吳寶成， 周福建， 王明星， 周培堯， 呂雯靜, 王 博

1中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2新疆油田公司工程技術(shù)研究院 3中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院

0 引言

新疆瑪湖礫巖油田儲(chǔ)量規(guī)模達(dá)10×108t[1]，水平井段內(nèi)多簇暫堵壓裂是該油田高效開發(fā)的主體技術(shù)[2]。段內(nèi)多簇能夠減少橋塞使用數(shù)量和鉆塞次數(shù)，縮短施工周期，降低作業(yè)成本。暫堵可以實(shí)現(xiàn)砂液二次分流，避免優(yōu)勢(shì)簇過度改造及弱勢(shì)簇欠改造。2020年，瑪湖礫巖油藏主體采用暫堵球/球形暫堵劑+顆粒的方式進(jìn)行段內(nèi)暫堵，但效果不理想。明確暫堵劑運(yùn)移及封堵規(guī)律對(duì)優(yōu)選暫堵劑類型，制定投加方案至關(guān)重要。

暫堵劑按外觀形態(tài)分類包括暫堵球、顆粒、纖維和粉末，具有高承壓、可降解、對(duì)儲(chǔ)層無(wú)害、暫堵時(shí)間可控等特點(diǎn)[3]。暫堵劑有效封堵歷經(jīng)運(yùn)移、掛壁、纏繞和架橋四個(gè)過程[4]，射孔參數(shù)、暫堵劑粒徑和暫堵劑濃度顯著影響封堵速度，球形暫堵劑坐封后由于流體沖刷作用，坐封穩(wěn)定性不高[5- 7]。針對(duì)暫堵體承壓能力方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用巖心尺度金屬裂縫模型，研究了裂縫參數(shù)、暫堵方案等對(duì)暫堵劑封堵能力的影響規(guī)律[8- 11]。ZHANG等[12]和YUAN等[13]通過水壓致裂、激光掃描和3D打印技術(shù)制作裂縫模型，能夠反映真實(shí)裂縫表面形態(tài)，為暫堵劑封堵規(guī)律研究及暫堵劑配方優(yōu)化提供了可行手段。WANG等[14]基于真三軸水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了小粒徑暫堵劑對(duì)三維裂縫的封堵效果，明確了空間裂縫形態(tài)對(duì)暫堵劑入縫及封堵具有重要影響。

綜上，前人重點(diǎn)研究了小粒徑暫堵劑(顆粒、粉末、纖維等)在裂縫模型內(nèi)運(yùn)移及封堵規(guī)律，而孔眼暫堵需要大粒徑暫堵劑。目前尚未明確大粒徑暫堵劑運(yùn)移特征及孔眼坐封效果的主控因素及影響規(guī)律。為此，本文設(shè)計(jì)了大尺度可視化孔眼暫堵劑運(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng)，研究了孔眼暫堵劑類型、泵注排量、出液孔數(shù)對(duì)孔眼封堵效果的影響規(guī)律，并基于實(shí)驗(yàn)研究開展了礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分析了段內(nèi)多簇暫堵壓裂整體改造效果，本文研究對(duì)完善瑪湖礫巖油藏段內(nèi)暫堵工藝具有重要意義。

1 繩結(jié)式暫堵劑及其暫堵轉(zhuǎn)向機(jī)理

繩結(jié)式暫堵劑由兩翼和球結(jié)組成，兩翼呈流蘇狀，長(zhǎng)度為2～3 cm，在流體中具有很好的懸浮作用，利于產(chǎn)生較高的拖曳力，能夠優(yōu)先進(jìn)入孔眼；中間的球結(jié)為八字繩結(jié)或中國(guó)結(jié)，可以根據(jù)孔眼尺寸來(lái)調(diào)整球結(jié)的大小，能夠較好地密封射孔孔眼。繩結(jié)式暫堵劑選用聚乳酸高強(qiáng)度材料，具有較高的承壓能力。室內(nèi)測(cè)試表明，繩結(jié)式暫堵劑耐壓可達(dá)40 MPa，確保其坐封孔眼以后在井底壓力升高下不會(huì)噴出孔眼 。通過選用不同的材質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑在14～15 d內(nèi)40～60 ℃、60～80 ℃、80～100 ℃三種不同溫度下全部有效降解，失去封堵性能，從而恢復(fù)孔眼通道性。

