化學轉向暫堵技術的研究進展

毛金成，范津銘，趙金洲，陳紹寧，張文龍，宋志峰

（1. 西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2. 中國石油 川慶鉆探工程有限公司 井下作業公司，四川 成都 610052；3. 中國石化 西北油田分公司 工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

隨著油氣田開發進入中后期，高滲透儲層幾乎開采殆盡，因此，提高低滲透儲層的原油采收率成為研究熱點。由于地層非均質性嚴重、層間滲透率變異系數大等原因，常規增產措施只能改善高滲透儲層的物性，而低滲透儲層物性仍然較差。因此，會出現增油的同時井中含水量大幅上升的問題，解決問題的關鍵是控制壓裂液、酸液等工作液的轉向分流。油田常用工作液分流技術主要分為機械轉向和化學轉向兩類。其中，機械分段轉向技術的原理是通過機械工具將目的層與其他層段分隔，從而實現工作液的定向流動。機械轉向主要包括堵球轉向、封隔器分段轉向等，該技術成熟有效，但是操作復雜且耗費時間。此外，復雜井況下應用機械分隔的風險較高，極易發生井下事故。因此，為保證施工成功率及實現有效改造，化學暫堵轉向技術成為了更好的選擇。

本文綜述了化學暫堵技術在暫堵酸化、壓裂、酸壓施工中的暫堵機理，且將目前應用較多的暫堵劑進行分類，并分析它們的優劣。

1 化學轉向暫堵機理

1.1 暫堵酸化

酸化中常采用籠統注酸的方式，施工時酸液大量進入大孔道、裂縫等高滲透層，較少進入需要酸化的低滲透層，因而低滲透層難以得到改造。此外，還會導致高滲透層的過度酸化及酸液指進（地層中高滲層和低滲層同時存在，籠統注酸時，酸壓沿高滲層流動快，沿低滲層流動慢或不流動，從而形成指進現象）問題，從而造成井中含水量快速上升。因此，現場施工通常在注入酸液前先向地層注入暫堵劑，封堵高滲透層，以改善儲層滲透率差異大的情況。根據最小流動阻力原理，暫堵劑到達儲層后會優先進入高滲透層，并對其進行封堵，提高注入壓力。后續注入的酸液進入高滲透層的難度增大，轉而流向中低滲透層。這種措施能達到均勻酸化的目的，避免了井中含水量的快速上升。酸化施工結束后，暫堵劑能迅速降解，不會污染地層［1-3］。

1.2 暫堵重復壓裂

類似于暫堵酸化，暫堵轉向重復壓裂工藝中，暫堵劑被注入地層后會優先封堵高滲透層，阻止裂縫的繼續延伸，并升高井底壓力，當裂縫內靜壓力超過新裂縫的破裂壓力時，新裂縫被開啟。并隨著后續攜帶液的注入，新裂縫得到延伸和擴展，實現剩余油區的動用，并獲得更大的改造體積，暫堵轉向重復壓裂機理見圖1。壓裂結束后暫堵劑溶于地層水，封堵的裂縫再次暢通［4-9］。

圖1 暫堵轉向重復壓裂機理Fig.1 Mechanism of temporary plugging refracturing technique.

1.3 暫堵酸壓

暫堵酸壓與暫堵酸化的區別主要在于施工壓力及排量。酸化中酸液在低于地層破裂壓力的條件下進入地層，因而酸化施工的特點是壓力低、排量??；酸壓中酸液在高于地層破裂壓力的條件下被擠入地層，通過大排量注液延伸老縫或開啟新縫，因而酸壓施工的特點是壓力高、排量大［10］。

2 暫堵劑分類

國內外對暫堵劑的研究已有幾十年的歷史。早在1936年，哈里伯頓就提出了一種暫堵劑，該暫堵劑為脂肪酸鹽與氯化鈣反應的沉淀物［11］。國內對暫堵劑的研究始于20世紀50年代對調剖堵水技術的研究。20世紀60年代，聚合物暫堵劑因具有易分解及質地柔軟等特性而得到大力推廣，與此同時，水玻璃-氯化鈣體系及乳化瀝青等材料也被用于制備暫堵劑。20世紀80年代，細顆粒的CaCO3及油溶性樹脂暫堵劑被大量應用于鉆井液及完井液中。

根據不同的分類標準，暫堵劑可分為不同的類別。根據解堵時暫堵劑的溶解特性可分為酸溶性、水溶性及油溶性暫堵劑［12-14］；而根據暫堵劑的形態可分為纖維暫堵劑、顆粒暫堵劑、聚合物交聯暫堵劑、吸水膨脹型暫堵劑、泡沫暫堵劑等。本文采用后一種分類標準。

