水力壓裂暫堵轉向栓塞體滲透性評價裝置研究

范龍飛，汪 杰，江厚順，續(xù)化蕾，雷 奕

長江大學石油工程學院

0 引言

對于低孔、低滲等非常規(guī)儲層的開發(fā)，往往需要采用水力壓裂措施進行儲層改造，但常規(guī)水力壓裂容易在儲層中形成單一的對稱裂縫，不能有效動用油藏儲量，壓裂改造效果有限[1]。隨著石油勘探開發(fā)的發(fā)展，暫堵轉向重復壓裂成為低滲透儲層改造的主要技術，該技術已廣泛應用于國內(nèi)油田進行高含水老油井重復改造、水平井儲層改造、低滲透油田及非常規(guī)油氣資源復雜地層的有效開發(fā)。暫堵壓裂技術是在一定條件下向目的層中泵入暫堵劑，利用層內(nèi)滲透率的差異，封堵高滲層，讓注入流體流向低滲層，達到改變原有液體的流動方向、改造低滲層段的目的，能夠最大限度地發(fā)揮壓裂在油藏開發(fā)中的作用和潛力[2-3]。目前各種類型的暫堵劑在油田中得到了廣泛應用，但是暫堵劑性能評價的室內(nèi)實驗研究較少，存在暫堵機理、暫堵效果評價方法、暫堵劑承壓規(guī)律和聚集形態(tài)不明確等問題[4]。暫堵劑封堵能力受暫堵劑配方(濃度、粒徑、配比和形狀)、裂縫形態(tài)和裂縫開度等多因素影響[5-6]。由于裂縫模型往往無法直觀反映真實裂縫對封堵效果的影響，無法精確調(diào)整裂縫開度來探究暫堵劑的封堵能力[6]，暫堵劑的使用一直存在著不同程度的地層傷害問題[7]。傳統(tǒng)的三軸暫堵壓裂物理模擬實驗裝置管線較細，無法泵送暫堵劑，同時，受井筒結構限制，裸眼井段不夠長，暫堵劑很難進入裂縫內(nèi)，無法進行暫堵轉向壓裂模擬。在確保順利注入的情況下，較強的封堵承壓能力是暫堵劑的必備條件，而目前國內(nèi)外在纖維暫堵方面研究較多，但對于顆粒、復合顆粒或顆粒/纖維組合研究較少[8-10]。復合轉向材料對裂縫的封堵效率和承壓能力更高[10]，目前缺少材料組合工藝優(yōu)化的相關研究，現(xiàn)場施工過程中的加量選取大多憑借經(jīng)驗，暫堵劑自身性質(zhì)的優(yōu)良,決定著縫內(nèi)轉向壓裂工藝的成功與否[8]。因此本文在明確暫堵材料的封堵機理的基礎上，開展縫內(nèi)暫堵劑封堵承壓能力實驗，優(yōu)化暫堵劑類型及組合，以更好地指導現(xiàn)場施工。

1 栓塞體滲透性評價裝置介紹

1.1 實驗裝置設計與搭建

本文提出了一種可調(diào)縫孔的栓塞體滲透性評價裝置，采用泵注壓力監(jiān)測的方法評價暫堵效果。該裝置具有低成本、低能耗、模塊靈活、操作簡單的特點，為暫堵劑性能研究提供堅實的實驗基礎。栓塞體滲透性評價裝置整體結構見圖1，該實驗裝置包括泵送系統(tǒng)、壓裂液注入裝置、測量裝置、暫堵栓塞體形成裝置，其核心部分為暫堵栓塞體形成裝置。

1.恒速恒壓泵; 2.系統(tǒng)控制面板; 3.電子顯示屏; 4.中間容器; 5.活塞; 6.進液口; 7.出液口; 8.導流管線; 9.計時器; 10.暫堵管線接口; 11.暫堵劑聚集管道; 12.縫孔模擬堵頭; 13.注入管線; 14.收集桶; 15.壓力表。

