液體轉向技術在蘇橋儲氣庫XS 注采井的應用

趙立強 張楠林 董范 羅志鋒 余東合 繆尉杰

1.西南石油大學·油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室；2.中國石油華北油田分公司

目前能夠實現轉向酸壓的技術包括機械轉向［1］、化學轉向［2］，機械轉向包括封隔器［3］、堵球［4］、連續油管［5］，化學轉向包括泡沫酸［6］、自轉向酸［7］、纖維［8］、凍膠［9］、化學微粒［10］等。常用的轉向工藝在實際應用中各有優勢，對壓裂酸化工藝的發展、儲層改造效果的提升起到了積極的推動作用。但是，現有轉向技術在高溫儲層、長井段、篩管等特殊完井方式條件下應用受限。基于超分子化學分子自組裝原理，研制了一種隨溫度變化可實現相態轉換的液體暫堵轉向劑：該暫堵轉向劑在常溫下為液態，隨著溫度的升高，轉變為固態，隨著溫度的進一步升高，又將從固態轉變為液態，且相變溫度可調。利用該暫堵轉向劑的這一特征，結合儲層溫度場測試、模擬，可實現液態注入、固態暫堵、液態返排，有效提高注入性、封堵效果及返排效果。利用室內實驗測試了該暫堵轉向劑封堵強度、相變時間、巖心傷害程度，并在XS 井成功進行了現場實驗。液體暫堵轉向劑可以有效解決高溫、長井段、篩管完井等條件下常規轉向工藝受限的問題，對特殊氣井的暫堵轉向酸壓提供了技術支持。

1 XS 井概況

XS 井儲層為碳酸鹽巖，儲集空間類型為裂縫-孔隙型，埋藏深度4 900～5 400 m，地層溫度160 ℃，壓力系數0.8，孔隙度1.8%～3%，試井分析滲透率為3.58×10-3μm2，泥質含量2.9%～7.8%，劃分為二類裂縫儲層。

根據取心、電測資料以及巖心物性分析，XS 井所在的蘇4 潛山奧陶系巖石由石灰巖、白云巖和泥質碳酸鹽巖組成，依據測井儲層劃分結果，白云巖地層中有效儲層厚度占46%，石灰巖地層中有效儲層厚度僅占2%；在裂縫段中，白云巖儲層占絕大多數。儲層巖石彈性模量約為33 GPa,泊松比0.25～0.35，破裂壓力梯度0.018 9 MPa/m。改造前注入壓力31.4 MPa，日注氣量23.3×104m3，達不到50×104m3的配注要求，需要通過酸壓改造儲層。

2 酸壓改造難點及對策

XS 井水平段長度478.4 m，天然裂縫發育，作業過程中工作液濾失量大，井底憋壓困難，若裂縫開度大，儲層壓開幾率小或裂縫有效長度有限。為提高壓開幾率，改善吸酸剖面，采用立體縫網溝通儲集體，因此，根據井況、完井管柱（篩管完井）及改造總體思路有針對性地設計了分段酸壓工藝：采用液體暫堵轉向劑實現暫堵分段，不同功能的酸液組合，盡可能實現對施工井段均勻改造，力求實現該井注采能力最大化。

3 液體暫堵轉向劑性能

根據超分子自組裝理論，利用氯化鋰、β-環糊精、C8H17OH、甲基纖維素、N-甲基甲酰胺（質量比為0.5∶15∶4∶0.2∶80.3）合成具有特殊相變過程的液體暫堵轉向劑［11-13］。如圖1 所示，該液體暫堵轉向劑在常溫條件下為液體，在溫度發生變化時，相態發生變化(相變溫度可調)。將該轉向劑注入裂縫后，隨著溫度升高到固態化溫度時液體轉向劑發生相變，轉變為固態，暫堵裂縫使壓裂液轉向，壓開新的裂縫；裂縫中溫度進一步升高，固態超分子材料又轉變為液態，施工結束后，返排出地面。該項技術的使用使得單次酸壓施工中可產生多條油氣流動通道，達到體積改造的目的，從而大幅提高單井產能。

圖1 液體暫堵轉向劑相變過程Fig.1 Phase change process of liquid temporary plugging and diversion agent

液體暫堵劑的紅外光譜如圖2 所示，3 條曲線中，N-甲基甲酰胺中的H—N 和C＝O 的波峰都出現在約1 600 cm-1處；常溫液態曲線和升溫液態曲線中的1 510 cm-1附近存在相同的峰，表明體系只是組分之間的物理變化，沒有發生化學反應，然而在1 510 cm-1附近，3 條曲線有顯著不同，此外，在920 cm-1、840 cm-1附近的光譜有細微差別。

圖2 液體暫堵劑紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrogram of liquid temporary plugging agent

針對XS 井井段長、溫度高、篩管完井的特點，對液體暫堵轉向劑性能參數提出了要求，必須在井筒中保持為液態，進入裂縫后迅速相變，形成暫堵，注液結束后，溫度進一步升高，由固態轉變為液態，便于返排。

3.1 封堵強度

利用自主研發的液體暫堵轉向劑封堵強度測試裝置測試封堵壓力。該裝置的核心方案是采用半徑5 mm（與壓裂縫寬近似相等）、長度分別為0.3 m、0.75 m、1.5 m 的圓管，管內充滿轉向劑，在90 ℃環境下（固態化大約為5.5min），測試不同圓管長度條件下的封堵壓力，測試結果見圖3。

圖3 液體暫堵轉向劑封堵強度測試Fig.3 Tested plugging strength of liquid temporary plugging and diversion agent

當流量降低為0 時，認為液態暫堵劑實現封堵，此時的壓力作為封堵壓力。由圖3 可看出，在0.3、0.75、1.5 m 等不同的封堵長度條件下，封堵壓力分別為3、6.7、15.7 MPa，能夠滿足暫堵轉向所需壓力。

