转向压裂暂堵剂的研究与应用进展

刘金栋,蒋建方*,褚占宇,闫琦睿,刘搏

[1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院,北京 102249]

暂堵剂是转向压裂技术中的核心材料,进入地层后可以暂时封堵原有裂缝,压裂过程中迫使压裂液流向其他方向从而产生新缝,压裂工作完成后,暂堵剂解堵恢复地层渗透率。近年来,暂堵剂的相关研究取得了较大进展,但绝大多数暂堵剂是针对某些特定工况或为解决特定油田增产难题而发明。关于暂堵剂的综述仅罗列以往的文献以及成果,缺少科学的分析。

笔者运用统计的方法对近30年来的暂堵剂相关文献进行了研究,按照形态外观分类,梳理统计各种暂堵剂的现场应用情况,分析了使用条件与优缺点,探讨了暂堵剂未来的发展方向。

1 文献调研与统计

将暂堵剂按照外观分类为暂堵球、颗粒型暂堵剂、纤维型暂堵剂、凝胶型暂堵剂,以及新型暂堵剂。其中新型暂堵剂按照形态又可以分为绒囊型暂堵剂、泡沫暂堵剂等。

1)分析比较每种暂堵剂研究文献的数量,反映近30年来暂堵剂的研究发展情况。

2)统计分析比较得出近30年来石油行业内暂堵剂的研究重心与机理研究和产品创新的关系。

3)根据油田现场施工状况,设置封堵强度、储层伤害率、封堵效率、抗温抗盐性能、经济性、裂缝适配性6个评价指标,其中储层伤害率指标,数值越高,对储层伤害越大。

2 研究与应用状况

2.1 相关文献统计

1)近年来,颗粒型暂堵剂相关文献最多,表明颗粒型暂堵剂已经成为油田现场施工中最常用的暂堵剂。暂堵球多用于层间转向,基本不用于缝内转向。纤维暂堵剂与凝胶型暂堵剂的研究数量较多,是目前压裂转向中的主流暂堵剂(见表1)。其中,技术优化类文献主要包括暂堵过程中裂缝与暂堵剂匹配方法的优化与工艺流程的优化等。

表1 文献分类统计

2)聚焦暂堵球、颗粒型、纤维型、凝胶型4种经典的暂堵剂相关文献分析见图1。由图1可以看出,4种暂堵剂中,颗粒型暂堵剂一直是研究热点,在近30年的研究中占比最高。对于暂堵剂的机理研究普遍不足,凝胶型暂堵剂机理研究的文献仅占比35%,近年作为暂堵剂热门的颗粒型暂堵剂的机理研究类文章也不足50%。暂堵球体积较大,其暂堵机理的研究早期集中在地层中的受力[1]与力学方程[2]中,随着计算机技术成熟,数值模拟法开始被用于机理研究[3]。颗粒暂堵剂大多数为刚性颗粒暂堵,对其封堵机理的研究从对三分之一架桥原则的优化[4]到物理模型模拟实验[5]再到CFD-DEM耦合研究运移规律[6],其研究机理方法有了较大发展。纤维暂堵剂的机理分为“架桥”作用、充填嵌入、渗滤压实3种[7],可视化实验装置的应用使得纤维暂堵剂的机理研究更加热门[8]。

图1 暂堵剂文献的内容比例

近年来各种暂堵剂的创新产品占比较高,但绝大多数是为了适应某种特定油层环境而设计的,所以尽管产品创新数量较多,但普适性差,难以广泛推广。

2.2 暂堵剂现场应用状况

将不同种类的暂堵剂按照封堵强度、储层伤害率、封堵效率、抗温抗盐性能、经济性、裂缝适配性6个评价指标进行统计,利用堆叠条形统计图反映。现结合图2对每种暂堵剂实际应用状况进行分析。

图2 暂堵剂各项性能比较

2.2.1 暂堵球

1)暂堵球具有较好的封堵强度和抗温抗盐性能,但它对于储层的伤害较大。这是由于起初暂堵球主要采用橡胶、塑料等材料制成,压裂完成后不易被排出地层,容易造成堵塞。使用新型可降解材料研制的暂堵球可以减少对地层的伤害。管彬等[9]将对苯二甲酸和乙二醇利用酯化反应聚合成共聚酯,经过熔融纺丝后加入三氯化铁和多聚甲醛,后进一步加工形成一种可降解暂堵球。施工结束后,该暂堵球在地层高温下自行水解成水溶性的酸与醇并随其他液体排出,操作简单且可以清洁地层。

