儲層改造用暫堵材料研究進展

許可，高航，石陽，董景鋒，劉臣，方波，李陽，王培

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.華東理工大學 化工學院，上海 200237；3.新疆油田分公司工程技術研究院， 新疆 克拉瑪依 834000；4.浙江油田分公司勘探開發一體化中心，浙江 杭州 310023)

隨著油田開發的不斷深入，常規油氣藏資源的大部分油層已逐步進入開發的中后期，穩產難度越來越大，為提高產能、保證能源供給，開發非常規油氣資源是重要的研究方向。暫堵轉向壓裂技術是一種重要的非常規油氣藏資源的高效開發技術，即利用暫堵劑對裂縫產生有效暫堵，再進行轉向壓裂產生一條或多條新裂縫，從而使裂縫得到擴展，最終形成新的裂縫網絡。這項技術的核心材料暫堵劑可以依照不同的分類原則進行分類，如按照暫堵劑的表觀形態[1]、暫堵機理[2]、解堵機理[3]等進行分類，本文將按照暫堵機理將暫堵劑分為化學顆粒、纖維、膠塞類、表面活性劑、復合類等，并分別介紹其暫堵機理、主要材料及性能和最新研究進展、相關測試評價方法。

1 暫堵材料類型及研究進展

1.1 顆粒型暫堵材料

化學顆粒通過流體注入儲層，然后通過顆粒的堆積形成暫堵效果，對于寬度較大的裂縫，顆粒物主要通過沉積和堆積產生暫時堵塞。對于架橋填充形成的濾餅，其封堵效果取決于粒徑與孔隙、喉道或裂縫寬度的匹配關系。相同尺寸的化學顆粒形成的濾餅中不可避免地存在一些間隙，因此，為了提高堵塞強度，減少濾失，采用不同尺寸顆粒混合或可變形顆粒來減小間隙。根據解堵機理的不同，化學顆粒可細分為水溶性、酸溶性和油溶性。目前，酸溶性材料主要包括碳酸鈣、陶粒等，酸化后隨殘液返排，適用于高溫高壓井。水溶性材料又可分為交聯類和非交聯類，主要包括聚丙烯酰胺、聚乳酸、纖維素等，通過破膠劑破膠溶于水排出或降解到水中排出，可以在不同的儲層溫度下使用。油溶性材料主要由石蠟、松香或樹脂制成，溶于油，隨儲層流體排出，適用于非高含水油井。當儲層溫度高于顆粒軟化點溫度時，固體顆粒開始熔化。當儲層應力大于顆粒的抗壓強度時，固體顆粒將破裂。因此，儲層溫度和應力會影響暫堵效果[4]。

順北油氣田一區超深裂縫性碳酸鹽巖儲層具有高溫、高壓和天然裂縫發育的特點，鉆井過程中易發生漏失。為了解決地層漏失及漏失后帶來的儲層損害問題，方俊偉等[5]研制了主要由可酸溶纖維、可酸溶填充材料及彈性石墨組成的抗高溫可酸溶暫堵體系。李國鋒等[6]研制了一種微膠囊型顆粒暫堵劑，外部材料是油溶性有機復合材料、內部材料是酸溶性碳酸鈣，具有良好的分散穩定性及封堵能力，而且可降解，現場實驗效果良好。為了解決油溶性暫堵劑強度低、滲透率恢復率低、適用溫度范圍窄的問題，Li等[7]以聚乙烯蠟為主要原料制備了油溶性聚乙烯蠟顆粒暫堵劑。白雪等[8]以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)為共聚單體，采用氧化還原聚合法制備了顆粒狀的聚丙烯酰胺基暫堵劑，用氯化鈣對其進行表面改性，合成了緩脹型暫堵劑，并測試了其黏度和溶解性。王盛鵬等[9]將硬度不同的油溶樹脂和較軟的石蠟類物質混配，經加工制成顆粒狀暫堵劑，耐溫性較單一材料得到提升，現場應用轉向效果有明顯提升。

