轉向壓裂暫堵劑的研究與應用進展

劉金棟,蔣建方*,褚占宇,閆琦睿,劉搏

[1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院,北京 102249]

暫堵劑是轉向壓裂技術中的核心材料,進入地層后可以暫時封堵原有裂縫,壓裂過程中迫使壓裂液流向其他方向從而產生新縫,壓裂工作完成后,暫堵劑解堵恢復地層滲透率。近年來,暫堵劑的相關研究取得了較大進展,但絕大多數暫堵劑是針對某些特定工況或為解決特定油田增產難題而發明。關于暫堵劑的綜述僅羅列以往的文獻以及成果,缺少科學的分析。

筆者運用統計的方法對近30年來的暫堵劑相關文獻進行了研究,按照形態外觀分類,梳理統計各種暫堵劑的現場應用情況,分析了使用條件與優缺點,探討了暫堵劑未來的發展方向。

1 文獻調研與統計

將暫堵劑按照外觀分類為暫堵球、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的數量,反映近30年來暫堵劑的研究發展情況。

2)統計分析比較得出近30年來石油行業內暫堵劑的研究重心與機理研究和產品創新的關系。

3)根據油田現場施工狀況,設置封堵強度、儲層傷害率、封堵效率、抗溫抗鹽性能、經濟性、裂縫適配性6個評價指標,其中儲層傷害率指標,數值越高,對儲層傷害越大。

2 研究與應用狀況

2.1 相關文獻統計

1)近年來,顆粒型暫堵劑相關文獻最多,表明顆粒型暫堵劑已經成為油田現場施工中最常用的暫堵劑。暫堵球多用于層間轉向,基本不用于縫內轉向。纖維暫堵劑與凝膠型暫堵劑的研究數量較多,是目前壓裂轉向中的主流暫堵劑(見表1)。其中,技術優化類文獻主要包括暫堵過程中裂縫與暫堵劑匹配方法的優化與工藝流程的優化等。

表1 文獻分類統計

2)聚焦暫堵球、顆粒型、纖維型、凝膠型4種經典的暫堵劑相關文獻分析見圖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,在近30年的研究中占比最高。對于暫堵劑的機理研究普遍不足,凝膠型暫堵劑機理研究的文獻僅占比35%,近年作為暫堵劑熱門的顆粒型暫堵劑的機理研究類文章也不足50%。暫堵球體積較大,其暫堵機理的研究早期集中在地層中的受力[1]與力學方程[2]中,隨著計算機技術成熟,數值模擬法開始被用于機理研究[3]。顆粒暫堵劑大多數為剛性顆粒暫堵,對其封堵機理的研究從對三分之一架橋原則的優化[4]到物理模型模擬實驗[5]再到CFD-DEM耦合研究運移規律[6],其研究機理方法有了較大發展。纖維暫堵劑的機理分為“架橋”作用、充填嵌入、滲濾壓實3種[7],可視化實驗裝置的應用使得纖維暫堵劑的機理研究更加熱門[8]。

圖1 暫堵劑文獻的內容比例

近年來各種暫堵劑的創新產品占比較高,但絕大多數是為了適應某種特定油層環境而設計的,所以盡管產品創新數量較多,但普適性差,難以廣泛推廣。

2.2 暫堵劑現場應用狀況

將不同種類的暫堵劑按照封堵強度、儲層傷害率、封堵效率、抗溫抗鹽性能、經濟性、裂縫適配性6個評價指標進行統計,利用堆疊條形統計圖反映?，F結合圖2對每種暫堵劑實際應用狀況進行分析。

圖2 暫堵劑各項性能比較

2.2.1 暫堵球

1)暫堵球具有較好的封堵強度和抗溫抗鹽性能,但它對于儲層的傷害較大。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地層的傷害。管彬等[9]將對苯二甲酸和乙二醇利用酯化反應聚合成共聚酯,經過熔融紡絲后加入三氯化鐵和多聚甲醛,后進一步加工形成一種可降解暫堵球。施工結束后,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,操作簡單且可以清潔地層。

2)由于射孔孔眼的不規則性,導致傳統圓形暫堵球很難實現理想封堵,封堵效率不高。改變暫堵球的形狀以適應不規則的射孔,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構的異形暫堵球,包括橄欖球形、圓臺形、子彈形等。異形暫堵球更易于進入不規則射孔且進入位置深,力學性質好不易脫落,可有效提高暫堵球的適應性與密封性。

