轉(zhuǎn)向壓裂暫堵劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展

劉金棟,蔣建方*,褚占宇,閆琦睿,劉搏

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249]

暫堵劑是轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)中的核心材料,進(jìn)入地層后可以暫時(shí)封堵原有裂縫,壓裂過(guò)程中迫使壓裂液流向其他方向從而產(chǎn)生新縫,壓裂工作完成后,暫堵劑解堵恢復(fù)地層滲透率。近年來(lái),暫堵劑的相關(guān)研究取得了較大進(jìn)展,但絕大多數(shù)暫堵劑是針對(duì)某些特定工況或?yàn)榻鉀Q特定油田增產(chǎn)難題而發(fā)明。關(guān)于暫堵劑的綜述僅羅列以往的文獻(xiàn)以及成果,缺少科學(xué)的分析。

筆者運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)近30年來(lái)的暫堵劑相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了研究,按照形態(tài)外觀分類(lèi),梳理統(tǒng)計(jì)各種暫堵劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況,分析了使用條件與優(yōu)缺點(diǎn),探討了暫堵劑未來(lái)的發(fā)展方向。

1 文獻(xiàn)調(diào)研與統(tǒng)計(jì)

將暫堵劑按照外觀分類(lèi)為暫堵球、顆粒型暫堵劑、纖維型暫堵劑、凝膠型暫堵劑,以及新型暫堵劑。其中新型暫堵劑按照形態(tài)又可以分為絨囊型暫堵劑、泡沫暫堵劑等。

1)分析比較每種暫堵劑研究文獻(xiàn)的數(shù)量,反映近30年來(lái)暫堵劑的研究發(fā)展情況。

2)統(tǒng)計(jì)分析比較得出近30年來(lái)石油行業(yè)內(nèi)暫堵劑的研究重心與機(jī)理研究和產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)系。

3)根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)施工狀況,設(shè)置封堵強(qiáng)度、儲(chǔ)層傷害率、封堵效率、抗溫抗鹽性能、經(jīng)濟(jì)性、裂縫適配性6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),其中儲(chǔ)層傷害率指標(biāo),數(shù)值越高,對(duì)儲(chǔ)層傷害越大。

2 研究與應(yīng)用狀況

2.1 相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

1)近年來(lái),顆粒型暫堵劑相關(guān)文獻(xiàn)最多,表明顆粒型暫堵劑已經(jīng)成為油田現(xiàn)場(chǎng)施工中最常用的暫堵劑。暫堵球多用于層間轉(zhuǎn)向,基本不用于縫內(nèi)轉(zhuǎn)向。纖維暫堵劑與凝膠型暫堵劑的研究數(shù)量較多,是目前壓裂轉(zhuǎn)向中的主流暫堵劑(見(jiàn)表1)。其中,技術(shù)優(yōu)化類(lèi)文獻(xiàn)主要包括暫堵過(guò)程中裂縫與暫堵劑匹配方法的優(yōu)化與工藝流程的優(yōu)化等。

表1 文獻(xiàn)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

2)聚焦暫堵球、顆粒型、纖維型、凝膠型4種經(jīng)典的暫堵劑相關(guān)文獻(xiàn)分析見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,4種暫堵劑中,顆粒型暫堵劑一直是研究熱點(diǎn),在近30年的研究中占比最高。對(duì)于暫堵劑的機(jī)理研究普遍不足,凝膠型暫堵劑機(jī)理研究的文獻(xiàn)僅占比35%,近年作為暫堵劑熱門(mén)的顆粒型暫堵劑的機(jī)理研究類(lèi)文章也不足50%。暫堵球體積較大,其暫堵機(jī)理的研究早期集中在地層中的受力[1]與力學(xué)方程[2]中,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟,數(shù)值模擬法開(kāi)始被用于機(jī)理研究[3]。顆粒暫堵劑大多數(shù)為剛性顆粒暫堵,對(duì)其封堵機(jī)理的研究從對(duì)三分之一架橋原則的優(yōu)化[4]到物理模型模擬實(shí)驗(yàn)[5]再到CFD-DEM耦合研究運(yùn)移規(guī)律[6],其研究機(jī)理方法有了較大發(fā)展。纖維暫堵劑的機(jī)理分為“架橋”作用、充填嵌入、滲濾壓實(shí)3種[7],可視化實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用使得纖維暫堵劑的機(jī)理研究更加熱門(mén)[8]。