1.2 纖維型暫堵材料

纖維在載液中被軟化，并與載液一起注入儲層中。根據最小阻力原理，載液將纖維泵送到儲層后，纖維首先流入高滲透率層或裂縫。不同的壁面粗糙度和抗阻力性將纖維固定在適當的位置。捕獲的長纖維起橋的作用，并且隨著注入液體過程的積累而增加。同時，粗糙裂紋壁捕獲短纖維的能力得到增強，并且纖維彼此纏繞逐漸形成纖維層。前后壓差使纖維層被連續壓實，從而形成濾網(濾餅)結構[4]。纖維可以溶解在酸、堿溶液或水中，然后流回地面。用于該應用的纖維主要是植物纖維及其改性產品。典型的材料包括聚酯纖維、聚乳酸纖維和聚丙烯纖維等。

杜娟等[10]以2%醋酸纖維和2%的分散劑配制暫堵液，實驗結果表明醋酸纖維適合于非均質碳酸鹽巖儲層酸化，能起到均勻布酸、均勻酸化的效果，而且醋酸纖維可采用高濃度鹽酸解除。楊國威等[11]使用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷對可降解纖維進行表面改性，通過對突破壓力、攜砂性能和導流能力等的測試顯示，該改性纖維適合用作壓裂暫堵劑。Ma等[12]利用自主設計的暫堵評價實驗裝置，對3種纖維暫堵材料測試發現，纖維質量分數越高，其分散性越差，懸浮性越好，加入質量分數為0.2%的纖維，攜砂液攜砂能力可提高50%以上。鐘森等[13]研制了一種人造有機可降解纖維暫堵劑，室內實驗顯示滲透率降低1 000倍以上，驅替壓力顯著增大，酸解堵后，滲透率恢復50%以上。

1.3 液體型暫堵材料

凝膠依靠凝膠狀體積堵塞實現臨時封堵。凝膠有兩種形式，顆粒和流體。在第一種情況下，將聚合交聯形成的凝膠制成顆粒，這樣更容易儲存和運輸。凝膠顆粒被流體攜帶到孔喉或裂縫中，在儲層高溫加熱的作用下，再次熔融交聯形成凝膠膠塞。另一種情況是將膠液直接泵入孔喉或裂縫中，在儲層條件下交聯形成膠塞。施工完成后，膠塞在破膠劑的作用下自動降解或分解成小分子，然后流回地表。凝膠膠塞是通過聚合物交聯形成的。主要材料包括酚醛凝膠、丙烯酰胺及其改性產品。膠塞的抗壓強度和耐鹽性較低。大多數聚合物凝膠的主要成分是部分水解的聚丙烯酰胺，在高溫或高鹽度環境下，其易于熱降解或鹽降解。

李丹等[14]在120 ℃下采用不同水解度和分子量的聚丙烯酰胺與不同交聯劑交聯，得到耐溫性能好、破膠效果好的高溫復配暫堵劑體系。沉降類、高失水類暫堵劑成塞強度低、聚合物凝膠類暫堵劑成塞強度高，但長段聚合物凝膠成塞后續破膠難。劉德平[15]研究形成了以聚丙烯酰胺作流型調節劑、工業廢料高爐礦渣為膠凝劑的高強度暫堵漿體，漿體穩定性好且現場試壓合格。交聯凝膠及其封堵性能主要取決于所用聚合物和交聯劑的類型以及交聯凝膠不同組分之間的相互作用。然而，大多數傳統的交聯凝膠都很弱，并且具有較低的機械性能。Azimi等[16]將不同濃度和尺寸的二氧化硅納米粒子引入磺化聚丙烯酰胺(SPAM)/醋酸鉻(Ⅲ)體系中，制備出了具有增強力學性能和堵塞性能的納米復合凝膠。Zhang等[17]采用醛基海藻酸鈉(ASA)與氨基明膠(AG)通過席夫堿反應形成一級網絡，加入聚乳酸(PLA)纖維形成三維網絡，以Ca2+為離子交聯劑，制備了一系列新型暫堵劑。結果表明，纖維配合交聯劑可以增強凝膠的強度和耐熱性，適量的Ca2+對水凝膠的機械性能顯示出積極的影響。

