可降解暂堵球动态封堵承压性能评价方法及装置研制

韩慧芬

1中国石油西南油气田分公司工程技术研究院 2页岩气评价与开采四川省重点实验室

0 引言

“长水平段+分段多簇缝网压裂”改造工艺已成为非常规储层的高效开发模式[1]，簇间距越来越小，射孔簇均匀起裂难度大，难以形成复杂缝网，改造体积有限。如何提高分簇效率，增加裂缝复杂程度是关键问题。密切割及高密度完井压裂工艺能够增加射孔簇数，使压裂段改造更加充分，在提高单井产量方面取得一定效果，但存在无效射孔簇问题[2]。对于这两项完井技术，还需要配合缝口暂堵技术，封堵无效射孔簇，促使新缝的产生和增加单缝的复杂程度。高密度射孔和密切割完井工艺配合暂堵转向压裂工艺在德克萨斯州西部众多的压裂井中均非常成功的应用，显著的增加了储层接触面积。

页岩气井大规模缝网压裂容易导致套管变形，使得无法下入桥塞而导致大部分压裂层段无法改造。通过加强地质建模、钻井工程、压裂改造、套变后措施的技术攻关，长宁—威远区块页岩气井套变比例大幅降低，但仍占20%～30%[3- 4]，需采用可降解暂堵球转向压裂技术，解决套管变形段丢段的问题[5- 6]。缝口暂堵转向技术的暂堵效果受多种因素影响，目前主要依靠微地震监测裂缝形态和压裂施工压力是否提高这两个方面来进行笼统评价，但是泵入的可降解暂堵球是否达到了暂堵效果、封堵效果控制因素等方面都缺乏相应的依据和手段，制约了暂堵转向压裂优化设计及暂堵材料的优选，进而达不到预期的效果。可降解暂堵球性能评价主要包括降解、密度、尺寸、形态、耐温性能、承压及转向能力等，承压及转向能力是评价可降解暂堵球封堵效果的重要性能指标，目前对转向能力、孔眼的形态及大小、投球方式等方面缺乏系统研究。文章通过可降解暂堵球性能评价装置的研制，形成了可降解暂堵球动态封堵承压性能评价方法，为暂堵球性能优选、暂堵球与孔眼大小的匹配、暂堵球投球方式及投球时机等提供了依据。

1 可降解暂堵球封堵承压性能评价方法

可降解暂堵球承压能力是评价暂堵球封堵效果的一个重要性能指标，测试方法包括静态测试法和动态测试法两种。

1.1 静态测试法

静态承压能力测试采用压力机进行可降解暂堵球变形承压能力测试，也可采用流动设备，在岩心前端放置多种尺寸孔板，将可降解暂堵球放在测试孔眼上，加压、测试其静态承压封堵能力，如周怡、方裕燕[7- 10]等人开展了研究。这两种方法得到的承压能力相差较大，前者得到的承压能力不能代表暂堵球的封堵承压能力，现场选择暂堵球的时候不能采用该指标。

1.2 动态测试法

高学生[11]、龚蔚[12]等人研发了暂堵球动态抗压装置，在金属管上布孔并连接塑料软管，后端与流量计相连，能够模拟水平管(或垂直管)不同相位孔眼的封堵情况，但主要集中在评价暂堵球动态承压封堵方面的性能，对转向能力、孔眼形态及大小、暂堵球运移及坐封影响因素等方面缺乏系统研究。

2 实内评价装置需要解决的关键问题

已有的研究成果实现了暂堵球在水平管(或垂直管)中的动态运移及不同相位孔眼封堵模拟。但是将室内模拟暂堵球封堵射孔孔眼效果的结果用于指导现场,还需解决以下四个方面的问题。

2.1 射孔孔眼尺寸及形状多样化

不同相位孔眼大小不一，现场射孔孔眼尺寸差异较大，见图1。同时，加砂压裂后支撑剂对孔眼的冲蚀会影响孔眼的大小，通过对加砂压裂后射孔孔眼进行监测，利用工具标尺和图像算法，反演各簇开启情况，发现不同工况下孔眼冲蚀后形状和尺寸变化也大，见图2。因此，室内实验要解决模拟孔眼多样化以及孔眼大小与暂堵球尺寸的匹配问题，根据孔眼封堵效果，指导优化选择可降解暂堵球组合尺寸的范围。

图1 不同相位射孔孔眼尺寸对比图

图2 利用工具标尺和图像算法反演各簇开启情况

2.2 大排量高泵压室内实验难以实现

页岩气井体积压裂单个孔眼的流量通常能达到0.1 m3/min以上，室内模拟这样的工况必然需要大排量高压泵。通常，用于室内实验的泵要么是能满足大排量泵注、但是不耐压；要么是能承受高压，但是排量却只能达到几百毫升每分的排量，要模拟现场孔眼封堵承压，需要解决系统大排量耐高压的问题，优化管柱和泵选型。

