化学转向暂堵技术的研究进展

毛金成，范津铭，赵金洲，陈绍宁，张文龙，宋志峰

（1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2. 中国石油 川庆钻探工程有限公司 井下作业公司，四川 成都 610052；3. 中国石化 西北油田分公司 工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

随着油气田开发进入中后期，高渗透储层几乎开采殆尽，因此，提高低渗透储层的原油采收率成为研究热点。由于地层非均质性严重、层间渗透率变异系数大等原因，常规增产措施只能改善高渗透储层的物性，而低渗透储层物性仍然较差。因此，会出现增油的同时井中含水量大幅上升的问题，解决问题的关键是控制压裂液、酸液等工作液的转向分流。油田常用工作液分流技术主要分为机械转向和化学转向两类。其中，机械分段转向技术的原理是通过机械工具将目的层与其他层段分隔，从而实现工作液的定向流动。机械转向主要包括堵球转向、封隔器分段转向等，该技术成熟有效，但是操作复杂且耗费时间。此外，复杂井况下应用机械分隔的风险较高，极易发生井下事故。因此，为保证施工成功率及实现有效改造，化学暂堵转向技术成为了更好的选择。

本文综述了化学暂堵技术在暂堵酸化、压裂、酸压施工中的暂堵机理，且将目前应用较多的暂堵剂进行分类，并分析它们的优劣。

1 化学转向暂堵机理

1.1 暂堵酸化

酸化中常采用笼统注酸的方式，施工时酸液大量进入大孔道、裂缝等高渗透层，较少进入需要酸化的低渗透层，因而低渗透层难以得到改造。此外，还会导致高渗透层的过度酸化及酸液指进（地层中高渗层和低渗层同时存在，笼统注酸时，酸压沿高渗层流动快，沿低渗层流动慢或不流动，从而形成指进现象）问题，从而造成井中含水量快速上升。因此，现场施工通常在注入酸液前先向地层注入暂堵剂，封堵高渗透层，以改善储层渗透率差异大的情况。根据最小流动阻力原理，暂堵剂到达储层后会优先进入高渗透层，并对其进行封堵，提高注入压力。后续注入的酸液进入高渗透层的难度增大，转而流向中低渗透层。这种措施能达到均匀酸化的目的，避免了井中含水量的快速上升。酸化施工结束后，暂堵剂能迅速降解，不会污染地层［1-3］。

1.2 暂堵重复压裂

类似于暂堵酸化，暂堵转向重复压裂工艺中，暂堵剂被注入地层后会优先封堵高渗透层，阻止裂缝的继续延伸，并升高井底压力，当裂缝内静压力超过新裂缝的破裂压力时，新裂缝被开启。并随着后续携带液的注入，新裂缝得到延伸和扩展，实现剩余油区的动用，并获得更大的改造体积，暂堵转向重复压裂机理见图1。压裂结束后暂堵剂溶于地层水，封堵的裂缝再次畅通［4-9］。

图1 暂堵转向重复压裂机理Fig.1 Mechanism of temporary plugging refracturing technique.

1.3 暂堵酸压

暂堵酸压与暂堵酸化的区别主要在于施工压力及排量。酸化中酸液在低于地层破裂压力的条件下进入地层，因而酸化施工的特点是压力低、排量小；酸压中酸液在高于地层破裂压力的条件下被挤入地层，通过大排量注液延伸老缝或开启新缝，因而酸压施工的特点是压力高、排量大［10］。

2 暂堵剂分类

国内外对暂堵剂的研究已有几十年的历史。早在1936年，哈里伯顿就提出了一种暂堵剂，该暂堵剂为脂肪酸盐与氯化钙反应的沉淀物［11］。国内对暂堵剂的研究始于20世纪50年代对调剖堵水技术的研究。20世纪60年代，聚合物暂堵剂因具有易分解及质地柔软等特性而得到大力推广，与此同时，水玻璃-氯化钙体系及乳化沥青等材料也被用于制备暂堵剂。20世纪80年代，细颗粒的CaCO3及油溶性树脂暂堵剂被大量应用于钻井液及完井液中。

根据不同的分类标准，暂堵剂可分为不同的类别。根据解堵时暂堵剂的溶解特性可分为酸溶性、水溶性及油溶性暂堵剂［12-14］；而根据暂堵剂的形态可分为纤维暂堵剂、颗粒暂堵剂、聚合物交联暂堵剂、吸水膨胀型暂堵剂、泡沫暂堵剂等。本文采用后一种分类标准。

