割缝筛管暂堵酸压适应性评价

马清杰 李 军 余勇刚 唐云鹏

(1.中国石油大学(北京) 2.中石化西北油田分公司石油工程技术研究院3.新疆恒洲景业石油技术服务有限公司 4.新疆油田公司油田技术服务分公司)

0 引 言

塔里木盆地顺北油田为奥陶系碳酸盐岩裂缝-洞穴型油藏，平均埋藏深度超过7 300 m[1-2]，其中4、8号断裂带内的油气井主要采用裸眼完井方式，由于目的层的裸眼井壁稳定性差，完井测试期间易出现井壁坍塌，由此造成井筒堵塞，给油气井的生产作业带来了巨大风险。如SHB4-1H井完井阶段钻头通井至井底，替浆、循环盐水期间返出岩屑0.15 m3，测试期间在除砂器中收集到灰岩掉块。顺北8X井采用油管测试完井方式，生产期间该井生产封隔器失封，通过井筒作业出现套管变形、井壁坍塌现象，给顺北区块正常生产带来极大隐患。

为降低裸眼完井带来的生产风险，对顺北区块的完井方式进行了探索与研究。割缝筛管由于管、缝同体，结构简单，性能优越且价格低廉[3-5]，目前成为顺北区块主要的完井方式之一。但后期在暂堵酸压过程中，存在暂堵材料堵塞割缝及管体强度失效的风险，给工程实践带来较大影响。当前，对割缝筛管的挡砂精度研究较多[6-8]，但割缝筛管暂堵剂通过性评价未开展，同时符合挡砂精度要求又满足暂堵酸压的临界缝宽有待研究。

目前，国内外对割缝筛管完井方式下暂堵酸化压裂工艺研究不足。为此，本文通过割缝筛管暂堵剂通过性室内试验与地面试验相结合的方案，评价顺北酸压常用的暂堵剂配方通过不同规格割缝筛管的可行性。基于割缝筛管表皮系数计算模型，形成暂堵酸压参数优选方案，得到满足暂堵酸压的临界表皮系数。研究成果对顺北区块完井方式优化，降低暂堵酸压风险，保障后期储层改造的顺利进行具有重要指导意义。

1 评价方法

1.1 室内试验

室内试验依据相似性原理，以平面过滤件替代现场割缝筛管为研究对象，对割缝筛管的通过性综合性能进行研究。通过模拟实际工况中暂堵剂混合液流经割缝的流速，并以此作为相似准则的输入变量，可保持在恒定排量下通过测量割缝过滤单元件的压降来评价割缝筛管的抗堵塞性，进而评估暂堵剂的通过性难易程度。整套试验装置主要由以下4个部分组成：信息数据采集系统、循环系统、割缝过滤单元抗堵塞性能试验装置、压力及流量监测系统(见图1)。

图1 室内试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment equipment

开展室内试验，首先进行了割缝缝长对暂堵剂通过性的影响评价。试验设备如图2所示。在保持缝宽一定的情况下通过可调过滤件(见图3)进行缝长的调节。试验所用滑溜水由质量分数为0.3%的HPG-1胍胶和清水配成，所用暂堵剂类型有粒径为0.25～0.85 mm和0.80～1.20 mm的颗粒暂堵剂，长度为5～6 mm的丝状纤维暂堵剂。

图2 割缝缝长对暂堵剂通过性的影响评价试验设备Fig.2 Test equipment for evaluating the impact of slot length on the passability of temporary blocking agent

图3 可调缝长过滤件Fig.3 Filter piece able to adjust slot length

1.2 地面验证试验

地面试验与实际施工环境接近，目的为验证室内试验结果的可靠性，为现场实施做准备。试验设备主要有：2台2000型压裂泵车，1台混砂车，1辆暂堵剂泵入车，1个30 m3压裂液罐，1个30 m3清水罐，5～6 mm纤维暂堵剂，0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂，0.80～1.20 mm颗粒暂堵剂，HPG-1胍胶粉，3根不同型号的割缝筛管。现场测试排量保持在0.5～1.0 m3/min(流速26～52 m/min)之间，试验开始前启泵试压10 MPa，稳压10 min，压降小于0.5 MPa为合格；低压2 MPa，稳压10 min，不渗不漏无压降为合格。试压合格后，开泵泵入工作液，观察筛管的出液情况，并记录泵入排量及压力。

