壓裂暫堵劑的研究進(jìn)展與應(yīng)用*

高 荔，趙 澎，吳寶玉，石志遠(yuǎn)

(1 青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555；2 山東省海洋工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266555；3 中國(guó)石油烏魯木齊石化公司煉油廠，新疆 烏魯木齊 830019；4 中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司生產(chǎn)運(yùn)行處，新疆 獨(dú)山子 833699)

石油天然氣是目前使用最廣泛的不可再生能源。隨著世界油氣能源的大量開(kāi)采，世界能源供求關(guān)系的矛盾日益凸顯，低滲透油氣資源的開(kāi)采尤為重要[1]。我國(guó)大部門(mén)油田屬于低滲透油田，其儲(chǔ)量占到總石油儲(chǔ)量的30%，在已探明儲(chǔ)量的原油中，低滲透未開(kāi)采儲(chǔ)層占到全部未開(kāi)采儲(chǔ)層的50%以上。因此低滲透油氣田的開(kāi)發(fā)對(duì)于我國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

提高低滲透油田采收率的最重要的手段就是水力壓裂，但是隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，水力裂縫的導(dǎo)流能力下降，含水量上升，必然會(huì)使油氣產(chǎn)量下降，這類(lèi)油氣田是水力壓裂無(wú)法解決的，這就需要重復(fù)壓裂[5-6]，重復(fù)壓裂是改造老井使其恢復(fù)生產(chǎn)能力的最有效的措施[7]。重復(fù)壓裂的核心技術(shù)是暫堵劑的使用，暫堵劑的性能是影響壓裂效果的決定性因素，決定了封堵的效果和濾餅的抗壓能力[8]。

暫堵劑，又稱(chēng)為轉(zhuǎn)向劑，能夠暫堵降低地層滲透性的化學(xué)劑，在油氣田開(kāi)采中具有臨時(shí)封堵的作用，是由調(diào)剖堵水劑發(fā)展來(lái)的[9]。其作用原理是把以前天然或者壓裂的老裂縫封堵，再通過(guò)反復(fù)壓裂在不同的位置上壓出新裂縫增加流通的通道[7]。新的裂縫形成以后，老裂縫中的暫堵劑可以返排出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新、老裂縫的供液作用，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目的。

目前，壓裂暫堵劑廣泛的應(yīng)用于油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的修井、壓裂酸化、鉆完井、修井等作用中。暫堵劑可以分為酸溶性、油溶性、水溶性[10]。相比于其他用途的暫堵劑，壓裂用暫堵劑具有地層傷害低，暫堵時(shí)間可控，承壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。因此對(duì)于壓裂暫堵劑的研究是非常必要的，具有重大意義。本文對(duì)壓裂用暫堵劑的類(lèi)型、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后對(duì)暫堵劑的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

我國(guó)現(xiàn)有的暫堵劑按其可溶性和作用原理可分為三類(lèi)：酸溶性暫堵劑，油溶性暫堵劑，水溶性暫堵劑[11]。

1 酸溶性暫堵劑及應(yīng)用

對(duì)于酸性暫堵劑除了要求具有一定的韌性和強(qiáng)度以外，還要能夠溶于酸或水，返排不充分會(huì)對(duì)底層造成損害[11]。常用的有細(xì)目或超細(xì)目碳酸鐵、碳酸鈣、陶粒等鈣類(lèi)能溶于酸的無(wú)機(jī)類(lèi)固相顆粒。酸性壓裂可以有效地提高低滲透油田的開(kāi)發(fā)水平，油井投產(chǎn)時(shí)，可通過(guò)酸化消除油氣層井壁內(nèi)外濾餅而解除這種固相堵塞。