2.1 纖維暫堵劑

纖維具有柔韌可變形的特性，且由于其長度遠大于裂縫寬度，在進入裂縫后能快速搭橋并捕獲后續纖維，形成致密的“濾網結構”，增加了工作液的流動阻力。此外，纖維與地層流體及巖石的良好配伍性避免了對儲層的二次傷害。

為實現纖維暫堵轉向壓裂的優化設計，周福建等［15］對纖維封堵裂縫的物理過程進行了研究，獲得了纖維濾餅長度隨縫寬的變化曲線。此外，數值模擬結果表明，相同黏度下，濾餅的表皮因子隨注入排量的降低而升高，而黏度的增加會引起表皮因子的增加。2014年，鐘森等［16］對有機可降解纖維進行了研究，且在施工中采用多級暫堵酸化工藝，并優化設計了暫堵級數及各級的排量，可實現海相水平井的有效改造。

針對纖維存在表面疏水、分散性較差的缺點，楊國威等［17］利用硅烷偶聯劑對纖維進行表面處理，獲得了具有良好吸附率及吸濕率的改性纖維暫堵劑。2015年，蔣衛東等［18］對所制備的有機聚合物暫堵纖維進行了表面處理，獲得了高強度的纖維，現場應用時，暫堵有效率達81.2%。同年，楊乾龍等［19］研制了新型的纖維暫堵劑，并針對性地提出了纖維暫堵劑適用的復合酸壓技術。此外，他們還分段研究了纖維封堵裂縫時的堆積過程。

纖維暫堵劑能通過快速形成“濾網結構”來實現暫堵，但容易聚集成團導致管道堵塞。此外，纖維暫堵劑的強度較低，不適用于大開度裂縫的封堵。由于密度較低，纖維在施工現場的飄散會給施工過程造成影響。

2.2 顆粒暫堵劑

顆粒暫堵劑的工作原理是顆粒在裂縫中的橋堵以及微粒在裂縫壁面形成濾餅，增加了工作液的流動阻力并減少了濾失，從而實現轉向。此技術的關鍵是顆粒粒徑與儲層孔徑的匹配，國內外學者在此方面進行了大量研究。1977年，Abrams［20］提出“三分之一”架橋理論作為鉆井液中暫堵顆粒粒徑優選的準則。羅向東等［21］在“三分之一”架橋理論的基礎上進行研究，提出了屏蔽暫堵技術，即顆粒粒徑介于孔隙孔徑的1/3～2/3所取得的架橋效果最好。張金波等［22］研究應用顆粒堆積效率最大值原理，提出了利于中、高滲透儲層暫堵的顆粒粒徑優選準則——d90規則，即暫堵劑顆粒在其粒徑累積分布曲線上的d90值（指體積占90%的顆粒粒徑小于該值）與儲層的最大孔喉直徑或最大裂縫寬度相等時，取得理想暫堵效果。

油溶性顆粒暫堵劑可溶解于原油，因而解堵時能隨產出油排出儲層，無需使用解堵劑，此類暫堵劑主要應用于油井的暫堵作業中。2006年，姜必武等［23］研制了油溶性蠟球暫堵劑，其主要成分為松香、瀝青、粉陶等。該暫堵劑的封堵強度達3.5 MPa，在中國石油長慶油田公司安塞油田應用效果良好。

單一類型的顆粒形成的空隙較多，且顆粒間的整體性較差，遭到破壞后難以恢復，封堵效果較差。李長忠等［24］選用石蠟、分散劑及人工合成油溶樹脂等材料，制備了強耐酸性油溶暫堵劑ZDJ-1?，F場應用后，平均含水率下降了11百分點，可滿足控水增油的要求。2008年，羅躍等［25］選用不同硬度的石油樹脂及烴類樹脂制備了暫堵劑ZDJ-1，通過兩種材料的復合提高了暫堵劑的封堵能力。王盛鵬等［26］以硬度大的油溶樹脂及較軟的石蠟為原料制備了顆粒暫堵劑ZD-150，增強了轉向能力，并將耐溫性從80 ℃提高到120 ℃。

油溶性暫堵劑不溶于水，在高含水油井及注水井中的應用效果較差。為滿足這些井的暫堵需求，需要進行水溶性顆粒暫堵劑的開發。2008年，鄧晶等［27］以氯化鈉、氯化銨、丙烯酸樹脂-Ⅱ等為原料，制備了水溶性顆粒暫堵劑ZDJ-J。ZDJ-J具有在水中溶解速度低、耐酸性強的特點，酸化解堵后滲透率恢復率可達90%。2009年，羅躍等［28］對微膠囊暫堵劑ZD-D進行了研究，該暫堵劑以丙烯酸樹脂為包材，三種無機鹽復合為內核，用于注水井暫堵酸化的成功率達80%。

