暂堵转向压裂技术用暂堵剂研究新进展

肖沛瑶

（西安石油大学，陕西西安 710065）

目前，暂堵转向压裂技术已广泛应用于国内油田进行高含水老油井重复改造、水平井储层改造、低渗透油田及蕴含非常规油气资源的复杂地层的有效开发[1-6]。

作为油藏增产技术的一种，暂堵转向压裂技术的主要目标就是通过增加注入流体的流动阻力实现流体转向，提高水力裂缝的复杂程度，在目的层形成复杂的裂缝网络，实现方式：由携带液携带至目的层的暂堵剂遵循流体沿流动阻力最小方向运移原则优先进入目的层内已有的高导流能力通道（这些通道可能是天然裂缝、人工裂缝或射孔孔眼），通过形成架桥或充填堵塞对这些通道实现封堵，迫使目的层裂缝内由于流体不断注入而持续升高的裂缝净压力通过延伸、扩展已有微裂缝或新压开的裂缝得到释放。由于封堵住高渗通道而获得了更多的潜在起裂点，暂堵转向压裂能够获得更大的裂缝改造体积，从而更好地沟通尚未动用的泄油区[3，5，7，8，9]。经过可控的一定时间后，注入地层的暂堵剂主要通过被酸基、油基、水基流体溶解和依靠材料自身特性在地层条件下降解成水溶性物质溶解到水基流体中两种方式由返排液携带返出至地面，解除对目的层高导流能力通道的封堵，恢复目的层渗透率[10，11]。

在该技术中发挥重要作用的压裂暂堵剂可按照多种不同的依据进行分类，如按照暂堵剂的表观形态、制作材料、作用机理、解堵方式进行分类。其中，按照暂堵剂的表观形态进行分类时，普遍将压裂暂堵剂分为颗粒类、胶塞类、纤维类、泡沫类等[1，6，10，12]，本文在此基础上提出：可从固体、液体、气体这三种不同的物质状态出发，根据压裂暂堵剂在地面条件下表观形态的不同将其分为固体暂堵剂、液体暂堵剂和泡沫暂堵剂，其中固体暂堵剂可分为油溶性树脂类、纤维类、颗粒型暂堵剂等三个小类，并综述了上述各类暂堵剂的研究进展、分析了它们的暂堵机理、性能特点和适用范围。

1 固体暂堵剂

1.1 油溶性树脂类暂堵剂

目前在现场普遍使用的油溶性树脂类压裂暂堵剂主要是聚氨酯、油溶性酚醛树脂、松香和松香改性物等具有较高熔点的树脂类产品[13]。

油溶性树脂材料承压强度较高，使用时，不同粒径的暂堵剂颗粒被携带至目的层进入裂缝后通过架桥作用进行初步封堵，随后在地层温度、压力条件下软化、塑性变形，进行二次封堵[13]，实现对这些高导流能力通道的封堵形成暂堵带，有效阻止注入液体流入。同时，油溶性树脂材料易溶于原油，压裂结束暂堵剂遇油后溶于原油并随原油排出，目的层渗透率得到恢复[14，15]。

由于固体颗粒间存在一定间隙，单一将同种材料的固体颗粒作为暂堵剂时封堵效果并不好，因此可将硬度不同的油溶性树脂材料按一定比例混合复配使用并将其加工成粒径不同的固体颗粒，不仅可以提高产品的耐温性能，也可以取得更好的暂堵转向效果。

Zhao X 等[16]以石油树脂和烃类树脂为原料研发了一种新型压裂暂堵剂ZX-1，其耐温性能良好，通过优化树脂颗粒的粒径组合可取得较好的暂堵转向效果，应用华北油田取得了良好的增产效果。王盛鹏等[17]以类型不同的石油树脂A 和烃类树脂B 为主要原料，研发了一种新型均匀球状颗粒转向暂堵剂ZD-150，其耐温性能得到显著提高，通过颗粒优化并与支撑剂结合利用，其封堵率极高，可取得明显的转向效果。

