暂堵剂形状对裂缝封堵影响规律的实验研究

许江文 ，张谷畅 ，李建民 ，王涛 ，程家麒 ，王博

（1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；
2.中国石油大学（北京），北京 102249；
3.中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆 克拉玛依 834000）

水平井多级压裂技术是非常规油气高效开发的必备手段，单个压裂段内形成多条裂缝，可充分切割储层，提高油气单井产量［1-5］。然而，由于储层非均质性和裂缝间相互干扰作用，水力裂缝倾向于在低应力处起裂并沿着阻力较小方向扩展，使得段内多裂缝扩展不均衡，严重影响整体动用程度［6］。现场管外光纤测试表明，约1/3射孔簇未产生裂缝，约1/2射孔簇对产量无贡献。提高段内多簇裂缝均衡改造程度是非常规油气高效开发的关键。

暂堵压裂技术通过泵入可降解暂堵剂，封堵优势裂缝，改变液流方向，在未改造层段开启新裂缝，获得段内均衡改造，从而大幅提高整体改造效果［7］。为了提高暂堵剂的封堵效率，国内外学者通过室内实验研究了不同暂堵剂配方、裂缝宽度、注入速度等因素下的裂缝封堵效果。Potapenko等［8］采用含一长槽的金属圆筒模拟水力裂缝，利用含有纤维和颗粒的携带液进行一系列封堵实验，发现影响裂缝封堵性能的因素主要包括纤维浓度、支撑剂浓度、注入速度、裂缝宽度和携带液流变性质。Kefi等［9］利用长46 mm、宽1～5 mm的金属槽评估了暂堵剂的裂缝封堵效果。Gomaa等［10］采用含槽圆盘模拟水力裂缝，研究了暂堵剂浓度和粒径分布对封堵能力的影响规律。Wang等［11］通过在金属表面刻槽模拟裂缝的粗糙度，研究了不同硬度材料及其组合对封堵效果的影响，但金属刻槽无法模拟真实裂缝壁面形态。Zhang等［12-13］利用高承压暂堵剂封堵能力评价实验，研究暂堵剂封堵规律，并对暂堵剂配方进行优化，为裂缝封堵评价提供了可靠的实验手段。

随着暂堵压裂技术的发展，现场工程师提出泵注不同形状的暂堵剂，但裂缝封堵效果不稳定［14］。现场普遍采用多次尝试的方法，但暂堵剂用量大，施工成本高。不同形状暂堵剂对裂缝封堵的影响规律尚未开展相关研究，暂堵剂形状选择缺乏理论支撑。为此，本文利用高承压裂缝封堵实验装置，研究了不同裂缝宽度、裂缝壁面形态及暂堵剂配方下，暂堵剂形状对裂缝封堵的影响规律；
利用可视化粗糙迂曲裂缝暂堵剂运移实验装置，研究了不同形状暂堵剂的架桥封堵过程。本研究为暂堵压裂中暂堵剂的形状选择提供了一定的指导。

暂堵压裂技术原理是利用暂堵剂封堵优势裂缝孔眼或缝口，提高井筒净压力，迫使液流转向，改造欠改造/未改造层段。井下照相监测表明，高排量高砂量下，孔眼冲蚀严重，造成暂堵剂封堵孔眼难度大，如何有效封堵裂缝缝口成为研究热点［15］。根据施工目的，暂堵压裂技术可分为近井筒暂堵转向压裂、水平井段内簇间暂堵转向压裂和直井暂堵分层压裂。近井筒暂堵转向压裂指在直井同一层不同方位开启新裂缝；
水平井段内簇间暂堵转向压裂指在水平井段内不同射孔簇开启新裂缝；
直井暂堵分层压裂指在纵向不同层位开启新裂缝。压裂结束后，在储层温度、流体的作用下，暂堵剂降解并随流体返排至地面，不会造成储层伤害，新、老裂缝恢复导流能力，油井开始投产［16］。

2.1 实验装置

高承压裂缝封堵实验装置包括泵注系统、数据采集系统及裂缝模拟装置。泵注系统采用ISCO泵供液，排量上限为100 mL/min，压力可达50 MPa，采用10 L中间容器可以确保持续供液不间断；
通过水压致裂造缝，借助激光扫描和3D打印技术，制备2组粗糙迂曲裂缝模型，能够反映地下岩石真实裂缝壁面形态；
加工厚度为3，4，5 mm的垫片，用于控制裂缝宽度；
数据采集系统可以实时记录泵注压力和出液量。

2.2 实验材料

2.2.1 暂堵剂

本文主要研究不同形状的暂堵剂对裂缝封堵的影响规律，故采用4种不同形状的暂堵剂作为实验材料，分别为粉末、纤维、高3 mm圆柱形颗粒和φ3 mm球形颗粒。

2.2.2 携带液

本实验根据配方0.3%胍胶+0.02%柠檬酸+0.15%YC-150调节剂+0.3%ZFJ-8793交联剂（其中百分数为质量分数，下同），配制交联胍胶液作为携带液，携带液黏度约为 400 mPa·s。

