炮眼暂堵室内实验研究

方裕燕，冯 炜，张 雄，侯 帆，安 娜，袁立山，汪 杰

(1中国石油化工股份有限公司西北油田分公司2中国石油大学·北京3油气资源与探测国家重点实验室)

随着人类对油气资源需求的不断增长，水力压裂技术成为重要的油气田增产措施之一。针对深层、致密储层等非常规油田的开发，笼统压裂产生的裂缝单一、沟通天然裂缝效率低，无法实现长井段均匀高效改造;常规的机械分段压裂施工难度大、成本高。在此背景下，暂堵分层与转向压裂技术应运而生，在非均质较为严重的纵向产层中，通过泵入暂堵颗粒和其他暂堵材料，封堵射孔孔眼，迫使后续压裂液转向进入其他层段［1］，实现分层改造效果。

目前，炮眼暂堵的研究集中在理论与实验两部分。理论方面，肖辉［2］等人研究了封堵球在流体的受力情况以及管壁效应，描述了封堵球在携带液中的运动方程;M．Nozaki［3］等人建立了单个、多个暂堵球的运移模型，通过射孔的压降确定了坐封效率，给出了封堵炮眼的经验公式;郑志兵［4］针对投球暂堵效果从投球后暂堵球运行过程、受力情况、影响暂堵球坐封的关键性因素等方面进行了研究，得出了排量、密度差、封堵孔眼数、流体黏度等参数对暂堵球封堵效率的影响。实验方面，熊颖［5］等建立了封堵效果与正向承压模型，对封堵效果进行了评价，人工采用暂堵转向剂对岩心或裂缝端面进行封堵，通过测试封堵前后的渗透率计算封堵率，炮眼暂堵的封堵评价同样适用这种方法;Xue［6］等在2015年SPE会议上提出混合封堵材料的封堵机理与评价，并测试对比了单一材料的承压强度，可指导实验选用封堵材料。

尽管暂堵转向技术的研究逐渐深入，但是针对具体炮眼尺寸下，暂堵剂配方、段塞组合、排量等技术参数仍难以形成精细化的设计与施工规范，坐封效果较差是投球暂堵转向压裂的一大难题。本文在前人的研究基础上开展了Ø10 mm、Ø12 mm炮眼暂堵的室内实验，探究了炮眼的暂堵规律。

一、炮眼暂堵技术

压裂技术是一种重要的增产方法，特别是对于致密储层产能提高有着明显的效果。目前国内外油田使用较为广泛的是笼统压裂，笼统压裂对多个油层没有针对性，不能达到预期的压裂效果。在实际的开采中多会遇到层数多的情况，普遍存在非均质性。在非均质较为严重的纵向多产层的施工中，分层压裂是提高纵向改造强度的一项重要措施［7］。通过投入暂堵球与其他暂堵材料坐封炮眼迫使压裂液流向低渗层段，实现纵向改造，该工艺简单，施工安全［8］。

为保证施工时的坐封与便于施工后的脱落，卢修峰［9］等从封堵球作用机理研究出发，提出暂堵球最大截面积为孔眼直径的2．6倍，即D/Dp=2．6。通过受力计算保证了暂堵后暂堵球的返排。李勇明［10］等在此研究基础上，建立了D≥1．25Dp的经验公式，用于橡胶材料的暂堵球的尺寸选择准则。

考虑施工的安全易操作以及经济性，暂堵球尺寸不易过大，本文实验所用材料为可降解材料，该暂堵材料经过评价在不同温度条件下降解率均能达到85%以上［11］。故可忽略施工后的暂堵球脱离炮眼问题，暂堵球尺寸选择应遵循架桥及等径封堵准则。

二、炮眼暂堵实验

1．实验装置

模拟炮眼暂堵实验系统结构图如图1所示。动力泵为ISOC泵，可实现恒流或恒压注液，最大注入压力为70 MPa;由暂堵球和其他暂堵材料配置的暂堵液置于中间容器内，中间容器容积为2 L;模拟炮眼置于夹持器内，夹持器外可加围压，前后连有压力传感器，可测压差，实验所有管线均可承压50 MPa以上，保证实验安全。

图1模拟炮眼暂堵实验系统

2．实验材料

为了研究Ø10 mm炮眼的暂堵规律，选取了三种不同粒径的可降解暂堵球，分别为6 mm、8 mm和10 mm，以及1 mm可降解暂堵颗粒与6 mm可降解纤维。选择交联胍胶作为暂堵材料的携带液，胍胶基液的配方见表1。

3．实验评价参数

3．1最大封堵压力

最大封堵压力是指暂堵区域在失稳前能承受的最大压力，评价封堵段强度和压力承受能力。封堵段可在井筒流体压力与地层压力的压差下保持稳定，最大封堵压力是最重要的指标，应尽可能的高。

