可降解繩結暫堵劑性能評價及應用

劉 威，賈振福，陳 恒

（1.中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006；2.重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331；3.四川申和新材料科技有限公司，四川成都 610599）

水平井密切割多簇孔眼暫堵壓裂過程中，通常采用顆粒暫堵劑、纖維、暫堵球等封堵材料復合封堵簇間孔眼來實現射孔簇均勻開啟，提高各簇裂縫進液效率和作業效率[1-4]。顆粒暫堵劑或纖維等材料復配孔眼暫堵工藝簡單，是目前應用最為廣泛的一種暫堵方法，但暫堵材料在射孔孔眼只是簡單的物理隨機堆積，無法確定暫堵厚度和暫堵位置，在重新開泵壓裂過程中會沖刷暫堵材料，破壞暫堵層，造成暫堵失效[5-7]。采用暫堵球封堵孔眼時，隨著壓裂支撐劑對圓形孔眼沖蝕，導致孔眼不規則，暫堵球無法完全封堵形狀與尺寸不規則的炮眼，同時暫堵球受排量、液體黏度影響較大，在井筒壓力降低后易脫落，影響暫堵效果。此外，通過暫堵顆粒和暫堵球來進行復合暫堵使用，用量大，成本高，但暫堵效果仍然有限[8-10]。目前國內對繩結暫堵劑室內和現場應用研究相對較少[11-15]。為此，采用高強度柔性可降解聚乳酸材料制備了一種繩結暫堵劑，并對其進行了性能評價。結果表明，其降解性能和承壓性能滿足壓裂施工要求，5 口井現場試驗應用效果良好。

1 繩結暫堵劑制備工藝及孔眼封堵原理

1.1 繩結暫堵劑制備工藝

繩結暫堵劑是由繩結和尾翼兩部分組成，中間主體繩結為單結、八字結或中國結，尾翼為兩條呈對稱結構，尾翼細絲全部散開呈流蘇狀。繩結暫堵劑選用聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸高強度可降解材料，具有較好的溶解能力和較高的承壓能力。通過調整繩結暫堵劑合成材料的類型，控制其在指定儲層溫度下的初始降解時間和完全降解時間[11-12，14]。

制備方法為：

（1）以聚乳酸材料、可降解樹脂為原料，按照一定比例混合干燥后經過熔融紡絲，冷卻后進行上油、牽伸、卷繞處理，得到600 D 的纖維細絲；

（2）纖維細絲通過紡織機加捻并絲形成1 500 D 纖維復合線，利用編織機對生產的纖維復合線進行8 股編織，制作出0.8 mm 的纖維細線；

（3）將纖維細線按照8 股、16 股編織成為纖維繩；根據不同尺寸繩結大小，選擇單股或多股纖維繩混合編織成為字結狀的繩結式結構，并將繩結兩端尾翼打散，烘干即可制成繩結暫堵劑。

1.2 繩結暫堵劑孔眼封堵原理

（1）導流入孔。繩結暫堵劑的兩側尾翼細絲作為導流端，遇液體后形成水化層易分散展開，提高暫堵劑在液體中的懸浮性，有利于產生較高的拖拽力，從而促使一側尾翼細絲極易進入射孔孔眼。

（2）彈性變形，自適應封堵孔眼。隨著尾翼進入孔眼，繩結主體在井底壓差的作用下可發生壓縮變形，座封于孔眼處，對于不同程度沖蝕的射孔孔眼均具有較強的自適應性。未進入孔眼的尾翼通過“孔眼流量再補充效應”對沖蝕射孔孔眼形成二次封堵，進一步提升繩結暫堵劑封堵效果。

（3）提高封堵承壓能力。繩結暫堵劑本身字結狀結構促使纖維繩有更多的交叉和更多的“扭轉波動”，在井底壓差下，纖維繩通過“摩擦自鎖”促使繩結暫堵劑結構穩定性更強，提高了封堵承壓能力[16]。