1.4 泡沫型暫堵材料

泡沫轉向酸、乳化轉向酸和自轉向酸被歸類為表面活性劑暫堵劑，因為其依靠表面活性劑來實現起泡、泡沫穩定、乳化或黏度變化。自轉向酸體系在地面條件下通常是低黏度流體。當將自轉向酸泵入地層中時，會發生酸蝕巖反應，從而導致酸體系的pH值以及Ca2+和Mg2+濃度增加等。當溫度、pH值或Ca2+和Mg2+濃度達到一定值后，酸溶液體系的黏度迅速增加。根據最小流動阻力的原理，酸首先會進入高滲透率層或近井區域。隨著酸蝕巖反應的持續進行，酸體系的黏度增加，這使得酸流入該區域的流動阻力增加。然后，酸自動被強制流入低滲透率或遠井區域。最終，整個井眼或整個裂縫被酸化。隨著儲層溫度的升高，高黏度自轉向酸會自動降解，或者在直接接觸碳氫化合物時會分解以降低黏度。降解后的黏度接近清潔水的黏度，便于返排并有效保護儲層。自轉向酸體系主要由酸和黏彈性表面活性劑組成。其中，表面活性劑是陽離子表面活性劑或兩性表面活性劑。

泡沫可以用作壓井液，用于低壓油井或氣井的修井作業。然而，泡沫通常來自高壓或高速攪拌下的氣體注入，另外，當前泡沫的穩定性仍然受到添加黏性聚合物或聚合物與單一交聯劑之間單一交聯的方法的限制。Jia等[18]利用產生二氧化碳氣體的化學物質(GPC)和發泡劑的系數函數，探索了一種在表面條件下簡單安全的現場生成方法。通過使用乙酸鉻和聚乙烯亞胺(PEI)進行雙交聯，可提高泡沫穩定性，從而保證了其在井眼中的穩定性。該泡沫凝膠顯示出低滲漏和暫時堵塞的良好性能。針對常規乳液高溫易破乳、增黏能力弱、轉向能力差的特點，李振亮等[19]以柴油為油相，以兩種非離子型乳化劑和一種陰離子型乳化劑復配，按油水比3∶7制得穩定的耐溫耐鹽油包水乳狀液，巖心驅替實驗表明該乳液可實現酸液的連續多級轉向。常規增產處理使用常規酸或緩速酸與化學暫堵劑(包括泡沫)結合，充分刺激長而不均勻的碳酸鹽地層增產。最常用的化學暫堵劑是基于聚合物的，但其易誘發地層損害。AI-Mutawa等[20]研發了黏彈性表面活性劑自轉向酸(VES-SDA)，該體系由無固體的VES和HCl混合而成，相對于常規膠凝酸的主要優點是它是非聚合的，并且具有非破壞性。與傳統的轉向材料(例如泡沫和微粒)不同，VES-SDA流體可以連續泵送、進行增產和改道。這樣就無需使用涉及許多其他流體系統的多個步驟。崔福員等[21]用3-二甲氨基丙胺、油酸和氯乙酸鈉合成了一種新型甜菜堿表面活性劑作為自轉向劑，與20%的鹽酸及其他添加劑復配形成自轉向酸體系，現場應用取得了良好的酸化效果。

1.5 復合材料類

復合暫堵劑已廣泛用于油田，主要由化學顆粒、纖維、凝膠和黏彈性表面活性劑組成。復合暫堵劑結合了每種單一類型暫堵劑的優點。通過匹配正確的施工技術，可以滿足各種儲層的重建技術要求。已在油田中使用的典型復合暫堵劑包括纖維和化學顆粒復合等。原始裂縫被纖維和化學顆粒的復合劑堵塞，從而使新的裂縫得以生長和擴散，這可以改善近井區裂縫與井筒之間的連通性，并提高井的生產率。

