劉穎，楊晨，史濤

1 華北水利水電大學水資源學院，鄭州 450046

2 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046

3 中國石油塔里木油田公司開發(fā)處，庫爾勒 841000

0 前言

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)增注的重要措施，它可以通過提高地面注入壓力在儲層內部形成水力裂縫，為油、氣、水運移提供通道，達到提高油氣生產(chǎn)效率和最終采收率的目的。與其他類型的裂縫相比，水力裂縫開度大、延伸遠、易擴展、表面較為光滑平整，水力裂縫數(shù)量和復雜程度一般與油氣藏開發(fā)效果成正相關關系。常規(guī)的籠統(tǒng)水力壓裂形成的裂縫一般為單一平直縫，波及范圍較小，對儲層的改造效果十分有限。為了提高壓裂縫網(wǎng)的復雜程度，暫堵轉向壓裂的概念被提了出來[1]。這種技術的核心思想是向已存在的水力裂縫中注入可降解的暫堵劑，令其在裂縫內部某個位置形成暫時封堵，這樣當井口壓力再次提高時就會造成憋壓，迫使其他位置開啟新的裂縫并在延伸過程中轉向，從而達到提高縫網(wǎng)復雜程度的目的。暫堵劑可以在儲層溫度下自動降解，不會對儲層造成傷害。該方法僅依靠在縫內指定位置形成暫堵即可實現(xiàn)高效轉向壓裂，在顯著提高縫網(wǎng)復雜程度和波及范圍的同時，還可以省掉機械分隔工具，既節(jié)省了工費用又降低了施工風險，因此具有十分廣闊的應用前景。

暫堵轉向壓裂成功的前提和關鍵在于對已有裂縫進行快速、有效的封堵，這就需要對暫堵劑在水力裂縫內封堵機理進行充分的了解。從幾何形狀上劃分，暫堵劑可概化為多級配顆粒和纖維組成的混合材料[2]。其中，顆粒在水力裂縫內的封堵規(guī)律已經(jīng)研究的較為充分，自20 世紀從70 年代起，陸續(xù)有三分之一架橋[3]、雙顆粒架橋[4]，三分之二架橋[5]、d90 規(guī)則[6]、理想充填[7]、分形理論[8]和粒徑匹配[9]等封堵理論被提出，鄭力會等[10]對顆粒在裂縫中的封堵理論做了全面的回顧。而纖維在裂縫中的封堵規(guī)律研究則起步較晚，POTAPENKO等[11]通過400 多組實驗系統(tǒng)研究了不同縫寬、不同流體速度、不同纖維加量下的架橋封堵能力，從宏觀上得到了縫寬、流體速度以及纖維體積分數(shù)對纖維架橋封堵能力的影響規(guī)律。梅艷等[12]推測了纖維封堵裂縫的微觀機理，認為其封堵過程分為三步：①架橋作用，暫堵纖維在裂縫表面凹凸不平及狹窄處產(chǎn)生掛阻“架橋”，形成橋堵的網(wǎng)絡骨架；②充填和嵌入作用，纖維柔性變形填充和嵌入骨架中微孔道和地層中已有的小孔道，經(jīng)過進一步壓實形成致密的封堵層；③滲濾和拉筋作用，纖維封堵層被逐漸壓實失水，變形相互纏繞，形成致密的塞狀封堵層。KEFI等[13]提出了使用架橋纖維與剛性顆?；旌戏舛铝芽p的方法，并認為其封堵原理為：硬纖維架橋、顆粒填充，從而形成有效封堵帶。KANG等[14]對包含剛性顆粒、彈性顆粒和纖維的混合散體封堵規(guī)律開展研究，認為剛性顆粒具有更強的抗拉強度，可以為封堵帶提供骨架；彈性顆粒具有較強的變形能力，能夠填充封堵帶中的孔隙；纖維材料具有較大的長徑比，能夠提高封堵層的穩(wěn)定性。BAO等[15]利用顯微鏡和掃描電鏡觀察了顆粒和纖維在裂縫內形成封堵帶的內部結構，發(fā)現(xiàn)纖維填充到了顆粒之間的空隙中，從而提高了封堵帶的壓實度和抗剪強度。WANG等[16]在30 cm×30 cm×30 cm的致密巖塊中預制剛性裂縫，開展了真實形態(tài)水力裂縫內封堵規(guī)律的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了扭曲裂縫、傾斜直裂縫、縱向直裂縫和橫向直裂縫內封堵劑的用量比例大約為1:15:7:3。