2.3 实验步骤

1）配制一定质量浓度、含暂堵剂的混合液4 L，倒入中间容器待用；
2）将裂缝模型置于夹持器中，利用金属垫片控制裂缝宽度为3，4，5 mm，利用围压泵提供加持压力10 MPa，连接管线，测密封能力；
3）启动ISCO泵定排量60 mL/min泵注，开启数据采集系统，记录泵注压力及出液量（间隔0.1 min），当泵注压力达到10 MPa时，停止泵注；
4）实验结束后，取出裂缝模型，拍照记录暂堵剂缝口分布状态；
5）清理设备。

2.4 实验方案

为了研究不同条件下暂堵剂形状对裂缝封堵的影响规律，设计了2种不同壁面形态的裂缝模型（裂缝1、裂缝 2）、3 种不同的裂缝宽度（3，4，5 mm）以及 4 种不同的暂堵剂配方（1.0%圆柱形颗粒+1.0%粉末、1.0%圆柱形颗粒+1.0%纤维、1.0%球形颗粒+1.0%粉末、1.0%球形颗粒+1.0%纤维），其他条件相同，共24组实验。

3.1 纤维和粉末对裂缝封堵的影响

水平井分段压裂中，单个水平段长度处于50～150 m，泵注压力达到10 MPa足以克服段内簇间应力差异，实现簇间转向，为此本文实验设定10 MPa为泵注压力上限。为便于对比纤维和粉末对裂缝封堵的影响，将24组实验的泵注压力曲线分为4组，如图1所示。定义泵注压力陡升点为起压点。陡升点越早，起压速度越快；
陡升点越晚，起压速度越慢。由图1可知：在相同裂缝壁面形态及裂缝宽度条件下，纤维封堵比粉末起压速度快。不同暂堵剂配方的起压时间对比见图2。

图1 以纤维和粉末为对象的泵注压力曲线组合方式

图2 不同暂堵剂配方的起压时间对比

针对裂缝1，在3，4，5 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比球形颗粒+粉末分别提高60%，56%，13%；
圆柱形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+粉末分别提高56%，29%，7%。

针对裂缝2，在3，4，5 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比球形颗粒+粉末分别提高71%，64%，11%，圆柱形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+粉末分别提高27%，17%，8%。

究其原因在于，封堵过程中，纤维比粉末更易在裂缝壁面上挂壁黏附，减小过流面积，逐步捕获颗粒，形成架桥封堵，起压速度更快。

3.2 球形与圆柱形颗粒对裂缝封堵的影响

为便于对比球形和圆柱形颗粒对裂缝的封堵效果，重新将24组实验的泵注压力曲线分为4组，如图3所示。对比得出：裂缝宽度较小时，球形颗粒架桥封堵快；
裂缝宽度较大时，圆柱形颗粒架桥封堵快。针对裂缝1，在3，4 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+纤维分别提高50%，60%，球形颗粒+粉末的起压速度比圆柱形颗粒+粉末分别提高44%，36%；
在5 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+纤维降低4%，球形颗粒+粉末的起压速度比圆柱形颗粒+粉末降低9%。针对裂缝2，在3，4 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+纤维分别提高71%，67%，球形颗粒+粉末的起压速度比圆柱形颗粒+粉末分别提高27%，22%；
在5 mm裂缝宽度下，球形颗粒+纤维的起压速度比圆柱形颗粒+纤维降低5%，球形颗粒+粉末的起压速度比圆柱形颗粒+粉末降低8%。

图3 以颗粒形状为对象的泵注压力曲线组合方式

因此，裂缝宽度较小时（对应岩石弹性模量高、闭合应力大的储层），应尽量选择较为规则的球形颗粒，起压速度快，封堵效果好；
裂缝宽度较大时（对应岩石弹性模量低、闭合应力小的储层），应选择圆柱形颗粒，相比球形颗粒，其在裂缝内运移过程中，更加有助于颗粒间以及颗粒与壁面间碰撞与架桥堆积，迫使暂堵剂形成致密暂堵段，提高起压速度。

3.3 裂缝壁面形态和裂缝宽度对裂缝封堵的影响

以裂缝壁面形态和裂缝宽度为研究对象，加工厚度为1 mm的金属垫片，通过预置金属垫片的个数，实现裂缝宽度的控制。本文设计了3，4，5 mm等3种裂缝宽度，实验过程中，通过施加10 MPa的围压，确保裂缝模型与金属垫片始终处于密封状态，因此本文重点研究不同裂缝宽度下暂堵剂的架桥封堵规律。