表1胍胶基液配方

3．2暂堵剂用量

暂堵剂用量是评价经济性的最佳参数，指的是在暂堵段形成之前的所有材料的用量，包括暂堵颗粒及纤维。因次，暂堵剂用量越低越好，以最大限度的提高经济效益。

三、结果与讨论

本研究从暂堵剂配方，段塞组合和施工参数三个方面研究暂堵材料在炮眼内的封堵规律。

1．Ø10 mm炮眼暂堵剂配方优选实验

如表2所列，针对直径10 mm炮眼的暂堵剂配方优选，开展了11组实验，前6组实验选用的暂堵球直径小于炮眼直径，通过改变暂堵球浓度与纤维浓度都无法形成封堵，进出口差压最大0．2 MPa左右。通过实验可以发现，使用小于炮眼直径的暂堵球无法在炮眼内形成架桥封堵，这与添加的小颗粒、纤维的浓度无关。

表2实验汇总

随后，实验将所用暂堵球直径增加到与炮眼直径等大，瓜胶携带液中仅加入1%纤维，实验结果与之前一样，未形成憋压，当携带液中混入不同浓度的1 mm暂堵颗粒后，注入20 min左右，陆续出现压力升高现象。可见，炮眼暂堵为等径封堵，且小直径颗粒有助于形成封堵。

如图2、图3所示，通过结合四组成功案例，对比可得:①炮眼一旦封堵，其承压能力均可高达30 MPa;②暂堵剂组合(1 mm颗粒、纤维)浓度越大，封堵时间所需越短;相对应用量也较多;③当炮眼被等径暂堵球封堵后，随着暂堵剂继续注入承压能力更高。

以形成封堵承压30 MPa为准，对比其形成时间与暂堵剂用量。见图2、图3。

图2最大承压时所需时间对比图

对于封堵后暂堵段特征，可以看出暂堵球周围包裹着小颗粒与纤维，且暂堵球的密集程度越靠近炮眼口越致密。通过对暂堵材料配方的优选，明确了暂堵过程规律为暂堵球坐封炮眼，小颗粒辅助暂堵球架桥，纤维填充颗粒间的空隙，形成致密封堵带，降低暂堵段的渗透率。

图3暂堵剂用量对比图

2．注入方式对暂堵形成的影响

明确了暂堵架桥机理后，通过改变暂堵材料的注入顺序，研究其对暂堵形成的影响规律。开展实验，见表3。

表3实验汇总

如表3所列，针对段塞组合的优选，通过改变暂堵剂的注入顺序，开展了4组有效实验，实验1是先混注暂堵球、暂堵颗粒、纤维后注纤维;实验2混注暂堵球、暂堵颗粒、纤维;实验3先注纤维暂堵液后混注暂堵球、暂堵颗粒、纤维;实验4先注暂堵球、暂堵颗粒后注纤维。通过对比四组实验注入压力变化和所用暂堵材料用量评价不同暂堵剂注入方式对形成暂堵的影响。

通过实验结果可以看出(图4、图5)，实验1、2、4形成暂堵所需时间与暂堵材料用量相差较少，最大差值在12%左右。实验3先注入纤维，没形成憋起压力，注入较少量颗粒后暂堵段形成。可见，纤维和小径颗粒共同作用时，最有助于暂堵球坐封炮眼，有利于快速形成致密暂堵段，实现憋压。且其注入顺序的改变对材料用量影响不明显。进一步说明，暂堵球坐封在射孔孔眼上，先注入小直径(1 mm)暂堵颗粒架桥，后注纤维有助于承压。

图4暂堵形成压力对比曲线图

3．排量对暂堵形成的影响

通过Ø10 mm炮眼暂堵剂配方优选实验后，选用Ø10 mm暂堵球+1mm暂堵颗粒(0．3%)+纤维(0．5%)作为排量优选的配方方案。由于室内实验的限制，故本实验限制最大排量30 mL/min，定性的对比分析排量对形成暂堵的影响规律。

图5暂堵剂用量对比图

通过实验结果可以得出在室内实验条件下，排量越大越有利于封堵，且暂堵材料用量越少。分析其原因为当炮眼尺寸为固定直径，排量越大，同一时间段内流经炮眼处的暂堵材料越多，在炮眼口处材料间的接触作用越大，摩擦阻力也随着变大，越容易堆积快速形成致密暂堵段。

四、结论

(1)暂堵球直径小于炮眼口尺寸时无法形成封堵，炮眼暂堵为等径封堵。

(2)室内排量越大，暂堵剂越快形成在炮眼内形成暂堵。

(3)当暂堵颗粒与纤维共同作用时，注入先后顺序对暂堵形成影响不大。

(4)暂堵剂封堵炮眼的过程为暂堵球坐封炮眼，小颗粒(1 mm)助于架桥，纤维聚集形成承压封堵，承压能力超30 MPa。