酸性暫堵劑適用于含有酸性氣體的CaCO3酸性鹽儲(chǔ)層，具有制造成本較低、強(qiáng)度高、耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)，但酸性鹽儲(chǔ)層的強(qiáng)度較低，不可壓縮且質(zhì)地較脆，無(wú)法變形，封堵效果較差，無(wú)法滿足高壓作業(yè)的要求。同時(shí)酸性暫堵劑返排出地層時(shí)，需要酸化解堵，無(wú)法靠自身降解或者溶解，解堵費(fèi)用高，工藝復(fù)雜。同時(shí)解堵過(guò)程中會(huì)留下較多殘?jiān)?，易造成二次污染[12]，對(duì)地層危害較大?；谝陨咸攸c(diǎn)，酸性暫堵劑的發(fā)展緩慢，使用受到很大限制，不宜用于酸敏性油氣層，只能用于孔喉或裂縫部位的架橋封堵，在單純的轉(zhuǎn)向壓裂中使用極少。但是酸溶性壓裂暫堵劑可以利用返排的殘酸解堵，因此可以在酸性壓裂中使用，尤其要進(jìn)行酸性改造的高溫油氣層[9]。近年新研制的一類(lèi)主要成分由超碳酸鈣、氧化瀝青和植物纖維組成的酸溶性暫堵劑，在暫堵結(jié)束之后可通過(guò)射孔和酸化解堵，大大提高了酸化率和返排率，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的暫堵劑酸化后自行解堵困難的缺點(diǎn)[13]。

2 水溶性暫堵劑及應(yīng)用

目前我國(guó)大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入開(kāi)發(fā)的中后期，這一時(shí)期的油田的含水量較高，傳統(tǒng)的油溶性暫堵劑因?yàn)榉舛滦Ч陆?，解堵時(shí)間長(zhǎng)，返排時(shí)間慢，已經(jīng)不適用于大多數(shù)耗水量較高的油井和注水井。水溶性暫堵劑可以彌補(bǔ)油溶性暫堵劑的缺點(diǎn)，適用目前大多數(shù)油井。

2.1 水溶性暫堵劑的分類(lèi)

水溶性暫堵劑可以分為交聯(lián)類(lèi)和非交聯(lián)類(lèi)暫堵劑兩類(lèi)。

2.1.1 交聯(lián)類(lèi)水溶性暫堵劑

交聯(lián)類(lèi)水溶性壓裂暫堵劑的種類(lèi)有很多種。這類(lèi)暫堵劑交聯(lián)成膠后可以達(dá)到暫堵轉(zhuǎn)向所需的強(qiáng)度，施工結(jié)束后破膠劑破膠后形成破膠液，溶解于返排液實(shí)現(xiàn)解堵[9]。常見(jiàn)的有丙烯酰胺、淀粉和丙烯酸為原料，結(jié)合引發(fā)劑和交聯(lián)劑[14]或者使用骨膠、增稠劑及交聯(lián)劑為原料制備的均為交聯(lián)類(lèi)水溶性暫堵劑[15]。這類(lèi)暫堵劑可以通過(guò)交聯(lián)以提高強(qiáng)度從而達(dá)到工藝所需的強(qiáng)度[9]。

2.1.2 非交聯(lián)類(lèi)水溶性暫堵劑

非交聯(lián)類(lèi)水溶性暫堵劑主要分為兩類(lèi)。其中一類(lèi)是由改性淀粉和植物膠復(fù)配的暫堵劑，這類(lèi)暫堵劑的溶解速度較快，但是不能承受高溫，無(wú)法在溫度較高的井內(nèi)使用，因此不能夠封堵較小的裂縫和孔隙。同時(shí)因?yàn)槿芙馑俣容^快，會(huì)使承壓能力下降，影響了暫堵效果。另外一類(lèi)為骨膠改性的暫堵劑，這類(lèi)暫堵劑的合成產(chǎn)物密度不均勻，且生產(chǎn)工藝復(fù)雜并風(fēng)險(xiǎn)較大。

水溶性暫堵劑的主要組分為水溶性聚合物凍膠類(lèi)堵劑，線性分子鏈上的極性集團(tuán)和多價(jià)金屬離子及有機(jī)基團(tuán)之間相互發(fā)生反應(yīng)，形成大分子的交聯(lián)產(chǎn)物。這類(lèi)堵劑在水中溶解以后，粘度增加，同時(shí)失去流動(dòng)性和水溶性，增加了封堵強(qiáng)度[16]。暫堵結(jié)束后，暫堵劑經(jīng)破膠劑破膠后溶解在水基壓裂液中或直接溶解或通過(guò)返排液排出地層[17]。

