范龙飞，汪 杰，江厚顺，续化蕾，雷 奕

长江大学石油工程学院

0 引言

对于低孔、低渗等非常规储层的开发，往往需要采用水力压裂措施进行储层改造，但常规水力压裂容易在储层中形成单一的对称裂缝，不能有效动用油藏储量，压裂改造效果有限[1]。随着石油勘探开发的发展，暂堵转向重复压裂成为低渗透储层改造的主要技术，该技术已广泛应用于国内油田进行高含水老油井重复改造、水平井储层改造、低渗透油田及非常规油气资源复杂地层的有效开发。暂堵压裂技术是在一定条件下向目的层中泵入暂堵剂，利用层内渗透率的差异，封堵高渗层，让注入流体流向低渗层，达到改变原有液体的流动方向、改造低渗层段的目的，能够最大限度地发挥压裂在油藏开发中的作用和潜力[2-3]。目前各种类型的暂堵剂在油田中得到了广泛应用，但是暂堵剂性能评价的室内实验研究较少，存在暂堵机理、暂堵效果评价方法、暂堵剂承压规律和聚集形态不明确等问题[4]。暂堵剂封堵能力受暂堵剂配方(浓度、粒径、配比和形状)、裂缝形态和裂缝开度等多因素影响[5-6]。由于裂缝模型往往无法直观反映真实裂缝对封堵效果的影响，无法精确调整裂缝开度来探究暂堵剂的封堵能力[6]，暂堵剂的使用一直存在着不同程度的地层伤害问题[7]。传统的三轴暂堵压裂物理模拟实验装置管线较细，无法泵送暂堵剂，同时，受井筒结构限制，裸眼井段不够长，暂堵剂很难进入裂缝内，无法进行暂堵转向压裂模拟。在确保顺利注入的情况下，较强的封堵承压能力是暂堵剂的必备条件，而目前国内外在纤维暂堵方面研究较多，但对于颗粒、复合颗粒或颗粒/纤维组合研究较少[8-10]。复合转向材料对裂缝的封堵效率和承压能力更高[10]，目前缺少材料组合工艺优化的相关研究，现场施工过程中的加量选取大多凭借经验，暂堵剂自身性质的优良,决定着缝内转向压裂工艺的成功与否[8]。因此本文在明确暂堵材料的封堵机理的基础上，开展缝内暂堵剂封堵承压能力实验，优化暂堵剂类型及组合，以更好地指导现场施工。

1 栓塞体渗透性评价装置介绍

1.1 实验装置设计与搭建

本文提出了一种可调缝孔的栓塞体渗透性评价装置，采用泵注压力监测的方法评价暂堵效果。该装置具有低成本、低能耗、模块灵活、操作简单的特点，为暂堵剂性能研究提供坚实的实验基础。栓塞体渗透性评价装置整体结构见图1，该实验装置包括泵送系统、压裂液注入装置、测量装置、暂堵栓塞体形成装置，其核心部分为暂堵栓塞体形成装置。

1.恒速恒压泵; 2.系统控制面板; 3.电子显示屏; 4.中间容器; 5.活塞; 6.进液口; 7.出液口; 8.导流管线; 9.计时器; 10.暂堵管线接口; 11.暂堵剂聚集管道; 12.缝孔模拟堵头; 13.注入管线; 14.收集桶; 15.压力表。

1.2 暂堵栓塞体形成装置

暂堵栓塞体形成装置主体部分为暂堵管线接口、暂堵剂聚集管道和缝孔模拟堵头，如图2所示。各组件间均通过螺纹相连，缝孔模拟堵头底部有模拟缝孔，导流管线与暂堵管线接口内径相同，其连接处经过防漏失工艺处理，防止压裂液漏失。暂堵管线接口内径小于暂堵剂聚集管道，可减小压裂液回流对暂堵栓塞体形态的影响，并保证暂堵栓塞体形成于暂堵剂聚集管道中。暂堵剂聚集管道内壁光滑且前后均通过螺纹连接，具有可拆卸性，保证顶替工具能够将暂堵栓塞体完整无损取出，以便于观察暂堵栓塞体形态及显微观察暂堵剂聚集规律。暂堵剂聚集管道长度8.5～9.0 cm，内径2.5 cm。不同孔径的缝孔模拟堵头分别为特大孔径、大孔径、中孔径和小孔径模拟缝孔堵头，见图3。实验过程中更换不同孔径的缝孔模拟堵头以模拟地层缝孔，通过多组实验探究暂堵剂对不同大小缝孔的暂堵性能与承压规律。

图2 暂堵栓塞体形成装置图

注：从左至右分别为2.5 mm特大孔径模拟缝孔、2.16 mm大孔径模拟缝孔、1.38 mm中孔径模拟缝孔、0.9 mm小孔径模拟缝孔。

1.3 暂堵栓塞体形成装置工作原理

暂堵栓塞体形成装置的中间容器中装有2 L配置好的携暂堵剂压裂液，通过系统控制面板设定恒速恒压泵的压力和流量参数，泵出流体经注入管线流向中间容器的进液口，向上推动活塞，进而使压裂液由出液口流入导流管线，最终流向暂堵栓塞体形成装置。携暂堵剂压裂液经缝孔模拟堵头的截流过滤，压裂液胶质基液流出堵头，暂堵剂在管道中聚集压实，形成暂堵栓塞体。同时观察计时器和压力表的读数，记录不同时刻的压力大小，通过绘制时间压力曲线探究暂堵剂的封堵规律和承压性能，通过观察栓塞体形态探究暂堵剂的运移和压实规律；实验中配置不同类型的携暂堵剂压裂液，更换不同孔径的缝孔模拟堵头，重复实验可探究不同种类暂堵剂对不同大小模拟缝孔的封堵和承压性能。

