油气储层用化学封堵材料性能室内评价方法发展方向

常启帆 郑力会 宇文昔涵 黄小伟 朱方辉 李曜轩

摘要：目前油气井储层封堵材料室内评价多以承压能力和储层保护能力为主，并以其作为入井依据。但随着技术进步和社会发展，只满足作业需求的某一项或几项指标，无法投入现场试用或应用，导致需要重复检测、评价，造成投入应用时间长，成功率低。从1 000 余篇国内外油气井安全性、储层保护和环境保护等相关主题词的文献中，发现封得住、稳得起、流得出、过得关和用得起等5 项投入应用的性能指标需要检测，并以此为依据将检测方法分为5 类。引入大数据思想分析应用成功率与测试指标数量的关系、投入应用时间与测试指标数量的关系发现，评价5 类指标比评价单一指标的材料应用成功率最多高62%。5 类评价方法项全部完成增加室内工作时间但投入应用的时间最多可节约77%。结果表明，封堵材料应用前评价5 类指标，解决了封堵材料投入应用的时间长、效率低难题，不仅为储层封堵材料投入现场应用提供评价指标和检测方法，还为其他井筒作业材料提供了可借鉴的评价手段。

关键词：非常规油气；工程技术；封堵；材料；大数据；储层伤害；环保；安全

中图分类号：TE39 文献标识码： A

0 引言

石油天然气钻井、完井、修井、储层改造和提高采油率等作业过程中，储层封堵保障作业安全，防止储层伤害，至关重要。随着勘探开发深入，地层压力、油藏环境发生变化，越来越多工程作业需要作业前封堵储层，以提高承受井筒的液柱压力保证为作业提供安全环境，或改变工作流体的流动方向实现提高油气采收率的目的。

根据不同的作业环节，封堵可分为钻井封堵、修井封堵等，也可以根据解决问题的现象分为漏失封堵、大通道转向封堵等。不管哪一种封堵，都需要合适的封堵材料［1］。封堵材料有金属的如套管、膨胀管等，也有非金属的如聚氨酯［2］、水泥［3］、凝胶［4］等。其中化学封堵材料因其封堵快速、可解堵等性能在封堵中占主导地位，因此，对其研究形成的理论、方法和工艺也较多［5］。

但是，由于应用的场景不同，需要不同的评价方法和性能指标，出现了多种测试方法。这些方法中，最基本的性能指标是承压能力和可控的稳定时间。如果不需要恢复进入地层的渗流通道，则不需要储层伤害控制能力评价。

目前，环境保护列为我国的一项基本国策，材料在安全环保方面的性能也日益强化，安全环保成为化学封堵材料的核心性能指标之一。同时，油田开采难度日益越大，操作成本不断增加，需要高性价比的封堵材料也是共同愿望。但是，由于用户和材料提供者信息获取和掌握方面不同步，导致信息滞后和应用前信息不完整，部分指标缺失无法满足需求。这些内部信息不对称导致决策不一致，材料供应者多次反复进行评价测试，影响研发者试用机会，导致材料投入应用时间长。特别是新开发的封堵材料，需要评价指标的完整性，更需要明确的评价内容。在投入试用前，由于不能完整地评价所用材料的性能指标，往往反复补充测试，不仅延长了投入应用的时间，有时还因为某些指标不合适或没有测试增加了失败的概率，或因为时间长造成材料效能下降。所以，急需评价方法的系统化、完整化，以降低应用的周期，提高应用的成功率。

为解决现有评价指标不全面的问题，首先调研了用于封堵材料室内评价所用的设备或仪器。堵漏仪、堵漏模拟装置和高温高压裂缝封堵装置是最常用的承压能力测试设备［6］。常见的模拟漏失通道介质包括天然岩心、钢制裂缝模板和砂床。

测试时，将一定浓度和粒径级配的封堵材料加入装置中，封堵材料通过模拟漏失通道时形成封堵层。然后用未加封堵材料的修井液对封堵层加压，如封堵层在加压过程中破裂，出口端有流体泄漏，则该压力为封堵突破压力，以此评估封堵层的承压能力。封堵承压能力的评价指标包括注入压力、封堵突破压力、漏失量、封堵位置及微观结构形态等，用于分析封堵层的承压能力、致密性和封堵机制等。更复杂的测试还有控制测试温度、围压等，以模拟地层条件。