2.2.2 顆粒暫堵劑

顆粒型暫堵劑是目前最常用的轉向暫堵劑,其封堵強度強、抗溫抗鹽性能好,經濟性與對裂縫尺寸的適配性優良,但封堵效率一般。這是因為大多數顆粒暫堵劑是靠剛性顆粒填充裂縫完成封堵,抗壓強度高,但封堵不夠致密,對顆粒間的微小孔隙封堵效果差。實際應用時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,再加入粉陶調節導流能力,加入石英砂增加強度。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,組合成復合暫堵劑提高封堵效果,或使用膨脹型顆粒,進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育的碳酸鹽儲層酸壓作業中。纖維暫堵劑對裂縫的適配性差,封堵強度與抗溫抗鹽能力不強,但因其易溶解返排,對儲層傷害較小。

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

纖維型暫堵劑目前已被廣泛應用,但仍面臨儲層高溫高壓下承壓強度不足的問題,且纖維暫堵劑封堵范圍窄,現場應用中對裂縫的匹配方法需要進一步完善。

2.2.4 凝膠型暫堵劑

凝膠型暫堵劑封堵強度高,封堵效率高,對儲層傷害也相對較小,能適應多種裂縫,但常用暫堵劑為黏性與溶解性能良好的丙烯酰胺類暫堵劑,耐礦化度與耐溫性能較差。但由于其造粒過程較為復雜,所以對不同地區的經濟適用性較差。

通過改良凝膠暫堵劑配方或引進新的材料,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,結合微流體技術與物理包覆方法,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品,高溫高鹽度環境下易降解,耐溫抗鹽性較差。

2.2.5 新型暫堵劑

新型暫堵劑在封堵機理與形態上與常規暫堵劑有很大不同,如絨囊型暫堵劑封堵機理與顆粒暫堵劑相似,但不同于常規顆粒,其結構較為復雜。泡沫暫堵劑與常規暫堵劑則是在封堵機理上有本質區別。

1)絨囊型暫堵劑。絨囊工作液是一種內部有氣囊,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”的微觀結構(圖3)可以看出,絨囊核心稱為“空氣核”,由內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渡層[16]。

圖3 絨囊工作液結構

絨囊型工作流體密度和粒度分布范圍廣,能適應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,橋堵承壓能力增強并可以承受130 ℃的高溫,應用于碳酸鹽巖儲層的油井后,增產效果顯著。

絨囊型暫堵劑基于模糊理論的提出而誕生,對于無法準確預測的漏失通道的封堵上具有極高的廣泛性與適用性,為重復壓裂暫堵提供了新手段與新思路,但是對于定量的計算工作需要進一步研究,對于新材料也需要進行進一步優選。

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

鐘雙飛等[19]將泡沫暫堵劑應用于酸化暫堵中,選用陰離子起泡劑發泡,對砂巖巖心進行酸化,證實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]將凝膠與泡沫結合,研制出氮氣泡沫凝膠復合暫堵劑,該暫堵劑具有調剖性能好,地層傷害小等優點。賈虎等[21]借鑒泡沫凝膠在堵水領域的應用,研制了一種雙交聯型泡沫凝膠暫堵劑,可以自適應不同孔尺寸進行暫堵,凝膠體系穩定時間也從1 d延長到了10 d以上。除此以外,雙交聯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,快速轉向等良好性能,但高溫環境下穩定性較差,且抗壓能力差。此外泡沫的制備限定了現場需配備起泡設備,增加了施工成本。

3 結束語

目前顆粒暫堵劑應用范圍最廣,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用。暫堵機理的研究較少,多數停留在可視化實驗與數值模擬層面,缺少對暫堵材料與暫堵過程微觀機理研究。大多數暫堵劑都是針對某一特定油田、特定工況研制,普適性不強,難以廣泛推廣。

暫堵材料由于自身性質等原因在實際應用中不可避免地存在不足,但合理選擇暫堵劑,針對實際工況將不同種類暫堵劑復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合使用可以克服纖維暫堵劑強度不夠、顆粒暫堵劑封堵不致密的缺點;凝膠暫堵劑與泡沫暫堵劑結合可以使暫堵體系更加穩定且分布密集;超分子材料的引進可以使暫堵劑獲得更加優越的性能。

未來暫堵劑的發展方向應該朝著施工操作簡單、封堵性能優異、經濟環保、泛用性強的方向發展。通過結合不同暫堵劑的特點,形成新的復合型暫堵劑,促進多學科交叉融合,引進新型材料,創新暫堵理論,研制更加穩定、高效、經濟、環保的暫堵材料。