由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性和孔眼沖蝕的影響，水平井分段多簇壓裂過程中，段內(nèi)多裂縫難以均衡起裂與擴(kuò)展。泵注一定體積的支撐劑后(1/3～2/3)，再泵注繩結(jié)式暫堵劑，其隨液體流動(dòng)進(jìn)入主進(jìn)液通道孔眼，利用繩結(jié)式暫堵劑的球結(jié)結(jié)構(gòu)封堵孔眼。隨著井筒壓力升高，迫使壓裂液轉(zhuǎn)向進(jìn)入欠改造射孔簇，從而提高整個(gè)壓裂段的均衡改造效果。通過調(diào)配繩結(jié)式暫堵劑合成材料的類型，控制其在指定儲(chǔ)層溫度下的初始降解時(shí)間和完全降解時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文自主設(shè)計(jì)了大尺度可視化暫堵劑運(yùn)移模擬裝置，包括供液系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、暫堵劑投放裝置、透明管道裝置以及水管線，見圖1。供液系統(tǒng)采用1 m3供水罐，通過水管線與透明管尾端裝置連接，確保實(shí)驗(yàn)期間供液充足；動(dòng)力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)及羅茨油泵組成，保證實(shí)驗(yàn)所需排量達(dá)到0.2 m3/min；暫堵劑投放裝置用于投放暫堵劑；透明管直徑為140 mm、壁厚20 mm、管道長(zhǎng)5 m，前端連接暫堵劑投放裝置，中后段設(shè)置3個(gè)直徑為10 mm的射孔孔眼。通過透明管道可以實(shí)時(shí)觀測(cè)暫堵劑在管道中的運(yùn)移以及封孔狀態(tài)，應(yīng)用該裝置研究不同施工參數(shù)下暫堵劑運(yùn)移及孔眼封堵規(guī)律，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖1 大尺度可視化暫堵劑運(yùn)移模擬裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

為了驗(yàn)證繩結(jié)式暫堵劑的封堵效果，選用繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球作實(shí)驗(yàn)對(duì)比。繩結(jié)式暫堵劑特征為中國(guó)結(jié)或八字結(jié)、球結(jié)直徑13.5 mm、兩翼各2～3 cm(圖2a)；暫堵球的密度1.3 g/cm3、直徑13.5 mm(圖2b)。攜帶液為自來(lái)水，黏度約為1 mPa·s。

圖2 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)物圖

2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

可視化井筒材質(zhì)為有機(jī)玻璃，承壓0.8 MPa，出于安全考慮，排量設(shè)計(jì)為0.15 m3/min。本文共設(shè)計(jì)6組實(shí)驗(yàn)(表1)，實(shí)驗(yàn)1、2、3對(duì)比研究不同類型暫堵劑井筒運(yùn)移及封堵效果，實(shí)驗(yàn)4、5、6研究繩結(jié)式暫堵劑對(duì)不同數(shù)量孔眼的封堵效果，實(shí)驗(yàn)1和6研究多孔眼下，不同泵送排量對(duì)暫堵劑運(yùn)移及封堵的影響規(guī)律。

表1 暫堵實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 繩結(jié)式暫堵劑與暫堵球運(yùn)移對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1.1 繩結(jié)式暫堵劑運(yùn)移封堵實(shí)驗(yàn)

基于大尺度可視化實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)定泵注速度為0.15 m3/min，井筒120°方位設(shè)有3個(gè)出液孔眼，孔眼直徑均為10 mm。實(shí)驗(yàn)1投注3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑，其兩翼呈散狀形態(tài)，在流體中能夠保持較好的懸浮狀態(tài)，跟隨流體翻轉(zhuǎn)前移，且速度較快(圖3a)；3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑依次進(jìn)入射孔孔眼，繩結(jié)式暫堵劑在運(yùn)移的過程中分散獨(dú)立，不會(huì)發(fā)生打結(jié)纏繞的現(xiàn)象(圖3b)；在暫堵過程中繩結(jié)式暫堵劑的翼端跟隨流體先進(jìn)入射孔孔眼，后球結(jié)部分封堵射孔孔眼，球結(jié)的結(jié)構(gòu)能夠很好地卡在射孔孔眼上(圖3c)，3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑能夠有效地封堵3個(gè)射孔孔眼(圖3d)。

圖3 繩結(jié)式暫堵劑封堵實(shí)驗(yàn)過程

3.1.2 暫堵球運(yùn)移封堵實(shí)驗(yàn)

暫堵球在透明井筒內(nèi)的運(yùn)移封堵情況見圖4。暫堵球隨流體在整個(gè)運(yùn)移過程中以底部滾動(dòng)狀態(tài)向前移動(dòng)，懸浮能力差；暫堵球運(yùn)移到射孔孔眼附近位置時(shí)，仍處于井筒底部，不能跟隨流體進(jìn)入射孔孔眼，不能有效封堵射孔孔眼。