2 繩結暫堵劑性能評價

繩結暫堵劑的降解、承壓性能是否滿足孔眼封堵的需要是繩結暫堵劑最為關鍵的性能指標。因此，主要從以下兩方面進行繩結暫堵劑性能評價：（1）降解性能，合理的降解性能是現場施工成功的關鍵需求，又是后期解除孔眼堵塞的關鍵因素。（2）承壓性能，較大的承壓強度可以大幅度提高封堵成功率。

2.1 基礎性能

優選聚乳酸材料制備繩結暫堵劑，該材料具有吸水膨脹可變形和高強度特點，滿足降解、承壓要求，其基礎性能見表1。

表1 繩結暫堵劑基礎性能

2.2 繩結暫堵劑降解性能

將18 mm 繩結暫堵劑樣品浸泡于清水、聚合物滑溜水中進行降解實驗（圖1～圖4），模擬地層溫度為90 ℃，經過一定時間后取出烘干，通過失重法測試樣品的降解率。室內實驗表明繩結暫堵劑溶解后均形成基本澄清的溶液。在模擬地層溫度90 ℃下，繩結暫堵劑在不同液體中的溶解時間快慢為：滑溜水＞清水；繩結暫堵劑溶解是兩端尾翼優先開始降解，繩結暫堵劑26 h 降解率可達100%。繩結暫堵劑降解完全后無肉眼可見的顆粒狀物，即水不溶物均極少，沒有任何沉淀絮凝產生，說明繩結暫堵劑水溶物與不同液體配伍性良好。因此，進入井筒封堵孔眼的繩結暫堵劑在地層條件下溶解于壓裂液中，在壓裂施工完成后失去封堵作用，不會給返排或解堵帶來困難。

圖1 90 ℃條件下繩結暫堵劑清水降解評價實驗結果

圖2 90 ℃條件下繩結暫堵劑清水降解狀態

圖3 90 ℃條件下繩結暫堵劑聚合物滑溜水降解評價實驗結果

圖4 90 ℃條件下繩結暫堵劑聚合物滑溜水降解狀態

2.3 繩結暫堵劑靜態承壓性能

采用模擬射孔孔眼直徑為8 mm 的球座裝置，球座內孔徑10°倒角，繩結暫堵劑座封于球座上，球座外部通過保溫套加熱至90 ℃保溫2 h，測試過程中逐步增加壓力，壓力從15、20、25 MPa 等以5 MPa 遞增逐級加壓，每級加壓穩定3 min，以打壓壓力突然降低10%以上為承壓強度的判定依據，該壓力即為繩結暫堵劑承壓強度（圖5）。繩結暫堵劑的承壓能力受繩結直徑和球座孔徑的影響，測試了不同尺寸繩結暫堵劑在固定孔徑球座上的承壓能力。

圖5 繩結暫堵劑承壓裝置示意

不同直徑繩結暫堵劑承壓實驗結果見圖6。從圖6 可以看出，隨著繩結暫堵劑直徑增加，其承壓能力大幅度增加，繩結暫堵劑直徑在18 mm 以上時，可滿足120 min 承壓50 MPa（圖7），繩結暫堵劑直徑在15 mm 時，可承壓35 MPa，繩結暫堵劑直徑在13 mm和11 mm 時承壓較低，分別為25 MPa 和12 MPa。

圖6 不同直徑繩結暫堵劑90 ℃條件下清水承壓評價實驗結果

圖7 直徑18 mm 繩結暫堵劑承壓測試曲線

3 關鍵工藝參數及投加方法

與常規暫堵球相比，繩結暫堵劑尾翼細絲隨壓裂液穿過孔眼，有效封堵圓形或不規則形狀的孔眼，避免因壓力降低而造成脫落，井筒內壓力越高，繩結越緊，封堵性能越好?；趪鴥韧鈺憾聣毫鸭夹g研究成果，結合現場實際，確定了繩結暫堵劑尺寸及用量、泵送排量、投加方法。