盡管許多學者對顆粒和纖維在裂縫內的宏觀封堵表現(xiàn)開展了研究，但是當前對其微觀封堵形成過程仍然缺少直接觀測手段。LIU[17]建立了裂縫內支撐劑運移的可視化模型，利用兩塊平行放置的玻璃模擬裂縫空間，成功觀察了裂縫內的砂丘運動情況，為裂縫內運移的可視化實驗提供了新的思路。YANG等[18]建立了裂縫內封堵的可視化實驗系統(tǒng)，對窄裂縫(3 mm寬)內的封堵過程進行了高速拍攝，但是該實驗系統(tǒng)沒有建立流動循環(huán)，導致泵注時間受限，未能在更寬的裂縫內開展系統(tǒng)的封堵實驗。本文對YANG等人[18]的裂縫內封堵可視化實驗系統(tǒng)進行了升級改造，建立了液體流動的循環(huán)系統(tǒng)，在5 mm寬的水力裂縫內開展了系統(tǒng)的可視化封堵實驗，揭示了顆粒和纖維在裂縫內的封堵形成規(guī)律，并確定了混合液中纖維及顆粒的最優(yōu)濃度。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗中選用了當前石油工程中廣泛采用的乳酸和乙醇酸的共聚物作為暫堵劑材料[19]，該材料比重在1.2 左右，不溶于水也不溶于油，在地層條件下可以自動降解。在幾何形狀方面，暫堵劑由纖維與顆粒組成(如圖1 所示)，其中顆粒近似為球形，針對本文采用的5 mm寬水力裂縫，顆粒的直徑選為典型值2 mm；纖維的長度為6 mm，截面直徑為20 μm。實驗中采用0.2%質量濃度的瓜爾膠溶液作為實驗中的攜帶液體。

圖1 暫堵劑實物圖片(左為纖維，右為顆粒)Fig. 1 Photo of diverters (Left: fibers， right: particulates)

1.2 裂縫內封堵可視化實驗系統(tǒng)

本文在YANG等人[18]實驗系統(tǒng)的基礎上，建立了流動循環(huán)系統(tǒng)，形成了不受泵注時間限制的裂縫內封堵可視化實驗系統(tǒng)。圖2 展示了實驗系統(tǒng)的示意圖實物照片，其中顆粒、纖維與攜帶液可以在攪拌罐內以任意比例進行混配，混配后的漿液(下稱：混合液)通過螺桿泵的作用進入到模擬井筒中，再通過井筒上的炮眼進入到透明的可視化裂縫內，可視化裂縫內的封堵過程可以被高速攝像機記錄下來。為了模擬水力裂縫內部巖石壁面的摩擦特性，實驗系統(tǒng)的可視化裂縫由兩塊內部加糙的有機玻璃制成，其表面摩擦系數(shù)為0.3，縫寬可以從0 mm到10 mm調節(jié)。裂縫內的設計承壓強度為100 kPa，當縫內壓力達到100 kPa時認為封堵已經(jīng)形成，螺桿泵將自動停止運行。流出的混合液進入回收罐，混合液中的固相可以過濾出來再次利用，而液體可以重新被泵入攪拌罐內形成循環(huán)。實驗中各部分的壓力和流量可由相應的儀表進行測量和記錄。

圖2 封堵可視化實驗系統(tǒng)的示意圖及實物照片F(xiàn)ig. 2 Sketch map and actual photo of the visual plugging system

1.3 實驗方案設置

本實驗為原型實驗，即縫寬、縫內流速均與現(xiàn)場實際工況保持一致。縫內流速u采用如下公式進行計算。

其中Q為縫內實際排量(m3/s)，L為縫高(m)，d為縫寬(m)。根據(jù)實驗和現(xiàn)場監(jiān)測，水力壓裂過程中水力壓裂的寬度范圍約為1～10 mm[20-21]，因此本文將縫寬設置為平均值5 mm?？紤]暫堵壓裂施工現(xiàn)場的一個典型工況進行模擬：井口注入排量為4 m3/min，裂縫為對稱的兩條垂直主縫，裂縫寬度為5 mm，裂縫高度為20 m。根據(jù)公式(1)，現(xiàn)場縫內實際流速為0.33 m/s，因此，本實驗中將裂縫寬度設置為5 mm，裂縫高度設置為0.3 m，螺桿泵注入排量設置為1.8 m3/h，這樣就可以使實驗中縫內流速與現(xiàn)場實際情況一致。為了消除入口效應，觀測的區(qū)域選在距離入口1 m至2 m的區(qū)間內。以1%為典型質量濃度[22]，將實驗分為7 組，具體的設置方案如表1 所示。

表1 各組實驗中纖維和顆粒的質量濃度Table 1 Mass concentration of fiber and particulates in each experimental group

2 實驗結果

2.1 封堵形成過程

首先以第1 組實驗為例來說明水力裂縫內纖維和顆粒的協(xié)同封堵過程，實驗過程中裂縫入口處的壓力和流量如圖3 所示，從圖中可以看，在實驗開始后的240 s內，縫內壓力緩慢上升，同時入縫流量緩慢下降，這說明縫內流動的阻力越來越大了，我們稱這個階段為封堵的初始階段。從240 s之后，縫內壓力的增長速度開始明顯提高了，同時流量減小的速度也開始加快了，我們稱這個階段為封堵的加速階段。直到445 s時，縫內壓力上升至100 kPa，到達了我們設定的縫內壓力閾值，所以關泵結束實驗。

