储层改造用暂堵材料研究进展

许可，高航，石阳，董景锋，刘臣，方波，李阳，王培

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.华东理工大学 化工学院，上海 200237；3.新疆油田分公司工程技术研究院， 新疆 克拉玛依 834000；4.浙江油田分公司勘探开发一体化中心，浙江 杭州 310023)

随着油田开发的不断深入，常规油气藏资源的大部分油层已逐步进入开发的中后期，稳产难度越来越大，为提高产能、保证能源供给，开发非常规油气资源是重要的研究方向。暂堵转向压裂技术是一种重要的非常规油气藏资源的高效开发技术，即利用暂堵剂对裂缝产生有效暂堵，再进行转向压裂产生一条或多条新裂缝，从而使裂缝得到扩展，最终形成新的裂缝网络。这项技术的核心材料暂堵剂可以依照不同的分类原则进行分类，如按照暂堵剂的表观形态[1]、暂堵机理[2]、解堵机理[3]等进行分类，本文将按照暂堵机理将暂堵剂分为化学颗粒、纤维、胶塞类、表面活性剂、复合类等，并分别介绍其暂堵机理、主要材料及性能和最新研究进展、相关测试评价方法。

1 暂堵材料类型及研究进展

1.1 颗粒型暂堵材料

化学颗粒通过流体注入储层，然后通过颗粒的堆积形成暂堵效果，对于宽度较大的裂缝，颗粒物主要通过沉积和堆积产生暂时堵塞。对于架桥填充形成的滤饼，其封堵效果取决于粒径与孔隙、喉道或裂缝宽度的匹配关系。相同尺寸的化学颗粒形成的滤饼中不可避免地存在一些间隙，因此，为了提高堵塞强度，减少滤失，采用不同尺寸颗粒混合或可变形颗粒来减小间隙。根据解堵机理的不同，化学颗粒可细分为水溶性、酸溶性和油溶性。目前，酸溶性材料主要包括碳酸钙、陶粒等，酸化后随残液返排，适用于高温高压井。水溶性材料又可分为交联类和非交联类，主要包括聚丙烯酰胺、聚乳酸、纤维素等，通过破胶剂破胶溶于水排出或降解到水中排出，可以在不同的储层温度下使用。油溶性材料主要由石蜡、松香或树脂制成，溶于油，随储层流体排出，适用于非高含水油井。当储层温度高于颗粒软化点温度时，固体颗粒开始熔化。当储层应力大于颗粒的抗压强度时，固体颗粒将破裂。因此，储层温度和应力会影响暂堵效果[4]。

顺北油气田一区超深裂缝性碳酸盐岩储层具有高温、高压和天然裂缝发育的特点，钻井过程中易发生漏失。为了解决地层漏失及漏失后带来的储层损害问题，方俊伟等[5]研制了主要由可酸溶纤维、可酸溶填充材料及弹性石墨组成的抗高温可酸溶暂堵体系。李国锋等[6]研制了一种微胶囊型颗粒暂堵剂，外部材料是油溶性有机复合材料、内部材料是酸溶性碳酸钙，具有良好的分散稳定性及封堵能力，而且可降解，现场实验效果良好。为了解决油溶性暂堵剂强度低、渗透率恢复率低、适用温度范围窄的问题，Li等[7]以聚乙烯蜡为主要原料制备了油溶性聚乙烯蜡颗粒暂堵剂。白雪等[8]以丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为共聚单体，采用氧化还原聚合法制备了颗粒状的聚丙烯酰胺基暂堵剂，用氯化钙对其进行表面改性，合成了缓胀型暂堵剂，并测试了其黏度和溶解性。王盛鹏等[9]将硬度不同的油溶树脂和较软的石蜡类物质混配，经加工制成颗粒状暂堵剂，耐温性较单一材料得到提升，现场应用转向效果有明显提升。

1.2 纤维型暂堵材料

纤维在载液中被软化，并与载液一起注入储层中。根据最小阻力原理，载液将纤维泵送到储层后，纤维首先流入高渗透率层或裂缝。不同的壁面粗糙度和抗阻力性将纤维固定在适当的位置。捕获的长纤维起桥的作用，并且随着注入液体过程的积累而增加。同时，粗糙裂纹壁捕获短纤维的能力得到增强，并且纤维彼此缠绕逐渐形成纤维层。前后压差使纤维层被连续压实，从而形成滤网(滤饼)结构[4]。纤维可以溶解在酸、碱溶液或水中，然后流回地面。用于该应用的纤维主要是植物纤维及其改性产品。典型的材料包括聚酯纤维、聚乳酸纤维和聚丙烯纤维等。