3.1 尺寸及用量

繩結暫堵劑的尺寸根據射孔孔眼設計，射孔孔眼在壓裂過程中受支撐劑沖蝕產生擴徑，根據井下成像監測，采用下式確定繩結暫堵劑直徑與孔眼的直徑關系[15]：

式中：D-繩結暫堵劑直徑，mm；Dp-射孔孔眼直徑，mm。

繩結暫堵劑投入是為了封堵已進液孔眼，因此，投加數量與暫堵孔眼數量成正比，一般繩結暫堵劑投加數量與需要暫堵孔眼數的關系為：

式中：N-繩結暫堵劑個數；Np-暫堵孔眼數。

3.2 泵送排量

繩結暫堵劑有效封堵需要一定排量，排量過低，易在管線內產生堆積現象，孔眼內負壓低，繩結暫堵劑不易座封；排量過高，繩結暫堵劑由于慣性易越過孔眼，影響座封效率?；谑覂饶M和礦場經驗，設計泵送排量為4.0～6.0 m3/min[10，14]。

3.3 投加方法

繩結暫堵劑由于形狀不規則，數量較多時易于相互纏繞，降低繩結暫堵劑封堵效果，為此采用可溶解球殼包裹繩結暫堵劑，采用在壓裂主管線+旋塞閥+壓裂短節方式投加（圖8）。球殼包裹的繩結暫堵劑在一定排量下進入管線后，通過與壓裂管線或井筒管道的強力碰撞，球殼打開，釋放繩結暫堵劑，可實現繩結暫堵劑分批次進入管線和水平段孔眼，大大提高繩結暫堵劑封堵效果。

4 現場應用及效果

繩結暫堵轉向技術在東勝、大牛地致密氣區塊水平井密切割多簇壓裂中累計應用5 井次12 段，施工成功率100%，暫堵升壓3.1～9.3 MPa，平均暫堵升壓4.9 MPa，與暫堵球平均暫堵升壓1.0 MPa 相比，暫堵升壓效果提升明顯（表2）。

表2 繩結暫堵劑與暫堵球暫堵效果對比

其中J30-6-PX 采用密切割多簇壓裂，目的層溫度89.6 ℃，第4 段，射孔槍型73 槍，射孔3 簇，每簇長度0.8 m，孔密為16 孔/米，相位角60°，射孔孔徑7.0 mm，射孔數36 孔。本次暫堵采用直徑為18 mm 繩結暫堵劑進行暫堵，預計封堵24孔，繩結暫堵劑個數為1.1 倍暫堵孔眼個數，即1.1×24＝27 個。在整個壓裂施工中期階段停泵后采用旋塞閥投送裝置將球殼式繩結暫堵劑以排量2.5 m3/min 投放入井，然后提排量至5.0 m3/min 進行繩結暫堵劑泵送，繩結暫堵劑達到射孔孔眼后，壓力上漲9.3 MPa（圖9），暫堵前后在相同排量8.1 m3/min下，暫堵后施工平均壓力比暫堵前高約3.0 MPa，說明繩結暫堵劑起到很好封堵效果，開啟更高應力儲層。

圖9 試驗井繩結暫堵壓裂施工曲線

5 結論與建議

（1）以聚乳酸材料、可降解樹脂為原料制備了一種繩結暫堵劑，在模擬地層溫度90 ℃條件下，在26 h內完全溶解，18 mm 以上繩結暫堵劑承壓能力達到50 MPa，滿足現場施工需要。

（2）繩結暫堵劑可以實現壓裂段孔眼的有效封堵，繩結暫堵劑直徑、加入量、泵送排量目前均處于摸索階段，應通過室內實驗和現場試驗進一步合理優化。

（3）現場試驗結果表明，與暫堵球相比，繩結暫堵劑孔眼暫堵升壓效果明顯，可大規模推廣應用。