可降解绳结暂堵剂性能评价及应用

刘 威，贾振福，陈 恒

（1.中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006；2.重庆科技学院化学化工学院，重庆 401331；3.四川申和新材料科技有限公司，四川成都 610599）

水平井密切割多簇孔眼暂堵压裂过程中，通常采用颗粒暂堵剂、纤维、暂堵球等封堵材料复合封堵簇间孔眼来实现射孔簇均匀开启，提高各簇裂缝进液效率和作业效率[1-4]。颗粒暂堵剂或纤维等材料复配孔眼暂堵工艺简单，是目前应用最为广泛的一种暂堵方法，但暂堵材料在射孔孔眼只是简单的物理随机堆积，无法确定暂堵厚度和暂堵位置，在重新开泵压裂过程中会冲刷暂堵材料，破坏暂堵层，造成暂堵失效[5-7]。采用暂堵球封堵孔眼时，随着压裂支撑剂对圆形孔眼冲蚀，导致孔眼不规则，暂堵球无法完全封堵形状与尺寸不规则的炮眼，同时暂堵球受排量、液体黏度影响较大，在井筒压力降低后易脱落，影响暂堵效果。此外，通过暂堵颗粒和暂堵球来进行复合暂堵使用，用量大，成本高，但暂堵效果仍然有限[8-10]。目前国内对绳结暂堵剂室内和现场应用研究相对较少[11-15]。为此，采用高强度柔性可降解聚乳酸材料制备了一种绳结暂堵剂，并对其进行了性能评价。结果表明，其降解性能和承压性能满足压裂施工要求，5 口井现场试验应用效果良好。

1 绳结暂堵剂制备工艺及孔眼封堵原理

1.1 绳结暂堵剂制备工艺

绳结暂堵剂是由绳结和尾翼两部分组成，中间主体绳结为单结、八字结或中国结，尾翼为两条呈对称结构，尾翼细丝全部散开呈流苏状。绳结暂堵剂选用聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸高强度可降解材料，具有较好的溶解能力和较高的承压能力。通过调整绳结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[11-12，14]。

制备方法为：

（1）以聚乳酸材料、可降解树脂为原料，按照一定比例混合干燥后经过熔融纺丝，冷却后进行上油、牵伸、卷绕处理，得到600 D 的纤维细丝；

（2）纤维细丝通过纺织机加捻并丝形成1 500 D 纤维复合线，利用编织机对生产的纤维复合线进行8 股编织，制作出0.8 mm 的纤维细线；

（3）将纤维细线按照8 股、16 股编织成为纤维绳；根据不同尺寸绳结大小，选择单股或多股纤维绳混合编织成为字结状的绳结式结构，并将绳结两端尾翼打散，烘干即可制成绳结暂堵剂。

1.2 绳结暂堵剂孔眼封堵原理

（1）导流入孔。绳结暂堵剂的两侧尾翼细丝作为导流端，遇液体后形成水化层易分散展开，提高暂堵剂在液体中的悬浮性，有利于产生较高的拖拽力，从而促使一侧尾翼细丝极易进入射孔孔眼。

（2）弹性变形，自适应封堵孔眼。随着尾翼进入孔眼，绳结主体在井底压差的作用下可发生压缩变形，座封于孔眼处，对于不同程度冲蚀的射孔孔眼均具有较强的自适应性。未进入孔眼的尾翼通过“孔眼流量再补充效应”对冲蚀射孔孔眼形成二次封堵，进一步提升绳结暂堵剂封堵效果。

（3）提高封堵承压能力。绳结暂堵剂本身字结状结构促使纤维绳有更多的交叉和更多的“扭转波动”，在井底压差下，纤维绳通过“摩擦自锁”促使绳结暂堵剂结构稳定性更强，提高了封堵承压能力[16]。

2 绳结暂堵剂性能评价

绳结暂堵剂的降解、承压性能是否满足孔眼封堵的需要是绳结暂堵剂最为关键的性能指标。因此，主要从以下两方面进行绳结暂堵剂性能评价：（1）降解性能，合理的降解性能是现场施工成功的关键需求，又是后期解除孔眼堵塞的关键因素。（2）承压性能，较大的承压强度可以大幅度提高封堵成功率。

2.1 基础性能

优选聚乳酸材料制备绳结暂堵剂，该材料具有吸水膨胀可变形和高强度特点，满足降解、承压要求，其基础性能见表1。

表1 绳结暂堵剂基础性能

2.2 绳结暂堵剂降解性能

将18 mm 绳结暂堵剂样品浸泡于清水、聚合物滑溜水中进行降解实验（图1～图4），模拟地层温度为90 ℃，经过一定时间后取出烘干，通过失重法测试样品的降解率。室内实验表明绳结暂堵剂溶解后均形成基本澄清的溶液。在模拟地层温度90 ℃下，绳结暂堵剂在不同液体中的溶解时间快慢为：滑溜水＞清水；绳结暂堵剂溶解是两端尾翼优先开始降解，绳结暂堵剂26 h 降解率可达100%。绳结暂堵剂降解完全后无肉眼可见的颗粒状物，即水不溶物均极少，没有任何沉淀絮凝产生，说明绳结暂堵剂水溶物与不同液体配伍性良好。因此，进入井筒封堵孔眼的绳结暂堵剂在地层条件下溶解于压裂液中，在压裂施工完成后失去封堵作用，不会给返排或解堵带来困难。

