压裂暂堵剂的研究进展与应用*

2023-12-16吴宝玉石志远

广州化工 2023年12期

高荔，赵澎，吴宝玉，石志远

(1 青岛职业技术学院，山东青岛 266555；2 山东省海洋工程技术协同创新中心，山东青岛 266555；3 中国石油乌鲁木齐石化公司炼油厂，新疆乌鲁木齐 830019；4 中国石油独山子石化公司生产运行处，新疆独山子 833699)

石油天然气是目前使用最广泛的不可再生能源。随着世界油气能源的大量开采，世界能源供求关系的矛盾日益凸显，低渗透油气资源的开采尤为重要[1]。我国大部门油田属于低渗透油田，其储量占到总石油储量的30%，在已探明储量的原油中，低渗透未开采储层占到全部未开采储层的50%以上。因此低渗透油气田的开发对于我国石油工业的发展具有重大意义。

提高低渗透油田采收率的最重要的手段就是水力压裂，但是随着生产的进行，水力裂缝的导流能力下降，含水量上升，必然会使油气产量下降，这类油气田是水力压裂无法解决的，这就需要重复压裂[5-6]，重复压裂是改造老井使其恢复生产能力的最有效的措施[7]。重复压裂的核心技术是暂堵剂的使用，暂堵剂的性能是影响压裂效果的决定性因素，决定了封堵的效果和滤饼的抗压能力[8]。

暂堵剂，又称为转向剂，能够暂堵降低地层渗透性的化学剂，在油气田开采中具有临时封堵的作用，是由调剖堵水剂发展来的[9]。其作用原理是把以前天然或者压裂的老裂缝封堵，再通过反复压裂在不同的位置上压出新裂缝增加流通的通道[7]。新的裂缝形成以后，老裂缝中的暂堵剂可以返排出来，以实现对新、老裂缝的供液作用，实现增产的目的。

目前，压裂暂堵剂广泛的应用于油气田开发领域的修井、压裂酸化、钻完井、修井等作用中。暂堵剂可以分为酸溶性、油溶性、水溶性[10]。相比于其他用途的暂堵剂，压裂用暂堵剂具有地层伤害低，暂堵时间可控，承压能力强的优点[1]，是近年来研究的热点。因此对于压裂暂堵剂的研究是非常必要的，具有重大意义。本文对压裂用暂堵剂的类型、优缺点及应用进行了阐述，最后对暂堵剂的发展趋势进行了展望。

我国现有的暂堵剂按其可溶性和作用原理可分为三类：酸溶性暂堵剂，油溶性暂堵剂，水溶性暂堵剂[11]。

1 酸溶性暂堵剂及应用

对于酸性暂堵剂除了要求具有一定的韧性和强度以外，还要能够溶于酸或水，返排不充分会对底层造成损害[11]。常用的有细目或超细目碳酸铁、碳酸钙、陶粒等钙类能溶于酸的无机类固相颗粒。酸性压裂可以有效地提高低渗透油田的开发水平，油井投产时，可通过酸化消除油气层井壁内外滤饼而解除这种固相堵塞。

酸性暂堵剂适用于含有酸性气体的CaCO3酸性盐储层，具有制造成本较低、强度高、耐温性好等优点，但酸性盐储层的强度较低，不可压缩且质地较脆，无法变形，封堵效果较差，无法满足高压作业的要求。同时酸性暂堵剂返排出地层时，需要酸化解堵，无法靠自身降解或者溶解，解堵费用高，工艺复杂。同时解堵过程中会留下较多残渣，易造成二次污染[12]，对地层危害较大。基于以上特点，酸性暂堵剂的发展缓慢，使用受到很大限制，不宜用于酸敏性油气层，只能用于孔喉或裂缝部位的架桥封堵，在单纯的转向压裂中使用极少。但是酸溶性压裂暂堵剂可以利用返排的残酸解堵，因此可以在酸性压裂中使用，尤其要进行酸性改造的高温油气层[9]。近年新研制的一类主要成分由超碳酸钙、氧化沥青和植物纤维组成的酸溶性暂堵剂，在暂堵结束之后可通过射孔和酸化解堵，大大提高了酸化率和返排率，弥补了传统的暂堵剂酸化后自行解堵困难的缺点[13]。