杜娟等[10]以2%醋酸纤维和2%的分散剂配制暂堵液，实验结果表明醋酸纤维适合于非均质碳酸盐岩储层酸化，能起到均匀布酸、均匀酸化的效果，而且醋酸纤维可采用高浓度盐酸解除。杨国威等[11]使用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对可降解纤维进行表面改性，通过对突破压力、携砂性能和导流能力等的测试显示，该改性纤维适合用作压裂暂堵剂。Ma等[12]利用自主设计的暂堵评价实验装置，对3种纤维暂堵材料测试发现，纤维质量分数越高，其分散性越差，悬浮性越好，加入质量分数为0.2%的纤维，携砂液携砂能力可提高50%以上。钟森等[13]研制了一种人造有机可降解纤维暂堵剂，室内实验显示渗透率降低1 000倍以上，驱替压力显著增大，酸解堵后，渗透率恢复50%以上。

1.3 液体型暂堵材料

凝胶依靠凝胶状体积堵塞实现临时封堵。凝胶有两种形式，颗粒和流体。在第一种情况下，将聚合交联形成的凝胶制成颗粒，这样更容易储存和运输。凝胶颗粒被流体携带到孔喉或裂缝中，在储层高温加热的作用下，再次熔融交联形成凝胶胶塞。另一种情况是将胶液直接泵入孔喉或裂缝中，在储层条件下交联形成胶塞。施工完成后，胶塞在破胶剂的作用下自动降解或分解成小分子，然后流回地表。凝胶胶塞是通过聚合物交联形成的。主要材料包括酚醛凝胶、丙烯酰胺及其改性产品。胶塞的抗压强度和耐盐性较低。大多数聚合物凝胶的主要成分是部分水解的聚丙烯酰胺，在高温或高盐度环境下，其易于热降解或盐降解。

李丹等[14]在120 ℃下采用不同水解度和分子量的聚丙烯酰胺与不同交联剂交联，得到耐温性能好、破胶效果好的高温复配暂堵剂体系。沉降类、高失水类暂堵剂成塞强度低、聚合物凝胶类暂堵剂成塞强度高，但长段聚合物凝胶成塞后续破胶难。刘德平[15]研究形成了以聚丙烯酰胺作流型调节剂、工业废料高炉矿渣为胶凝剂的高强度暂堵浆体，浆体稳定性好且现场试压合格。交联凝胶及其封堵性能主要取决于所用聚合物和交联剂的类型以及交联凝胶不同组分之间的相互作用。然而，大多数传统的交联凝胶都很弱，并且具有较低的机械性能。Azimi等[16]将不同浓度和尺寸的二氧化硅纳米粒子引入磺化聚丙烯酰胺(SPAM)/醋酸铬(Ⅲ)体系中，制备出了具有增强力学性能和堵塞性能的纳米复合凝胶。Zhang等[17]采用醛基海藻酸钠(ASA)与氨基明胶(AG)通过席夫碱反应形成一级网络，加入聚乳酸(PLA)纤维形成三维网络，以Ca2+为离子交联剂，制备了一系列新型暂堵剂。结果表明，纤维配合交联剂可以增强凝胶的强度和耐热性，适量的Ca2+对水凝胶的机械性能显示出积极的影响。

1.4 泡沫型暂堵材料

泡沫转向酸、乳化转向酸和自转向酸被归类为表面活性剂暂堵剂，因为其依靠表面活性剂来实现起泡、泡沫稳定、乳化或黏度变化。自转向酸体系在地面条件下通常是低黏度流体。当将自转向酸泵入地层中时，会发生酸蚀岩反应，从而导致酸体系的pH值以及Ca2+和Mg2+浓度增加等。当温度、pH值或Ca2+和Mg2+浓度达到一定值后，酸溶液体系的黏度迅速增加。根据最小流动阻力的原理，酸首先会进入高渗透率层或近井区域。随着酸蚀岩反应的持续进行，酸体系的黏度增加，这使得酸流入该区域的流动阻力增加。然后，酸自动被强制流入低渗透率或远井区域。最终，整个井眼或整个裂缝被酸化。随着储层温度的升高，高黏度自转向酸会自动降解，或者在直接接触碳氢化合物时会分解以降低黏度。降解后的黏度接近清洁水的黏度，便于返排并有效保护储层。自转向酸体系主要由酸和黏弹性表面活性剂组成。其中，表面活性剂是阳离子表面活性剂或两性表面活性剂。

