压裂暂堵剂及其适用范围分析

肖沛瑶

（西安石油大学，陕西西安 710065）

作为改造储层使新井投产老井稳产、提升单井产能的主要措施，水力压裂在世界范围内得到了广泛的应用，然而随着开发时间的延长，在初次水力压裂作业形成的水力裂缝控制的泄油区内原油采出程度较高，而在泄油区外仍然存在一定动用程度较低的剩余储量难以受到波及[1]，单井产量逐渐下降。

针对此类情况，通常进行重复压裂改造来提升单井产能。早期油田现场通常采用常规的同井同层重复压裂技术，但该技术存在仅能重新张开现有人工裂缝而无法形成新的人工裂缝；可部分恢复原有人工裂缝的导流能力但对注入水驱替体积及孔隙压力分布形式产生的影响有限，增产效果可能较差等问题。为经济有效地动用这部分剩余储量，尽可能提高单井产量，目前在现场普遍引入暂堵转向重复压裂技术。

暂堵转向重复压裂技术的关键是造出新缝，而造出新缝最重要的就是选择合适的暂堵剂，因此，压裂暂堵剂是暂堵转向重复压裂施工技术的关键之一，优选出针对低渗透油田堵老缝压新缝的压裂暂堵剂对确保能够有效地暂堵老缝开启新缝，增强增油效果具有积极作用。

1 压裂暂堵剂及其分类

压裂暂堵剂是用来暂堵老裂缝的材料。施工过程中，按计划加入的压裂暂堵剂和支撑剂由压裂液携带被泵入地层后，两者按一定比例选择性进入高渗透层、原有人工裂缝或连通的炮眼，在地层内某处形成桥堵，使处于井筒和堵塞带之间的裂缝体积内裂缝净压力急剧升高，当此压力高过微裂缝开启压力或新缝破裂压力时裂缝将在水平两向应力差条件下二次破裂，继而改变裂缝起裂方位以开启微裂缝或新缝，之后进入的压裂液将延伸和扩展微裂缝或新缝为新的支裂缝[2，3]。

压裂用暂堵剂和钻井、修井用暂堵剂及堵水调剖、酸化用暂堵剂同属于暂堵剂众多类型中的一种，但相较于这些暂堵剂，压裂用暂堵剂的封堵效果更好，承压能力更强，同时其暂堵时间更加可控，对地层的伤害也相对较小[4]。

根据暂堵材料的不同，可将油田压裂用暂堵剂分为惰性固体类暂堵剂（如硅粉、岩盐、封堵小球、碳酸钙粉、油溶性树脂等）、惰性有机树脂类暂堵剂及遇酸溶胀聚合物类暂堵剂等；根据使用形态的不同，可将压裂用暂堵剂分为颗粒型暂堵剂（如苯甲酸片、沥青等）、冻胶型暂堵剂、纤维型暂堵剂和泡沫型暂堵剂等[4]；此外，也可以以压裂施工结束后需要恢复地层渗透率时压裂暂堵剂的解堵方式为依据，将其分为酸溶性压裂暂堵剂、油溶性压裂暂堵剂（如油溶性树脂等）和水溶性压裂暂堵剂（如苯甲酸等）[5]，这是一种在目前较为主流的分类方式，本文选择以此分类方式为依据，综合分析其中不同种类压裂暂堵剂的性能特点及其适用范围。

2 压裂暂堵剂研究进展及综合分析

2.1 酸溶性压裂暂堵剂

酸溶性压裂暂堵剂通常采用碳酸钙、陶粒等钙等无机类粉末作为暂堵材料[4，6]，如闫治涛[7]研制了一种具备良好分散、悬浮及沉降特性的新型高效碳酸钙暂堵剂，能够满足在中浅层通过重复压裂改造控制裂缝转向造出新缝的需要。酸溶性压裂暂堵剂虽然具有生产成本较低、耐温性能好、强度高等优点，但同时也主要存在着酸敏性地层不适用、由于只能在孔喉或裂缝部位架桥封堵而导致封堵效果较差、由于形成的滤饼强度不高而导致无法形成较大压差阻力、由于施工时普遍选用的呈碱性的压裂液而导致压裂施工结束后难以依靠自身返排出地层，还需对其进行专门的酸化解堵等诸多不足。

受限于上述性能上的缺陷，酸溶性压裂暂堵剂在单纯的转向压裂中很少使用，但该类暂堵剂可在酸化压裂改造中利用返排的残酸解堵，所以仍有应用，特别是在需要进行酸压改造的高温油气层[4]，如张军等[8]通过对原有专利产品进行研究及改进，研制了一类针对裂缝性油气储层的油气储层裂缝暂堵剂，其主要组成包括超细碳酸钙、植物纤维和氧化沥青。暂堵结束后该类压裂暂堵剂可通过射孔和酸化使其解堵，返排性能出色，压力返排率和酸化返排率可达80%以上，有效弥补了原有暂堵剂在压裂、酸化后自行解堵困难这一缺陷。