1.2 暫堵栓塞體形成裝置

暫堵栓塞體形成裝置主體部分為暫堵管線接口、暫堵劑聚集管道和縫孔模擬堵頭，如圖2所示。各組件間均通過螺紋相連，縫孔模擬堵頭底部有模擬縫孔，導流管線與暫堵管線接口內(nèi)徑相同，其連接處經(jīng)過防漏失工藝處理，防止壓裂液漏失。暫堵管線接口內(nèi)徑小于暫堵劑聚集管道，可減小壓裂液回流對暫堵栓塞體形態(tài)的影響，并保證暫堵栓塞體形成于暫堵劑聚集管道中。暫堵劑聚集管道內(nèi)壁光滑且前后均通過螺紋連接，具有可拆卸性，保證頂替工具能夠將暫堵栓塞體完整無損取出，以便于觀察暫堵栓塞體形態(tài)及顯微觀察暫堵劑聚集規(guī)律。暫堵劑聚集管道長度8.5～9.0 cm，內(nèi)徑2.5 cm。不同孔徑的縫孔模擬堵頭分別為特大孔徑、大孔徑、中孔徑和小孔徑模擬縫孔堵頭，見圖3。實驗過程中更換不同孔徑的縫孔模擬堵頭以模擬地層縫孔，通過多組實驗探究暫堵劑對不同大小縫孔的暫堵性能與承壓規(guī)律。

圖2 暫堵栓塞體形成裝置圖

注：從左至右分別為2.5 mm特大孔徑模擬縫孔、2.16 mm大孔徑模擬縫孔、1.38 mm中孔徑模擬縫孔、0.9 mm小孔徑模擬縫孔。

1.3 暫堵栓塞體形成裝置工作原理

暫堵栓塞體形成裝置的中間容器中裝有2 L配置好的攜暫堵劑壓裂液，通過系統(tǒng)控制面板設定恒速恒壓泵的壓力和流量參數(shù)，泵出流體經(jīng)注入管線流向中間容器的進液口，向上推動活塞，進而使壓裂液由出液口流入導流管線，最終流向暫堵栓塞體形成裝置。攜暫堵劑壓裂液經(jīng)縫孔模擬堵頭的截流過濾，壓裂液膠質(zhì)基液流出堵頭，暫堵劑在管道中聚集壓實，形成暫堵栓塞體。同時觀察計時器和壓力表的讀數(shù)，記錄不同時刻的壓力大小，通過繪制時間壓力曲線探究暫堵劑的封堵規(guī)律和承壓性能，通過觀察栓塞體形態(tài)探究暫堵劑的運移和壓實規(guī)律；實驗中配置不同類型的攜暫堵劑壓裂液，更換不同孔徑的縫孔模擬堵頭，重復實驗可探究不同種類暫堵劑對不同大小模擬縫孔的封堵和承壓性能。

1.4 實驗步驟

①按照實驗裝置圖1所示，依次連接實驗設備。中間容器2中裝填適量實驗所需配置好的攜暫堵劑壓裂液；②通過系統(tǒng)控制面板1.1設定恒速恒壓泵1的流量參數(shù)，恒速恒壓泵1流出供壓流體推動中間容器中的活塞使壓裂液以固定流量注入導流管線3；③壓裂液經(jīng)導流管線3流向暫堵栓塞體形成裝置，縫孔模擬堵頭7處開始有壓裂液流出時，按下計時器4開始計時，同時觀察記錄壓力表10對應時刻的壓力大小，當壓力表數(shù)值達10 MPa時關閉恒速恒壓泵1，根據(jù)所記錄數(shù)據(jù)繪制時間壓力曲線；④更換不同暫堵劑壓裂液或不同孔徑大小的縫孔模擬堵頭7，重復①、②、③步驟；⑤將暫堵栓塞體從暫堵劑聚集管道6中取出，進行微觀觀察，研究暫堵劑的聚集規(guī)律和栓塞體的壓實形態(tài)；⑥依據(jù)經(jīng)驗理論分析時間壓力曲線，探究不同種類暫堵劑對不同大小模擬孔隙的封堵和承壓性能。

2 室內(nèi)實驗過程

按照所述實驗步驟進行暫堵劑性能評價實驗，實驗選用三種配比類型的暫堵劑，第一種為大顆粒、中顆粒、小顆粒及粉末組合暫堵劑，第二種為粉末暫堵劑，第三種為純顆粒暫堵劑，實驗所用壓裂液暫堵劑濃度為0.1 g/mL和0.05 g/mL。針對優(yōu)選暫堵劑的顆粒大小，暫用中孔徑與小孔徑的模擬堵頭進行評價實驗，實驗用暫堵劑如圖4所示。實驗過程中，組合暫堵劑與粉末暫堵劑表現(xiàn)出良好的封堵與承壓性能，成功形成了滿足承壓要求的暫堵栓塞體，而顆粒暫堵劑封堵壓力達到6.65 MPa后不再增大，不能滿足10 MPa封堵壓力的承壓要求，無法實現(xiàn)對模擬縫孔的有效封堵，形成的栓塞體滿足不了承壓要求，這主要是因為顆粒暫堵劑粒徑較大，運移排列時粒間縫隙太大，聚集形態(tài)過于松散[10]。實驗中形成的暫堵栓塞體如圖5所示。

