壁面形態(tài)和裂縫寬度對裂縫封堵的影響

以裂縫壁面形態(tài)和裂縫寬度為研究對象，加工厚度為1 mm的金屬墊片，通過預(yù)置金屬墊片的個數(shù)，實現(xiàn)裂縫寬度的控制。本文設(shè)計了3，4，5 mm等3種裂縫寬度，實驗過程中，通過施加10 MPa的圍壓，確保裂縫模型與金屬墊片始終處于密封狀態(tài)，因此本文重點研究不同裂縫寬度下暫堵劑的架橋封堵規(guī)律。

重新將24組實驗的泵注壓力曲線分為4組，如圖4所示。從圖4可以看出：在相同壁面形態(tài)和暫堵劑配方下，裂縫寬度越大，封堵起壓速度越慢；采用相同暫堵劑配方進(jìn)行封堵，裂縫寬度較小時，不同裂縫壁面形態(tài)下起壓速度差異較小，裂縫寬度較大時，裂縫壁面形態(tài)對起壓速度影響較大。實驗過程中，由暫堵劑縫口鋪置形態(tài)可以看出，暫堵體面積、厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和壓實程度差異較大，進(jìn)而影響起壓速度。針對裂縫寬度為5 mm的裂縫1和裂縫2：采用圓柱形顆粒+纖維封堵時，起壓速度相差21%；采用圓柱形顆粒+粉末封堵時，起壓速度相差22%；采用球形顆粒+纖維封堵時，起壓速度相差21%；采用球形顆粒+粉末封堵時，起壓速度相差20%。

圖4 以裂縫壁面形態(tài)和裂縫寬度為對象的泵注壓力曲線組合方式

進(jìn)一步分析表明，高裂縫寬度下，暫堵劑運移橫截面積大，架橋難度大，裂縫表面的粗糙度、迂曲度顯著影響架橋封堵速度?，F(xiàn)場施工中，對于高裂縫寬度，建議選擇圓柱形顆粒+纖維以及增大顆粒的粒徑，以提高起壓速度，改善封堵效果。

4 可視化粗糙迂曲裂縫暫堵劑運移過程

Cortez-Montalvo 等［17］提出了粗、中、細(xì)顆粒混合的封堵技術(shù)，其中粗顆粒可以架橋縫口充當(dāng)骨架，中、細(xì)顆?？梢蕴畛淦渲行纬煞舛聟^(qū)，降低其滲透率。但上述研究尚未弄清暫堵劑是如何開始封堵并形成封堵區(qū)的。Liu［18］開發(fā)了可視化裂縫中砂床演化過程實驗裝置。該裝置將2塊玻璃平行放置以模擬裂縫，并利用攝像機(jī)記錄裂縫中砂床的演化過程。Yang等［19-20］建立了具有高速攝像功能的可視化縫流系統(tǒng)，研究了纖維和支撐劑在裂縫中的運移過程，揭示了纖維懸砂運移機(jī)理?；谇叭搜芯糠椒?，本文采用可視化粗糙迂曲裂縫暫堵劑運移實驗裝置，研究不同形狀暫堵劑的縫內(nèi)動態(tài)運移及封堵過程。

4.1 實驗設(shè)計

通過3D打印制備可視化裂縫模型，搭建暫堵劑可視化運移觀測系統(tǒng)，控制泵注速度、攜帶液黏度等，設(shè)計圓柱形顆粒+纖維、圓柱形顆粒+粉末2組對比實驗。將含暫堵劑的混合液倒入中間容器，啟動氣泵將其泵入裂縫模型，氣泵與壓力調(diào)節(jié)器相連，以限制最高壓力。當(dāng)裂縫中的壓力超過預(yù)設(shè)值（1 MPa）時，調(diào)節(jié)器將自動啟動以釋放壓力。出口連接高精度天平，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄泵注壓力和出液量，攝像機(jī)實時記錄裂縫中暫堵劑的運移過程。

4.2 實驗結(jié)果分析

實驗觀測表明，暫堵劑架橋封堵過程可總結(jié)為：1）纖維或粉末首先附著在裂縫壁面的頂部或底部，然后捕獲顆粒，填充它們之間的空間，形成分散的堵塞區(qū)，且纖維形成堵塞區(qū)的速度明顯高于粉末；2）分散的堵塞區(qū)逐漸聚集膨脹，最后在裂縫中間演化形成1條主流通道；3）隨著封堵過程的進(jìn)行，主流通道不斷變窄，直至裂縫被完全堵塞。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

瑪湖礫巖油藏一口典型水平井的垂深為2 660 m，水平段長度為2 000 m。為降低施工成本及提高段內(nèi)均衡改造效果，該井分15段壓裂，單段6簇，單簇8孔，施工過程中每段投加1次暫堵劑封堵縫口及縫內(nèi)，實現(xiàn)段內(nèi)簇間轉(zhuǎn)向。該井施工排量為12～14 m3/min，主體加砂量為25 m3/簇?；诒疚难芯砍晒?，該井選用顆粒暫堵劑和纖維暫堵劑進(jìn)行復(fù)合暫堵。此外，由于顆粒形狀對架橋封堵效果影響較大，因此裂縫中部和端部寬度較小，應(yīng)選用球形暫堵劑和纖維暫堵劑進(jìn)行復(fù)合暫堵，以確保暫堵劑運移進(jìn)入裂縫深部的同時完成架橋封堵；裂縫入口寬度較大，應(yīng)選用圓柱形暫堵劑和纖維暫堵劑進(jìn)行復(fù)合暫堵，以提高架橋封堵速度。暫堵劑泵送過程中，先泵注球形暫堵劑，再泵注圓柱形暫堵劑，以實現(xiàn)差異化封堵，提高整體封堵效果。該井單個壓裂段顆粒暫堵劑和纖維暫堵劑用量均為80 kg，施工過程中暫堵劑到位升壓10 MPa以上，證明該暫堵劑配方能夠有效封堵優(yōu)勢裂縫，提高段內(nèi)均衡改造程度。

6 結(jié)論

1）相同裂縫壁面形態(tài)和裂縫寬度下，纖維封堵比粉末起壓速度快。

2）相同裂縫壁面形態(tài)下，裂縫寬度較小時，球形顆粒架橋封堵快，而裂縫寬度較大時，圓柱形顆粒架橋封堵快。

3）相同裂縫壁面形態(tài)和暫堵劑配方下，裂縫寬度越大，封堵起壓速度越慢；相同暫堵劑配方下，裂縫寬度較小時，不同裂縫壁面形態(tài)下起壓速度差異小，但裂縫寬度較大時，裂縫壁面形態(tài)對起壓速度影響較大。

4）暫堵劑架橋封堵經(jīng)歷纖維或粉末逐步吸附在裂縫表面、裂縫過流斷面減小、顆粒暫堵劑架橋、纖維或粉末填充、形成致密封堵層5個過程。