目前在用的單一纖維對2，4 mm縫寬的裂縫均可實現暫堵，但無法暫堵6 mm及更寬的裂縫。劉豇瑜等[22]采用復合暫堵劑在壓裂改造中作為暫堵轉向材料，并通過室內試驗優選出改造不同裂縫所需的最優的纖維長度和最佳的暫堵球粒徑組合以及最佳加量濃度，現場應用后增產效果顯著。針對當前設備模擬暫堵實驗時承壓能力差、裂縫與實際差別大等缺陷，Zhang等[23]設計了新的裂縫暫堵評價系統，研究發現纖維和微粒的結合可以獲得良好的堵塞效果；顆粒直徑至少為裂縫寬度的50%可以提高堵塞效果；斷裂表面形態影響臨時堵塞的形成時間，但不影響是否形成臨時堵塞。Hu等[24]利用層狀硅酸鹽材料與聚丙烯酰胺類聚合物制備了一種新型凝膠暫堵劑，復合凝膠在160 ℃老化10 d后仍保持堅固。隨著層狀硅酸鹽濃度的增加，成熟復合凝膠的承壓能力和剛性顯著提高。王雨霞[25]用大中小三種粒徑的剛性暫堵材料和可膨脹暫堵材料復配，室內實驗顯示，可承壓40 MPa以上且可完全自降解。

2 暫堵機理

根據現場施工要求，暫堵劑可加工為暫堵球(5 mm以上)、大顆粒(1～5 mm)、小顆粒(1 mm)、粉末(60～100目)和纖維系列可降解暫堵轉向材料，根據暫堵材料尺寸的不同，暫堵機理分為孔眼暫堵和縫內暫堵。孔眼暫堵主要采用與規則孔眼直徑相匹配的暫堵球，不規則孔眼采用多級配的顆粒暫堵劑，大顆粒架橋，小顆粒填充顆粒間孔隙，實現有效封堵。縫內暫堵主要采用小粒徑材料，通過壓裂液攜帶進裂縫中，提高裂縫凈壓力，達到縫內轉向形成更多分支裂縫目的。

圖1 暫堵機理示意圖Fig.1 Diagram of the temporary blocking mechanism

3 暫堵材料的評價方法

關于暫堵材料的性能評價，目前尚未達成統一標準。主要從其耐壓、耐溫、降解能力三個方面設計實驗分析，但是實驗流程設計、規范標準未統一。而關于暫堵材料暫堵性能的評價，由于不同研究機構的實驗設施都不盡相同，所以評價效果及標準很難統一。

3.1 封堵能力評價

暫堵轉向壓裂實施過程中，大排量壓裂液的注入會形成巨大的壓差，暫堵材料必須具有一定的耐壓能力，才能使壓裂液轉向而不被破壞，保證對裂縫實施有效暫堵。時玉燕等[26]將一定量的暫堵劑均勻地鋪置在壓力機的破碎室，然后施加壓力，在不同壓力下測其破碎率，根據破碎顆粒大小判斷其耐壓強度。李國鋒等[6]將暫堵劑在多孔介質巖心中封堵后，應用均相流體進行驅替時達到突破封堵效應所需要的最大壓力作為暫堵性能評價指標，即突破壓力。金智榮等[27]評價了三種暫堵復合材料的封堵效率，以暫堵之后出液量的大小代表封堵效率，出液量越小表示封堵效率越高；考慮不同暫堵材料能否實現對不同開度裂縫的暫堵，當暫堵體系實現對裂縫的封堵后，這個封堵體系能承受的最大外加壓力的強度就決定了該體系對裂縫的承壓能力。李振亮等[19]對巖心進行酸化暫堵驅替實驗，通過前后壓差變化來評判其暫堵性能。趙志強等[28]觀察暫堵液黏度隨時間的變化，隨著老化時間的增加，黏度逐漸降低，從而說明暫堵劑逐漸降解、具有良好的自然降解性能；并且在特定溫度下，設置不同壓力，記錄保持壓力10 min的累計濾失量，從而判斷其承壓封堵能力。