泡沫可以用作压井液，用于低压油井或气井的修井作业。然而，泡沫通常来自高压或高速搅拌下的气体注入，另外，当前泡沫的稳定性仍然受到添加黏性聚合物或聚合物与单一交联剂之间单一交联的方法的限制。Jia等[18]利用产生二氧化碳气体的化学物质(GPC)和发泡剂的系数函数，探索了一种在表面条件下简单安全的现场生成方法。通过使用乙酸铬和聚乙烯亚胺(PEI)进行双交联，可提高泡沫稳定性，从而保证了其在井眼中的稳定性。该泡沫凝胶显示出低渗漏和暂时堵塞的良好性能。针对常规乳液高温易破乳、增黏能力弱、转向能力差的特点，李振亮等[19]以柴油为油相，以两种非离子型乳化剂和一种阴离子型乳化剂复配，按油水比3∶7制得稳定的耐温耐盐油包水乳状液，岩心驱替实验表明该乳液可实现酸液的连续多级转向。常规增产处理使用常规酸或缓速酸与化学暂堵剂(包括泡沫)结合，充分刺激长而不均匀的碳酸盐地层增产。最常用的化学暂堵剂是基于聚合物的，但其易诱发地层损害。AI-Mutawa等[20]研发了黏弹性表面活性剂自转向酸(VES-SDA)，该体系由无固体的VES和HCl混合而成，相对于常规胶凝酸的主要优点是它是非聚合的，并且具有非破坏性。与传统的转向材料(例如泡沫和微粒)不同，VES-SDA流体可以连续泵送、进行增产和改道。这样就无需使用涉及许多其他流体系统的多个步骤。崔福员等[21]用3-二甲氨基丙胺、油酸和氯乙酸钠合成了一种新型甜菜碱表面活性剂作为自转向剂，与20%的盐酸及其他添加剂复配形成自转向酸体系，现场应用取得了良好的酸化效果。

1.5 复合材料类

复合暂堵剂已广泛用于油田，主要由化学颗粒、纤维、凝胶和黏弹性表面活性剂组成。复合暂堵剂结合了每种单一类型暂堵剂的优点。通过匹配正确的施工技术，可以满足各种储层的重建技术要求。已在油田中使用的典型复合暂堵剂包括纤维和化学颗粒复合等。原始裂缝被纤维和化学颗粒的复合剂堵塞，从而使新的裂缝得以生长和扩散，这可以改善近井区裂缝与井筒之间的连通性，并提高井的生产率。

目前在用的单一纤维对2，4 mm缝宽的裂缝均可实现暂堵，但无法暂堵6 mm及更宽的裂缝。刘豇瑜等[22]采用复合暂堵剂在压裂改造中作为暂堵转向材料，并通过室内试验优选出改造不同裂缝所需的最优的纤维长度和最佳的暂堵球粒径组合以及最佳加量浓度，现场应用后增产效果显著。针对当前设备模拟暂堵实验时承压能力差、裂缝与实际差别大等缺陷，Zhang等[23]设计了新的裂缝暂堵评价系统，研究发现纤维和微粒的结合可以获得良好的堵塞效果；颗粒直径至少为裂缝宽度的50%可以提高堵塞效果；断裂表面形态影响临时堵塞的形成时间，但不影响是否形成临时堵塞。Hu等[24]利用层状硅酸盐材料与聚丙烯酰胺类聚合物制备了一种新型凝胶暂堵剂，复合凝胶在160 ℃老化10 d后仍保持坚固。随着层状硅酸盐浓度的增加，成熟复合凝胶的承压能力和刚性显著提高。王雨霞[25]用大中小三种粒径的刚性暂堵材料和可膨胀暂堵材料复配，室内实验显示，可承压40 MPa以上且可完全自降解。

2 暂堵机理

根据现场施工要求，暂堵剂可加工为暂堵球(5 mm以上)、大颗粒(1～5 mm)、小颗粒(1 mm)、粉末(60～100目)和纤维系列可降解暂堵转向材料，根据暂堵材料尺寸的不同，暂堵机理分为孔眼暂堵和缝内暂堵。孔眼暂堵主要采用与规则孔眼直径相匹配的暂堵球，不规则孔眼采用多级配的颗粒暂堵剂，大颗粒架桥，小颗粒填充颗粒间孔隙，实现有效封堵。缝内暂堵主要采用小粒径材料，通过压裂液携带进裂缝中，提高裂缝净压力，达到缝内转向形成更多分支裂缝目的。

图1 暂堵机理示意图Fig.1 Diagram of the temporary blocking mechanism

3 暂堵材料的评价方法

关于暂堵材料的性能评价，目前尚未达成统一标准。主要从其耐压、耐温、降解能力三个方面设计实验分析，但是实验流程设计、规范标准未统一。而关于暂堵材料暂堵性能的评价，由于不同研究机构的实验设施都不尽相同，所以评价效果及标准很难统一。