2.3 如何实现模拟暂堵球封堵孔眼并转向

缝口转向是在压裂施工中通过一次或多次投放高强度水溶性颗粒暂堵剂在炮眼和裂缝高渗透带临时封堵老裂缝，提高井筒中的压力，促使水平产层段其他位置裂缝的开启，最终形成多条新裂缝，达到密集切割储层的目的，有效增加单井改造体积。但是如何实现模拟暂堵球封堵孔眼并转向，也是室内模拟系统需要解决的问题。

2.4 投球方式及投球时机的选择

投球方式及投球时间间隔的选择会明显影响暂堵球的封堵效果。目前室内大多采用手动投球方式，存在投球时间不可控，不能模拟不同投球时机下的封堵效果。同时，不同耐温等级、不同材料的可降解暂堵球溶解性能差异较大，如某厂家的低温暂堵球在常温下性能稳定，随时间变化在滑溜水中不会溶解，3 h后球粒直径、体积及外观均无变化(图3)；而90℃下，该暂堵球在滑溜水中溶解速度较快，1.5 h后暂堵球完全溶解(图4)。

图3 某暂堵球在常温条件下溶解后表面形态变化图

图4 某暂堵球在90℃条件下溶解后表面形态变化图

3 可降解暂堵球性能评价装置研制

针对上述问题，首次考虑孔眼冲蚀、储层渗透性能、转向功能，优化管柱、泵注及投球系统，研制了可降解暂堵球性能评价装置，实现了暂堵球在井筒中运移、封堵孔眼、转向等一体化模拟功能。

3.1 孔眼冲蚀模拟系统

3.1.1 孔眼冲蚀评价

孔眼大小及形状直接影响暂堵球封堵效果及暂堵球尺寸的选择，为了研究加砂压裂过程中支撑剂对孔眼的冲蚀作用，研发了一套8～15 mm孔眼冲蚀模拟系统。取现场的套管加工成工装试片，连接在水射流设备出口端，根据现场实际施工参数模拟加砂压裂过程中孔眼冲蚀情况。支撑剂取自现场某平台井的石英砂和陶粒，试验排量为200 L/min，单孔流量为100 L/min，砂浓度8%，分别测量多次泵注500 kg支撑剂后，两个试片的质量和孔径变化，实验结果见表1。实验结果表明，孔眼直径变化率范围为0.64%～1.07%，冲蚀集中于孔入口处，入口棱角被明显磨圆。

表1 实验前后孔径变化情况

3.1.2 射孔孔眼孔径分析

采用不同的射孔弹、射孔方式、不同的套管尺寸等都会使射孔孔眼直径不同，而且不同的射孔相位，孔眼直径差异也非常大，例如外径为140 mm的套管，采用89射孔枪，常规射孔弹，孔径范围为7.5～12.7 mm，采用等孔径射孔弹，孔径范围为9.4～102 mm。目前页岩气井大多采用等孔径射孔弹进行射孔，虽然减小了孔眼直径的变化范围，但总体来说各相位上孔眼大小是非等径的。

为了研究孔眼与暂堵球的匹配关系，考虑孔眼冲蚀、射孔相位的影响，孔眼部件设计成固定母扣+活动模拟孔眼的组合方式，需模拟实际冲砂后孔眼与暂堵球匹配关系的时候，只需将孔眼模拟井筒与水射流设备相连进行冲砂后，然后再连接到暂堵球性能评价装置上进行封堵承压实验即可，实现了模拟孔眼在7～16 mm内尺寸和形状的任意调节，并按照60°相位等间距布孔，模拟了实际工况。

3.2 泵注和暂堵球运移模拟系统

目前，泵注系统无法实现现场Ø139.7 mm套管和16～20 m3/min大排量模拟，室内实验通常采用低压大排量泵或高压低排量泵，但无法同时满足高压大排量的泵注能力。根据相似理论设计管柱直径，引入π定理对井筒内流体流动进行量纲分析，获取压降与各量纲间的关系式，得到表征流态、流速等相似准数。

(1)

式中：v—现场井筒中的运动速度，m/s；v′—模拟井筒中的运动速度，m/s;h—现场井筒长度，m；h′—模拟井筒长度，m;g—重力加速度，N/kg。

当井筒直径比尺为n，高度比尺为m时，则流速关系转换为：

(2)

设计泵排量公式为：

(3)

式中：Q—泵注排量，m3/min；Q′—模拟泵注排量，m3/min;D—管柱直径，mm;D′—模拟管柱直径，mm。

化简得到实验室模拟的泵排量与原型泵排量的关系为：

(4)

现场页岩气井施工排量通常为15～20 m3/min，室内耐压的注入泵排量上限基本为0.5 m3/min，其比例值处于30～40之间。现场页岩气井井深通常为2 000 m以上，室内流动管路按照5 m设计，其比例尺的平方根达到20以上，因此，直径比例尺的选择达到2倍以上即可。同时考虑布孔，建议可采用Ø38.1 mm管柱尺寸。