油溶性树脂类暂堵剂在油中具有良好的溶解性，因此解堵方便，降低了对目的层的伤害；树脂材料强度大，封堵性能良好，但其生产成本较高，且油溶性树脂材料水溶性较差，易对地层造成污染。受限于溶解性的特点，油溶性树脂类暂堵剂一般只适用于油井。此外，在制备油溶性树脂类暂堵剂时可在油溶性树脂材料中加入一定量同样具有油溶性的石蜡类物质、沥青，以获得更好的暂堵性能[18-20]。

油溶性树脂类暂堵剂常用于缝内转向压裂，即新裂缝从老裂缝内部起裂[13]。

1.2 纤维类暂堵剂

使用时在携带液中加入一定浓度、尺寸的纤维，当暂堵纤维与携带液充分混合形成转向液被注入目的层暂堵裂缝或高渗透带时，纤维材料沿高渗裂缝缝面滤失并最终在裂缝内形成滤网结构封堵主裂缝或高渗层，在封堵处产生一附加压差，同时，纤维进入裂缝后，可以对裂缝中的已有裂缝暂堵而使压裂液转向其他方向形成裂缝或使其他方向已有裂缝扩张延伸，实现在缝内压开新缝或沟通天然裂缝网络[21-23]。汪道兵等[22]对影响上述附加压差进行研究，发现较低排量、较小裂缝宽度和较高黏度有利于增大附加压差，加强纤维封堵裂缝的效果。纤维材料可在地温条件下自动降解，易返排，对储层造成的伤害较小，适用于非常规低渗透储层的改造和老井的重复压裂[24，25]。但在地层条件下纤维类材料仍然存在一些缺点，如承压能力有限；力学性能较差，不适用于大开度裂缝的封堵；密度较低，纤维在施工现场的飘散会给施工过程造成影响；热变性和化学稳定性也较差等[1，16，21]。此外，该类暂堵剂容易聚集成团导致管道堵塞。

影响纤维材料封堵效果的因素主要包括纤维长度和纤维度[24，26，27]。

在裂缝开度较小的情况下，纤维材料能取得较好的封堵效果，但对于大开度的裂缝，仅靠纤维很难形成有效封堵，因此，有学者提出将颗粒和纤维相结合复合使用，既能充分发挥各自的优点，又能互相弥补缺点。通过纤维材料发挥的辅助架桥作用、嵌入和阻塞作用等，由复合暂堵剂体系形成的暂堵层的封堵强度、承压能力、稳定性等性能显著提高，固体颗粒的加入也缩短了暂堵层的形成时间。

薛世杰等[28]制成了一种由纤维状暂堵剂和颗粒状暂堵剂组成的复合暂堵剂，暂堵时首先利用纤维状暂堵剂在裂缝缝口或缝内架桥，再利用颗粒状暂堵剂的可自身膨胀性形成有效封堵，实验结果表明这种复合暂堵剂能够在减少暂堵剂用量的同时大大提高封堵效率、施工成功率，应用于现场后增产效果良好。

刘豇瑜等[29]制备出一种由暂堵纤维和暂堵球组成的复合暂堵剂作为暂堵转向材料，该暂堵剂与地层流体、岩石配伍性好，暂堵转向效果明显，并且可在一定的地层条件下完全降解。

1.3 颗粒型暂堵剂

颗粒型暂堵剂主要包括颗粒型交联暂堵剂和颗粒型无机盐暂堵剂。

颗粒型交联暂堵剂是在地面交联不同材料得到高黏的交联液体后再经过烘干、剪切、造粒等一系列工艺后制得的颗粒状暂堵剂[1，10，30]，暂堵剂颗粒吸水膨胀后形成胶凝物，在炮眼、高渗层等位置产生滤饼桥堵实现封堵。该类暂堵剂不溶于水，压裂完成后需要加入破胶剂破胶溶解实现返排[30，31]。其黏度大、强度大，承压能力强，但不易形成滤饼因而封堵效果略差。