封堵层不仅承受正向液柱压力和激动压力，还承受反向地层流体压力和液柱抽吸压力。为防止地层流体漏入井筒发生溢流、井喷造成人员伤害、环境受损和经济损失，要求封堵层不但具有一定的正向承压强度，也要具有较长的反向承压时间，以维持井下作业安全性。所以，室内测试是一个十分复杂的话题，既要模拟材料应用场景，又要注重通用性。

因此，首先形成测试指标，然后提出相应的评价方法，再引入大数据理念寻找成功率和投入应用时间的主控因素及方法，为储层封堵提供材料、工艺优选依据，也为管理和经营提供目标和手段，为用户提质增效提供技术支持。

1 封堵材料性能评价方法

调研国内外文献数据库中1 000 多篇文献，发现完整的封堵材料，应该具备封得住、稳得起、流得出、过得关和用得起等“五得性能”。

封得住，是封堵材料能够阻止流体进入地层通道的性能，指封堵材料能够保证井筒中的流体不能自由流入地层。在现场，井筒流体静止时在井口能看到流体，流动时流入井筒的量和流出的量相当，表明地层封堵成功。室内测试时，入口压力大于出口压力时，没有流体流出，则表示封堵成功。

稳得起，是封堵成功后在一定时间内压力不发生变化的性能，指封堵成功后能够承受压力一段时间。在现场，一定时间内井筒流体静止时井口的流体不降低或者流体循环一定时间依然保证进入井筒流体和流出的流体相当，就表示封堵材料封堵稳定。室内测试时，入口的压力和出口的压力差不变，一定时间则表示稳定。

流得出，一方面是封堵材料能够自己解堵，另一方面是地层流体在作业完成后能够流入井筒，是指作业结束后，通过人工解堵或自降解使油气流动通道通畅。现场表达的方式很多，如井下作业前后的产量相当、表皮因数小、污染半径小等很多表达方法。室内通常用渗透率恢复值表征，实质是压力流量的折算值。

过得关，是材料在生产、运输、贮藏、使用和废弃过程中对环境无害，指封堵材料无毒无害整个过程以及运输保存符合化学品安全标准。一般情况下，测试生物毒性、可降解性以及可排放性。现场和室内测试的方法相同。

用得起，是从投入产出的角度看，用户有效益，指和油气井产出量相匹配的材料价格。不仅仅是封堵材料的价格，还包括材料在应用时需要特殊作业的配套工艺所负担的费用。室内评价时要根据现场发生的费用计算。

有了性能指标，与之相对应的是这些性能指标的测试方法。因此，也依据五得性能，将化学封堵材料的性能评价方法分成封得住、稳得起、流得出、过得关和用得起等5 类方法。

1.1 材料封得住的性能评价方法

封得住的测量参数是封堵的压力和流量。在一定流量下，进出口两端压力差即是材料是否封得住的参数。同样，进出口压力不变的情况下，流体流过封堵对象的体积，也是评价指标。因此，材料是否封得住，与封堵对象有关，也与封堵材料的性能有关。

1.1.1 模拟储层尺度测试方法

API 标准虽然提出了对比材料之间封堵能力的方法，但目前多数室内评价者都有自己对接现场应用场景以满足工程需要的评价方法。用以模拟现场应用场景的常规储层模拟设备主要是放置直径25、38 mm 岩样的岩心夹持器，除了桥堵材料和评价用的50 mm 模具外筒外，一般不能模拟注入过程，这就不能模拟封堵材料能不能注入井筒。为研究封堵材料泵入井筒的过程，建立直径25、38、50、75、100mm 钢制裂缝岩心封堵评价系统，通过更换夹持器特别是大尺寸管线，避免封堵材料堵塞管线造成封堵压力不可信，实现任意粒径颗粒材料评价。

如图1 所示，夹持器与其配套的带缝岩心柱塞最大直径为100 mm，其造缝的长度和深度能够很好体现封堵材料的封堵状况，同时，宽度是较大的楔形缝，也会形成较好的梯度；管线的内径与常规不同，封堵材料经过的管线都使用25 mm 的管线，保证大粒径材料顺利通过；采用模块式设计，可以研究不同直径的岩心和不同尺度的裂缝影响压力和流量的程度；采用气泵和压力容器以及恒速恒压泵，稳定了压力或者流量。