2.2 油溶性压裂暂堵剂

油溶性压裂暂堵剂主要是溶于油的压裂暂堵剂，可选择的材料有树脂、石蜡、沥青等[4]。

油溶性树脂一般通过使用高分子聚合物溶液等类型的悬浮剂，用以在地层中形成悬浮颗粒。该类暂堵剂具有良好的黏性和热塑性，注入地下后，可以利用一定的孔隙直径与颗粒粒径的比值使暂堵剂在老裂缝中形成有效的封堵，在老裂缝中形成段塞之后便可在旧的裂缝面上重新压开新的裂缝，因此常选择油溶性树脂作为油溶性压裂暂堵剂的主要原料。目前，在现场使用较为普遍的油溶性树脂类压裂暂堵剂主要是具有较高熔点的树脂类产品，如油溶性树脂、松香及其改性物等[9]。如王盛鹏等[10]研制的球状颗粒暂堵剂ZD-150、霍维晶等[11]合成的软化点不同的油溶性暂堵剂OBZD-1和OBZD-2、宋振云等[12]研制的油水井重复压裂的油溶性暂堵剂，均是为满足现场不同需要而研制出的油溶性树脂类压裂暂堵剂产品，其耐温能力强；由于树脂类材料强度大，其承压强度较高，能较好地封堵渗透性岩心；同时，该类压裂暂堵剂易被油层油流溶解、携带、返排，使油相渗透率逐渐恢复，对地层伤害小。目前各油田针对高含水油井研制开发的油溶性压裂暂堵剂品种较多但成本普遍偏高，普通松香具有一定的油溶性和变形能力且我国盛产松香而成为油溶性压裂暂堵剂的首选原料[13]。但其软化点较低而无法封堵高渗层或裂缝，在油田的应用受到限制。而以普通松香为原料，经过一系列处理制取得到改性松香油溶性压裂暂堵剂既保留了普通松香的形变能力和油溶性等化学性质又进一步提高了油溶率且软化点范围可调，可满足更多对性能上的要求，适用范围得到扩展，如赵庆波等[13]利用加入其他官能团的方法来增强作为原料的天然高分子松香的油溶性、调节其软化点范围，最终合成了一种油溶性、暂堵强度等综合性能良好的改性松香油溶性暂堵剂。

石蜡作为另一种油溶性暂堵材料因油溶性能出色也在现场得到了应用，特别是将其和重晶石、高压聚乙烯等材料混合，制备成蜡球状的压裂暂堵剂。压裂结束后蜡球暂堵剂依靠地层温度软化，逐渐失去对地层的封堵能力。如姜必武等[14]以石蜡、松香、沥青等材料为基本原料合成了具有热塑性的蜡球粒子暂堵剂，可较好地溶解在原油中的同时可与原油较好配伍，不会因温度变化而导致物质析出、结块等，有助于保障泄油通道畅通。虽然蜡球暂堵剂具有其他类型暂堵剂无法比拟的优势，如因粒度小而得以进人射孔孔眼内部甚至井底附近地带实现封堵，但其主要原料石蜡也具有诸如软化点低、封堵效果较差、对于施工压力和地层温度较高的储层不再适用等缺陷，因此这也在一定程度上导致了蜡球暂堵剂强度低、用量大、地层伤害大、适用性差。同时，蜡球暂堵剂的破碎性高，封堵效率低。

此外，在暂堵材料的选择上，也有选择软沥青、黏稠树脂的，其作用原理类似于油溶性树脂，强度不高但能较好地实现和地层孔隙匹配[15]。

油溶性压裂暂堵剂适用的温度范围较广，封堵性能良好，解堵方便，地层伤害小。此外，与水溶性压裂暂堵剂相比，油溶性压裂暂堵剂具有明显的选择性，且其作用可逆[16]，可在一定程度上保护油井结构，有助于后续持续开采。然而油溶性压裂暂堵剂成本较高，且难溶于水，在目前多数油井已处于高含水阶段的情况下压裂完成后不易返排，容易对地层造成污染，这在一定程度上会制约其现场应用。

油溶性压裂暂堵剂目前在使用上更适用于油井[17-19]而不太适用于高含水油井及注水井[20]，压裂施工结束后可在无需要加入其他助剂的情况下溶解于储层流体中返排出地层，不会对地层造成污染[21]，对于高含水油井及注水井，裂缝封堵效果下降，解除堵塞时间较长，返排速度较慢。