2 试验结果与讨论

2.1 室内试验

2.1.1 缝长对割缝筛管暂堵纤维通过性的影响

试验设定割缝筛管的规格为缝宽3 mm，使用0.25～0.85 mm的暂堵剂颗粒质量分数为1%，纤维质量分数为0.5%，通过可调缝长过滤件调节缝长分别为15、20、60、100和200 mm，在保持相同的过流速度(68 m/min)条件下，测试得到注入压差随时间的变化关系(见图4)。由图4可知，在相同条件下，割缝缝长大于15 mm时，割缝缝长对暂堵剂的通过性影响很小，可忽略不计。

图4 不同缝长下注入压差随时间的变化图Fig.4 Variation of injection pressure over time under different slot lengths

2.1.2 缝宽对不同配方暂堵剂通过性的影响

该室内试验不同暂堵剂配方通过割缝的速率统一设定为55 m/min，对应排量400 L/h。选取割缝过滤件缝宽分别为1.5、2.0、2.5、3.0和4.0 mm，缝长均为20 mm，采用错位布缝形式，过滤件有4条缝(见图5)。

图5 割缝过滤单元件实物图Fig.5 Physical picture of slotted filtersingle element

选择质量分数为1%的0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂与不同质量分数的5～6 mm纤维暂堵剂进行组合，测试得到各暂堵剂配方通过不同缝宽过滤件的压差(见图6)。

图6 不同配方暂堵剂通过不同缝宽过滤件压差对比图Fig.6 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with different slot widths

从图6可以看出：在相同的割缝缝宽下，所需压差随纤维质量分数的增加而逐渐增大；当纤维质量分数大于0.5%时，2.5与3.0 mm缝宽所需的压差降低幅度明显增大。在纤维质量分数≤3%、颗粒暂堵剂质量分数≤1%时，当缝宽达到3.0 mm以上，纤维暂堵剂与颗粒暂堵剂所形成的空间网络结构对通过性影响显著降低。产生此现象的原因可能是缝宽超过纤维暂堵剂长度(5～6 mm)的50%以后，其架桥作用显著减弱，外力作用下纤维网络结构较易被破坏，暂堵剂通过性明显提高。

2.1.3 不同规格暂堵剂配方的通过性评价

该试验保持注入排量为400 L/h，选择3和4 mm缝宽，在其他条件相同时，试验得到不同暂堵剂配方通过3、4 mm缝宽过滤件的压差(见图7)。

图7 不同配方暂堵剂通过3、4 mm缝宽过滤件压差对比图Fig.7 Comparison of pressure difference of different temporary blocking agents pass through filter pieces with a slot width of 3 mm and 4 mm

从图7可以看出：在纤维暂堵剂质量分数大于1%时，粒径0.80～1.20 mm颗粒暂堵剂比粒径0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂所需注入压差增大了2.0～3.6倍；随着暂堵剂质量分数增大，所需的注入压差也逐渐增大，其中0.80～1.20 mm颗粒暂堵剂通过3 mm缝宽的压差由3.2 MPa增大到4.2 MPa、增幅为31.3%，通过4 mm缝宽的压差由2.6 MPa增大到3.6 MPa、增幅为38.5%。结果表明，暂堵剂的粒径越大，纤维质量分数越高，其通过割缝过滤件所需的压差越大，通过性越差，因此优先选用0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂配方方案。

2.2 地面试验

根据室内试验结果，当缝宽大于3 mm，暂堵剂通过性显著增强。由于没有可参照的标准及案例，故将3 mm作为该暂堵剂方案下的通过性临界缝宽，以此通过地面试验加以验证。在地面测试了3种规格筛管，缝宽分别为2、3和4 mm，3种筛管其他参数为：缝长200 mm，外径88.9 mm，内径75.9 mm，长度3 m，每圈割缝数6，缝间距100 mm，缝离筛管两端0.2 m。地面测试得到3种缝宽下不同暂堵剂配方通过割缝的泵压曲线，如图8所示。割缝筛管割缝堵塞情况如图9所示。地面试验结果与室内试验结果所呈现的规律较符合。

图8 暂堵剂通过性地面测试曲线Fig.8 Ground test curve of temporary blocking agent passability

图9 地面试验各缝宽割缝筛管割缝堵塞情况Fig.9 Slot blocking status of slotted pipe with different slot widths in ground test

