割縫篩管暫堵酸壓適應性評價

馬清杰 李 軍 余勇剛 唐云鵬

(1.中國石油大學(北京) 2.中石化西北油田分公司石油工程技術研究院3.新疆恒洲景業石油技術服務有限公司 4.新疆油田公司油田技術服務分公司)

0 引 言

塔里木盆地順北油田為奧陶系碳酸鹽巖裂縫-洞穴型油藏，平均埋藏深度超過7 300 m[1-2]，其中4、8號斷裂帶內的油氣井主要采用裸眼完井方式，由于目的層的裸眼井壁穩定性差，完井測試期間易出現井壁坍塌，由此造成井筒堵塞，給油氣井的生產作業帶來了巨大風險。如SHB4-1H井完井階段鉆頭通井至井底，替漿、循環鹽水期間返出巖屑0.15 m3，測試期間在除砂器中收集到灰巖掉塊。順北8X井采用油管測試完井方式，生產期間該井生產封隔器失封，通過井筒作業出現套管變形、井壁坍塌現象，給順北區塊正常生產帶來極大隱患。

為降低裸眼完井帶來的生產風險，對順北區塊的完井方式進行了探索與研究。割縫篩管由于管、縫同體，結構簡單，性能優越且價格低廉[3-5]，目前成為順北區塊主要的完井方式之一。但后期在暫堵酸壓過程中，存在暫堵材料堵塞割縫及管體強度失效的風險，給工程實踐帶來較大影響。當前，對割縫篩管的擋砂精度研究較多[6-8]，但割縫篩管暫堵劑通過性評價未開展，同時符合擋砂精度要求又滿足暫堵酸壓的臨界縫寬有待研究。

目前，國內外對割縫篩管完井方式下暫堵酸化壓裂工藝研究不足。為此，本文通過割縫篩管暫堵劑通過性室內試驗與地面試驗相結合的方案，評價順北酸壓常用的暫堵劑配方通過不同規格割縫篩管的可行性?；诟羁p篩管表皮系數計算模型，形成暫堵酸壓參數優選方案，得到滿足暫堵酸壓的臨界表皮系數。研究成果對順北區塊完井方式優化，降低暫堵酸壓風險，保障后期儲層改造的順利進行具有重要指導意義。

1 評價方法

1.1 室內試驗

室內試驗依據相似性原理，以平面過濾件替代現場割縫篩管為研究對象，對割縫篩管的通過性綜合性能進行研究。通過模擬實際工況中暫堵劑混合液流經割縫的流速，并以此作為相似準則的輸入變量，可保持在恒定排量下通過測量割縫過濾單元件的壓降來評價割縫篩管的抗堵塞性，進而評估暫堵劑的通過性難易程度。整套試驗裝置主要由以下4個部分組成：信息數據采集系統、循環系統、割縫過濾單元抗堵塞性能試驗裝置、壓力及流量監測系統(見圖1)。

圖1 室內試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment equipment

開展室內試驗，首先進行了割縫縫長對暫堵劑通過性的影響評價。試驗設備如圖2所示。在保持縫寬一定的情況下通過可調過濾件(見圖3)進行縫長的調節。試驗所用滑溜水由質量分數為0.3%的HPG-1胍膠和清水配成，所用暫堵劑類型有粒徑為0.25～0.85 mm和0.80～1.20 mm的顆粒暫堵劑，長度為5～6 mm的絲狀纖維暫堵劑。

圖2 割縫縫長對暫堵劑通過性的影響評價試驗設備Fig.2 Test equipment for evaluating the impact of slot length on the passability of temporary blocking agent

圖3 可調縫長過濾件Fig.3 Filter piece able to adjust slot length

1.2 地面驗證試驗

地面試驗與實際施工環境接近，目的為驗證室內試驗結果的可靠性，為現場實施做準備。試驗設備主要有：2臺2000型壓裂泵車，1臺混砂車，1輛暫堵劑泵入車，1個30 m3壓裂液罐，1個30 m3清水罐，5～6 mm纖維暫堵劑，0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑，0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，HPG-1胍膠粉，3根不同型號的割縫篩管。現場測試排量保持在0.5～1.0 m3/min(流速26～52 m/min)之間，試驗開始前啟泵試壓10 MPa，穩壓10 min，壓降小于0.5 MPa為合格；低壓2 MPa，穩壓10 min，不滲不漏無壓降為合格。試壓合格后，開泵泵入工作液，觀察篩管的出液情況，并記錄泵入排量及壓力。

2 試驗結果與討論

2.1 室內試驗

2.1.1 縫長對割縫篩管暫堵纖維通過性的影響

試驗設定割縫篩管的規格為縫寬3 mm，使用0.25～0.85 mm的暫堵劑顆粒質量分數為1%，纖維質量分數為0.5%，通過可調縫長過濾件調節縫長分別為15、20、60、100和200 mm，在保持相同的過流速度(68 m/min)條件下，測試得到注入壓差隨時間的變化關系(見圖4)。由圖4可知，在相同條件下，割縫縫長大于15 mm時，割縫縫長對暫堵劑的通過性影響很小，可忽略不計。