在实际应用中，该评价系统成功测试了鄂尔多斯碳酸盐岩修井用超大颗粒封堵效果和压裂用封堵射孔孔眼材料的封堵性能。

1.1.2 模拟封堵对象形态测试方法

封堵对象不同，封堵材料的封堵机理也有差异，所用的方法更需要区别对待。封堵材料的承压能力与封堵对象、材料、输送载体有关，更与封堵要求的目标有关。裂缝一般通过金属缝板、人造岩心与陶瓷砂盘［7］制作，优点在于易重复制作，均质性强，岩心间的差异对封堵材料影响较小，适合封堵材料的研发阶段。填砂管装填时人为可控性强，可模拟地层中的高渗低渗等非均质特性。

模拟封堵裂缝时通常利用人造裂缝岩心实现宽度1～2 mm 裂缝封堵问题模拟。加工岩心扩展贯穿型裂缝可模拟地层通道中暂堵对象的结构。Wang等2022 年使用裂缝宽度为0.71～1.36 mm 的岩心模拟裂缝性地层，记录不同封堵阶段岩心渗透率以评价其总体封堵效果［8］。

模拟封堵孔隙通道时通常利用填砂（砂床、填砂管）、陶瓷砂盘、天然或人造岩心作为模具模拟地下孔隙型地层。

马超等使用填砂管模拟地层，检测冻胶的气密性［9］。选择填砂管是因为，填砂管在装填过程中，可人为调节装填的紧密程度，操作简单，但由于人工填充使用的压力不同，压实程度差异较大，需要填充多个渗透率相似的填砂管时，可重复性差，并可能存在填充不均匀导致的填砂管非均质性强的情况。

张宗伟等用人造岩心柱塞模拟地层，测试静置前后绒囊封堵剂的承压性能，评价该体系封堵稳定性随时间的变化［10］。

王晓军等选用不同渗透率的陶瓷砂盘作为渗滤介质，解决了高温高压下封堵效果测试问题［11］。均匀搅拌的水泥砂浆和陶瓷砂浆形成的模具均质性强，易于重复制作。

于军泉等分别测试质量分数为4% 共聚物溶液和4% 盐水溶液驱替天然页岩岩心的实验，通过检测入口压力的增加情况间接反映水分渗入量评价封堵能力［12］。李建伟等使用塔北地区储层岩心进行岩心滤失实验，以凝胶滤失量评价承压能力［13］。使用真实岩心是期望能更好地反映实际地层的通道情况，但一般取至地面的岩心物性和地下原始状态差异较大。地层露头差距更大。

1.1.3 模拟封堵材料体系测试方法

封堵承压能力除了与封堵对象的特征相关外，还与流体的特征有关。为确保所选封堵材料能够进入目标通道，需要评价承载封堵材料的流动介质。研究人员将材料分为自身具备载体性质的封堵材料与自身不具备载体能力的封堵材料两类。

自身具备载体性质即自身能直接满足“泵”、“送”要求，通常直接驱替测试模拟封堵对象，获得压力和流量即可。以压力为评价指标，采用正向驱替封堵材料，记录入口驱压随时间的变化；以流量为评价指标，采用相同流速进行稳定驱替，记录不同材料承压起效时间；综合考虑压力和流量评价指标，需同时测定出入口压力和出口端流量。常见自身具备载体性质的材料包括氯化钾溶液、低固相聚合物钻井液、绒囊流体等。此外，也有将自身具备载体性质的材料与其他流体混合后再进行评价的方法，如廖奉武将亚微米封堵剂加入清水，监测岩心压力变化评价封堵性能［14］。但该方法测试的性能会受到两者的混合比例影响。

不具备自身输送能力的封堵材料常用评价方法是与其他具有悬浮性流体混合，因此在测试前需要先评价悬浮性能、流动性能和抗压强度等。常见的不具备自身输送能力的封堵材料主要包括颗粒类、纤维类材料。将此类材料与聚合物溶液、高分子溶液等具备携带能力材料混合后进行测试评价。测试混合流体能更有效反映实际应用中性能表现，但这种性能表现既包含材料也包含流体，不利于单独评价材料，需要单独测试载体的承压能力。

也有直接使用材料驱替测试，如杜征鸿等将固体纳米封堵剂驱替天然页岩岩心，以驱替压力穿透岩心时间评价封堵性能［15］。但有时存在驱替不到位的问题。Jia 等在人工裂缝钢芯容器中加入纳米复合凝胶的初始溶液，加热凝胶完全凝固后，再开始驱替观察凝胶损失和压降［16］。这显然与现场施工有一定差距。

1.2 承压稳得起的参数评价方法

封堵材料保持井筒安全的时间反映了材料承压稳定性能。通常情况下，封堵材料会受到来自封堵层位以浅井筒液柱正向压力、地层油气的负向压力、环境温度导致的材料封堵性能变化以及压力波动的影响。因此，测试承压稳定性的方法一般不考虑环境，考虑现场应用则要考虑封堵的环境条件。