李欣儒等[32]基于微流体与乳液聚合技术，制备得到各向同性良好的P（AA-AM）复合石墨烯凝胶暂堵剂颗粒。该类暂堵剂颗粒的形状、尺寸较为统一，且得益于纳米材料的引入，暂堵剂颗粒的吸水倍率、耐盐性能、承压强度等性能显著提升，颗粒溶解后黏度和残留率较低，具有良好的返排性能，应用前景良好。

颗粒型无机盐暂堵剂一般由抗压能力较强的无机盐颗粒制得，通过覆膜降低无机盐溶解速率起到暂堵作用。无机盐颗粒暂堵剂具有颗粒粒径可调、破碎率低、封堵强度大、易解堵、对地层伤害小和原料易得成本低的优点，但由于粒径较小，在适合不同缝宽裂缝储层的暂堵作业的同时不能起到很好的封堵裂缝和炮眼的作用[6，33，34]。

陈清等[34]以氯化钠为主要原料，将返析出的氯化钠晶体作为暂堵剂，制备得到转向能力、封堵性能和解堵性能均较好的水溶性氯化钠暂堵剂。

此外，随着压裂暂堵剂产品不断发展，油田现场越来越重视施工时所选用的压裂暂堵剂的解堵返排性能以更好地使地层渗透率得到恢复，在此环境下，生物可降解聚合物具有易降解、强度高、对地层无污染等优点而成为暂堵剂材料新的选择方向[35]。

He CM 等[8]研发出一种以生物可降解材料、聚合物、膨胀剂和固化剂为原料制得的水溶性暂堵剂，可将其加工成任何直径的固体颗粒以满足不同尺寸的裂缝、炮眼的封堵要求。该堵剂水溶性良好，易与常规压裂液配伍，封堵效率高，承压能力强，返排较为彻底，对目的层造成的伤害小。

就颗粒型暂堵剂而言，封堵裂缝的固体颗粒暂堵剂通常是不同尺寸颗粒暂堵剂的组合，多种粒径组合可以提高暂堵剂封堵效果，同时堆密度越高，封堵效果越好[35]。同时颗粒类暂堵剂材料溶解性较好，压裂施工结束后，可在高温下降解或溶解于地层水、原油或残酸等介质中，不会对地层造成二次伤害[6]。

2 液体暂堵剂

液体暂堵剂主要指液体凝胶型交联暂堵剂，即通过交联的方法形成高黏流体，注入目的层后以胶塞形态进行暂堵。上述高黏流体即液体胶塞基液，是一种黏稠度相对较低的高分子溶液，在向目的层输送的过程中随地层温度逐渐升高通过交联作用形成黏度、强度更大的胶塞逐渐起到暂堵目的层的作用。压裂施工结束后胶塞在破胶剂和地层温度的双重作用之下破胶成水，通过返排液携带至地面，但破胶工艺现场不易控制，容易造成提前破胶或无法及时破胶[36]。

目前所研究的聚合物凝胶暂堵剂以聚丙烯酰胺类为主[2，37]，交联剂与聚合物的活性基团发生交联反应生成具有网状结构的聚合物凝胶。由于该体系的交联反应是在地下不稳定进行，因而难以均匀交联，所形成凝胶的强度不高达不到强度要求。

李子甲等[38]针对缝洞型油藏区块油水同出的问题，采用自由基聚合方法制备出一种聚合物凝胶暂堵剂，该暂堵剂溶胀性能良好，有利于对地层进行封堵，同时也具有良好的热稳定性能。