圖4 不同縫長下注入壓差隨時間的變化圖Fig.4 Variation of injection pressure over time under different slot lengths

2.1.2 縫寬對不同配方暫堵劑通過性的影響

該室內試驗不同暫堵劑配方通過割縫的速率統一設定為55 m/min，對應排量400 L/h。選取割縫過濾件縫寬分別為1.5、2.0、2.5、3.0和4.0 mm，縫長均為20 mm，采用錯位布縫形式，過濾件有4條縫(見圖5)。

圖5 割縫過濾單元件實物圖Fig.5 Physical picture of slotted filtersingle element

選擇質量分數為1%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑與不同質量分數的5～6 mm纖維暫堵劑進行組合，測試得到各暫堵劑配方通過不同縫寬過濾件的壓差(見圖6)。

圖6 不同配方暫堵劑通過不同縫寬過濾件壓差對比圖Fig.6 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with different slot widths

從圖6可以看出：在相同的割縫縫寬下，所需壓差隨纖維質量分數的增加而逐漸增大；當纖維質量分數大于0.5%時，2.5與3.0 mm縫寬所需的壓差降低幅度明顯增大。在纖維質量分數≤3%、顆粒暫堵劑質量分數≤1%時，當縫寬達到3.0 mm以上，纖維暫堵劑與顆粒暫堵劑所形成的空間網絡結構對通過性影響顯著降低。產生此現象的原因可能是縫寬超過纖維暫堵劑長度(5～6 mm)的50%以后，其架橋作用顯著減弱，外力作用下纖維網絡結構較易被破壞，暫堵劑通過性明顯提高。

2.1.3 不同規格暫堵劑配方的通過性評價

該試驗保持注入排量為400 L/h，選擇3和4 mm縫寬，在其他條件相同時，試驗得到不同暫堵劑配方通過3、4 mm縫寬過濾件的壓差(見圖7)。

圖7 不同配方暫堵劑通過3、4 mm縫寬過濾件壓差對比圖Fig.7 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with a slot width of 3 mm and 4 mm

從圖7可以看出：在纖維暫堵劑質量分數大于1%時，粒徑0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑比粒徑0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑所需注入壓差增大了2.0～3.6倍；隨著暫堵劑質量分數增大，所需的注入壓差也逐漸增大，其中0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑通過3 mm縫寬的壓差由3.2 MPa增大到4.2 MPa、增幅為31.3%，通過4 mm縫寬的壓差由2.6 MPa增大到3.6 MPa、增幅為38.5%。結果表明，暫堵劑的粒徑越大，纖維質量分數越高，其通過割縫過濾件所需的壓差越大，通過性越差，因此優先選用0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑配方方案。

2.2 地面試驗

根據室內試驗結果，當縫寬大于3 mm，暫堵劑通過性顯著增強。由于沒有可參照的標準及案例，故將3 mm作為該暫堵劑方案下的通過性臨界縫寬，以此通過地面試驗加以驗證。在地面測試了3種規格篩管，縫寬分別為2、3和4 mm，3種篩管其他參數為：縫長200 mm，外徑88.9 mm，內徑75.9 mm，長度3 m，每圈割縫數6，縫間距100 mm，縫離篩管兩端0.2 m。地面測試得到3種縫寬下不同暫堵劑配方通過割縫的泵壓曲線，如圖8所示。割縫篩管割縫堵塞情況如圖9所示。地面試驗結果與室內試驗結果所呈現的規律較符合。

圖8 暫堵劑通過性地面測試曲線Fig.8 Ground test curve of temporary blocking agent passability

圖9 地面試驗各縫寬割縫篩管割縫堵塞情況Fig.9 Slot blocking status of slotted pipe with different slot widths in ground test

2.2.1 縫寬2 mm試驗

測試2 mm縫寬割縫管，排量0.9 m3/min，暫堵劑配方為質量分數1%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑和質量分數0.7%的纖維暫堵劑，測試壓力由0.43 MPa突然上升至3.36 MPa，說明割縫管出現了明顯的封堵；停泵后觀察割縫管縫口暫堵劑堵塞嚴重，人力無法插入1.5 mm厚的硬質卡片。試驗結果表明，2 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性很差，不適合現場暫堵酸壓使用。