1.2.1 模拟封堵材料承受液柱压力作用时间测试方法

储层封堵材料为构建安全井筒环境需要将井筒填满流体，以形成易观察、易控制的作业环境。因此需要封堵材料具备一定的承压能力。

评价封堵材料双向承压能力常用方法是通过正注后反向驱替，测试承压能力。郑力会等用氮气反驱岩心，记录反驱压力和气体流量，用于评价封堵稳定时间，模拟液柱作用和地层流体的作用［17］。Jia 等用氮气反向驱替岩心，记录岩心伤害率与返排时间关系评估封堵承压时间和返排后渗透率恢复情况［18］。后郑力会等改良常规的封堵材料评价仪器，通过调节回压、围压和驱压，在不同回压、相同驱替压差条件下测试材料封堵能力，结果显示实际封堵过程考虑地层能量优化封堵材料封堵稳定性是合适的［19］。

1.2.2 模拟封堵材料承受环境作用时间测试方法

天然气井储层比油水井封堵情况更复杂的原因是天然气存在。封堵材料在封堵通道中的稳定性还受到环境影响。在一定地下温度、压力和作业工序下，部分封堵材料的性能遭到破坏，因此稳定性评价需测试在实际作业环境参数下的承压能力变化。

Yan 等通过间歇性注入封堵剂，模拟井下条件下封堵剂承压稳定性，记录各驱替阶段封堵压力和出口处的滤失量［20］。刘峰等模拟现场注清水、注绒囊、返排清水、返排气体的工序过程，以不同驱替过程的压力差作为评价指标，评价绒囊修井液封堵性能［21］。许成元等考虑地层压力、温度变化和生产前解堵需求，提取堵漏材料性能参数，通过层次分析法系统评价材料，发现增加数据定量化计算更有利于各种条件下的材料选择［22］。可见室内不同作业参数测试时，模拟实际施工环境测试不可或缺。

封堵完成后，井筒内液柱压力会随地层能量补充及工序操作变化，承压性能也会随之变化。特别是储气库井，常伴随着同一井筒注采导致气井压力波动范围增大，需要通过周期性正反注入压力变化评价材料封堵后抵抗压力变化的能力。因此，建立在变压力条件下封堵材料承压能力的评价机制显得尤为重要。

廖奉武等2019 年用注入压力模拟钻井液井底压差，用经过封堵材料驱替后的填砂管测试封堵率随压力的变化情况，反映封堵材料抗高压的能力，以此评价封堵材料在变压力条件下的封堵性能［23］。变压力变时间会破坏稳定性，但封堵材料应对这种变化的能力尚没有明确的指标。

可见，封堵材料封堵成功后的稳定性通常通过时间和压力来确定。其主要测试方法是模拟井下实际条件来评估材料的稳定性。这些条件包括液柱压力、环境温度和地层压力变化等。测试重点在于材料在长期承受压力以及在非常态操作（如注采、压力波动） 下的性能表现。此外，环境因素对封堵材料性能的影响也被考虑在内。因此，全面的评估和测试是确保封堵材料有效性和可靠性的关键。

1.3 油气流得出的复产性能评价方法

室内大多以渗透率恢复值作为油气流得出的主要评价指标。理想的封堵材料在完成任务后，进入井筒，然后从井筒排出，避免残留材料影响储层产量。在现场，复产后井口压力和产能是评估储层作业后流得出的关键指标。因此，室内用渗透率、入口反向压力值和材料返出体积评价复产性能。

1.3.1 测试反向油气驱压差、流量或者渗透率方法

工作液侵入地层，如其性质与储层岩石、地下流体或者是地下环境不配伍，会造成绝对渗透率降低或者相对渗透率降低。

为评估封堵材料封堵后储层流体保护能力及预测现场产能恢复能力，采用测定封堵前后岩心的渗透率变化评价封堵材料对产能的影响，尽管都在用，但其与非均质地层契合度很低。

储层损害评价主要通过岩心流动实验，包括一般岩心流动实验和模拟井下条件的动态流动实验，依据室内测定渗透率变化判定储层损害程度。这些是把储层作为均质地层测试的。郑力会等测试各向非均质的破碎性储层的储层伤害程度时，室内引入流量法［24］模拟地层的产量，寻找流量损害率与渗透率损害率相等当量，称此时流量为等当流量，以解决地层非均质难题，特别是对多层开采的储层解决了不同储层的渗透率变化无法测试难题［19］。

