暂堵压裂技术研究进展

杨旭达，荣新明，刘洋，杜勋，丁文刚(中海油服油田生产事业部，天津 300459)

0 引言

目前，我国有些油田区块已进入开发中后期，早期压裂的大部分井因长期生产、后期作业等影响裂缝已逐渐失效，迫切需要暂堵转向压裂技术来挖潜剩余油富集区[1-5]。暂堵转向技术作为一种储层改造的方法，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[6-8]。

该技术的机理研究方法目前有室内实验以及数值模拟两种，目前对裂缝暂堵的机理探究主要通过室内实验实现，而对炮眼暂堵的研究主要通过数值模拟的方法模拟暂堵颗粒在井筒内运移坐封炮眼的机理研究。本文结合国内外裂缝及炮眼暂堵机理研究现状，对目前该技术的研究现状进行了综述，并对未来发展方向进行了展望，以使对暂堵压裂技术有更全面的认识。

1 暂堵转向机理

暂堵转向压裂技术核心是选用合适的暂堵剂配方，封堵先压裂缝或炮眼，提高井筒压力，迫使流体转向，直井同一层不同方位开启新裂缝图1(a)、在水平段不同射孔簇开启新裂缝图1(b)或者在在纵向不同层位开启新裂缝图1(c)，从而提高沿井筒的整体改造体积。压裂结束后，在储层温度、流体的作用下，暂堵剂降解并溶解在流体中，随流体返排至地面，不会造成储层伤害，新、老裂缝恢复导流能力，油井开始投产[9-10]。

图1 暂堵转向压裂技术原理

2 裂缝暂堵研究现状

早期关于裂缝暂堵机理的研究主要集中于常温条件下的机理研究，为解决如何选择暂堵颗粒尺寸才能得到良好的封堵效果的问题。罗向东等[11]通过实验发现当暂堵颗粒的粒径是储层平均孔隙直径的三分之二时，才能形成最稳定的架桥情况，得出了“三分之二”架桥理论。张琰等通过对比储层孔隙和暂堵材料的尺寸，得出了屏蔽暂堵分形理论[12]，该理论包含以下几方面的内容：(1)根据孔隙体积分布曲线，利用孔隙分布的分形模型，可算出平均孔隙直径和孔隙尺寸分布的分形维数；(2)依据“1/2-2/3 架桥原则”，确定暂堵剂的粒子尺寸，初选刚性暂堵剂；(3)按照“1/4-1/3 充填规则”，确定可变形粒子尺寸；(4)测定暂堵剂尺寸分布，利用分形模型确定暂堵剂的分形维数；(5)将各种暂堵剂进行复配，并测定复配后暂堵剂的分形维数；(6)根据孔隙尺寸的分形维数，选择复配暂堵剂配方，要求复配暂堵剂的分形维数与孔隙尺寸的分形维数相近。黄立新等[13]通过实验得到了当暂堵颗粒粒径为裂缝宽度的70%～100%时最容易产生封堵的结论。邱正松等[14]提出了“多级孔隙最优充填”暂堵方法。李家学等[15]提出刚性颗粒对裂缝的封堵机理，指出当刚性颗粒封堵在裂缝端口处时，填塞处与井壁形成一平面，液柱压力与颗粒所受壁面摩擦力相平衡，如图2(a)所示；当刚性颗粒封堵在裂缝中部时，封堵段到壁面的裂缝处将受到液柱压力，迫使裂缝张开，如图 2(b)所示。封堵裂缝时应尽量封堵在裂缝端口，为达到最优封堵，作者提出了刚性颗粒的粒径选择和浓度估算模型。

图2 裂缝中填塞层剖面

之后有学者发现，单独使用固体颗粒或纤维时，暂堵裂缝的效率较低[16]，当暂堵颗粒与纤维复合封堵裂缝时产生的封堵效果更好。Zhang等[17]通过使用酸蚀裂缝研究了载液类型、注入速度、裂缝宽度和裂缝形态对纤维和颗粒堵塞行为的影响，实验表明暂堵效果随着注入速度的降低而变差，这可以归结为高注入速度增加了桥堵的概率。在裂缝宽度为2 mm的情况下，只有纤维具有良好的封堵效果。然而，单一类型的暂堵剂(仅纤维或颗粒)在裂缝宽度为4 mm的条件下无法实现有效封堵。纤维和颗粒的结合可以获得良好的封堵效果。当裂缝宽度增加到6 mm时，如果颗粒直径小于裂缝宽度的50%，很难获得良好的封堵效果。陈波[18]通过实验探究了暂堵颗粒与纤维如何配比才能达到最好的暂堵效果，结果表明纤维以及单一粒径的颗粒单独作用时封堵效果较差，当纤维和多粒径的颗粒通过合理配比复合作用时封堵效果最好。