重新将24组实验的泵注压力曲线分为4组，如图4所示。从图4可以看出：在相同壁面形态和暂堵剂配方下，裂缝宽度越大，封堵起压速度越慢；
采用相同暂堵剂配方进行封堵，裂缝宽度较小时，不同裂缝壁面形态下起压速度差异较小，裂缝宽度较大时，裂缝壁面形态对起压速度影响较大。实验过程中，由暂堵剂缝口铺置形态可以看出，暂堵体面积、厚度、内部结构和压实程度差异较大，进而影响起压速度。针对裂缝宽度为5 mm的裂缝1和裂缝2：采用圆柱形颗粒+纤维封堵时，起压速度相差21%；
采用圆柱形颗粒+粉末封堵时，起压速度相差22%；
采用球形颗粒+纤维封堵时，起压速度相差21%；
采用球形颗粒+粉末封堵时，起压速度相差20%。

图4 以裂缝壁面形态和裂缝宽度为对象的泵注压力曲线组合方式

进一步分析表明，高裂缝宽度下，暂堵剂运移横截面积大，架桥难度大，裂缝表面的粗糙度、迂曲度显著影响架桥封堵速度。现场施工中，对于高裂缝宽度，建议选择圆柱形颗粒+纤维以及增大颗粒的粒径，以提高起压速度，改善封堵效果。

Cortez-Montalvo 等［17］提出了粗、中、细颗粒混合的封堵技术，其中粗颗粒可以架桥缝口充当骨架，中、细颗粒可以填充其中形成封堵区，降低其渗透率。但上述研究尚未弄清暂堵剂是如何开始封堵并形成封堵区的。Liu［18］开发了可视化裂缝中砂床演化过程实验装置。该装置将2块玻璃平行放置以模拟裂缝，并利用摄像机记录裂缝中砂床的演化过程。Yang等［19-20］建立了具有高速摄像功能的可视化缝流系统，研究了纤维和支撑剂在裂缝中的运移过程，揭示了纤维悬砂运移机理。基于前人研究方法，本文采用可视化粗糙迂曲裂缝暂堵剂运移实验装置，研究不同形状暂堵剂的缝内动态运移及封堵过程。

4.1 实验设计

通过3D打印制备可视化裂缝模型，搭建暂堵剂可视化运移观测系统，控制泵注速度、携带液黏度等，设计圆柱形颗粒+纤维、圆柱形颗粒+粉末2组对比实验。将含暂堵剂的混合液倒入中间容器，启动气泵将其泵入裂缝模型，气泵与压力调节器相连，以限制最高压力。当裂缝中的压力超过预设值（1 MPa）时，调节器将自动启动以释放压力。出口连接高精度天平，数据采集系统记录泵注压力和出液量，摄像机实时记录裂缝中暂堵剂的运移过程。

4.2 实验结果分析

实验观测表明，暂堵剂架桥封堵过程可总结为：1）纤维或粉末首先附着在裂缝壁面的顶部或底部，然后捕获颗粒，填充它们之间的空间，形成分散的堵塞区，且纤维形成堵塞区的速度明显高于粉末；
2）分散的堵塞区逐渐聚集膨胀，最后在裂缝中间演化形成1条主流通道；
3）随着封堵过程的进行，主流通道不断变窄，直至裂缝被完全堵塞。

玛湖砾岩油藏一口典型水平井的垂深为2 660 m，水平段长度为2 000 m。为降低施工成本及提高段内均衡改造效果，该井分15段压裂，单段6簇，单簇8孔，施工过程中每段投加1次暂堵剂封堵缝口及缝内，实现段内簇间转向。该井施工排量为12～14 m3/min，主体加砂量为25 m3/簇。基于本文研究成果，该井选用颗粒暂堵剂和纤维暂堵剂进行复合暂堵。此外，由于颗粒形状对架桥封堵效果影响较大，因此裂缝中部和端部宽度较小，应选用球形暂堵剂和纤维暂堵剂进行复合暂堵，以确保暂堵剂运移进入裂缝深部的同时完成架桥封堵；
裂缝入口宽度较大，应选用圆柱形暂堵剂和纤维暂堵剂进行复合暂堵，以提高架桥封堵速度。暂堵剂泵送过程中，先泵注球形暂堵剂，再泵注圆柱形暂堵剂，以实现差异化封堵，提高整体封堵效果。该井单个压裂段颗粒暂堵剂和纤维暂堵剂用量均为80 kg，施工过程中暂堵剂到位升压10 MPa以上，证明该暂堵剂配方能够有效封堵优势裂缝，提高段内均衡改造程度。

1）相同裂缝壁面形态和裂缝宽度下，纤维封堵比粉末起压速度快。

2）相同裂缝壁面形态下，裂缝宽度较小时，球形颗粒架桥封堵快，而裂缝宽度较大时，圆柱形颗粒架桥封堵快。

3）相同裂缝壁面形态和暂堵剂配方下，裂缝宽度越大，封堵起压速度越慢；
相同暂堵剂配方下，裂缝宽度较小时，不同裂缝壁面形态下起压速度差异小，但裂缝宽度较大时，裂缝壁面形态对起压速度影响较大。

4）暂堵剂架桥封堵经历纤维或粉末逐步吸附在裂缝表面、裂缝过流断面减小、颗粒暂堵剂架桥、纤维或粉末填充、形成致密封堵层5个过程。