沈云波等以氮气测量岩心在绒囊修井液作用前后的渗透率，评价储层伤害表征作业后油气是否流得出［25］。Jia 等测得原始渗透率后，使用纳米复合发泡凝胶正向加压，记录压力变化和流体滴出情况，以及反正流动实验，以研究渗透率恢复情况，评估修井液地层损害［26］。Zhang 等测试了固相影响地层岩心渗透率的程度，发现固相颗粒封堵岩心后的伤害率为13.8%～23.5%，由此提出控制固相颗粒含量的建议［27］。

党冰华在酸化中采用渗透率恢复变化评价天然气渗流通道微裂缝导流能力［28］。熊颖等采用天然和人工压裂两种岩心测试了凝胶溶液驱替前后岩心渗透率变化，以评价地层伤害程度［29］。虽然是通过有效渗透率下降值定量评价气藏储层伤害程度，但以上方法均是以渗透率差异作为储层伤害评价。

不同的产层，需要不同的测试方法，如煤层气需要考虑气体解吸、扩散和渗透等伤害，为此研制了解析扩散渗透伤害程度整体测试系统，如图2 所示，主要由气相色谱仪、氢气发生器、氧气发生器、岩心夹持器、手摇泵、气体容器等组成。

实验开始，由煤层岩心作为本次测试岩心，将直径25 mm（38 mm、50 mm） 岩心放入岩心夹持器中，利用手摇泵进行环压施压，夹持器出口端接气体流量器（检测出口流量大小） 与针形阀（可将出口端密封），岩心夹持器注入端接入氮气，利用氮气对煤层岩心进行饱和（出口流量与注入流量相同视为饱和），饱和完成后将入口氮气及出口流量计与针形阀关闭，使夹持器形成密封状态。

气体容器中装满2 L（气体容器的设计容量） 的氦气，将密封状态下的夹持器出口端与气体容器A 口连接，中间利用针形阀隔断避免饱和气体渗入，气体容器B 口与气相色谱仪连接。

完成后，将岩心夹持器与气体容器间的针形阀打开，使饱和气体与氦气混合，最后利用气相色谱仪对气体容器中的气体进行检测，通过色谱分析可得出氦气中的饱和气体保留时间和组分浓度等测试结果，实验结束。

需要注意的是，测试前要将氮气与氦气进行标定，将两种气体的浓度进行保存，以便后续测试。

测量过程中，调节压差测试解吸伤害，调节浓度差测试扩散伤害，等流量法测试渗透率伤害。然后用封堵材料封堵饱和后的岩心柱塞，再做一次解吸伤害、扩散伤害和渗透率伤害实验。这样就实现了整体评价煤层气封堵前后的产量伤害程度。

1.3.2 测试封堵材料返出的质量或者体积方法

暂堵使封堵材料在近井区域形成接近“0”渗透率的封堵带，避免固液进入储层。作业完成后，通过射孔、化学溶解和返排手段解堵，恢复油气流动。理想的储层封堵材料则是自动解除封堵。

室内实验正向封堵后，通过反向压力使材料返排，并测试其返排率，部分材料会进行化学处理后再测返排率。自然返排率和一定浓度盐酸处理后的酸洗返排率常用于评估储层保护效果。室内返排率测试时，用量筒测量流体型封堵材料体积，用天平称量固体型封堵材料质量，以对比封堵前后变化。

1.3.3 反向测试地层流体出口压力方法

封堵材料需确保作业结束后封堵层在储层压力下可返排。因此，要测定返排启动压力，确定恢复生产最小的生产压差。通常通过评估封堵材料在封堵裂缝或岩心后的反向承压能力来实现［30］。较低的启动压力值有助于快速恢复岩心渗透率至封堵前的数值。加压使封堵材料形成封堵层，然后反向驱替实验测定岩心渗透率恢复的启动压力。测试指标包括反向驱替压力、封堵层突破压力或渗透率达到初始值时的压力值。

刘雪峰等使用盐水模拟解堵，记录盐水反向驱替封堵后的岩心两端压差和流量与时间的关系，压差增加到一定值后骤降，同时出口流下第一滴液体时，记录此时压力为启动压力［31］。

1.4 毒性过得关环保指标评价方法

毒性作为环保主要指标之一，随着环保要求不断提升，成为油田施工现场测试重点。封堵材料应具备环境友好性，返出物需符合国家标准的生物毒性、生物降解性和重金属含量等要求。

