绳结式暂堵剂运移及封堵规律实验研究

吴宝成， 周福建， 王明星， 周培尧， 吕雯静, 王 博

1中国石油大学(北京) 2新疆油田公司工程技术研究院 3中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院

0 引言

新疆玛湖砾岩油田储量规模达10×108t[1]，水平井段内多簇暂堵压裂是该油田高效开发的主体技术[2]。段内多簇能够减少桥塞使用数量和钻塞次数，缩短施工周期，降低作业成本。暂堵可以实现砂液二次分流，避免优势簇过度改造及弱势簇欠改造。2020年，玛湖砾岩油藏主体采用暂堵球/球形暂堵剂+颗粒的方式进行段内暂堵，但效果不理想。明确暂堵剂运移及封堵规律对优选暂堵剂类型，制定投加方案至关重要。

暂堵剂按外观形态分类包括暂堵球、颗粒、纤维和粉末，具有高承压、可降解、对储层无害、暂堵时间可控等特点[3]。暂堵剂有效封堵历经运移、挂壁、缠绕和架桥四个过程[4]，射孔参数、暂堵剂粒径和暂堵剂浓度显著影响封堵速度，球形暂堵剂坐封后由于流体冲刷作用，坐封稳定性不高[5- 7]。针对暂堵体承压能力方面，国内外学者采用岩心尺度金属裂缝模型，研究了裂缝参数、暂堵方案等对暂堵剂封堵能力的影响规律[8- 11]。ZHANG等[12]和YUAN等[13]通过水压致裂、激光扫描和3D打印技术制作裂缝模型，能够反映真实裂缝表面形态，为暂堵剂封堵规律研究及暂堵剂配方优化提供了可行手段。WANG等[14]基于真三轴水力压裂物模实验系统，研究了小粒径暂堵剂对三维裂缝的封堵效果，明确了空间裂缝形态对暂堵剂入缝及封堵具有重要影响。

综上，前人重点研究了小粒径暂堵剂(颗粒、粉末、纤维等)在裂缝模型内运移及封堵规律，而孔眼暂堵需要大粒径暂堵剂。目前尚未明确大粒径暂堵剂运移特征及孔眼坐封效果的主控因素及影响规律。为此，本文设计了大尺度可视化孔眼暂堵剂运移观测系统，研究了孔眼暂堵剂类型、泵注排量、出液孔数对孔眼封堵效果的影响规律，并基于实验研究开展了矿场实验，分析了段内多簇暂堵压裂整体改造效果，本文研究对完善玛湖砾岩油藏段内暂堵工艺具有重要意义。

1 绳结式暂堵剂及其暂堵转向机理

绳结式暂堵剂由两翼和球结组成，两翼呈流苏状，长度为2～3 cm，在流体中具有很好的悬浮作用，利于产生较高的拖曳力，能够优先进入孔眼；中间的球结为八字绳结或中国结，可以根据孔眼尺寸来调整球结的大小，能够较好地密封射孔孔眼。绳结式暂堵剂选用聚乳酸高强度材料，具有较高的承压能力。室内测试表明，绳结式暂堵剂耐压可达40 MPa，确保其坐封孔眼以后在井底压力升高下不会喷出孔眼 。通过选用不同的材质，可以实现绳结式暂堵剂在14～15 d内40～60 ℃、60～80 ℃、80～100 ℃三种不同温度下全部有效降解，失去封堵性能，从而恢复孔眼通道性。

由于储层非均质性和孔眼冲蚀的影响，水平井分段多簇压裂过程中，段内多裂缝难以均衡起裂与扩展。泵注一定体积的支撑剂后(1/3～2/3)，再泵注绳结式暂堵剂，其随液体流动进入主进液通道孔眼，利用绳结式暂堵剂的球结结构封堵孔眼。随着井筒压力升高，迫使压裂液转向进入欠改造射孔簇，从而提高整个压裂段的均衡改造效果。通过调配绳结式暂堵剂合成材料的类型，控制其在指定储层温度下的初始降解时间和完全降解时间。

2 实验设计

2.1 实验装置

本文自主设计了大尺度可视化暂堵剂运移模拟装置，包括供液系统、动力系统、暂堵剂投放装置、透明管道装置以及水管线，见图1。供液系统采用1 m3供水罐，通过水管线与透明管尾端装置连接，确保实验期间供液充足；动力系统由柴油发电机及罗茨油泵组成，保证实验所需排量达到0.2 m3/min；暂堵剂投放装置用于投放暂堵剂；透明管直径为140 mm、壁厚20 mm、管道长5 m，前端连接暂堵剂投放装置，中后段设置3个直径为10 mm的射孔孔眼。通过透明管道可以实时观测暂堵剂在管道中的运移以及封孔状态，应用该装置研究不同施工参数下暂堵剂运移及孔眼封堵规律，从而指导现场施工。