1.4 实验步骤

①按照实验装置图1所示，依次连接实验设备。中间容器2中装填适量实验所需配置好的携暂堵剂压裂液；②通过系统控制面板1.1设定恒速恒压泵1的流量参数，恒速恒压泵1流出供压流体推动中间容器中的活塞使压裂液以固定流量注入导流管线3；③压裂液经导流管线3流向暂堵栓塞体形成装置，缝孔模拟堵头7处开始有压裂液流出时，按下计时器4开始计时，同时观察记录压力表10对应时刻的压力大小，当压力表数值达10 MPa时关闭恒速恒压泵1，根据所记录数据绘制时间压力曲线；④更换不同暂堵剂压裂液或不同孔径大小的缝孔模拟堵头7，重复①、②、③步骤；⑤将暂堵栓塞体从暂堵剂聚集管道6中取出，进行微观观察，研究暂堵剂的聚集规律和栓塞体的压实形态；⑥依据经验理论分析时间压力曲线，探究不同种类暂堵剂对不同大小模拟孔隙的封堵和承压性能。

2 室内实验过程

按照所述实验步骤进行暂堵剂性能评价实验，实验选用三种配比类型的暂堵剂，第一种为大颗粒、中颗粒、小颗粒及粉末组合暂堵剂，第二种为粉末暂堵剂，第三种为纯颗粒暂堵剂，实验所用压裂液暂堵剂浓度为0.1 g/mL和0.05 g/mL。针对优选暂堵剂的颗粒大小，暂用中孔径与小孔径的模拟堵头进行评价实验，实验用暂堵剂如图4所示。实验过程中，组合暂堵剂与粉末暂堵剂表现出良好的封堵与承压性能，成功形成了满足承压要求的暂堵栓塞体，而颗粒暂堵剂封堵压力达到6.65 MPa后不再增大，不能满足10 MPa封堵压力的承压要求，无法实现对模拟缝孔的有效封堵，形成的栓塞体满足不了承压要求，这主要是因为颗粒暂堵剂粒径较大，运移排列时粒间缝隙太大，聚集形态过于松散[10]。实验中形成的暂堵栓塞体如图5所示。

图4 实验用暂堵剂

图5 暂堵栓塞体

3 实验结果分析

3.1 注入压力及渗透率分析

依据实验数据绘制的注入时间和暂堵压力曲线，如图6所示，实验过程中设置恒流量大小为60 mL/min，因此横坐标注入体积代表对应注入时间与注入速度的乘积。实验以封堵压力达到10 MPa时结束，然后进行栓塞体渗透率测试。将实验过程中主要特征点进行统计,获得实验结果如表1所示。

图6 暂堵压力曲线图

表1 暂堵栓塞体形成过程中关键实验数据表

由实验结果分析可知，可承压的暂堵栓塞体的形成说明组合暂堵剂和粉末暂堵剂对模拟缝孔具有预期封堵性能。实验中暂堵剂的承压规律反应其封堵性能，即起压越快，说明暂堵剂对模拟缝孔的封堵能力越强。由时间压力曲线可知，组合暂堵剂与粉末暂堵剂对不同大小孔径的缝孔封堵能力不同，即高浓度时组合暂堵剂对中孔径模拟缝孔的封堵能力更强，而粉末暂堵剂对小孔径模拟缝孔的封堵能力更强。暂堵栓塞体长度规律也表明组合暂堵剂对中孔径模拟缝孔的封堵能力更强，而粉末暂堵剂对小孔径模拟缝孔的封堵能力更强。两种孔径下形成的栓塞体渗透率差别较小，栓塞体渗透率随暂堵剂浓度增加而小幅增大，组合暂堵剂形成的栓塞体渗透率普遍大于粉末暂堵剂。

3.2 栓塞体形态观察

将暂堵剂聚集管道中的暂堵栓塞体取出进行微观观察，形成的暂堵栓塞体,见图7，依据观察结果绘制暂堵栓塞体微观形态示意图见图8。

图7 栓塞体形态图

图8 栓塞体微观形态示意图

通过对比可以看出组合暂堵剂聚集形态较为松散，渗透率较大；而粉末暂堵剂聚集形态比较紧实，渗透率较小。这是组合暂堵栓塞体长度普遍大于粉末暂堵栓塞体长度的原因。

3.3 实验总结

综合实验过程中各特征参数及栓塞体渗透率测量与形态观察结果分析认为，暂堵剂对不同孔径模拟缝孔的封堵速度主要受暂堵剂粒径大小的影响，暂堵剂平均粒径与孔径大小接近时，封堵速度越快；栓塞体渗透率主要受暂堵剂粒径大小和堆积形态的影响，暂堵剂平均粒径越小，堆积形态越紧实，其栓塞体渗透率越小，越有利于暂堵转向开启新缝。

4 结论

(1)针对当前无法依据实验确定多种暂堵剂封堵、承压性能和适用缝孔大小的问题，研制了一种可调缝孔的栓塞体渗透性评价装置，并详细阐述了该装置的组成与使用方法。

(2)应用可调缝孔的栓塞体渗透性评价装置对三种优选暂堵剂进行室内评价实验，组合暂堵剂与粉末暂堵剂成功形成了承压性能良好的暂堵栓塞体，而颗粒暂堵剂未能形成可承压的暂堵栓塞体。由时间压力曲线分析和暂堵栓塞体长度观测结果得出规律，组合暂堵剂对中孔径模拟缝孔的封堵能力更强，而粉末暂堵剂对小孔径模拟缝孔的封堵能力更强。

(3)通过微观观察得知组合暂堵剂聚集形态较为松散，而粉末暂堵剂聚集形态比较紧实，这是影响暂堵栓塞体形成长度主要原因。