1.4.1 测试封堵材料生物毒性指标方法

生物毒性评估了封堵材料影响生态环境的程度。根据Q/SY 17111—2019 标准，毒性等级分为剧毒、重毒、中毒、微毒和无毒，且定义了无毒的半数效应浓度，即EC50＞25 000 mg/L。

魏千盛等按照GB/T 15441—1995 标准，测定了一种页岩地层环保型纳米封堵剂生物毒性［32］。周井红等将遇水膨胀堵漏剂的固体样品在100 mL 水中热滚24 h 后，按照SY/T 6787—2010 标准评估生物毒性［33］。

1.4.2 测试封堵材料生物需氧量指标方法

生物降解性用于考察封堵材料长期影响周围环境程度。根据测试中有无游离氧存在，一般可将生物降解性评价方法分为好氧生物降解法和厌氧生物降解法两大类。

（1） 好氧生物降解法，是在游离氧存在的条件下，评估有机物被好氧微生物降解的难易程度。在有氧条件下，有机物的生物降解速率较快，能够在较短的时间内评估出有机物的生物降解性。

（2） 厌氧生物降解法，是指有机物降解法。有机物厌氧降解过程经历2 个阶段。第一阶段是高分子量有机化合物降解为低分子中间产物；第二阶段是中间产物进一步降解，最终生成甲烷和二氧化碳。

目前国际上比较通用的方法是通过BOD5/CODcr来表征工作液及材料的生物降解性。测定封堵剂可降解性时，BOD5（Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量） 的测定参照国家环境保护标准HJ 505—2009， CODcr（Dichromate Oxidizability， 化学需氧量） 的测定参照HJ 828—2017。通常测定生物降解性以BOD5/CODcr 的比值为指标。不小于0.05 为易降解，0.01～0.05 为较难降解，小于0.01 难降解。

1.4.3 测试封堵材料废弃物可排放指标方法

重金属是有害物质，可在生物体内累积，引发环境毒性。重金属测试一般使用分光光度计法，参照GB 15618—2018 和SY/T 6787—2010 标准执行。若所有测试的重金属浓度均低于世卫组织标准，则表明封堵剂及其返出物环保友好，无负面环境影响。

尽管有关环保的标准很多，但核心标准是GB8978—1996《污水综合排放标准》，其测试内容包括pH 值、色度、石油类含量、生化需氧量、悬浮物、挥发物、硫化物、磷酸盐、氰化物、氨氮、阴离子表面活性剂、氟化物等13 项，测试利用红外分光光度计法和固液分离法，相关指标可参考标准的同时，以当地要求而定。

最新的土壤和沉积物19 种金属元素总量的测定标准HJ 1315—2023 中，评估污水和污泥中的银（Ag）、砷（As）、钡（Ba）、铍（Be）、铋（Bi）、镉（Cd）、铬（Cr）、钴（Co）、铜（Cu）、锂（Li）、锰（Mn）、钼（Mo）、镍（Ni）、锑（Sb）、锶（Sr）、铅（Pb）、铊（Tl）、钒（V） 和锌（Zn） 共19 种金属元素，要求以上金属元素含量分布低于0.08～20 mg/kg。

1.5 价格用得起的经济指标评价方法

单剂的单价及用量是封堵材料的主要成本，材料运输储存、泵注设备、返排处理等费用是材料使用的次要成本。经济成本核算也是材料能否合理使用的重要指标之一。

1.5.1 单井使用封堵材料的方案经济性评价方法

评价单井方案的经济性，通常是措施的有效期和措施收益，以除去增量成本后单井经济性是否大于0 为最基本指标。目前，没有明确的计算方法报道，只是考虑成本而已。

1.5.2 封堵措施后投入产出比评价方法

封堵只是为后续作业提供作业环境，一般不单独计算封堵投入产出比，而是整体考虑井下措施后投入产出比。具体是，措施投入与措施增量的产出比值。需要考虑长期采取措施时措施投入回收期，需要考虑以措施的收益抵偿措施投入所需的时间。通常要求投入产出比大于1.2。

封堵相关的总体成本研究的相关论文较少，对于一些价格比较高，但加量少、效果好如纳米封堵材料［34］，则是因为单价高制约了现场应用规模化。作为其他作业的辅助材料，封堵材料的经济性无法离开整个项目单独评价，因而不能只考虑投资费用。需要全面反映项目经济性，评价指标包括：以时间单位计量的时间型指标、以货币单位计量的价值型指标和反映资金利用效率的效率型指标，如投资收益率、内部收益率、净现值指数等。