2)由于射孔孔眼的不规则性,导致传统圆形暂堵球很难实现理想封堵,封堵效率不高。改变暂堵球的形状以适应不规则的射孔,可以有效提高暂堵球的封堵效率。蔡灿等[10]研制出一种由外壳和球芯组成的双层结构的异形暂堵球,包括橄榄球形、圆台形、子弹形等。异形暂堵球更易于进入不规则射孔且进入位置深,力学性质好不易脱落,可有效提高暂堵球的适应性与密封性。

2.2.2 颗粒暂堵剂

颗粒型暂堵剂是目前最常用的转向暂堵剂,其封堵强度强、抗温抗盐性能好,经济性与对裂缝尺寸的适配性优良,但封堵效率一般。这是因为大多数颗粒暂堵剂是靠刚性颗粒填充裂缝完成封堵,抗压强度高,但封堵不够致密,对颗粒间的微小孔隙封堵效果差。实际应用时需要将粒径与地层裂缝匹配,或多种尺寸颗粒一起使用,减小颗粒封堵空隙。姜必武等[11]利用松香、石英砂为原料,利用沥青使之成形,再加入粉陶调节导流能力,加入石英砂增加强度。该暂堵剂具有较好的溶解性、配伍性。

由于颗粒暂堵剂间孔隙较大不能形成致密的封堵层,更多的将颗粒与纤维混用,组合成复合暂堵剂提高封堵效果,或使用膨胀型颗粒,进入裂缝后变形填充孔隙封堵。

2.2.3 纤维暂堵剂

纤维暂堵剂易弯曲变形、比重小,有较好的柔韧性,常用于含有天然裂缝或孔洞发育的碳酸盐储层酸压作业中。纤维暂堵剂对裂缝的适配性差,封堵强度与抗温抗盐能力不强,但因其易溶解返排,对储层伤害较小。

张军[12]将超细碳酸钙与植物纤维混合制备了纤维暂堵剂,其暂堵率可达99%以上,酸化返排率可达80%,用量少且暂堵范围宽。陈明慧等[13]将变形纤维与高强度刚性纤维并丝形成纤维束并打结处理,将两端流苏状纤维束浸渍,研制出两端呈流苏状暂堵剂。独特的流苏状设计可以取代“架桥”的过程,大大降低了施工时间与成本,提高了封堵效率。

纤维型暂堵剂目前已被广泛应用,但仍面临储层高温高压下承压强度不足的问题,且纤维暂堵剂封堵范围窄,现场应用中对裂缝的匹配方法需要进一步完善。

2.2.4 凝胶型暂堵剂

凝胶型暂堵剂封堵强度高,封堵效率高,对储层伤害也相对较小,能适应多种裂缝,但常用暂堵剂为黏性与溶解性能良好的丙烯酰胺类暂堵剂,耐矿化度与耐温性能较差。但由于其造粒过程较为复杂,所以对不同地区的经济适用性较差。

通过改良凝胶暂堵剂配方或引进新的材料,可以有效提高凝胶暂堵剂的抗温抗盐性能。赵文锦等[14]以丙烯酰胺和丙烯酸为原料,结合微流体技术与物理包覆方法,研制出一款感温型暂堵剂凝胶颗粒随温度升高,吸水速率和吸水倍率逐渐增大,以此可以起到延迟吸胀的效果。徐昆等[15]基于超分子化学理论研制了一种DMF新型超分子暂堵剂。该超分子暂堵剂常温下为液体,黏度与水近似,具有形态随温度改变的特性。

凝胶暂堵剂的主要材料是酚醛凝胶、丙烯酰胺及其改性产品,高温高盐度环境下易降解,耐温抗盐性较差。

2.2.5 新型暂堵剂

新型暂堵剂在封堵机理与形态上与常规暂堵剂有很大不同,如绒囊型暂堵剂封堵机理与颗粒暂堵剂相似,但不同于常规颗粒,其结构较为复杂。泡沫暂堵剂与常规暂堵剂则是在封堵机理上有本质区别。