有学者发现，当既有刚性颗粒又有柔性颗粒的暂堵颗粒与纤维复合封堵裂缝时产生的封堵效果要更好。Kang等[19]分析了柔性变形颗粒、刚性颗粒和纤维复合暂堵的封堵效果。分析认为刚性颗粒拥有良好的抗压能力，柔性变形颗粒变形能力较强，能够对封闭区域的孔隙进行填充隙，可以提高暂堵带的承压能力。吴彬等[20]采用纤维、可变形油溶性暂堵剂及球形颗粒复配暂堵技术，利用纤维暂堵剂的吸附作用，使其吸附在裂缝表面，再由颗粒进行桥堵，成功防止了钻井液对地层的侵入，加强了裂缝性油气藏的保护效果。

虽然发现暂堵颗粒和纤维能够封堵裂缝，但对于整个封堵的过程并不清楚，为解决这个问题。Yang等[21]基于相似准则建立了一个大型可视化实验系统，通过一系列对比实验发现，堵塞过程从纤维附着在裂缝底部、顶部和表面开始，然后附着的纤维不断捕获流动的颗粒，形成分散的堵塞区，最后形成一个流动通道，并逐渐变窄，直至完全堵塞。梅艳等[22]对纤维暂堵原理进行了说明，纤维封堵裂缝主要包括以下过程：

(1)架桥作用：暂堵纤维在凹凸不平的表面及狭窄部位(喉道)产生挂阻“架桥”，形成桥堵的基本骨架，不同尺寸组合可增大桥堵机会。纤维在裂缝狭窄部位挂阻架桥示意图如图3所示。

图3 纤维在裂缝狭窄部位挂阻架桥示意图

(2)充填和嵌入作用：暂堵纤维的柔性变形功能对基本骨架中的微小孔道和地层中原有的小孔道进行逐步充填和嵌入，在压差作用下慢慢压实，形成暂堵隔墙。纤维的充填嵌入示意图如图4所示。

图4 纤维的充填嵌入示意图

(3)渗滤和拉筋作用：纤维暂堵液在压差的作用下失水迅速形成滤饼，同时相互缠绕和变形形成塞状封堵垫层。纤维的缠绕封堵示意图如图5所示。

图5 纤维的缠绕封堵示意图

但由此也产生了一个问题，产生封堵的位置并不能确定。为解决上述问题，Yuan等[23]对裂缝表面起伏和粗糙度影响下的裂缝暂堵转向规律进行研究，提出粗糙的裂缝具有特定的堵塞位置，其位置在最小法向缝宽处。为探究其他因素对特征封堵位置的影响，高俊杰[24]通过实验探究了不同因素对迂曲缝暂堵位置的影响规律。

随着非常规油气资源的大规模开发，油气井井深不断加深储层温度不断变高，针对高温深层条件，需要对高温条件下暂堵材料封堵裂缝机理进行研究。罗向东等[11]通过对高温下可变形颗粒的研究得到温度适当升高后粒子发生变形，使形成的填充更加致密，但当温度超过其软化点则会使粒子失效，对填充效果不利的结论。姜必武等[25]通过对蜡球暂堵剂的性能测试以及现场试验，认为如果想要封堵旧的水力裂缝并产生新的压裂裂缝，暂堵剂需要具备在特定的温度、压力条件下软化并填充到支撑剂的孔隙中的能力。邵俊杰等[26]通过室内实验测定了不同温度下的暂堵纤维封堵裂缝效果，实验结果发现，随着温度的升高，纤维形成的滤饼的承压能力越小。