3.2 相變時間

測試液體暫堵轉向劑在不同溫度下的開始固態化時間、完全固態化時間，以及2 h、5 h 液態化比例，為施工參數設計提供參考，實驗結果見圖4、圖5。

圖4 不同溫度下固態化時間Fig.4 Solidification time under different temperatures

圖5 不同溫度下液態化比例Fig.5 Liquid ratio under different temperatures

由圖4 可看出，固態化時間與溫度密切相關，隨著溫度上升，開始固態化時間和完全固態化時間快速縮短。20 ℃時，30 min 開始發生固態化，45 min完全固態化；當實驗溫度提高至60 ℃時，開始固態化時間以及完全固態化時間僅為5 min、8 min。通過測試固態化所需時間，結合井筒溫度場，設計注入參數，確保井筒內不發生固態化。

由圖5 可看出，在相同時間內，隨著溫度的升高液態化比例升高，同一溫度條件，時間越長液態化比例越高。60 ℃時，2 h 液態化比例可以達到15%，5 h 達到40%左右；溫度升高至110 ℃時，2 h 液態化比例可以達到68%，5 h 達到76%左右。超分子具有自組裝特征，在溫度等條件的刺激下，能夠形成非共價鍵，進而導致相態變化，溫度越高，刺激越強烈，越容易形成非共價鍵；隨著溫度的進一步升高，非共價鍵被破壞，再次發生相態變化。轉向酸壓施工結束后，液體暫堵轉向劑需要返排，通過測試不同溫度、不同時間條件下的液態化比例，能夠確定返排前所需關井時間。

3.3 裂縫傷害評價

采用流動實驗裝置評價液體暫堵轉向劑對剖縫巖心的傷害，以第1 次注KCl 時的滲透率k0作為基準，將測得的k與k0的比值做關于注入體積的曲線。由圖6 可看出，注入液體暫堵轉向劑后，滲透率略有下降，k/k0從1 降低到0.93 左右，降低幅度不大，第2 次注入KCl 時，滲透率恢復到接近1，表明液體暫堵轉向劑對剖縫巖心滲透率傷害較低。

圖6 裂縫滲透率傷害實驗結果Fig.6 Fracture permeability damage experimental result

4 現場施工分析

通過溫度場模擬設計了相應的泵注程序，以井筒內不相變、裂縫內快速相變為目標，設計了泵注排量及液量，并對施工曲線進行了分析。

4.1 井筒溫度場

液體暫堵轉向劑的固態化、液態化時間受溫度控制。以防止井筒內發生固態化為目標，通過計算井筒溫度場，為注入參數設計、液體暫堵轉向劑體系優選提供參考。根據分段酸壓施工方案，XS 井泵注程序如表1 所示。

表1 XS 井暫堵轉向酸壓泵注程序Table 1 Temporary plugging,diversion,acid fracturing and pumping process of Well XS

采用表1 數據，計算第1 段注液完成和第3 段注液完成時的井筒溫度，驗證在表1 所示泵注程序條件下，井筒內是否發生固態化。由圖7 計算結果可看出，在第1、第3 段注液結束后，井底溫度在41～44 ℃之間，在該溫度條件下，需要12～15 min 開始發生固態化，而液體暫堵轉向劑在井筒中流動時間只有3.84 min（第1 次注液體暫堵轉向劑）和5 min（第2 次注液體暫堵轉向劑），能夠保證在井筒中不發生固態化，確保施工順利進行。

圖7 不同液量、不同排量條件下井筒溫度分布Fig.7 Distribution of wellbore temperature under different liquid volumes and displacements

4.2 壓裂分析

實際施工曲線如圖8 所示，共注入了2 段液體暫堵轉向劑。受條件限制，未進行微地震監測，僅以施工曲線判斷封堵效果。考慮到注入完液體暫堵轉向劑后，暫堵劑在井筒中流動時間，以及進入裂縫后需要一定的時間才能形成暫堵，結合施工曲線，確定A、B、C、D 點為計算暫堵劑封堵壓力的節點，A、C 處開始憋壓，B、D 處形成新的裂縫。

圖8 XS 井施工曲線Fig.8 Construction curve of Well XS

注入2 段液體暫堵轉向劑時，施工排量都保持穩定，在注入第1 段液體暫堵轉向劑后，油壓為38 MPa（點A），形成新的裂縫前最高油壓為48 MPa（點B），轉向壓力約為10 MPa；在注入第2 段暫堵劑后，油壓約為35 MPa（點C），形成新的裂縫前最高油壓為38 MPa（點D），轉向壓力約為3 MPa。從施工曲線及現場施工記錄來看，第2 段暫堵劑轉向壓力小于第1 段的原因是在注入第2 段暫堵劑時，出現了供液不足的現象，導致油壓提高幅度有限。

從施工曲線來看，液體暫堵轉向劑可形成高達10 MPa 的轉向壓力，能夠滿足大部分儲層的轉向酸壓需求，通過優化液體暫堵轉向劑用量、施工參數、液量，能夠進一步提高轉向壓力。

5 結論

（1）室內實驗結果表明，液體暫堵轉向劑具有易注入、易返排、低傷害、封堵壓力高等優點，能適應篩管等特殊完井方式、高溫等情況下的轉向酸壓。

（2）XS 注采井的現場試驗表明，液體暫堵轉向劑性能穩定、施工簡單，能夠滿足轉向要求，有效解決了裂縫發育、高溫、篩管完井、長水平井段分段酸壓的問題。

（3）液體暫堵轉向劑在高溫、長井段、篩管完井的注氣井中的成功應用，對特殊氣井的暫堵轉向酸壓具有重大意義。