2.2.2 縫寬3 mm試驗

開始測試3 mm縫寬割縫管，排量為0.5 m3/min，暫堵劑配方為質量分數0.5%的0.25～0.85 mm顆粒暫堵劑和質量分數1%的纖維暫堵劑，測試壓力平穩保持在0.76 MPa左右，未出現壓力突變；提高排量至1.0 m3/min，增大纖維質量分數為1.5%，測試壓力平穩保持在1.82 MPa左右，未出現壓力突變；保持排量1.0 m3/min，更換為0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，測試壓力仍平穩保持在1.8 MPa左右，未出現壓力突變。停泵后割縫管縫口內側無暫堵劑堵塞，表明在3 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性優異，滿足現場暫堵酸壓的需求。

2.2.3 縫寬4 mm試驗

開始測試4mm縫寬割縫管，排量0.5 m3/min，暫堵劑配方為質量分數0.5%的0.25～0.85 mm顆粒型和質量分數1%的纖維型，測試壓力保持在0.9 MPa左右，未出現壓力突變；提高排量至1.1 m3/min，增大纖維質量分數至1.5%，更換質量分數1%的0.80～1.20 mm顆粒暫堵劑，測試壓力仍較平穩保持在1.9 MPa左右，未出現壓力突變；停泵后割縫管縫口內部無暫堵劑堵塞，表明4 mm割縫縫寬下暫堵劑通過性優異，滿足現場暫堵酸壓的需求。

3 割縫篩管參數優選

3.1 割縫篩管阻塞系數計算模型

目前研究割縫表皮的學者較多[6，9-10]，由割縫堵塞產生的表皮系數模型表達式為[6]：

(1)

式中：m為割縫單元數，無因次；b為割縫的寬度，m；t1為縫內堵塞深度，m；δ為割縫的穿透比，δ=ls/lu；ls為割縫的長度，m；lu為割縫單元長度，m；K1為縫內堵塞物滲透率，μm2；K0為初始滲透率，μm2。

在相同的穩定流流量條件下，用達西定律衡量真實壓降與理想壓降關系的參數。將室內試驗測得不含暫堵劑的混合液通過不同縫寬過濾件的壓差作為理想壓降Δp1。

定義壓力損失系數c(真實壓降與理想壓降的比值)，用來修正不同纖維質量分數的暫堵劑在割縫里的阻塞深度。由室內試驗可知，暫堵劑混合液通過割縫會發生阻塞，解堵可以施以不同壓力，以獲得一定流量的兩端壓差作為暫堵劑通過篩管的真實壓降Δp，則有：

c=Δp/Δp1

(2)

用阻塞系數M來判斷篩管堵塞難易程度，它是指在相同的穩定流流量情況下，用達西定律衡量真實壓降與理想壓降關系的參數。由此推導出割縫篩管阻塞系數：

(3)

阻塞系數M值越大，篩管發生堵塞可能性越大，暫堵劑通過性越差。

3.2 暫堵酸壓參數優選結果

室內試驗所用過濾件縫長ls=20 mm，割縫單元長lu=25 mm，割縫單元數m=4，割縫縫寬b分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5及4.0 mm。假設暫堵劑不含纖維時的堵塞深度為t=1 mm，本試驗所用顆粒暫堵劑質量分數均不大于1%，堵塞割縫的主要是纖維暫堵劑，與割縫內的預堵塞物一致，則K1=K0。由式(3)計算得到割縫篩管的阻塞系數，形成暫堵酸壓參數優選方案如圖10所示。

圖10 暫堵酸壓參數優選方案Fig.10 Optimization scheme of temporary blocking acid fracturing parameters

阻塞系數為正值表示割縫發生堵塞，M=0表示未發生堵塞，阻塞系數越大，篩管堵塞程度越嚴重，暫堵劑通過性越差。由圖10可以看出：割縫篩管阻塞系數隨著縫寬增加而逐漸減小，纖維暫堵劑質量分數越大阻塞系數越大，但縫寬大于臨界值3 mm時，不同纖維質量分數暫堵劑的阻塞系數變化趨于平衡，堵塞風險較?。桓鶕羁p堵塞程度，阻塞系數存在一臨界值6.1，阻塞系數大于6.1，割縫堵塞程度較嚴重，暫堵劑無法通過；阻塞系數小于6.1，暫堵劑通過性良好，對應的縫寬和暫堵劑質量分數可作為暫堵酸壓的參數優選方案。

4 結 論

(1)針對酸化壓裂中暫堵劑堵塞篩管割縫的問題，開展了割縫篩管不同暫堵劑配方通過性室內試驗與地面驗證試驗，結果表明3 mm為順北常用暫堵劑配方通過割縫篩管的臨界縫寬值。

(2)建立了割縫篩管阻塞系數計算模型，以阻塞系數來區分不同暫堵劑配方通過割縫管的堵塞程度，當阻塞系數大于6.1，割縫堵塞程度較大，暫堵劑無法通過，阻塞系數小于6.1時，暫堵劑通過性良好。

(3)通過室內試驗數據計算得到阻塞系數，形成了暫堵酸壓參數優選方案，低于臨界值所對應的縫寬和暫堵劑質量分數可作為暫堵酸壓的參數優選方案。