上述研究都是基于室内实验基础上研究，缺少对于裂缝暂堵的数值模拟研究，许成元等[27]通过CFD-DEM耦合计算的方法模拟了暂堵剂封堵裂缝形成封堵段的动态过程，揭示了裂缝形成封堵的过程，解决了不能通过数值模拟的方法研究裂缝暂堵的难题。但是由于目前计算机计算能力的局限性，许成元模拟过程中使用裂缝的粗糙度并不能完全拟合现场裂缝表面粗糙度。

3 炮眼暂堵研究现状

3.1 炮眼暂堵实验

目前对暂堵球在井筒内运移转向封堵炮眼的机理，这一方面的研究分为三个方面。

首先研究了暂堵球在井筒内的运移规律，为暂堵球在井筒内运移提供了力学理论支持，肖晖等[28]通过对暂堵球进行受力状态进行分析，建立了暂堵球在井筒中的运动方程。韩慧芬等[29]通过对暂堵球力学条件的分析，建立了暂堵球在运移过程中的动量守恒模型，并通过实验探究了直井条件下暂堵球的粒径、密度以及排量对暂堵球运移特征的影响规律。通过上述研究，对暂堵球在井筒内运移的力学机理基本得到了了解，但井筒内接近炮眼处的由于炮眼的存在暂堵球的受力状态发生了改变，需要对接近炮眼处的区域进行力学分析以确定暂堵球转向进入炮眼的力学条件以及影响因素。

为解决上述问题，Brown R W等[30]探究了暂堵球在井筒中的运移规律，分析得到了暂堵球粒封堵炮眼的力学条件。Erbstoesser SR[31]探究了暂堵球的浮力对炮眼暂堵的影响情况，并通过实验得到了当携带液速度越高暂堵颗粒越容易产生封堵的结论。学者将转向进入炮眼的暂堵球数量与投放入井筒内的暂堵球数量的比值百分数定义为封堵效率，封堵效率是衡量暂堵球能否封堵炮眼的一个重要指标，为解决现场施工过程其他因素对封堵效率的影响规律不明的问题。李昊[32]通过投球分压实验探究了携带液黏度、一次性投球数量以及混合投入时不同粒径组合对封堵效率的影响规律。王贺等研究了影响炮眼暂堵球坐封行为的因素，根据暂堵转向机理和理论计算可以得出，为了提高暂堵球封堵炮眼时的封堵效率，应尽可能加大排量同时暂堵球数量最好是1.1～1.2倍炮眼数。

3.2 炮眼暂堵数值模拟

为解决室内实验条件不能模拟现场施工条件的问题，可以通过数值模拟的方法对现场条件进行模拟，孙同文等[33]通过Fluent软件模拟了暂堵球封堵炮眼的过程，得到了封堵效率最高时的水流条件。在进行现场条件数值模拟之前，要首先确定建立的模拟是否正确，为解决这个问题，李昊[32]运用Fluent模拟软件DPM模型模拟了在水平井筒内暂堵球封堵炮眼的过程，探究了不同因素对封堵效率的影响规律。张峰等[34]基于DDPM、DEM和CFD耦合计算模型，结合暂堵颗粒与携带液的运动参数，得到了暂堵颗粒的运移封堵规律。

4 结语

针对裂缝暂堵机理的研究，前人对裂缝暂堵的研究主要集中于通过选择暂堵材料类型、尺寸以及配比来得到最好的封堵效果，近几年对特征封堵位置的研究开始兴起。随着未来计算机技术的发展，当数值模拟模型能够正确模拟裂缝表面形态时，对于裂缝暂堵过程的数值模拟也可能会成为未来研究的一个热点。

前人对炮眼暂堵的实验研究主要集中于对暂堵球在井筒内运移封堵炮眼的力学机理、暂堵球在井筒内运动状态和暂堵球粒径、密度等因素对炮眼封堵效率的影响规律研究，但由于室内实验条件的局限性，一些参数例如排量没有与现场施工参数保持一致，只能通过低排量下的规律来确定现场施工规模的参数的影响规律，这在科学研究上是不太严谨的，未来随着室内实验设备的不断完善，对现场条件下的模拟研究对现场施工会有很大的指导意义。

目前对炮眼暂堵数值模拟方法包含DPM模型、CFD-DEM耦合计算模型和基于计算流体力学(CFD)、离散单元法(DEM)、稠密离散相(DDPM)的耦合计算模型，可以看出随着科学技术的发展，对炮眼暂堵模拟的模型在不断完善。