圖3 封堵實驗過程中縫內壓力和流量變化Fig. 3 Pressure and flow rate in fracture during plugging experiments

封堵初始階段縫內情況如圖4 所示，隨著混合液進入裂縫內，在裂縫的下邊緣首先出現(xiàn)了封堵帶，此時的封堵帶呈半透明狀，內部呈現(xiàn)出類似柳絮狀的纖維團，在纖維之間幾乎看不到顆粒的存在。由此可以初步推斷出封堵的開始是從纖維的掛壁開始的，此時顆粒沒有參與到封堵過程中。

封堵加速階段縫內情況如圖5 所示，可以看出隨著實驗的進行，越來越多的封堵帶出現(xiàn)在了裂縫內并逐漸將流動通道縮窄。與圖4 中的封堵帶相比，此時的封堵帶越來越“均勻緊實”，透光性也逐漸變差，在封堵帶內部觀察到了越來越多的顆粒出現(xiàn)。由此可以初步推斷，在封堵加速階段，顆粒開始不斷被纖維攔截捕捉，充填到了纖維的孔隙中，并加速了封堵的形成。最終流動通道被完全堵死，縫內形成了全面封堵(如圖6 所示)。

圖4 封堵初始階段裂縫內封堵情況Fig. 4 Plugging situation in the fracture at the initial stage

圖5 封堵加速階段裂縫內封堵情況Fig. 5 Plugging situation in the fracture at the acceleration stage

圖6 封堵結束階段裂縫內封堵情況Fig. 6 Plugging situation in the fracture at the end stage

2.2 封堵形成機理

為了進一步揭示纖維和顆粒在裂縫封堵過程中的作用，我們又進行了第2 組和第3 組實驗(見表1)，即分別單獨采用1.0%質量濃度的纖維以及1.0%質量濃度的顆粒作為暫堵劑。實驗1～3 組中縫內壓力變化如圖7 所示，從圖上可以看出，當混合液中僅含有1.0%質量濃度的顆粒時，縫內壓力在實驗過程中幾乎保持不變，這說明僅依靠1.0%濃度的顆粒無法在縫內形成有效封堵。當混合液中僅含有1.0%質量濃度的纖維時，縫內壓力會逐漸升高，但是起壓速度要明顯低于顆粒與纖維組合的工況，這說明僅僅用1.0%濃度的纖維可以在裂縫中形成封堵，但是封堵形成速度要低于纖維與顆粒組合的工況。

圖7 不同工況下縫內壓力變化情況Fig. 7 Pressure in the fracture under diff erent working conditions

封堵實驗結束后，我們從裂縫中取出封堵帶并將其干燥，利用GE公司生產(chǎn)的CT設備進行掃描，其內部的結構如圖8 所示，從圖上可以發(fā)現(xiàn)，顆粒較均勻的分布于封堵帶的內部，填充了纖維之間的空隙，并且充當了封堵帶的骨架。

圖8 封堵帶及其內部結構Fig. 8 Plugged zone and its inner structure

結合實驗中觀察到的現(xiàn)象以及記錄的壓力、流量的變化，可以推斷出纖維與顆粒在5 mm寬裂縫內的封堵機理如下：(1)當混合液進入裂縫后，纖維首先在裂縫壁面上吸附、聚集，形成分散的半透明封堵帶，縫內流動阻力緩慢增加(如圖9(a)所示)；(2)封堵帶膨脹到了一定規(guī)模之后開始捕捉流過的顆粒，使其填充到纖維的孔隙中，封堵帶的面積持續(xù)增大，質地變得越來越密實，縫內封堵過程隨之加快(如圖9(b)所示)；(3)封堵帶連接成片，過流面積持續(xù)變小，最終形成全面封堵?？梢哉f封堵起始于纖維的掛壁，如果沒有纖維僅依靠顆粒是無法形成封堵的，但是顆粒在封堵的中后期則起到明顯的加速作用，二者是相輔相成的，經(jīng)濟高效的封堵需要纖維與顆粒共同參與。

圖9 縫內封堵形成機理示意圖Fig. 9 Sketch map of the plugging mechanism in fractures

由于顆粒在封堵的初始階段并未起到明顯作用，所以從經(jīng)濟的角度考慮，建議現(xiàn)場暫堵施工時，首先加入暫堵纖維，在注入壓力明顯開始上升以后再加入暫堵顆粒，這樣可以在達到理想的封堵效果的同時最大程度的節(jié)省材料費用。