2 水溶性暂堵剂及应用

目前我国大多数油田已经进入开发的中后期，这一时期的油田的含水量较高，传统的油溶性暂堵剂因为封堵效果下降，解堵时间长，返排时间慢，已经不适用于大多数耗水量较高的油井和注水井。水溶性暂堵剂可以弥补油溶性暂堵剂的缺点，适用目前大多数油井。

2.1 水溶性暂堵剂的分类

水溶性暂堵剂可以分为交联类和非交联类暂堵剂两类。

2.1.1 交联类水溶性暂堵剂

交联类水溶性压裂暂堵剂的种类有很多种。这类暂堵剂交联成胶后可以达到暂堵转向所需的强度，施工结束后破胶剂破胶后形成破胶液，溶解于返排液实现解堵[9]。常见的有丙烯酰胺、淀粉和丙烯酸为原料，结合引发剂和交联剂[14]或者使用骨胶、增稠剂及交联剂为原料制备的均为交联类水溶性暂堵剂[15]。这类暂堵剂可以通过交联以提高强度从而达到工艺所需的强度[9]。

2.1.2 非交联类水溶性暂堵剂

非交联类水溶性暂堵剂主要分为两类。其中一类是由改性淀粉和植物胶复配的暂堵剂，这类暂堵剂的溶解速度较快，但是不能承受高温，无法在温度较高的井内使用，因此不能够封堵较小的裂缝和孔隙。同时因为溶解速度较快，会使承压能力下降，影响了暂堵效果。另外一类为骨胶改性的暂堵剂，这类暂堵剂的合成产物密度不均匀，且生产工艺复杂并风险较大。

水溶性暂堵剂的主要组分为水溶性聚合物冻胶类堵剂，线性分子链上的极性集团和多价金属离子及有机基团之间相互发生反应，形成大分子的交联产物。这类堵剂在水中溶解以后，粘度增加，同时失去流动性和水溶性，增加了封堵强度[16]。暂堵结束后，暂堵剂经破胶剂破胶后溶解在水基压裂液中或直接溶解或通过返排液排出地层[17]。

2.2 水溶性暂堵剂的主要组分

常用的水溶性暂堵剂有细目或超细目氯化钠和硼酸盐等。它仅适用于加有盐抑制剂与缓蚀剂的饱和盐水体系。所用饱和盐水要根据所配体系的密度大小加以选择。例如，低密度体系用硼酸盐饱和盐水或其它低密度盐水作基液，体系密度为1.03～1.20 g/cm3。氯化钠盐粒加入到密度1.20 g/cm3饱和盐水中，其密度范围为1.20～1.56 g/cm3。选用高密度体系时，需选用氯化钙、溴化钙和溴化锌饱和盐水，然后再加入氯化钙盐粒，密度可达1.50～2.30 g/cm3。此类暂堵剂可在油井投产时，用低矿化度水溶解各种盐粒解堵。

2.3 水溶性暂堵剂的特点

水溶性暂堵剂可以很好的解决目前油田存在的问题，具有较好的适用性能。水溶性暂堵剂具有生产成本较高，溶解速度和堵漏速度较慢，抗压强度低，易固化，不易解堵，暂堵时间短的特点。并且水溶性暂堵剂稳定性、分散性和亲水性较好，封堵强度高、效果好。在水溶液中溶解速度快，性能好，在压裂结束后可以溶解、降解、破胶溶解于水基流体后被其带出地层，不会对地层造成污染，有利于保护环境，发展空间较大，油气田需求大，近年来广泛用于油田开采中，尤其以丙烯酰胺类的使用率最高。与油溶性暂堵剂和酸溶性暂堵剂相比较，水溶性暂堵剂更适用于含水量较高的油井和注水井，尤其是开发时间较长油井后期[20-21]。