注入泵采用低压大排量泵的组合方式，低压大排量泵的注入能力为500 L/min，承压低于1 MPa，高压低排量泵承压能力为35 MPa，注入能力为500 mL/min，通过自动控制系统切换实现大排量泵球、封堵承压能力测试的功能。根据泵注能力和孔眼流量需求，选择合适的孔眼数开展室内模拟试验。

3.3 暂堵球自动投球模块

考虑投球方式及投球时机对封堵效果的影响，在注入泵出口端设计了投球装置，常规的手动投球器(图5a)存在操作费力、投球间隔时间长、时间不可控、无法对暂堵球进行加温等缺陷。本文设计的自动化投球装置(图5b)实现了自动投球、投球时间可控、可预热加温的功能，具有以下特点：

图5 投球装置

(1)投球器由预热系统、圆盘装置、投球腔体、控制阀门等部件组成。

(2)为了模拟暂堵球在井筒中预热降解，采用水浴加热的方式，实验温度可达90 ℃。

(3)设计成双层圆盘转动结构，上层布有7个直径为20 mm的圆孔，下层与主体投球器相连的部分设计了20 mm的圆孔，通过电机控制转速，自动控制投球器开关阀门，实现每隔5 s投球一次，满足直径小于20 mm的暂堵球自动投球。

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(4)考虑可降解暂堵球与水接触后的降解粘稠特性，放置暂堵球的转盘等部件采用四氟材料。

(5)投球形式多样化，满足一次性投球和控制投球时间间隔。

(6)投球器系统耐压35 MPa。

3.4 地层模拟器模块

为了模拟暂堵球封堵孔眼实现暂堵转向的功能，设计了地层模拟器，由内筒和外筒组成的30 cm长圆柱状金属体组成，其中内筒周围布置有不同数量和大小的孔眼，内筒和外筒环形空间可充填支撑剂或砾石等，入口与孔眼尺寸一致，出口端设计为死堵。外筒通过丝扣与孔眼连接，入口与孔眼尺寸一致，出口端设计10 mm孔眼，并与流量计连接，实验过程中连接在不同的模拟孔眼上，创新实现了不同渗透地层的封堵转向模拟过程。

3.5 暂堵球性能评价装置

暂堵球性能评价装置包括透明可视化模拟系统和承压转向不锈钢模拟系统(图6)，具有自动投球、调节孔眼尺寸和形状、加热等功能，耐压35 MPa、模拟温度达到90 ℃，自动化程度强、模拟结果准确、功能更强大，实现暂堵球运移、封堵、转向等一体化室内动态模拟，为暂堵球选择、施工参数和施工工艺优化提供实验数据支撑，该装置性能参数见表2。

图6 暂堵球性能评价装置

4 可降解暂堵球动态封堵承压性能评价方法

可降解暂堵球动态封堵承压性能评价首先要确定实验用可降解暂堵球，主要性能包括暂堵球的密度、直径、降解性能等，实验前需测定其相关性能；其次需要确定实验参数及实验条件，包括流速、温度、暂堵球数量、孔眼相位、孔眼数量、实验压力、投球方式、地层模拟器渗透能力等参数；最后根据确定的暂堵球和实验条件，开展不同影响因素下暂堵球动态封堵承压效果实验。该评价方法步骤为：

(2)打开大排量低压泵，泵注清水或滑溜水，让流体充满整个管路，直到管路不再有气泡存在为止。

(3)将可降解暂堵球放在投球器托盘圆孔上，按照设定参数自动投球。

(4)观察暂堵球在孔眼上的坐封位置、运移情况，并通过监测孔眼出口端的流量判定封堵效果。

(5)按照实验设定时间持续泵注流体，然后停泵，观察暂堵球是否脱落孔眼。

(6)冲球，停止实验。

(7)处理实验数据，分析暂堵球坐封及封堵效果的影响因素。

5 认识与结论

(1)采用密切割+高强度加砂,同时搭配缝口暂堵转向工艺是解决无效射孔簇、增加裂缝复杂程度的重要技术手段，但缝口暂堵转向效果受多种因素影响，暂堵球选择不当、泵注参数不合适都会影响封堵效率，达不到暂堵转向压裂的效果，造成簇效率低。

(2)大多数室内暂堵球动态封堵孔眼效果实验主要集中在评价暂堵球动态承压封堵方面的性能，对转向能力、孔眼的形态及大小、暂堵球运移过程及坐封影响因素等方面缺乏系统的研究。

(3)考虑孔眼冲蚀、射孔相位和储层渗透性能，通过优化供液、管柱、模拟孔眼及投球模块，研制的暂堵球动态封堵承压性能评价装置能更好的模拟现场实际孔眼大小、单孔流量、投球方式等情况下暂堵球的暂堵转向效果，实现了暂堵球在井筒中运移、封堵孔眼、转向等一体化模拟功能，有效地指导现场可降解暂堵球优选、投球方式选择、施工参数优化，提高缝口暂堵转向压裂效果。