圖4 實驗用暫堵劑

圖5 暫堵栓塞體

3 實驗結果分析

3.1 注入壓力及滲透率分析

依據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制的注入時間和暫堵壓力曲線，如圖6所示，實驗過程中設置恒流量大小為60 mL/min，因此橫坐標注入體積代表對應注入時間與注入速度的乘積。實驗以封堵壓力達到10 MPa時結束，然后進行栓塞體滲透率測試。將實驗過程中主要特征點進行統(tǒng)計,獲得實驗結果如表1所示。

圖6 暫堵壓力曲線圖

表1 暫堵栓塞體形成過程中關鍵實驗數(shù)據(jù)表

由實驗結果分析可知，可承壓的暫堵栓塞體的形成說明組合暫堵劑和粉末暫堵劑對模擬縫孔具有預期封堵性能。實驗中暫堵劑的承壓規(guī)律反應其封堵性能，即起壓越快，說明暫堵劑對模擬縫孔的封堵能力越強。由時間壓力曲線可知，組合暫堵劑與粉末暫堵劑對不同大小孔徑的縫孔封堵能力不同，即高濃度時組合暫堵劑對中孔徑模擬縫孔的封堵能力更強，而粉末暫堵劑對小孔徑模擬縫孔的封堵能力更強。暫堵栓塞體長度規(guī)律也表明組合暫堵劑對中孔徑模擬縫孔的封堵能力更強，而粉末暫堵劑對小孔徑模擬縫孔的封堵能力更強。兩種孔徑下形成的栓塞體滲透率差別較小，栓塞體滲透率隨暫堵劑濃度增加而小幅增大，組合暫堵劑形成的栓塞體滲透率普遍大于粉末暫堵劑。

3.2 栓塞體形態(tài)觀察

將暫堵劑聚集管道中的暫堵栓塞體取出進行微觀觀察，形成的暫堵栓塞體,見圖7，依據(jù)觀察結果繪制暫堵栓塞體微觀形態(tài)示意圖見圖8。

圖7 栓塞體形態(tài)圖

圖8 栓塞體微觀形態(tài)示意圖

通過對比可以看出組合暫堵劑聚集形態(tài)較為松散，滲透率較大；而粉末暫堵劑聚集形態(tài)比較緊實，滲透率較小。這是組合暫堵栓塞體長度普遍大于粉末暫堵栓塞體長度的原因。

3.3 實驗總結

綜合實驗過程中各特征參數(shù)及栓塞體滲透率測量與形態(tài)觀察結果分析認為，暫堵劑對不同孔徑模擬縫孔的封堵速度主要受暫堵劑粒徑大小的影響，暫堵劑平均粒徑與孔徑大小接近時，封堵速度越快；栓塞體滲透率主要受暫堵劑粒徑大小和堆積形態(tài)的影響，暫堵劑平均粒徑越小，堆積形態(tài)越緊實，其栓塞體滲透率越小，越有利于暫堵轉向開啟新縫。

4 結論

(1)針對當前無法依據(jù)實驗確定多種暫堵劑封堵、承壓性能和適用縫孔大小的問題，研制了一種可調(diào)縫孔的栓塞體滲透性評價裝置，并詳細闡述了該裝置的組成與使用方法。

(2)應用可調(diào)縫孔的栓塞體滲透性評價裝置對三種優(yōu)選暫堵劑進行室內(nèi)評價實驗，組合暫堵劑與粉末暫堵劑成功形成了承壓性能良好的暫堵栓塞體，而顆粒暫堵劑未能形成可承壓的暫堵栓塞體。由時間壓力曲線分析和暫堵栓塞體長度觀測結果得出規(guī)律，組合暫堵劑對中孔徑模擬縫孔的封堵能力更強，而粉末暫堵劑對小孔徑模擬縫孔的封堵能力更強。

(3)通過微觀觀察得知組合暫堵劑聚集形態(tài)較為松散，而粉末暫堵劑聚集形態(tài)比較緊實，這是影響暫堵栓塞體形成長度主要原因。