1)绒囊型暂堵剂。绒囊工作液是一种内部有气囊,外部包裹着绒毛的气囊状材料,一般以流体形式存在。从“一芯两层三膜”的微观结构(图3)可以看出,绒囊核心称为“空气核”,由内到外依次为高黏度水层、表面张力降低膜、高黏度水层固定膜、水溶性改性膜,最外层为聚合物和表面活性剂浓度过渡层[16]。

图3 绒囊工作液结构

绒囊型工作流体密度和粒度分布范围广,能适应不同形状下的漏失通道。蒋建方等[17]将绒囊型暂堵剂注入碳酸盐岩岩心后韧性提高,桥堵承压能力增强并可以承受130 ℃的高温,应用于碳酸盐岩储层的油井后,增产效果显著。

绒囊型暂堵剂基于模糊理论的提出而诞生,对于无法准确预测的漏失通道的封堵上具有极高的广泛性与适用性,为重复压裂暂堵提供了新手段与新思路,但是对于定量的计算工作需要进一步研究,对于新材料也需要进行进一步优选。

2)泡沫暂堵剂。泡沫暂堵剂一般主要由起泡剂和稳泡剂组成。主要封堵原理是泡沫的“贾敏效应”。泡沫进入低地层后,由于“贾敏效应”,在孔道内形成气锁现象,随着气锁现象的叠加,层层气泡堆积成横放的金字塔形状,实现封堵[18]。由于泡沫暂堵剂的表面活性剂优先吸附在油水界面上,所以在含油饱和度高的环境下,泡沫气-液表面合并,泡沫破坏。由于这种特性,泡沫暂堵剂在进入地层后,首先进入渗透性好的大孔道,随注入增加流动阻力增大,泡沫进入含油饱和度更高的小孔道,泡沫被破坏,实现了堵水不堵油的效果。

钟双飞等[19]将泡沫暂堵剂应用于酸化暂堵中,选用阴离子起泡剂发泡,对砂岩岩心进行酸化,证实泡沫暂堵剂可以均匀布酸提高吸酸剖面,均匀改善各层渗透率。郎宝山等[20]将凝胶与泡沫结合,研制出氮气泡沫凝胶复合暂堵剂,该暂堵剂具有调剖性能好,地层伤害小等优点。贾虎等[21]借鉴泡沫凝胶在堵水领域的应用,研制了一种双交联型泡沫凝胶暂堵剂,可以自适应不同孔尺寸进行暂堵,凝胶体系稳定时间也从1 d延长到了10 d以上。除此以外,双交联型泡沫凝胶抗剪切性更好,其高弹、低黏的特征也更利于泵入与后期的返排解堵。

泡沫暂堵剂具有堵水不堵油、滤失少,快速转向等良好性能,但高温环境下稳定性较差,且抗压能力差。此外泡沫的制备限定了现场需配备起泡设备,增加了施工成本。

3 结束语

目前颗粒暂堵剂应用范围最广,纤维暂堵剂、暂堵球与凝胶暂堵剂是主流暂堵剂,新型暂堵剂尚未得到广泛应用。暂堵机理的研究较少,多数停留在可视化实验与数值模拟层面,缺少对暂堵材料与暂堵过程微观机理研究。大多数暂堵剂都是针对某一特定油田、特定工况研制,普适性不强,难以广泛推广。

暂堵材料由于自身性质等原因在实际应用中不可避免地存在不足,但合理选择暂堵剂,针对实际工况将不同种类暂堵剂复合使用可以取得更好效果。例如将纤维暂堵剂与颗粒暂堵剂复合使用可以克服纤维暂堵剂强度不够、颗粒暂堵剂封堵不致密的缺点;凝胶暂堵剂与泡沫暂堵剂结合可以使暂堵体系更加稳定且分布密集;超分子材料的引进可以使暂堵剂获得更加优越的性能。

未来暂堵剂的发展方向应该朝着施工操作简单、封堵性能优异、经济环保、泛用性强的方向发展。通过结合不同暂堵剂的特点,形成新的复合型暂堵剂,促进多学科交叉融合,引进新型材料,创新暂堵理论,研制更加稳定、高效、经济、环保的暂堵材料。