2.2 水溶性暫堵劑的主要組分

常用的水溶性暫堵劑有細(xì)目或超細(xì)目氯化鈉和硼酸鹽等。它僅適用于加有鹽抑制劑與緩蝕劑的飽和鹽水體系。所用飽和鹽水要根據(jù)所配體系的密度大小加以選擇。例如，低密度體系用硼酸鹽飽和鹽水或其它低密度鹽水作基液，體系密度為1.03～1.20 g/cm3。氯化鈉鹽粒加入到密度1.20 g/cm3飽和鹽水中，其密度范圍為1.20～1.56 g/cm3。選用高密度體系時(shí)，需選用氯化鈣、溴化鈣和溴化鋅飽和鹽水，然后再加入氯化鈣鹽粒，密度可達(dá)1.50～2.30 g/cm3。此類(lèi)暫堵劑可在油井投產(chǎn)時(shí)，用低礦化度水溶解各種鹽粒解堵。

2.3 水溶性暫堵劑的特點(diǎn)

水溶性暫堵劑可以很好的解決目前油田存在的問(wèn)題，具有較好的適用性能。水溶性暫堵劑具有生產(chǎn)成本較高，溶解速度和堵漏速度較慢，抗壓強(qiáng)度低，易固化，不易解堵，暫堵時(shí)間短的特點(diǎn)。并且水溶性暫堵劑穩(wěn)定性、分散性和親水性較好，封堵強(qiáng)度高、效果好。在水溶液中溶解速度快，性能好，在壓裂結(jié)束后可以溶解、降解、破膠溶解于水基流體后被其帶出地層，不會(huì)對(duì)地層造成污染，有利于保護(hù)環(huán)境，發(fā)展空間較大，油氣田需求大，近年來(lái)廣泛用于油田開(kāi)采中，尤其以丙烯酰胺類(lèi)的使用率最高。與油溶性暫堵劑和酸溶性暫堵劑相比較，水溶性暫堵劑更適用于含水量較高的油井和注水井，尤其是開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)油井后期[20-21]。

3 油溶性暫堵劑及應(yīng)用

油溶性暫堵劑主要是溶解于油的壓裂暫堵劑。油溶性暫堵劑的顆粒在一定的溫度和壓力的作用下，被壓入井壁附近，堵塞孔道形成暫堵。施工結(jié)束以后，在地層溫度和壓力的作用下，暫堵顆粒溶解在原油中和原油一起采出，實(shí)現(xiàn)解堵，無(wú)需添加解堵劑，地層的滲透率得以恢復(fù)，以起到保護(hù)儲(chǔ)層的作用。

3.1 油溶性暫堵劑的分類(lèi)

3.1.1 脆性油溶性樹(shù)脂

脆性油溶性樹(shù)脂主要用作架橋粒子。這類(lèi)樹(shù)脂有油溶性聚苯乙烯，在鄰位或?qū)ξ簧嫌型榛〈姆尤?、瀝青、樹(shù)脂、二聚松香酸、石蠟等。

普通松香雖然具有一定的變性能力，但是其軟化點(diǎn)較低不能封堵裂縫和高滲透層，限制了在油田中的應(yīng)用。但是改性后的松香油溶性暫堵劑提高了油溶率，擴(kuò)大了軟化點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)保留了原始的變形能力，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

石蠟是通過(guò)與高壓聚乙烯、重晶石混合制成球形壓裂暫堵劑，可以很好的在原油中溶解、配伍。同時(shí)其粒度小，可以進(jìn)入常規(guī)暫堵劑不能進(jìn)入的地方進(jìn)行封堵，例如井底附近和人射孔孔眼內(nèi)部[17]。此外，石蠟暫堵劑的性能比較穩(wěn)定，不會(huì)隨著溫度的改變使物質(zhì)析出、結(jié)塊，可以在泄油的過(guò)程中保持通道暢通。球形石蠟暫堵劑的缺點(diǎn)在于軟化點(diǎn)低，當(dāng)?shù)貙訙囟群蛪毫^高時(shí)將不再適用，這會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度低，易破損，對(duì)地層有一定的危害，封堵效率差。