3.1 封堵能力评价

暂堵转向压裂实施过程中，大排量压裂液的注入会形成巨大的压差，暂堵材料必须具有一定的耐压能力，才能使压裂液转向而不被破坏，保证对裂缝实施有效暂堵。时玉燕等[26]将一定量的暂堵剂均匀地铺置在压力机的破碎室，然后施加压力，在不同压力下测其破碎率，根据破碎颗粒大小判断其耐压强度。李国锋等[6]将暂堵剂在多孔介质岩心中封堵后，应用均相流体进行驱替时达到突破封堵效应所需要的最大压力作为暂堵性能评价指标，即突破压力。金智荣等[27]评价了三种暂堵复合材料的封堵效率，以暂堵之后出液量的大小代表封堵效率，出液量越小表示封堵效率越高；考虑不同暂堵材料能否实现对不同开度裂缝的暂堵，当暂堵体系实现对裂缝的封堵后，这个封堵体系能承受的最大外加压力的强度就决定了该体系对裂缝的承压能力。李振亮等[19]对岩心进行酸化暂堵驱替实验，通过前后压差变化来评判其暂堵性能。赵志强等[28]观察暂堵液黏度随时间的变化，随着老化时间的增加，黏度逐渐降低，从而说明暂堵剂逐渐降解、具有良好的自然降解性能；并且在特定温度下，设置不同压力，记录保持压力10 min的累计滤失量，从而判断其承压封堵能力。

3.2 耐温能力评价

油气藏储层温度较高，暂堵材料必须能够具有一定的耐温性，比如油溶性树脂和石蜡等高温不软化、纤维类材料高温不分解等，能够形成稳定的暂堵结构。姜歆等[29]通过测定油溶性树脂的软化点来评价暂堵剂的耐温性能，实验结果显示该种油溶性暂堵剂软化点为105 ℃，暂堵效果良好且具有很好的渗透恢复效果。姜必武等[30]使用松香和全炼石蜡作为主要原料，制备了一种蜡球暂堵剂，通过差式扫描量热仪测试其相变温度及相变热来考察蜡球的热稳定性。

3.3 溶解能力评价

储层暂堵压裂之后，暂堵材料必须能够保证实现返排或降解，减少对储层的伤害。李国锋等[6]用地层水饱和岩心，然后用地层水驱替封堵后的岩心，测其前后渗透率，计算封堵率；用地层水饱和岩心，然后注入暂堵剂悬浮液，注入残酸液解堵，最后地层水驱替，测其前后渗透率，计算解堵率。白红艳等[31]将暂堵剂溶解在原油中，然后降温、观察在低温情况下溶解体系是否有相变，若没有大的相变，则说明溶解性良好，与原油配伍性好，并利用扫描电镜从微观的角度考察暂堵剂的封堵能力及返排能力。霍维晶等[32]利用模拟水测量岩心的正向原始水渗透率和反相原始油相渗透率，然后注入暂堵剂，测定暂堵后岩心的正向水相渗透率，然后反向用模拟油驱替岩心中的水，测定岩心的反向油相渗透率，以水相渗透率变化率作为暂堵率，以油相渗透率比值作为解堵率。

4 目前暂堵材料存在的问题

4.1 缺少评价标准

储层改造用暂堵材料目前缺少统一的行业评价标准，需要重点考察和建立一系列评价暂堵材料的抗剪切性能、膨胀性能、耐盐能力、悬浮能力、降解性能、封堵能力和解堵性能的实验条件的方法。

4.2 缺少使用操作规范

近年来，仅国内每年使用的暂堵材料在2 000 t以上，但是暂堵剂的形状种类多，产品类型包括秋状、颗粒状、丝状和粉末状，市场大且杂，但是没有形成有效的使用操作规范。

4.3 缺少机理研究

暂堵材料封堵和解堵机理研究还需进一步加强，暂堵材料在井下变化过程主要包括流动、桥接、溶解、变形、承压、酸解、水解和热解等过程，需要依托流动力学、流变学、液固耦合、化学和材料学等科学统一研究，分解每个过程，研究人员才能掌握工作机理和使用方法。

5 发展建议与展望

不同材料制成的暂堵剂，由于其材料本身性能的限制，所以适用于不同的工程条件。聚合物交联型暂堵剂容易在地层中留下大量难以清除的残渣，对储层造成二次伤害。纤维型暂堵剂承压能力有限，力学性能较差。表面活性剂类清洁暂堵剂对地层伤害小，但稳定性不高。多种材料的复合暂堵剂可以起到很好的暂堵作用，弥补单一材料暂堵性能的不足，并且能够减少单一材料使用量过大对储层造成伤害，所以复合暂堵剂仍是未来发展的一个重要方向。此外，关于暂堵剂材料性能及暂堵效果的实验评价方案仍未形成统一的标准，未来应建立针对不同类型暂堵剂的统一的材料及性能评价标准。