2.1 纤维暂堵剂

纤维具有柔韧可变形的特性，且由于其长度远大于裂缝宽度，在进入裂缝后能快速搭桥并捕获后续纤维，形成致密的“滤网结构”，增加了工作液的流动阻力。此外，纤维与地层流体及岩石的良好配伍性避免了对储层的二次伤害。

为实现纤维暂堵转向压裂的优化设计，周福建等［15］对纤维封堵裂缝的物理过程进行了研究，获得了纤维滤饼长度随缝宽的变化曲线。此外，数值模拟结果表明，相同黏度下，滤饼的表皮因子随注入排量的降低而升高，而黏度的增加会引起表皮因子的增加。2014年，钟森等［16］对有机可降解纤维进行了研究，且在施工中采用多级暂堵酸化工艺，并优化设计了暂堵级数及各级的排量，可实现海相水平井的有效改造。

针对纤维存在表面疏水、分散性较差的缺点，杨国威等［17］利用硅烷偶联剂对纤维进行表面处理，获得了具有良好吸附率及吸湿率的改性纤维暂堵剂。2015年，蒋卫东等［18］对所制备的有机聚合物暂堵纤维进行了表面处理，获得了高强度的纤维，现场应用时，暂堵有效率达81.2%。同年，杨乾龙等［19］研制了新型的纤维暂堵剂，并针对性地提出了纤维暂堵剂适用的复合酸压技术。此外，他们还分段研究了纤维封堵裂缝时的堆积过程。

纤维暂堵剂能通过快速形成“滤网结构”来实现暂堵，但容易聚集成团导致管道堵塞。此外，纤维暂堵剂的强度较低，不适用于大开度裂缝的封堵。由于密度较低，纤维在施工现场的飘散会给施工过程造成影响。

2.2 颗粒暂堵剂

颗粒暂堵剂的工作原理是颗粒在裂缝中的桥堵以及微粒在裂缝壁面形成滤饼，增加了工作液的流动阻力并减少了滤失，从而实现转向。此技术的关键是颗粒粒径与储层孔径的匹配，国内外学者在此方面进行了大量研究。1977年，Abrams［20］提出“三分之一”架桥理论作为钻井液中暂堵颗粒粒径优选的准则。罗向东等［21］在“三分之一”架桥理论的基础上进行研究，提出了屏蔽暂堵技术，即颗粒粒径介于孔隙孔径的1/3～2/3所取得的架桥效果最好。张金波等［22］研究应用颗粒堆积效率最大值原理，提出了利于中、高渗透储层暂堵的颗粒粒径优选准则——d90规则，即暂堵剂颗粒在其粒径累积分布曲线上的d90值（指体积占90%的颗粒粒径小于该值）与储层的最大孔喉直径或最大裂缝宽度相等时，取得理想暂堵效果。

油溶性颗粒暂堵剂可溶解于原油，因而解堵时能随产出油排出储层，无需使用解堵剂，此类暂堵剂主要应用于油井的暂堵作业中。2006年，姜必武等［23］研制了油溶性蜡球暂堵剂，其主要成分为松香、沥青、粉陶等。该暂堵剂的封堵强度达3.5 MPa，在中国石油长庆油田公司安塞油田应用效果良好。

单一类型的颗粒形成的空隙较多，且颗粒间的整体性较差，遭到破坏后难以恢复，封堵效果较差。李长忠等［24］选用石蜡、分散剂及人工合成油溶树脂等材料，制备了强耐酸性油溶暂堵剂ZDJ-1。现场应用后，平均含水率下降了11百分点，可满足控水增油的要求。2008年，罗跃等［25］选用不同硬度的石油树脂及烃类树脂制备了暂堵剂ZDJ-1，通过两种材料的复合提高了暂堵剂的封堵能力。王盛鹏等［26］以硬度大的油溶树脂及较软的石蜡为原料制备了颗粒暂堵剂ZD-150，增强了转向能力，并将耐温性从80 ℃提高到120 ℃。

油溶性暂堵剂不溶于水，在高含水油井及注水井中的应用效果较差。为满足这些井的暂堵需求，需要进行水溶性颗粒暂堵剂的开发。2008年，邓晶等［27］以氯化钠、氯化铵、丙烯酸树脂-Ⅱ等为原料，制备了水溶性颗粒暂堵剂ZDJ-J。ZDJ-J具有在水中溶解速度低、耐酸性强的特点，酸化解堵后渗透率恢复率可达90%。2009年，罗跃等［28］对微胶囊暂堵剂ZD-D进行了研究，该暂堵剂以丙烯酸树脂为包材，三种无机盐复合为内核，用于注水井暂堵酸化的成功率达80%。