圖1 暫堵劑文獻(xiàn)的內(nèi)容比例

近年來(lái)各種暫堵劑的創(chuàng)新產(chǎn)品占比較高,但絕大多數(shù)是為了適應(yīng)某種特定油層環(huán)境而設(shè)計(jì)的,所以盡管產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)量較多,但普適性差,難以廣泛推廣。

2.2 暫堵劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用狀況

將不同種類(lèi)的暫堵劑按照封堵強(qiáng)度、儲(chǔ)層傷害率、封堵效率、抗溫抗鹽性能、經(jīng)濟(jì)性、裂縫適配性6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用堆疊條形統(tǒng)計(jì)圖反映?，F(xiàn)結(jié)合圖2對(duì)每種暫堵劑實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行分析。

圖2 暫堵劑各項(xiàng)性能比較

2.2.1 暫堵球

1)暫堵球具有較好的封堵強(qiáng)度和抗溫抗鹽性能,但它對(duì)于儲(chǔ)層的傷害較大。這是由于起初暫堵球主要采用橡膠、塑料等材料制成,壓裂完成后不易被排出地層,容易造成堵塞。使用新型可降解材料研制的暫堵球可以減少對(duì)地層的傷害。管彬等[9]將對(duì)苯二甲酸和乙二醇利用酯化反應(yīng)聚合成共聚酯,經(jīng)過(guò)熔融紡絲后加入三氯化鐵和多聚甲醛,后進(jìn)一步加工形成一種可降解暫堵球。施工結(jié)束后,該暫堵球在地層高溫下自行水解成水溶性的酸與醇并隨其他液體排出,操作簡(jiǎn)單且可以清潔地層。

2)由于射孔孔眼的不規(guī)則性,導(dǎo)致傳統(tǒng)圓形暫堵球很難實(shí)現(xiàn)理想封堵,封堵效率不高。改變暫堵球的形狀以適應(yīng)不規(guī)則的射孔,可以有效提高暫堵球的封堵效率。蔡燦等[10]研制出一種由外殼和球芯組成的雙層結(jié)構(gòu)的異形暫堵球,包括橄欖球形、圓臺(tái)形、子彈形等。異形暫堵球更易于進(jìn)入不規(guī)則射孔且進(jìn)入位置深,力學(xué)性質(zhì)好不易脫落,可有效提高暫堵球的適應(yīng)性與密封性。

2.2.2 顆粒暫堵劑

顆粒型暫堵劑是目前最常用的轉(zhuǎn)向暫堵劑,其封堵強(qiáng)度強(qiáng)、抗溫抗鹽性能好,經(jīng)濟(jì)性與對(duì)裂縫尺寸的適配性優(yōu)良,但封堵效率一般。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)顆粒暫堵劑是靠剛性顆粒填充裂縫完成封堵,抗壓強(qiáng)度高,但封堵不夠致密,對(duì)顆粒間的微小孔隙封堵效果差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要將粒徑與地層裂縫匹配,或多種尺寸顆粒一起使用,減小顆粒封堵空隙。姜必武等[11]利用松香、石英砂為原料,利用瀝青使之成形,再加入粉陶調(diào)節(jié)導(dǎo)流能力,加入石英砂增加強(qiáng)度。該暫堵劑具有較好的溶解性、配伍性。

由于顆粒暫堵劑間孔隙較大不能形成致密的封堵層,更多的將顆粒與纖維混用,組合成復(fù)合暫堵劑提高封堵效果,或使用膨脹型顆粒,進(jìn)入裂縫后變形填充孔隙封堵。

2.2.3 纖維暫堵劑

纖維暫堵劑易彎曲變形、比重小,有較好的柔韌性,常用于含有天然裂縫或孔洞發(fā)育的碳酸鹽儲(chǔ)層酸壓作業(yè)中。纖維暫堵劑對(duì)裂縫的適配性差,封堵強(qiáng)度與抗溫抗鹽能力不強(qiáng),但因其易溶解返排,對(duì)儲(chǔ)層傷害較小。