3.2 耐溫能力評價

油氣藏儲層溫度較高，暫堵材料必須能夠具有一定的耐溫性，比如油溶性樹脂和石蠟等高溫不軟化、纖維類材料高溫不分解等，能夠形成穩定的暫堵結構。姜歆等[29]通過測定油溶性樹脂的軟化點來評價暫堵劑的耐溫性能，實驗結果顯示該種油溶性暫堵劑軟化點為105 ℃，暫堵效果良好且具有很好的滲透恢復效果。姜必武等[30]使用松香和全煉石蠟作為主要原料，制備了一種蠟球暫堵劑，通過差式掃描量熱儀測試其相變溫度及相變熱來考察蠟球的熱穩定性。

3.3 溶解能力評價

儲層暫堵壓裂之后，暫堵材料必須能夠保證實現返排或降解，減少對儲層的傷害。李國鋒等[6]用地層水飽和巖心，然后用地層水驅替封堵后的巖心，測其前后滲透率，計算封堵率；用地層水飽和巖心，然后注入暫堵劑懸浮液，注入殘酸液解堵，最后地層水驅替，測其前后滲透率，計算解堵率。白紅艷等[31]將暫堵劑溶解在原油中，然后降溫、觀察在低溫情況下溶解體系是否有相變，若沒有大的相變，則說明溶解性良好，與原油配伍性好，并利用掃描電鏡從微觀的角度考察暫堵劑的封堵能力及返排能力。霍維晶等[32]利用模擬水測量巖心的正向原始水滲透率和反相原始油相滲透率，然后注入暫堵劑，測定暫堵后巖心的正向水相滲透率，然后反向用模擬油驅替巖心中的水，測定巖心的反向油相滲透率，以水相滲透率變化率作為暫堵率，以油相滲透率比值作為解堵率。

4 目前暫堵材料存在的問題

4.1 缺少評價標準

儲層改造用暫堵材料目前缺少統一的行業評價標準，需要重點考察和建立一系列評價暫堵材料的抗剪切性能、膨脹性能、耐鹽能力、懸浮能力、降解性能、封堵能力和解堵性能的實驗條件的方法。

4.2 缺少使用操作規范

近年來，僅國內每年使用的暫堵材料在2 000 t以上，但是暫堵劑的形狀種類多，產品類型包括秋狀、顆粒狀、絲狀和粉末狀，市場大且雜，但是沒有形成有效的使用操作規范。

4.3 缺少機理研究

暫堵材料封堵和解堵機理研究還需進一步加強，暫堵材料在井下變化過程主要包括流動、橋接、溶解、變形、承壓、酸解、水解和熱解等過程，需要依托流動力學、流變學、液固耦合、化學和材料學等科學統一研究，分解每個過程，研究人員才能掌握工作機理和使用方法。

5 發展建議與展望

不同材料制成的暫堵劑，由于其材料本身性能的限制，所以適用于不同的工程條件。聚合物交聯型暫堵劑容易在地層中留下大量難以清除的殘渣，對儲層造成二次傷害。纖維型暫堵劑承壓能力有限，力學性能較差。表面活性劑類清潔暫堵劑對地層傷害小，但穩定性不高。多種材料的復合暫堵劑可以起到很好的暫堵作用，彌補單一材料暫堵性能的不足，并且能夠減少單一材料使用量過大對儲層造成傷害，所以復合暫堵劑仍是未來發展的一個重要方向。此外，關于暫堵劑材料性能及暫堵效果的實驗評價方案仍未形成統一的標準，未來應建立針對不同類型暫堵劑的統一的材料及性能評價標準。