在氣井的暫堵改造中，應用常規固體顆粒會面臨無法解堵而形成堵塞的問題。李國鋒等［29］制備了由包材及內部材料組成的顆粒暫堵劑ZD-10。其中，包材是石蠟樹脂與地蠟的復合物，而內部材料的主要成分是CaCO3與水溶性無機鹽。暫堵劑可在地溫恢復后溶于返排液的殘酸中，從而實現解堵。

制備顆粒型暫堵劑的材料成本低廉，且抗溫、抗壓性很好，比較適合高溫高壓地層的暫堵施工。它的缺點是難以形成高強度的濾餅，因而形成的壓差阻力很小。其中，酸溶性顆粒暫堵劑的解堵過程較復雜，容易形成殘渣；而油溶性的顆粒暫堵劑的成本過高，限制了它的大量使用。

2.3 纖維與顆粒復合

纖維暫堵劑應對大開度裂縫效果較差，可采用不同硬度、粒徑的顆粒與纖維復合來提高暫堵強度。其中，堅硬的固體顆粒起架橋、支撐的作用，而軟顆粒與纖維嵌入空隙中，纖維的串聯牽扯作用使整體的封堵強度得到較大提高。纖維與顆粒的復合暫堵見圖2。

圖2 纖維與顆粒的復合暫堵Fig.2 Diagram of the composite of fiber and granular temporary plugging agent.

2014年，鄒國慶等［30］采用小粒徑球、黏彈性固體顆粒及纖維混合制備了復合暫堵劑，小粒徑球的抗壓強度達50～70 MPa，在超深、超高壓井的暫堵轉向縫網酸壓中有很好的效果。2016年，張雄等［31］優選出耐溫達120 ℃的可降解聚丙烯腈纖維。并對纖維、聚合物顆粒的尺寸及用量進行了優化，形成了“纖維+顆粒”的暫堵體系，能承受超過9 MPa的暫堵壓力。

通過顆粒與纖維暫堵劑的復配，將兩者的優點相結合，既具備了顆粒暫堵劑的高抗壓能力，也能形成較高強度的濾餅結構，是目前油田上應用較多的一種暫堵方案。

2.4 聚合物交聯暫堵劑

聚合物交聯暫堵劑的應用可分為兩類：一是膠塞型交聯暫堵劑，低黏度液體進入地層后在交聯作用下形成黏度大、韌性強的膠塞以實現封堵。優點是無需考慮顆粒或纖維暫堵劑所面臨的堵劑攜帶問題，施工簡單。但由于主劑為聚合物，在地層中成膠后難以自行破膠，需要配合破膠劑使用。二是顆粒型交聯暫堵劑在地面形成交聯液體后，通過烘干、剪切等工藝獲得暫堵顆粒。

1999年，唐孝芬等［32］制備了適用于60～80 ℃地層的暫堵劑ZDJ-98，適合應用的最佳pH值為6～8，主要成分為聚丙烯酰胺、酚醛復合體、過硫酸鹽。施工過程中，暫堵劑由透明黏稠的水溶液轉變為具有一定封堵強度的弱凝膠。2010年，周法元等［33］采用聚合物A、交聯劑及破膠劑X等為原料研制了轉向重復壓裂暫堵劑ZFJ，具有封堵強度大、耐酸堿性及抗鹽性的特點。

為解決氣藏挖潛改造時壓井液漏失的問題，邱玲等［34］研制了液體膠塞暫堵劑，主要成分為高分子稠化劑、交聯劑、氧化破膠劑。它的實質為一種隔離液，進入裂縫后隨地層溫度恢復形成交聯凍膠。2014年，賴南君等［35］制備了一種以淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、引發劑及交聯劑為原料的壓裂暫堵劑，此類暫堵劑的水溶性良好，選擇性封堵能力強，降解后黏度較低，可降低返排難度。2017年，中國石油天然氣股份有限公司［36］采用丙烯酰胺、增強劑、復合交聯劑、引發劑，研究出適用于水平井控水的凝膠暫堵劑。通過調節交聯劑中兩種組分的比例可實現對降解時間的控制，該暫堵劑具有成膠后黏度大、降解率高等優點。

聚合物交聯暫堵劑的性能優越，因而得到了廣泛應用，但也具有一些明顯不足。首先，施工后殘渣過多，會傷害地層滲透率及儲層裂縫的導流能力。其次，所使用的交聯劑大多有毒，會對環境造成污染。而且它的交聯過程受到pH值、溫度等的影響，破膠時間難以把控。