图1 大尺度可视化暂堵剂运移模拟装置示意图

2.2 实验材料

为了验证绳结式暂堵剂的封堵效果，选用绳结式暂堵剂和暂堵球作实验对比。绳结式暂堵剂特征为中国结或八字结、球结直径13.5 mm、两翼各2～3 cm(图2a)；暂堵球的密度1.3 g/cm3、直径13.5 mm(图2b)。携带液为自来水，黏度约为1 mPa·s。

图2 实验材料实物图

2.3 实验方案设计

可视化井筒材质为有机玻璃，承压0.8 MPa，出于安全考虑，排量设计为0.15 m3/min。本文共设计6组实验(表1)，实验1、2、3对比研究不同类型暂堵剂井筒运移及封堵效果，实验4、5、6研究绳结式暂堵剂对不同数量孔眼的封堵效果，实验1和6研究多孔眼下，不同泵送排量对暂堵剂运移及封堵的影响规律。

表1 暂堵实验方案设计

3 实验分析

3.1 绳结式暂堵剂与暂堵球运移对比实验

3.1.1 绳结式暂堵剂运移封堵实验

基于大尺度可视化实验装置，设定泵注速度为0.15 m3/min，井筒120°方位设有3个出液孔眼，孔眼直径均为10 mm。实验1投注3个绳结式暂堵剂，其两翼呈散状形态，在流体中能够保持较好的悬浮状态，跟随流体翻转前移，且速度较快(图3a)；3个绳结式暂堵剂依次进入射孔孔眼，绳结式暂堵剂在运移的过程中分散独立，不会发生打结缠绕的现象(图3b)；在暂堵过程中绳结式暂堵剂的翼端跟随流体先进入射孔孔眼，后球结部分封堵射孔孔眼，球结的结构能够很好地卡在射孔孔眼上(图3c)，3个绳结式暂堵剂能够有效地封堵3个射孔孔眼(图3d)。

图3 绳结式暂堵剂封堵实验过程

3.1.2 暂堵球运移封堵实验

暂堵球在透明井筒内的运移封堵情况见图4。暂堵球随流体在整个运移过程中以底部滚动状态向前移动，悬浮能力差；暂堵球运移到射孔孔眼附近位置时，仍处于井筒底部，不能跟随流体进入射孔孔眼，不能有效封堵射孔孔眼。

图4 球形暂堵剂封堵实验

3.1.3 绳结式暂堵剂与暂堵球同时运移封堵实验

绳结式暂堵剂和暂堵球同时在可视化井筒运移过程中(图5)，绳结式暂堵剂的特殊结构使其跟随流体进行双翼摆动，保持良好的悬浮状态，以较快的速度进行翻转运移，从而增大绳结式暂堵剂的运移速度；绳结式暂堵剂能够在流体拖曳力的作用下，吸入并坐封高边孔，实现有效暂堵，而暂堵球只能停留在可视化井筒底部，无法封堵孔眼。对比实验表明，绳结式暂堵剂运移及封堵孔眼效果明显优越暂堵球，能够缩短施工时间，提高暂堵效率。

图5 绳结式暂堵剂和暂堵球混合封堵实验

3.2 出液孔数对孔眼封堵效果影响的实验

水平井段内多簇压裂过程中，单射孔簇内通常含有多个孔眼，射孔孔眼距离较近，一般为6.25 cm，孔眼出液过程中将产生流动干扰[15]。为此，基于该实验装置，研究了出液孔数对绳结式暂堵剂运移及孔眼封堵的影响规律。本文设计了3组实验，泵注速度均为0.1 m3/min，出液孔眼数目分别为1、2、3，孔眼直径均为10 mm，每组均投加3个绳结式暂堵剂。

当只有1个孔眼出液时，投加1个绳结式暂堵剂，能够有效封堵孔眼，且在外力作用下，绳结式暂堵剂能够牢牢地卡封孔眼(图6)；当有2个孔眼出液时，投加2个绳结式暂堵剂，发现绳结式暂堵剂在运移过程中会发生相互缠绕，但依然能够实现2个绳结式暂堵剂封堵2个孔眼(图7)；当有3个孔眼出液时，投加3个绳结式暂堵剂，在运移过程中，绳结式暂堵剂发生缠绕现象，不能实现有效封堵孔眼(图8)。