圖4 球形暫堵劑封堵實(shí)驗(yàn)

3.1.3 繩結(jié)式暫堵劑與暫堵球同時(shí)運(yùn)移封堵實(shí)驗(yàn)

繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球同時(shí)在可視化井筒運(yùn)移過程中(圖5)，繩結(jié)式暫堵劑的特殊結(jié)構(gòu)使其跟隨流體進(jìn)行雙翼擺動(dòng)，保持良好的懸浮狀態(tài)，以較快的速度進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)移，從而增大繩結(jié)式暫堵劑的運(yùn)移速度；繩結(jié)式暫堵劑能夠在流體拖曳力的作用下，吸入并坐封高邊孔，實(shí)現(xiàn)有效暫堵，而暫堵球只能停留在可視化井筒底部，無(wú)法封堵孔眼。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，繩結(jié)式暫堵劑運(yùn)移及封堵孔眼效果明顯優(yōu)越暫堵球，能夠縮短施工時(shí)間，提高暫堵效率。

圖5 繩結(jié)式暫堵劑和暫堵球混合封堵實(shí)驗(yàn)

3.2 出液孔數(shù)對(duì)孔眼封堵效果影響的實(shí)驗(yàn)

水平井段內(nèi)多簇壓裂過程中，單射孔簇內(nèi)通常含有多個(gè)孔眼，射孔孔眼距離較近，一般為6.25 cm，孔眼出液過程中將產(chǎn)生流動(dòng)干擾[15]。為此，基于該實(shí)驗(yàn)裝置，研究了出液孔數(shù)對(duì)繩結(jié)式暫堵劑運(yùn)移及孔眼封堵的影響規(guī)律。本文設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，泵注速度均為0.1 m3/min，出液孔眼數(shù)目分別為1、2、3，孔眼直徑均為10 mm，每組均投加3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑。

當(dāng)只有1個(gè)孔眼出液時(shí)，投加1個(gè)繩結(jié)式暫堵劑，能夠有效封堵孔眼，且在外力作用下，繩結(jié)式暫堵劑能夠牢牢地卡封孔眼(圖6)；當(dāng)有2個(gè)孔眼出液時(shí)，投加2個(gè)繩結(jié)式暫堵劑，發(fā)現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑在運(yùn)移過程中會(huì)發(fā)生相互纏繞，但依然能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)繩結(jié)式暫堵劑封堵2個(gè)孔眼(圖7)；當(dāng)有3個(gè)孔眼出液時(shí)，投加3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑，在運(yùn)移過程中，繩結(jié)式暫堵劑發(fā)生纏繞現(xiàn)象，不能實(shí)現(xiàn)有效封堵孔眼(圖8)。

圖6 1個(gè)孔眼出液時(shí)繩結(jié)式暫堵劑封孔實(shí)驗(yàn)

圖7 2個(gè)孔眼出液時(shí)繩結(jié)式暫堵劑封孔實(shí)驗(yàn)

圖8 3個(gè)孔眼出液時(shí)繩結(jié)式暫堵劑封孔實(shí)驗(yàn)

3.3 泵注排量對(duì)封堵效果的影響

現(xiàn)場(chǎng)段內(nèi)暫堵壓裂過程中，暫堵劑泵送通常為1～4 m3/min，考慮單個(gè)壓裂段孔眼數(shù)通常為20～50孔，單孔排量為0.02～0.2 m3/min。確保井下單孔排量與本文實(shí)驗(yàn)單孔排量水平相當(dāng)，該部分設(shè)計(jì)了泵注排量分別為0.15 m3/min和0.1 m3/min兩組試驗(yàn)。當(dāng)泵注排量為0.15 m3/min時(shí)，投加的3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑懸浮在流體中，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)向前，未發(fā)生相互纏繞，實(shí)現(xiàn)3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑封堵3個(gè)孔眼(圖3)；當(dāng)泵注排量為0.1 m3/min時(shí)，投加的3個(gè)繩結(jié)式暫堵劑同步向前運(yùn)移，發(fā)生相互纏繞，未能有效封堵孔眼(圖6)。因此，增大泵注排量，能夠有效緩解繩結(jié)式暫堵劑在運(yùn)移過程中相互纏繞的程度，提高繩結(jié)式暫堵劑封孔效果。然而，段內(nèi)暫堵壓裂過程中，單簇孔數(shù)通常為24～48孔，繩結(jié)式暫堵劑單次投加數(shù)量為24～56個(gè)，數(shù)量較多時(shí)繩結(jié)式暫堵劑在運(yùn)移過程中相互纏繞的幾率增大，顯著降低繩結(jié)式暫堵劑封孔效果。為此，提出在繩結(jié)式暫堵劑外包裹塑料膜(圖9)，實(shí)現(xiàn)繩結(jié)式暫堵劑運(yùn)移過程中不發(fā)生纏繞，而在入孔時(shí)，較高的孔眼剪切力將塑料外殼剪碎，釋放繩結(jié)式暫堵劑，完成孔眼封堵。