2.5 吸水膨脹型暫堵劑

吸水膨脹型暫堵劑主要是具有一定交聯度的聚合物顆粒，與地層水接觸后吸水膨脹，膨脹后的顆粒具有一定的彈性，可發生變形，在孔道中形成的空隙較小。此外，聚合物顆粒吸水膨脹后的產物在剪切力作用下被剪碎，可向深處小孔道繼續運移、封堵。

2004年，周玲革等［37］選用乙烯基單體與交聯穩定劑及一些無機材料，采用水溶液聚合法合成了吸水膨脹型暫堵劑JBD。JBD的吸水膨脹性能較好，與原油接觸時會發生收縮，能實現油層的暫堵保護，但在鹽水中膨脹能力較弱，因而在高礦化度油藏應用效果差。2010年，賴南君等［38］以丙烯酰胺為原料通過自由基溶液共聚合成了暫堵劑CLS-1。該暫堵劑可承受1.5 MPa的突破壓力，相比美國暫堵劑DJ-UN擁有更好的膨脹比及穩定性，返排難度更小。2012年，王正良等［39］研究了JBD吸水膨脹型暫堵劑對不同滲透率巖心的封堵能力，結果表明，該暫堵劑的漏失少，封堵效果好，但由于在高含水儲層中不能自行解堵，會造成較大傷害，因此需要配合破膠劑JPC使用。

吸水膨脹型暫堵劑由于具有彈性，可以較好地適應裂縫形狀，對空隙的封堵效果很好，但吸水膨脹后形成的彈性顆粒容易遭到剪切破壞，因而封堵強度不高，適用于對暫堵強度要求不高的地層。

2.6 泡沫暫堵劑

泡沫暫堵劑的暫堵原理是通過泡沫的賈敏效應實現對高滲透層的封堵，迫使后續工作液進入中低滲透層。它的主要組成為起泡劑和穩泡劑。有機酸銨鹽與酸反應生成的CO2及N2等氣體與起泡劑產生泡沫；穩泡劑的加入提高了液體黏度，從而實現穩定泡沫的目的。

2013年，楊偉等［40］將泡沫暫堵技術應用于長慶油田的油井暫堵酸化中，有效解決了酸液指進的問題。針對常規泡沫暫堵劑穩定性差、承壓能力弱的缺陷，中國石油天然氣股份有限公司以黃原膠等為原料制得充N2微泡沫暫堵劑［41］。將低密度微泡體系與暫堵劑復配后形成了穩定的大尺寸微泡暫堵劑體系，可應對修井過程中的漏失問題。2015年，中國石油天然氣股份有限公司對N2與泡沫凝膠復合的泡沫暫堵劑進行了研究［42］。該暫堵劑的阻力因子隨巖心滲透率的增加而升高，因而具有較好的選擇性封堵能力。

泡沫暫堵劑濾失較少，且能實現快速轉向。但它在與原油接觸后難以保持強度，且穩定性受高溫的影響較大，另外，需要額外的制氮設備也大幅增加了它的應用成本。

3 結語

纖維柔韌可變形，被裂縫的粗糙壁面掛住后會逐漸形成致密結實的濾網，但容易成團，堵塞管線。其次，易出現施工現場纖維飄散的現象，因而需要研發專用的纖維泵，以實現大量、快速的纖維混合工作。此外，纖維暫堵劑的承壓能力有限，對于大開度裂縫封堵效果差。為提高封堵強度，常采用纖維與不同尺寸、硬度的顆粒復配進行暫堵作業。聚合物交聯暫堵劑對高滲透層封堵效果好，但難以區分油層和水層，且容易在地層中留下大量難以清除的殘渣，造成二次傷害。吸水膨脹型暫堵劑對水層的封堵作用強，而對油層的封堵能力較弱。此外，得益于較強的吸水性，吸水膨脹型暫堵劑在封堵時吸收了地層中多余的水分，能起到較好的控水作用。泡沫暫堵劑具有濾失少、轉向作用快速有效的優點，且處理液返排徹底，對地層傷害小。該技術的主要缺點為：1）與原油接觸后泡沫的強度受到大幅削弱，且高溫條件會影響泡沫的穩定。2）超高滲透層應用泡沫轉向技術會出現明顯的滲漏現象，應用效果較差。3）該技術的實施需要配備制氮設備與泵組，應用成本較高。

目前，暫堵劑技術發展的方向是低成本、能適應不同復雜地層條件的暫堵劑，纖維與顆粒復合的暫堵劑封堵強度高，且在高溫時優勢明顯，但存在成本較高以及降解難度大的缺點?？煽紤]從多學科交叉的角度，參考其他行業，推進低成本、可降解材料的研究。