瀝青和粘稠樹(shù)脂的作用原理類(lèi)似，能夠很好地與地層空隙匹配，但是強(qiáng)度不高[22]。

油溶性樹(shù)脂是壓裂油暫堵劑的主要原料，其主要成分為高分子聚合物溶液，這類(lèi)暫堵劑會(huì)在地層中形成懸浮顆粒，并且具有較好的熱塑性和粘性，受力易變形，注入地下以后可在老裂縫中形成封堵，等暫堵劑在老裂縫中形成段塞之后可在舊裂縫上壓開(kāi)新裂縫[17]，不會(huì)滲入地層堵塞巖石孔隙。油溶性樹(shù)脂暫堵劑的耐溫性能好，材料強(qiáng)度大，承壓能力好，對(duì)于滲透性巖的封堵效果較好。使用時(shí)，顆粒大小不同的暫堵劑顆粒進(jìn)入裂縫后，通過(guò)架橋作用進(jìn)行初步封堵。隨后在一定的溫度和壓力下暫堵劑會(huì)軟化，變形，實(shí)現(xiàn)二次封堵。并且，這類(lèi)暫堵劑易溶解于油層油流，被油流攜帶、返排，有利于油相滲透率的恢復(fù)，對(duì)地層傷害小。

3.1.2 可塑性油溶性樹(shù)脂

可塑性油溶性樹(shù)脂的微粒在壓差下可以變形，在使用中作為填充粒子。這類(lèi)油溶性樹(shù)脂有乙烯-醋酸，乙烯樹(shù)脂，乙烯-丙烯酸脂等。此類(lèi)暫堵劑可由地層中產(chǎn)出的原油或凝析油溶解而解堵，也可注入柴油或親油的表面活性劑加以溶解而解堵。

3.2 油溶性暫堵劑的特點(diǎn)

油溶性暫堵劑的適用溫度范圍較廣，封堵性能好，性能優(yōu)越，適用于油井。暫堵顆粒易在儲(chǔ)層液體中溶解，在地層中能夠自動(dòng)解堵無(wú)需加入其他助劑，隨后被原油帶離儲(chǔ)層，返排出地層，解堵工藝簡(jiǎn)單[4]。暫堵時(shí)間較短，不會(huì)對(duì)地層造成污染，抗壓強(qiáng)度低[11]。與水溶性暫堵劑不同的是，油溶性暫堵劑具有可逆性和選擇性，可以保護(hù)油井結(jié)構(gòu)，有利于油井的可持續(xù)性開(kāi)采[26]。因此在油井開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。油溶性暫堵劑不適用注水井和含水較高的油井，當(dāng)油井處于高含水階段時(shí)壓裂過(guò)程完成后，解堵劑解堵時(shí)間長(zhǎng)，返排速度緩慢，不易返排出地層，造成一定的污染。此外，油溶性暫堵劑難溶于水，成本較高，這些特點(diǎn)會(huì)制約油溶性暫堵劑在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)酸溶性壓裂暫堵劑主要是碳酸鈣類(lèi)產(chǎn)品，需要酸化解堵，對(duì)于地層危害較大。僅能在裂縫或者孔喉處橋架封堵，應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿^小。

(2)油溶性壓裂暫堵劑主要是溶于油的暫堵劑，承壓能力強(qiáng)，可應(yīng)用的溫度范圍廣，但受溶解性的要求，使其在可應(yīng)用范圍上受到一定限制，僅適用于油井壓裂施工中，壓裂完成后，不易返排，會(huì)污染地層。

(3)水溶性壓裂暫堵劑的水溶性較好，可以溶解于水中，不會(huì)對(duì)地層造成污染。在施工過(guò)程中被壓裂液代入地層裂縫，在裂縫中架橋，堆積成濾餅，封堵強(qiáng)度高。在施工結(jié)束之后，溶解于地層水，隨返排液返出地面，對(duì)支撐劑填充層和裂縫壁面的危害較小，符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念，適用于氣井暫堵轉(zhuǎn)向壓裂及老油井的開(kāi)發(fā)。

(4)我國(guó)大部分的油田已經(jīng)進(jìn)入了含水率較高的開(kāi)采后期，水溶性壓裂暫堵劑能夠更好地適用于高含水的油井。

(5)目前最前沿的是采用快速、返排、破膠液技術(shù)，可以有效減低重復(fù)壓裂和改造高含水油井時(shí)壓裂油對(duì)底層造成的污染，而水溶性壓裂暫堵劑較適用于這類(lèi)新技術(shù)。