在气井的暂堵改造中，应用常规固体颗粒会面临无法解堵而形成堵塞的问题。李国锋等［29］制备了由包材及内部材料组成的颗粒暂堵剂ZD-10。其中，包材是石蜡树脂与地蜡的复合物，而内部材料的主要成分是CaCO3与水溶性无机盐。暂堵剂可在地温恢复后溶于返排液的残酸中，从而实现解堵。

制备颗粒型暂堵剂的材料成本低廉，且抗温、抗压性很好，比较适合高温高压地层的暂堵施工。它的缺点是难以形成高强度的滤饼，因而形成的压差阻力很小。其中，酸溶性颗粒暂堵剂的解堵过程较复杂，容易形成残渣；而油溶性的颗粒暂堵剂的成本过高，限制了它的大量使用。

2.3 纤维与颗粒复合

纤维暂堵剂应对大开度裂缝效果较差，可采用不同硬度、粒径的颗粒与纤维复合来提高暂堵强度。其中，坚硬的固体颗粒起架桥、支撑的作用，而软颗粒与纤维嵌入空隙中，纤维的串联牵扯作用使整体的封堵强度得到较大提高。纤维与颗粒的复合暂堵见图2。

图2 纤维与颗粒的复合暂堵Fig.2 Diagram of the composite of fiber and granular temporary plugging agent.

2014年，邹国庆等［30］采用小粒径球、黏弹性固体颗粒及纤维混合制备了复合暂堵剂，小粒径球的抗压强度达50～70 MPa，在超深、超高压井的暂堵转向缝网酸压中有很好的效果。2016年，张雄等［31］优选出耐温达120 ℃的可降解聚丙烯腈纤维。并对纤维、聚合物颗粒的尺寸及用量进行了优化，形成了“纤维+颗粒”的暂堵体系，能承受超过9 MPa的暂堵压力。

通过颗粒与纤维暂堵剂的复配，将两者的优点相结合，既具备了颗粒暂堵剂的高抗压能力，也能形成较高强度的滤饼结构，是目前油田上应用较多的一种暂堵方案。

2.4 聚合物交联暂堵剂

聚合物交联暂堵剂的应用可分为两类：一是胶塞型交联暂堵剂，低黏度液体进入地层后在交联作用下形成黏度大、韧性强的胶塞以实现封堵。优点是无需考虑颗粒或纤维暂堵剂所面临的堵剂携带问题，施工简单。但由于主剂为聚合物，在地层中成胶后难以自行破胶，需要配合破胶剂使用。二是颗粒型交联暂堵剂在地面形成交联液体后，通过烘干、剪切等工艺获得暂堵颗粒。

1999年，唐孝芬等［32］制备了适用于60～80 ℃地层的暂堵剂ZDJ-98，适合应用的最佳pH值为6～8，主要成分为聚丙烯酰胺、酚醛复合体、过硫酸盐。施工过程中，暂堵剂由透明黏稠的水溶液转变为具有一定封堵强度的弱凝胶。2010年，周法元等［33］采用聚合物A、交联剂及破胶剂X等为原料研制了转向重复压裂暂堵剂ZFJ，具有封堵强度大、耐酸碱性及抗盐性的特点。

为解决气藏挖潜改造时压井液漏失的问题，邱玲等［34］研制了液体胶塞暂堵剂，主要成分为高分子稠化剂、交联剂、氧化破胶剂。它的实质为一种隔离液，进入裂缝后随地层温度恢复形成交联冻胶。2014年，赖南君等［35］制备了一种以淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、引发剂及交联剂为原料的压裂暂堵剂，此类暂堵剂的水溶性良好，选择性封堵能力强，降解后黏度较低，可降低返排难度。2017年，中国石油天然气股份有限公司［36］采用丙烯酰胺、增强剂、复合交联剂、引发剂，研究出适用于水平井控水的凝胶暂堵剂。通过调节交联剂中两种组分的比例可实现对降解时间的控制，该暂堵剂具有成胶后黏度大、降解率高等优点。

聚合物交联暂堵剂的性能优越，因而得到了广泛应用，但也具有一些明显不足。首先，施工后残渣过多，会伤害地层渗透率及储层裂缝的导流能力。其次，所使用的交联剂大多有毒，会对环境造成污染。而且它的交联过程受到pH值、温度等的影响，破胶时间难以把控。