2 封堵材料性能评价方法讨论

以现场作业施工顺序为主线，将封堵材料评价指标确定为封得住、承压稳得起、油气流得出、环保过得关以及价格用得起等五大类。但单一评价指标仅能评价材料部分性能，依然不能入井应用。

若仅考虑封堵性能，而忽视复产能力，封堵材料无法返排，油气层伤害严重、产量下降甚至不能再生产，也不能接受。由于储层产能不同，油气产量带来的价值不能承受低于投入产出比底线的封堵费用，材料难推广。同样，封堵材料在使用过程中伤害人员及环境不友好，也是不可接受的。所以整体评价这5 类指标并满足用户需求，才是最佳选择。

2.1 五类指标评价得越多，现场应用成功率越高

为进一步比较评价指标的建立是不是有益于现场应用，尝试利用中国知网的封堵材料文献分析成功率，丰富工程地质一体化的内涵。

中国知网1985—2023 年，封堵材料相关材料封得住、承压稳得起、油气流得出、环保过得关和价格用得起的文献分别为213、529、211、26、15 篇。统计5 类指标涉及相关关键词的文献数量。由图3 可看出，材料封得住相关文献关键词的高频词为钻井液（17 篇）、封堵性（17 篇）、封堵剂（15 篇），承压稳得起相关文献关键词的高频词为油基钻井液（26 篇）、水基钻井液（19 篇）、钻井液（19 篇），油气流得出相关文献关键词的高频词为钻井液（24 篇）、储层保护（14 篇）、钻井液技术（11 篇），环保过得关相关文献关键词的高频词为钻井液（5 篇） 和环保型（5 篇），成本用得起相关文献关键词的高频词为带压封堵（2 篇） 和深部调剖（2 篇）。

从图3 可以看出，材料封得住、承压稳得起、油气流得出、环保过得关和价格用得起等5 个方面全部满足要求通常是做不到的。赵素丽等在研究中同样发现，现有的一些认识，虽然通过研究克服了发现的难点，但难点解决后，新难点又产生［35］。说明不可能全面评价，但单一评价指标不能有效反映材料整体性能，会影响封堵材料的应用。

利用大数据筛选包含封堵材料的2 570 篇文献，含有应用成功案例的文献共计400 篇。分别统计2 570 篇文献、400 篇包含应用成功案例的文献中，使用评价指标的文献数量和使用不同数量评价指标的封堵材料应用成功率。由表1 可以看出，统计包含1， 2， …， 5 类评价指标的文献分别为2 570、780、94、34、9 篇，与其相对应的应用成功案例的文献数量分别为400、138、21、14、7 篇。

利用包含应用成功案例文献数量除以对应封堵材料相关文献数量，得出不同数量评价指标应用成功率分别为16%、18%、22%、41%、78%。使用评价指标越多，应用成功的比例越高。评价5 项指标时的应用成功率比评价1 项的应用成功率高62%。进一步分析5 类评价指标应用的数量和成功率的增长速度，如图4 所示。可以看出，随着评价指标数量的增加，封堵材料应用成功率不断上升。应用成功率多项式拟合为

Y1 = 0：0186x3-0：1093x2 +0：2375x （1）

式中，Y1为应用成功率；x 为评价指标数量。

从式（1） 可以看出，用三次方程拟合，其回归确定系数接近于1，表明趋势合理。评价指标3 个之前，即仅评价封堵材料的工程指标：封得住、稳得起和流得出等，应用成功率为10%～22%，即20% 左右。通过式（1） 的斜率计算增长速度，每增加一类评价指标，增长率分别为13%、22%。但考虑环保指标和经济指标后，应用成功率分别为41% 和78%，增长率为86%、90%。

可见，工程参数满足需求，是封堵材料的基本要求，只有再考虑环保和经济指标后，成功率开始大幅度增加。这不仅从数据上印证了5 类评价指标整体评价的必要，而且还定量指出了社会越来越重视安全环保，因此封堵材料的发展方向是开发安全环保的封堵材料。