3 油溶性暂堵剂及应用

油溶性暂堵剂主要是溶解于油的压裂暂堵剂。油溶性暂堵剂的颗粒在一定的温度和压力的作用下，被压入井壁附近，堵塞孔道形成暂堵。施工结束以后，在地层温度和压力的作用下，暂堵颗粒溶解在原油中和原油一起采出，实现解堵，无需添加解堵剂，地层的渗透率得以恢复，以起到保护储层的作用。

3.1 油溶性暂堵剂的分类

3.1.1 脆性油溶性树脂

脆性油溶性树脂主要用作架桥粒子。这类树脂有油溶性聚苯乙烯，在邻位或对位上有烷基取代的酚醛、沥青、树脂、二聚松香酸、石蜡等。

普通松香虽然具有一定的变性能力，但是其软化点较低不能封堵裂缝和高渗透层，限制了在油田中的应用。但是改性后的松香油溶性暂堵剂提高了油溶率，扩大了软化点的调节范围，同时保留了原始的变形能力，因此得到了广泛的应用。

石蜡是通过与高压聚乙烯、重晶石混合制成球形压裂暂堵剂，可以很好的在原油中溶解、配伍。同时其粒度小，可以进入常规暂堵剂不能进入的地方进行封堵，例如井底附近和人射孔孔眼内部[17]。此外，石蜡暂堵剂的性能比较稳定，不会随着温度的改变使物质析出、结块，可以在泄油的过程中保持通道畅通。球形石蜡暂堵剂的缺点在于软化点低，当地层温度和压力较高时将不再适用，这会导致强度低，易破损，对地层有一定的危害，封堵效率差。

沥青和粘稠树脂的作用原理类似，能够很好地与地层空隙匹配，但是强度不高[22]。

油溶性树脂是压裂油暂堵剂的主要原料，其主要成分为高分子聚合物溶液，这类暂堵剂会在地层中形成悬浮颗粒，并且具有较好的热塑性和粘性，受力易变形，注入地下以后可在老裂缝中形成封堵，等暂堵剂在老裂缝中形成段塞之后可在旧裂缝上压开新裂缝[17]，不会渗入地层堵塞岩石孔隙。油溶性树脂暂堵剂的耐温性能好，材料强度大，承压能力好，对于渗透性岩的封堵效果较好。使用时，颗粒大小不同的暂堵剂颗粒进入裂缝后，通过架桥作用进行初步封堵。随后在一定的温度和压力下暂堵剂会软化，变形，实现二次封堵。并且，这类暂堵剂易溶解于油层油流，被油流携带、返排，有利于油相渗透率的恢复，对地层伤害小。

3.1.2 可塑性油溶性树脂

可塑性油溶性树脂的微粒在压差下可以变形，在使用中作为填充粒子。这类油溶性树脂有乙烯-醋酸，乙烯树脂，乙烯-丙烯酸脂等。此类暂堵剂可由地层中产出的原油或凝析油溶解而解堵，也可注入柴油或亲油的表面活性剂加以溶解而解堵。

3.2 油溶性暂堵剂的特点

油溶性暂堵剂的适用温度范围较广，封堵性能好，性能优越，适用于油井。暂堵颗粒易在储层液体中溶解，在地层中能够自动解堵无需加入其他助剂，随后被原油带离储层，返排出地层，解堵工艺简单[4]。暂堵时间较短，不会对地层造成污染，抗压强度低[11]。与水溶性暂堵剂不同的是，油溶性暂堵剂具有可逆性和选择性，可以保护油井结构，有利于油井的可持续性开采[26]。因此在油井开发中得到了广泛的应用。油溶性暂堵剂不适用注水井和含水较高的油井，当油井处于高含水阶段时压裂过程完成后，解堵剂解堵时间长，返排速度缓慢，不易返排出地层，造成一定的污染。此外，油溶性暂堵剂难溶于水，成本较高，这些特点会制约油溶性暂堵剂在现场的应用。