2.5 吸水膨胀型暂堵剂

吸水膨胀型暂堵剂主要是具有一定交联度的聚合物颗粒，与地层水接触后吸水膨胀，膨胀后的颗粒具有一定的弹性，可发生变形，在孔道中形成的空隙较小。此外，聚合物颗粒吸水膨胀后的产物在剪切力作用下被剪碎，可向深处小孔道继续运移、封堵。

2004年，周玲革等［37］选用乙烯基单体与交联稳定剂及一些无机材料，采用水溶液聚合法合成了吸水膨胀型暂堵剂JBD。JBD的吸水膨胀性能较好，与原油接触时会发生收缩，能实现油层的暂堵保护，但在盐水中膨胀能力较弱，因而在高矿化度油藏应用效果差。2010年，赖南君等［38］以丙烯酰胺为原料通过自由基溶液共聚合成了暂堵剂CLS-1。该暂堵剂可承受1.5 MPa的突破压力，相比美国暂堵剂DJ-UN拥有更好的膨胀比及稳定性，返排难度更小。2012年，王正良等［39］研究了JBD吸水膨胀型暂堵剂对不同渗透率岩心的封堵能力，结果表明，该暂堵剂的漏失少，封堵效果好，但由于在高含水储层中不能自行解堵，会造成较大伤害，因此需要配合破胶剂JPC使用。

吸水膨胀型暂堵剂由于具有弹性，可以较好地适应裂缝形状，对空隙的封堵效果很好，但吸水膨胀后形成的弹性颗粒容易遭到剪切破坏，因而封堵强度不高，适用于对暂堵强度要求不高的地层。

2.6 泡沫暂堵剂

泡沫暂堵剂的暂堵原理是通过泡沫的贾敏效应实现对高渗透层的封堵，迫使后续工作液进入中低渗透层。它的主要组成为起泡剂和稳泡剂。有机酸铵盐与酸反应生成的CO2及N2等气体与起泡剂产生泡沫；稳泡剂的加入提高了液体黏度，从而实现稳定泡沫的目的。

2013年，杨伟等［40］将泡沫暂堵技术应用于长庆油田的油井暂堵酸化中，有效解决了酸液指进的问题。针对常规泡沫暂堵剂稳定性差、承压能力弱的缺陷，中国石油天然气股份有限公司以黄原胶等为原料制得充N2微泡沫暂堵剂［41］。将低密度微泡体系与暂堵剂复配后形成了稳定的大尺寸微泡暂堵剂体系，可应对修井过程中的漏失问题。2015年，中国石油天然气股份有限公司对N2与泡沫凝胶复合的泡沫暂堵剂进行了研究［42］。该暂堵剂的阻力因子随岩心渗透率的增加而升高，因而具有较好的选择性封堵能力。

泡沫暂堵剂滤失较少，且能实现快速转向。但它在与原油接触后难以保持强度，且稳定性受高温的影响较大，另外，需要额外的制氮设备也大幅增加了它的应用成本。

3 结语

纤维柔韧可变形，被裂缝的粗糙壁面挂住后会逐渐形成致密结实的滤网，但容易成团，堵塞管线。其次，易出现施工现场纤维飘散的现象，因而需要研发专用的纤维泵，以实现大量、快速的纤维混合工作。此外，纤维暂堵剂的承压能力有限，对于大开度裂缝封堵效果差。为提高封堵强度，常采用纤维与不同尺寸、硬度的颗粒复配进行暂堵作业。聚合物交联暂堵剂对高渗透层封堵效果好，但难以区分油层和水层，且容易在地层中留下大量难以清除的残渣，造成二次伤害。吸水膨胀型暂堵剂对水层的封堵作用强，而对油层的封堵能力较弱。此外，得益于较强的吸水性，吸水膨胀型暂堵剂在封堵时吸收了地层中多余的水分，能起到较好的控水作用。泡沫暂堵剂具有滤失少、转向作用快速有效的优点，且处理液返排彻底，对地层伤害小。该技术的主要缺点为：1）与原油接触后泡沫的强度受到大幅削弱，且高温条件会影响泡沫的稳定。2）超高渗透层应用泡沫转向技术会出现明显的渗漏现象，应用效果较差。3）该技术的实施需要配备制氮设备与泵组，应用成本较高。

目前，暂堵剂技术发展的方向是低成本、能适应不同复杂地层条件的暂堵剂，纤维与颗粒复合的暂堵剂封堵强度高，且在高温时优势明显，但存在成本较高以及降解难度大的缺点。可考虑从多学科交叉的角度，参考其他行业，推进低成本、可降解材料的研究。