图6 1个孔眼出液时绳结式暂堵剂封孔实验

图7 2个孔眼出液时绳结式暂堵剂封孔实验

图8 3个孔眼出液时绳结式暂堵剂封孔实验

3.3 泵注排量对封堵效果的影响

现场段内暂堵压裂过程中，暂堵剂泵送通常为1～4 m3/min，考虑单个压裂段孔眼数通常为20～50孔，单孔排量为0.02～0.2 m3/min。确保井下单孔排量与本文实验单孔排量水平相当，该部分设计了泵注排量分别为0.15 m3/min和0.1 m3/min两组试验。当泵注排量为0.15 m3/min时，投加的3个绳结式暂堵剂悬浮在流体中，旋转摆动向前，未发生相互缠绕，实现3个绳结式暂堵剂封堵3个孔眼(图3)；当泵注排量为0.1 m3/min时，投加的3个绳结式暂堵剂同步向前运移，发生相互缠绕，未能有效封堵孔眼(图6)。因此，增大泵注排量，能够有效缓解绳结式暂堵剂在运移过程中相互缠绕的程度，提高绳结式暂堵剂封孔效果。然而，段内暂堵压裂过程中，单簇孔数通常为24～48孔，绳结式暂堵剂单次投加数量为24～56个，数量较多时绳结式暂堵剂在运移过程中相互缠绕的几率增大，显著降低绳结式暂堵剂封孔效果。为此，提出在绳结式暂堵剂外包裹塑料膜(图9)，实现绳结式暂堵剂运移过程中不发生缠绕，而在入孔时，较高的孔眼剪切力将塑料外壳剪碎，释放绳结式暂堵剂，完成孔眼封堵。

图9 有外壳包裹的绳结式暂堵剂

4 现场应用

新疆玛湖砾岩油藏玛18区块一口现场试验井，垂深3 920 m，水平段长度1 076 m，分10段压裂，第9段段内射孔6簇，每簇3孔，则第9段共18孔，压裂过程中投加30个包有外壳的绳结式暂堵剂进行段内暂堵。投加绳结式暂堵剂前，施工排量为8.5～10.5 m3/min，泵压83～68 MPa，加砂90 m3。投绳结式暂堵剂后，施工排量为8.5～10.5 m3/min，加砂90 m3。为了验证绳结式暂堵剂对暂堵前优势射孔簇(进液多的孔簇)的封堵效果，采用鹰眼监测手段(阵列环扫井下成像技术)，分别对暂堵前和暂堵后的射孔孔眼进行监测。鹰眼监测指采用井下照相机，对孔眼进行拍照，根据参考臂标定孔眼直径大小。井下照相机在沿井筒环向360°范围内有四个摄像头，360°无死角连续环扫测量，一次即可实现套管一周上的孔眼拍摄，避免遗漏孔眼(图10)。

图10 井下照相机及监测结果

进一步计量暂堵前和暂堵后第9段18个孔眼的冲蚀面积，结果见图11。原始孔面积为78.5 mm2，暂堵前泵注90 m3支撑剂后，第6簇的第1孔和第3孔冲蚀较为严重(蓝色柱状图)，说明进砂量过多，产生超级裂缝。投加绳结式暂堵剂后，第6簇第1孔得到有效封堵，不再冲蚀。第6簇第3孔封堵不彻底，继续发生部分冲蚀。第6簇1、2孔、第4簇2、3孔、第3簇第1孔、第2簇1、2孔，第1簇1孔(红色柱状图)，均在投加绳结式暂堵剂后发生新的冲蚀，说明支撑剂从优势孔转移进入弱势孔，获得了更加均匀的砂液分流效果，提高了段内整体改造均匀度。

图11 第9段暂堵前和暂堵后孔眼冲蚀面积统计及对比

5 结论

(1)大尺度可视化暂堵剂运移实验表明，绳结式暂堵剂具有两翼和球结结构，兼顾携带运移和稳定坐封孔眼的特性，与暂堵球相比，具有更好的孔眼封堵效果。

(2)由于运移过程中相互缠绕，多个绳结式暂堵剂难以封堵多个孔眼，提高泵注排量或为绳结式暂堵剂包裹外壳，能够有效消除绳结式暂堵剂相互缠绕的问题，提高孔眼封堵效果。

(3)阵列环扫井下成像技术能够准确监测孔眼冲蚀面积，进而评价各孔进砂均匀程度。对比暂堵前、后孔眼冲蚀特征，证实绳结式暂堵剂能够有效封堵优势孔眼，提高段内均衡改造效果。