張軍[12]將超細(xì)碳酸鈣與植物纖維混合制備了纖維暫堵劑,其暫堵率可達(dá)99%以上,酸化返排率可達(dá)80%,用量少且暫堵范圍寬。陳明慧等[13]將變形纖維與高強(qiáng)度剛性纖維并絲形成纖維束并打結(jié)處理,將兩端流蘇狀纖維束浸漬,研制出兩端呈流蘇狀暫堵劑。獨(dú)特的流蘇狀設(shè)計(jì)可以取代“架橋”的過(guò)程,大大降低了施工時(shí)間與成本,提高了封堵效率。

纖維型暫堵劑目前已被廣泛應(yīng)用,但仍面臨儲(chǔ)層高溫高壓下承壓強(qiáng)度不足的問(wèn)題,且纖維暫堵劑封堵范圍窄,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中對(duì)裂縫的匹配方法需要進(jìn)一步完善。

2.2.4 凝膠型暫堵劑

凝膠型暫堵劑封堵強(qiáng)度高,封堵效率高,對(duì)儲(chǔ)層傷害也相對(duì)較小,能適應(yīng)多種裂縫,但常用暫堵劑為黏性與溶解性能良好的丙烯酰胺類(lèi)暫堵劑,耐礦化度與耐溫性能較差。但由于其造粒過(guò)程較為復(fù)雜,所以對(duì)不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)適用性較差。

通過(guò)改良凝膠暫堵劑配方或引進(jìn)新的材料,可以有效提高凝膠暫堵劑的抗溫抗鹽性能。趙文錦等[14]以丙烯酰胺和丙烯酸為原料,結(jié)合微流體技術(shù)與物理包覆方法,研制出一款感溫型暫堵劑凝膠顆粒隨溫度升高,吸水速率和吸水倍率逐漸增大,以此可以起到延遲吸脹的效果。徐昆等[15]基于超分子化學(xué)理論研制了一種DMF新型超分子暫堵劑。該超分子暫堵劑常溫下為液體,黏度與水近似,具有形態(tài)隨溫度改變的特性。

凝膠暫堵劑的主要材料是酚醛凝膠、丙烯酰胺及其改性產(chǎn)品,高溫高鹽度環(huán)境下易降解,耐溫抗鹽性較差。

2.2.5 新型暫堵劑

新型暫堵劑在封堵機(jī)理與形態(tài)上與常規(guī)暫堵劑有很大不同,如絨囊型暫堵劑封堵機(jī)理與顆粒暫堵劑相似,但不同于常規(guī)顆粒,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。泡沫暫堵劑與常規(guī)暫堵劑則是在封堵機(jī)理上有本質(zhì)區(qū)別。

1)絨囊型暫堵劑。絨囊工作液是一種內(nèi)部有氣囊,外部包裹著絨毛的氣囊狀材料,一般以流體形式存在。從“一芯兩層三膜”的微觀結(jié)構(gòu)(圖3)可以看出,絨囊核心稱為“空氣核”,由內(nèi)到外依次為高黏度水層、表面張力降低膜、高黏度水層固定膜、水溶性改性膜,最外層為聚合物和表面活性劑濃度過(guò)渡層[16]。

圖3 絨囊工作液結(jié)構(gòu)

絨囊型工作流體密度和粒度分布范圍廣,能適應(yīng)不同形狀下的漏失通道。蔣建方等[17]將絨囊型暫堵劑注入碳酸鹽巖巖心后韌性提高,橋堵承壓能力增強(qiáng)并可以承受130 ℃的高溫,應(yīng)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的油井后,增產(chǎn)效果顯著。

絨囊型暫堵劑基于模糊理論的提出而誕生,對(duì)于無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的漏失通道的封堵上具有極高的廣泛性與適用性,為重復(fù)壓裂暫堵提供了新手段與新思路,但是對(duì)于定量的計(jì)算工作需要進(jìn)一步研究,對(duì)于新材料也需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選。