2.2 一次性评价的性能越多，投入应用时间越短

封堵材料的应用时间包括开发材料时进行实验评价所需时间，投入应用前根据实际需求增加的实验环节所需时间，应用效果欠佳后进行材料优化重复实验所需时间。因此，增加的实验时间和成功率直接影响应用时间。通过大数据分析现有文献中测试每类评价指标实验时间， 并参考SY/T 5358—2010《储层敏感性流动评价实验方法》、GB/T 13610—2020《天然气的组成分析 气相色谱法》、SY/T5350—2009《钻井液用发泡剂评价程序》、GB/T23561—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》、BS ISO 10416：2008《石油和天然气工业.钻探泥浆.实验室测试》、SY/T 5336—2019《岩心分析方法》等实验标准中，对文中明确提到测试时间的，以文中时间为准，对提到实验未指明具体实验测试时间，查询相关标准，其余缺失测试时间，以平均值代替，整理各实验所需时间，部分结果见表2。

统计文献中的具体实验项目，结合表2 中对应实验所需实验时间，用项目乘以实验时间并求和得到项目的总时间，再除以对应的评价指标数量，得到测试不同数量评价指标的平均实验时间。从表3 可以看出，测试1 类评价指标所需平均实验时间为45h，增加至2 类评价指标平均实验时间为77 h，增加时间32 h。用增加时间32 h 除以45 h，计算得到增加1 类评价指标实验时间增长率为71%。同理可得，测试3、4、5 类评价指标平均实验时间分别为122 h、161 h、212 h，对应实验时间增长率分别为58%、32%、31%。随着评价指标的数量增加，所用时间不断增加，但由于评价实验中一些步骤可以共同完成，随着评价指标数量增加，增加的实验时间增长率并没有一直上升。

增加测试评价指标会导致时间成本增加，为了讨论增加测试指标带来实验时间的增加与增加测试指标带来应用成功率的增加，对比增加评价指标实验时间增长率和增加评价指标实验应用成功增长率，如图5 所示。

从图5 可以看出，评价3 类指标之内，即仅评价封堵材料的工程指标：封得住、稳得起和流得出等，时间增长率分别为71% 和58%，应用成功增长率提高13%、22%。随着评价指标数量的增加，所需实验时间不断增加，但相应的实验时间增加率不断放缓。利用多项式拟合增加率见式（2） 和式（3）。

Y2 = 0：03x2-0：356x+1：321 （2）

Y3 = 0：0411x2-0：0065x （3）

式中，Y2为时间增长率；Y3为应用成功增长率。

式（2） 和式（3） 均为一元二次式，其二次项系数分别为0.03 和0.041 1，表明应用成功增长率更高。增加评价指标必然会导致工作量增加，但对应的应用成功率增速更快。增加的实验时间对应用时间负面影响要低于成功率对应用时间的正面影响，从图5 可看到，在评价指标数量大于3 以后，应用成功增长率大于实验时间增长率，从1 类评价指标增加至2 类，应用成功增长率为13%，从4 类评价指标增加至5 类，应用成功增长率为90%。其差值达到77%。说明此时增加实验、增加测试指标，其收益更高。因此认为综合评价比单一评价更具有应用价值，增加评价指标可降低应用时间，提高应用效率。

3 结论及建议

（1） 利用1 000 余篇文献，定量指出以现场作业施工顺序为主线的封堵材料需要的材料封得住、承压稳得起、油气流得出、环保过得关及价格用得起等5 类评价指标是封堵材料应用成功的关键。进一步用2 570 篇文献数据分析表明，单一评价指标无法支持封堵材料投入应用。评价指标越多，对封堵材料评价越完整，越有利于提高现场应用成功率。增加评价指标数量导致工作量增加，但对比应用成功增加幅度，提高应用效率增加的幅度是可以接受的。

（2） 储层封堵材料种类众多，评价适宜的方法也很多。以现场应用成功率为目标，结合文献调研与大数据方法建立综合性能评价测试方法，虽然发现封堵材料现场应用率低的原因之一是评价指标不完整，再次补充评价测试增加了时间和费用，5 项全部测试的方法在一些简单的储层可能增加不必要的费用，但是，并不是所有的封堵材料都必须全面评价，如储层封堵材料在某层位应用比较成熟，只是评价其中的一类或几类会更有效率。

（3） 下一步根据应用对象，研究适用的评价方法，同时为所有的封堵材料研究提高应用成功率的评价方法，如不需要考虑储层保护性能材料的应用成功率与哪些指标相关，用水泥封堵的对象需要哪些指标，都将在以后的研究中结合现场需求，分应用对象、分需求指标主次研究适合的方法。

致谢

论文形成过程中，感谢金龙博士对科技论文评价方法提出的建议，感谢北京力会澜博能源技术有限公司破碎性储层研究中心提供测试方法相关数据支持，同时感谢油田现场提供了新技术应用过程中需要的环节和评价要求。