2.3 水溶性压裂暂堵剂

水溶性压裂暂堵剂主要指水溶性聚合物冻胶类产品，其在水中可溶且溶解之后具有良好的增黏性，暂堵结束后能直接溶解或经破胶剂破胶后可溶解在水基压裂液或返排液中排出地层。

水溶性压裂暂堵剂主要分交联类水溶性压裂暂堵剂和非交联类水溶性压裂暂堵剂。如赖南君等[22]以淀粉、丙烯酸及丙烯酰胺为原料，结合交联剂（带有不饱和双键的有机物DJ-1）和引发剂（过硫酸铵、亚硫酸氢钠）研制的水溶性压裂暂堵剂、赵志强等[24]开发的地下成胶凝胶暂堵剂HFriGel交联类水溶性压裂暂堵剂以及刘少克[23]利用骨胶、交联剂（WEQ）及增稠剂等材料制备的水溶性压裂暂堵剂，均为交联类水溶性压裂暂堵剂，可通过交联成胶来提高自身强度以达到实现暂堵转向所需强度要求[4]。非交联类水溶性暂堵剂主要分为由植物胶、改性淀粉复配的产物和骨胶粉改性的暂堵剂这两类。前者主要起暂堵作用的是植物淀粉，其溶解快，但抗温能力不足，无法在温度较高的井内使用，不能有效封堵较小的孔隙和裂缝，同时溶解过快造成承压能力下降，也影响了暂堵剂的暂堵转向效果，后者生产工艺较为复杂且生产过程存在一定风险，合成出的产品非均质，产物波动性大。

水溶性压裂暂堵剂线性大分子链上的极性基团能够与一些多价金属离子及有机基团（交联剂）反应得到交联产物冻胶，使压裂暂堵剂在失去水溶性及流动性的同时，其粘附性能得到很大改善，表现出较好的黏弹性，封堵强度较高[2]。

此外，水溶性压裂暂堵剂亲水性、分散性及稳定性良好，和压裂液较好配伍。压裂改造结束后溶于水基流体并由其携带返出地层不会对地层造成伤害，同时也不会污染环境，符合我国建设绿色油田的环保理念。

与前两种压裂暂堵剂相比，水溶性压裂暂堵材料更适合我国老油田开发后期的高含水特征，对于高含水油井和注水井普遍适用[25，26]。如在吉林油田，随着为提高采收率对油田进行的注水开发作业持续进行，油田内大部分主力区块已经进入含水可达70%以上的中高含水期。针对高含水重复压裂井，通过大量的室内实验和材料研究研制了新型水溶性高强度暂堵剂，其封堵强度较高，封堵效果好，且在水溶液中溶解性能好、溶解速度快，施工结束后解堵迅速，不污染地层，在现场应用效果出色[27]。

3 结论及建议

（1）相较于需要酸化解堵且地层伤害大的酸溶性压裂暂堵剂和只能应用于油井压裂施工中的油溶性压裂暂堵剂，同时基于国内外通常采用水基压裂液进行压裂改造[28]，水溶性压裂暂堵剂相较于酸溶性压裂暂堵剂和油溶性压裂暂堵剂水溶性更好，施工结束后可通过水溶降解由压裂返排液携带返出地面，对裂缝壁面及支撑剂充填层造成的伤害较小，满足清洁压裂要求；我国多数油田目前已进入含水率较高的中、高含水阶段，水溶性压裂暂堵材料相较于酸溶性压裂暂堵材料和油溶性压裂暂堵材料能更好地应对高含水的特征；为降低重复压裂改造高含水老井时压裂液对油层的污染，目前普遍采取快速返排破胶液技术这三点现状，水溶性压裂暂堵剂的研究和应用更加符合主流发展趋势，未来还应主要围绕水溶性来研发合适的压裂暂堵材料。其中，具有环境友好、地层伤害小这一特点的可降解压裂暂堵剂，得益于油气层保护在我国受到普遍重视及绿色化学品产业逐渐进步，已得到越来越多的关注，是压裂暂堵剂在未来发展的一个重要方向。

（2）在油田压裂用暂堵剂未来的发展过程中，广大研究者还需注意以下几个方面的问题：

①要加大对油田压裂用暂堵剂包括暂堵机理、解堵机理在内的作用机理方面的理论研究，为进一步研发、应用压裂暂堵剂提供理论基础。

②随着可持续发展战略在我国逐步深入，各油田目前已开始采取多种措施以实现绿色生产零污染，具有环境友好特征的新型压裂暂堵剂应成为研究者关注的重点，在未来要加强对复合型水溶性压裂暂堵剂的研发。

③应努力提高压裂暂堵剂的“性价比”，在做到暂堵材料来源广、价格低，经济成本降低的同时改善暂堵剂的性能，丰富暂堵剂的功能，使其可以应用于更多类型的储层。