该类暂堵剂在使用时存在的其他问题有：对注入量精确度要求高，注入量小将达不到所需压力，反之则会对地层造成伤害；无法形成稳定的滤饼，封堵效果差。

此外，也可将其他液态流体用作暂堵转向用压裂暂堵剂，如周拿云[39]提出的应用于煤层气储层、借助液氮实现的“冰晶暂堵”压裂的工艺。

Yang Ruiyue 等[4]进行了关于将液氮（LN）用作暂堵剂应用于煤层气储层水力压裂改造的室内实验，研究结果表明可以对煤层气储层起到暂堵作用，具有在煤层气储层水力压裂改造中成为一种有效且环境友好的暂堵剂的潜力。

3 泡沫暂堵剂

泡沫材料具有低摩阻、低密度、滤失量小、“选择性”封堵、携带固体颗粒能力强等特点，广泛应用于如驱油、调剖、酸化、分流酸化等油田生产涉及到的多项作业[40-44]。

考虑到固体暂堵剂难以完全清除、地层伤害大，液体暂堵剂存在滤失，科研工作者们开始考虑将泡沫应用于暂堵转向压裂作业，即利用泡沫的贾敏效应实现对高渗层的封堵[1]。调研发现，相较于应用在其他几项现场作业，泡沫暂堵剂尚未在国内广泛应用于暂堵转向压裂作业中，原因可能是暂堵转向压裂施工压力高，而普通泡沫无法满足其承压要求[13]。

此外，在泡沫暂堵剂的基础上发展起来的绒囊暂堵剂目前也得到了越来越多的研究[45-48]。

调研发现，绒囊暂堵剂具有良好的暂堵性能，返排能力较强，绒囊暂堵流体暂堵后可以实现裂缝转向，且原缝仍然能够生产，但绒囊暂堵流体在现场施工参数、转向角度及长度预测等很多问题上还有待进一步研究[49-51]，且绒囊暂堵剂存在着适用温度、压力条件范围较窄、适用的孔隙裂缝尺寸范围较小等缺点[52]。目前，绒囊暂堵剂主要应用于砂岩地层的增产改造。

在化学暂堵转向压裂中用作压裂暂堵剂的材料还有苯甲酸薄片、碳酸钙等，这其中的每一种都会进入射孔孔眼和近井裂缝，从而产生桥接作用。这些材料的缺点是使用寿命短、在压裂处理完成之前就会降解，且难以实现完全解堵[53]。其中，以碳酸钙为主要成分制成的酸溶性压裂暂堵剂由于可以利用酸化压裂结束后返排的残酸完成解堵，在现场仍有应用，其他材料目前应用较少。

4 结论及建议

固体暂堵剂中的油溶性树脂材料承压能力强，可适用温度范围广，但由于受溶解性上的特殊要求在现场实际使用上也受到一定限制，只能应用于油井的压裂施工；纤维类暂堵材料可随地层温度升高逐渐降解返排，不会污染储层和地下流体，但其承压能力有限，力学性能较差，不适用于封堵大开度的裂缝；颗粒型交联暂堵材料黏度大，自身强度大，承压能力强，但封堵效果差，可能残留较多残渣对地层造成伤害；颗粒型无机盐暂堵材料破碎率低，封堵强度大，易解堵，对地层伤害小，其粒径较小，因而适用于不同缝宽裂缝储层的暂堵作业但对裂缝和炮眼的封堵效果较差；可降解压裂暂堵材料易降解，对地层伤害小，已得到越来越多的关注，是压裂用暂堵材料在未来发展的一个重要方向；液体凝胶型交联暂堵材料易返排，对地层伤害较小，但自身强度较低，承压能力差，破胶工艺难以控制；绒囊暂堵材料具有良好的暂堵性能，返排能力较强，但存在着适用温度、压力条件范围较窄、适用的孔隙裂缝尺寸范围较小等缺点。

压裂用暂堵材料未来发展时，应着重考虑对兼具地层适应性、环境友好性和经济适用性的暂堵材料的研发，同时也要加强对现有暂堵材料在暂堵、解堵等作用机理方面的理论研究，为进一步研发、应用压裂暂堵剂提供理论基础。