圖9 有外殼包裹的繩結(jié)式暫堵劑

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新疆瑪湖礫巖油藏瑪18區(qū)塊一口現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井，垂深3 920 m，水平段長(zhǎng)度1 076 m，分10段壓裂，第9段段內(nèi)射孔6簇，每簇3孔，則第9段共18孔，壓裂過程中投加30個(gè)包有外殼的繩結(jié)式暫堵劑進(jìn)行段內(nèi)暫堵。投加繩結(jié)式暫堵劑前，施工排量為8.5～10.5 m3/min，泵壓83～68 MPa，加砂90 m3。投繩結(jié)式暫堵劑后，施工排量為8.5～10.5 m3/min，加砂90 m3。為了驗(yàn)證繩結(jié)式暫堵劑對(duì)暫堵前優(yōu)勢(shì)射孔簇(進(jìn)液多的孔簇)的封堵效果，采用鷹眼監(jiān)測(cè)手段(陣列環(huán)掃井下成像技術(shù))，分別對(duì)暫堵前和暫堵后的射孔孔眼進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鷹眼監(jiān)測(cè)指采用井下照相機(jī)，對(duì)孔眼進(jìn)行拍照，根據(jù)參考臂標(biāo)定孔眼直徑大小。井下照相機(jī)在沿井筒環(huán)向360°范圍內(nèi)有四個(gè)攝像頭，360°無(wú)死角連續(xù)環(huán)掃測(cè)量，一次即可實(shí)現(xiàn)套管一周上的孔眼拍攝，避免遺漏孔眼(圖10)。

圖10 井下照相機(jī)及監(jiān)測(cè)結(jié)果

進(jìn)一步計(jì)量暫堵前和暫堵后第9段18個(gè)孔眼的沖蝕面積，結(jié)果見圖11。原始孔面積為78.5 mm2，暫堵前泵注90 m3支撐劑后，第6簇的第1孔和第3孔沖蝕較為嚴(yán)重(藍(lán)色柱狀圖)，說明進(jìn)砂量過多，產(chǎn)生超級(jí)裂縫。投加繩結(jié)式暫堵劑后，第6簇第1孔得到有效封堵，不再?zèng)_蝕。第6簇第3孔封堵不徹底，繼續(xù)發(fā)生部分沖蝕。第6簇1、2孔、第4簇2、3孔、第3簇第1孔、第2簇1、2孔，第1簇1孔(紅色柱狀圖)，均在投加繩結(jié)式暫堵劑后發(fā)生新的沖蝕，說明支撐劑從優(yōu)勢(shì)孔轉(zhuǎn)移進(jìn)入弱勢(shì)孔，獲得了更加均勻的砂液分流效果，提高了段內(nèi)整體改造均勻度。

圖11 第9段暫堵前和暫堵后孔眼沖蝕面積統(tǒng)計(jì)及對(duì)比

5 結(jié)論

(1)大尺度可視化暫堵劑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)表明，繩結(jié)式暫堵劑具有兩翼和球結(jié)結(jié)構(gòu)，兼顧攜帶運(yùn)移和穩(wěn)定坐封孔眼的特性，與暫堵球相比，具有更好的孔眼封堵效果。

(2)由于運(yùn)移過程中相互纏繞，多個(gè)繩結(jié)式暫堵劑難以封堵多個(gè)孔眼，提高泵注排量或?yàn)槔K結(jié)式暫堵劑包裹外殼，能夠有效消除繩結(jié)式暫堵劑相互纏繞的問題，提高孔眼封堵效果。

(3)陣列環(huán)掃井下成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)孔眼沖蝕面積，進(jìn)而評(píng)價(jià)各孔進(jìn)砂均勻程度。對(duì)比暫堵前、后孔眼沖蝕特征，證實(shí)繩結(jié)式暫堵劑能夠有效封堵優(yōu)勢(shì)孔眼，提高段內(nèi)均衡改造效果。