2)泡沫暫堵劑。泡沫暫堵劑一般主要由起泡劑和穩(wěn)泡劑組成。主要封堵原理是泡沫的“賈敏效應(yīng)”。泡沫進(jìn)入低地層后,由于“賈敏效應(yīng)”,在孔道內(nèi)形成氣鎖現(xiàn)象,隨著氣鎖現(xiàn)象的疊加,層層氣泡堆積成橫放的金字塔形狀,實(shí)現(xiàn)封堵[18]。由于泡沫暫堵劑的表面活性劑優(yōu)先吸附在油水界面上,所以在含油飽和度高的環(huán)境下,泡沫氣-液表面合并,泡沫破壞。由于這種特性,泡沫暫堵劑在進(jìn)入地層后,首先進(jìn)入滲透性好的大孔道,隨注入增加流動(dòng)阻力增大,泡沫進(jìn)入含油飽和度更高的小孔道,泡沫被破壞,實(shí)現(xiàn)了堵水不堵油的效果。

鐘雙飛等[19]將泡沫暫堵劑應(yīng)用于酸化暫堵中,選用陰離子起泡劑發(fā)泡,對(duì)砂巖巖心進(jìn)行酸化,證實(shí)泡沫暫堵劑可以均勻布酸提高吸酸剖面,均勻改善各層滲透率。郎寶山等[20]將凝膠與泡沫結(jié)合,研制出氮?dú)馀菽z復(fù)合暫堵劑,該暫堵劑具有調(diào)剖性能好,地層傷害小等優(yōu)點(diǎn)。賈虎等[21]借鑒泡沫凝膠在堵水領(lǐng)域的應(yīng)用,研制了一種雙交聯(lián)型泡沫凝膠暫堵劑,可以自適應(yīng)不同孔尺寸進(jìn)行暫堵,凝膠體系穩(wěn)定時(shí)間也從1 d延長(zhǎng)到了10 d以上。除此以外,雙交聯(lián)型泡沫凝膠抗剪切性更好,其高彈、低黏的特征也更利于泵入與后期的返排解堵。

泡沫暫堵劑具有堵水不堵油、濾失少,快速轉(zhuǎn)向等良好性能,但高溫環(huán)境下穩(wěn)定性較差,且抗壓能力差。此外泡沫的制備限定了現(xiàn)場(chǎng)需配備起泡設(shè)備,增加了施工成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前顆粒暫堵劑應(yīng)用范圍最廣,纖維暫堵劑、暫堵球與凝膠暫堵劑是主流暫堵劑,新型暫堵劑尚未得到廣泛應(yīng)用。暫堵機(jī)理的研究較少,多數(shù)停留在可視化實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬層面,缺少對(duì)暫堵材料與暫堵過(guò)程微觀機(jī)理研究。大多數(shù)暫堵劑都是針對(duì)某一特定油田、特定工況研制,普適性不強(qiáng),難以廣泛推廣。

暫堵材料由于自身性質(zhì)等原因在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地存在不足,但合理選擇暫堵劑,針對(duì)實(shí)際工況將不同種類(lèi)暫堵劑復(fù)合使用可以取得更好效果。例如將纖維暫堵劑與顆粒暫堵劑復(fù)合使用可以克服纖維暫堵劑強(qiáng)度不夠、顆粒暫堵劑封堵不致密的缺點(diǎn);凝膠暫堵劑與泡沫暫堵劑結(jié)合可以使暫堵體系更加穩(wěn)定且分布密集;超分子材料的引進(jìn)可以使暫堵劑獲得更加優(yōu)越的性能。

未來(lái)暫堵劑的發(fā)展方向應(yīng)該朝著施工操作簡(jiǎn)單、封堵性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、泛用性強(qiáng)的方向發(fā)展。通過(guò)結(jié)合不同暫堵劑的特點(diǎn),形成新的復(fù)合型暫堵劑,促進(jìn)多學(xué)科交叉融合,引進(jìn)新型材料,創(chuàng)新暫堵理論,研制更加穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的暫堵材料。