2.3 纖維及顆粒的最佳濃度

為了確定封堵過程中纖維及顆粒的最佳濃度，本文又進行了第4～7 組實驗(見表1)。實驗設計思路是首先固定纖維的質量濃度，改變顆粒的濃度，通過不同組實驗中的封堵時間來優(yōu)選顆粒的最優(yōu)濃度；然后再固定顆粒的質量濃度，改變纖維的質量濃度，通過不同組實驗中的封堵時間來優(yōu)選纖維的最優(yōu)濃度。

當纖維濃度固定為1.0%時，各組實驗中縫內壓力變化如圖10 所示，從圖中可以看出各組實驗都可以形成封堵，但封堵形成時間隨著顆粒濃度的不同而不同。我們定義每組實驗相對上一組實驗的封堵效率提升率η如式(2)所式。

圖10 纖維濃度為1.0%時，各組實驗中縫內壓力變化Fig. 10 Pressure in the fracture when the fiber concentration is 1.0%

其中，T是本組實驗中形成封堵時間T1是上一組實驗中封堵形成時間。表2 匯總了當纖維濃度為1%時各組實驗的封堵形成時間和封堵效率提升率，可以看出當顆粒濃度從0 提升至0.5%時，封堵效率提升18.7%，當顆粒濃度從0.5%提升至1.0%時，封堵效率提升了19.5%，當顆粒濃度從1.0%提升至1.5%是，封堵效率卻僅提升了4.3%。所以當顆粒濃度大于1.0%時，提高顆粒濃度對封堵效率的提升效果十分有限，考慮到暫堵劑的材料成本，推薦顆粒的最優(yōu)濃度1.0%。

表2 纖維濃度為1.0%時，各組實驗封堵時間及封堵效率提升率Table 2 Plugging time and efficiency improvement rate when the fiber concentration is 1.0%

當顆粒濃度固定為1.0%時，各組實驗中縫內壓力變化如圖11 所示，各組實驗的封堵時間和封堵效率提升率如表3 所示?？梢钥闯霎斃w維濃度為0 時，裂縫內不會形成封堵，當纖維濃度大于0.5%時，裂縫內會形成全面封堵，封堵時間隨著纖維濃度的增加而減少。當纖維濃度為0.5%時，形成全面封堵需耗時603 s；當顆粒濃度為1.0%時，形成全面封堵需耗時445 s，封堵效率相對于0.5%纖維濃度時提升26.2%；當顆粒濃度為1.5%時，形成全面封堵需耗時389 s，封堵效率相對于1%纖維濃度時提升12.6%。可以看出，當顆粒濃度從0.5%提升至1.0%時，封堵效率提升還是非常明顯的，但是當纖維濃度從1.0%提升至1.5%時，封堵效率提升的幅度是明顯下降的，如果現(xiàn)場施工時考慮材料的成本，建議纖維的最優(yōu)濃度也為1%。

圖11 顆粒濃度為1.0%時，各組實驗中縫內壓力變化Fig. 11 Pressure in the fracture when the particulate concentration is 1.0%

表3 顆粒濃度為1.0%時，各組實驗封堵時間及封堵效率提升率Table 3 Plugging time and efficiency improvement rate when the particulate concentration is 1.0%

3 結論

本文建立了水力裂縫內封堵的可視化實驗系統(tǒng)，觀測了纖維和顆粒在5 mm寬裂縫內的封堵形成過程，記錄了封堵過程中縫內的壓力和流量，得到如下結論：

(1)纖維和顆粒在水力裂縫內的封堵起始于纖維在裂縫壁面上的吸附，吸附的纖維不斷聚集形成分散的封堵帶，封堵帶膨脹到了一定規(guī)模之后開始捕捉流過的顆粒填充到纖維之間的空隙里，封堵帶開始變得密實，封堵過程隨之加快，最終形成全面封堵。形成封堵之后，通過CT掃描發(fā)現(xiàn)顆粒均與地分布在纖維的空隙之中充當了封堵帶的骨架。

(2)在混合液中僅僅加入1.0%質量濃度的顆粒無法形成封堵，在混合液中僅僅加入1.0%質量濃度的纖維可以形成封堵，但是封堵時間要遠小于1.5%纖維+1.5%顆粒的組合工況，這進一步說明了封堵是由纖維觸發(fā)的，但是顆粒在封堵的中后期會大幅度加快封堵的進程。建議現(xiàn)場施工時建議首先注入纖維，待縫內壓力升高明顯升高之后再注入顆粒。

(3)封堵形成時間隨著暫堵劑濃度的增加而減少，但是當纖維和顆粒的濃度高于1.0%時，其濃度的提高對封堵效率的影響變得十分有限。因此，如果考慮暫堵劑的材料成本，對于5 mm寬的水力裂縫，顆粒和纖維的最優(yōu)濃度建議均取為1.0%。