图1 90 ℃条件下绳结暂堵剂清水降解评价实验结果

图2 90 ℃条件下绳结暂堵剂清水降解状态

图3 90 ℃条件下绳结暂堵剂聚合物滑溜水降解评价实验结果

图4 90 ℃条件下绳结暂堵剂聚合物滑溜水降解状态

2.3 绳结暂堵剂静态承压性能

采用模拟射孔孔眼直径为8 mm 的球座装置，球座内孔径10°倒角，绳结暂堵剂座封于球座上，球座外部通过保温套加热至90 ℃保温2 h，测试过程中逐步增加压力，压力从15、20、25 MPa 等以5 MPa 递增逐级加压，每级加压稳定3 min，以打压压力突然降低10%以上为承压强度的判定依据，该压力即为绳结暂堵剂承压强度（图5）。绳结暂堵剂的承压能力受绳结直径和球座孔径的影响，测试了不同尺寸绳结暂堵剂在固定孔径球座上的承压能力。

图5 绳结暂堵剂承压装置示意

不同直径绳结暂堵剂承压实验结果见图6。从图6 可以看出，随着绳结暂堵剂直径增加，其承压能力大幅度增加，绳结暂堵剂直径在18 mm 以上时，可满足120 min 承压50 MPa（图7），绳结暂堵剂直径在15 mm 时，可承压35 MPa，绳结暂堵剂直径在13 mm和11 mm 时承压较低，分别为25 MPa 和12 MPa。

图6 不同直径绳结暂堵剂90 ℃条件下清水承压评价实验结果

图7 直径18 mm 绳结暂堵剂承压测试曲线

3 关键工艺参数及投加方法

与常规暂堵球相比，绳结暂堵剂尾翼细丝随压裂液穿过孔眼，有效封堵圆形或不规则形状的孔眼，避免因压力降低而造成脱落，井筒内压力越高，绳结越紧，封堵性能越好。基于国内外暂堵压裂技术研究成果，结合现场实际，确定了绳结暂堵剂尺寸及用量、泵送排量、投加方法。

3.1 尺寸及用量

绳结暂堵剂的尺寸根据射孔孔眼设计，射孔孔眼在压裂过程中受支撑剂冲蚀产生扩径，根据井下成像监测，采用下式确定绳结暂堵剂直径与孔眼的直径关系[15]：

式中：D-绳结暂堵剂直径，mm；Dp-射孔孔眼直径，mm。

绳结暂堵剂投入是为了封堵已进液孔眼，因此，投加数量与暂堵孔眼数量成正比，一般绳结暂堵剂投加数量与需要暂堵孔眼数的关系为：

式中：N-绳结暂堵剂个数；Np-暂堵孔眼数。

3.2 泵送排量

绳结暂堵剂有效封堵需要一定排量，排量过低，易在管线内产生堆积现象，孔眼内负压低，绳结暂堵剂不易座封；排量过高，绳结暂堵剂由于惯性易越过孔眼，影响座封效率。基于室内模拟和矿场经验，设计泵送排量为4.0～6.0 m3/min[10，14]。

3.3 投加方法

绳结暂堵剂由于形状不规则，数量较多时易于相互缠绕，降低绳结暂堵剂封堵效果，为此采用可溶解球壳包裹绳结暂堵剂，采用在压裂主管线+旋塞阀+压裂短节方式投加（图8）。球壳包裹的绳结暂堵剂在一定排量下进入管线后，通过与压裂管线或井筒管道的强力碰撞，球壳打开，释放绳结暂堵剂，可实现绳结暂堵剂分批次进入管线和水平段孔眼，大大提高绳结暂堵剂封堵效果。

4 现场应用及效果

绳结暂堵转向技术在东胜、大牛地致密气区块水平井密切割多簇压裂中累计应用5 井次12 段，施工成功率100%，暂堵升压3.1～9.3 MPa，平均暂堵升压4.9 MPa，与暂堵球平均暂堵升压1.0 MPa 相比，暂堵升压效果提升明显（表2）。

表2 绳结暂堵剂与暂堵球暂堵效果对比

其中J30-6-PX 采用密切割多簇压裂，目的层温度89.6 ℃，第4 段，射孔枪型73 枪，射孔3 簇，每簇长度0.8 m，孔密为16 孔/米，相位角60°，射孔孔径7.0 mm，射孔数36 孔。本次暂堵采用直径为18 mm 绳结暂堵剂进行暂堵，预计封堵24孔，绳结暂堵剂个数为1.1 倍暂堵孔眼个数，即1.1×24＝27 个。在整个压裂施工中期阶段停泵后采用旋塞阀投送装置将球壳式绳结暂堵剂以排量2.5 m3/min 投放入井，然后提排量至5.0 m3/min 进行绳结暂堵剂泵送，绳结暂堵剂达到射孔孔眼后，压力上涨9.3 MPa（图9），暂堵前后在相同排量8.1 m3/min下，暂堵后施工平均压力比暂堵前高约3.0 MPa，说明绳结暂堵剂起到很好封堵效果，开启更高应力储层。

图9 试验井绳结暂堵压裂施工曲线

5 结论与建议

（1）以聚乳酸材料、可降解树脂为原料制备了一种绳结暂堵剂，在模拟地层温度90 ℃条件下，在26 h内完全溶解，18 mm 以上绳结暂堵剂承压能力达到50 MPa，满足现场施工需要。

（2）绳结暂堵剂可以实现压裂段孔眼的有效封堵，绳结暂堵剂直径、加入量、泵送排量目前均处于摸索阶段，应通过室内实验和现场试验进一步合理优化。

（3）现场试验结果表明，与暂堵球相比，绳结暂堵剂孔眼暂堵升压效果明显，可大规模推广应用。