2.2.1 缝宽2 mm试验

测试2 mm缝宽割缝管，排量0.9 m3/min，暂堵剂配方为质量分数1%的0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂和质量分数0.7%的纤维暂堵剂，测试压力由0.43 MPa突然上升至3.36 MPa，说明割缝管出现了明显的封堵；停泵后观察割缝管缝口暂堵剂堵塞严重，人力无法插入1.5 mm厚的硬质卡片。试验结果表明，2 mm割缝缝宽下暂堵剂通过性很差，不适合现场暂堵酸压使用。

2.2.2 缝宽3 mm试验

开始测试3 mm缝宽割缝管，排量为0.5 m3/min，暂堵剂配方为质量分数0.5%的0.25～0.85 mm颗粒暂堵剂和质量分数1%的纤维暂堵剂，测试压力平稳保持在0.76 MPa左右，未出现压力突变；提高排量至1.0 m3/min，增大纤维质量分数为1.5%，测试压力平稳保持在1.82 MPa左右，未出现压力突变；保持排量1.0 m3/min，更换为0.80～1.20 mm颗粒暂堵剂，测试压力仍平稳保持在1.8 MPa左右，未出现压力突变。停泵后割缝管缝口内侧无暂堵剂堵塞，表明在3 mm割缝缝宽下暂堵剂通过性优异，满足现场暂堵酸压的需求。

2.2.3 缝宽4 mm试验

开始测试4mm缝宽割缝管，排量0.5 m3/min，暂堵剂配方为质量分数0.5%的0.25～0.85 mm颗粒型和质量分数1%的纤维型，测试压力保持在0.9 MPa左右，未出现压力突变；提高排量至1.1 m3/min，增大纤维质量分数至1.5%，更换质量分数1%的0.80～1.20 mm颗粒暂堵剂，测试压力仍较平稳保持在1.9 MPa左右，未出现压力突变；停泵后割缝管缝口内部无暂堵剂堵塞，表明4 mm割缝缝宽下暂堵剂通过性优异，满足现场暂堵酸压的需求。

3 割缝筛管参数优选

3.1 割缝筛管阻塞系数计算模型

目前研究割缝表皮的学者较多[6，9-10]，由割缝堵塞产生的表皮系数模型表达式为[6]：

(1)

式中：m为割缝单元数，无因次；b为割缝的宽度，m；t1为缝内堵塞深度，m；δ为割缝的穿透比，δ=ls/lu；ls为割缝的长度，m；lu为割缝单元长度，m；K1为缝内堵塞物渗透率，μm2；K0为初始渗透率，μm2。

在相同的稳定流流量条件下，用达西定律衡量真实压降与理想压降关系的参数。将室内试验测得不含暂堵剂的混合液通过不同缝宽过滤件的压差作为理想压降Δp1。

定义压力损失系数c(真实压降与理想压降的比值)，用来修正不同纤维质量分数的暂堵剂在割缝里的阻塞深度。由室内试验可知，暂堵剂混合液通过割缝会发生阻塞，解堵可以施以不同压力，以获得一定流量的两端压差作为暂堵剂通过筛管的真实压降Δp，则有：

c=Δp/Δp1

(2)

用阻塞系数M来判断筛管堵塞难易程度，它是指在相同的稳定流流量情况下，用达西定律衡量真实压降与理想压降关系的参数。由此推导出割缝筛管阻塞系数：

(3)

阻塞系数M值越大，筛管发生堵塞可能性越大，暂堵剂通过性越差。

3.2 暂堵酸压参数优选结果

室内试验所用过滤件缝长ls=20 mm，割缝单元长lu=25 mm，割缝单元数m=4，割缝缝宽b分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5及4.0 mm。假设暂堵剂不含纤维时的堵塞深度为t=1 mm，本试验所用颗粒暂堵剂质量分数均不大于1%，堵塞割缝的主要是纤维暂堵剂，与割缝内的预堵塞物一致，则K1=K0。由式(3)计算得到割缝筛管的阻塞系数，形成暂堵酸压参数优选方案如图10所示。

图10 暂堵酸压参数优选方案Fig.10 Optimization scheme of temporary blocking acid fracturing parameters

阻塞系数为正值表示割缝发生堵塞，M=0表示未发生堵塞，阻塞系数越大，筛管堵塞程度越严重，暂堵剂通过性越差。由图10可以看出：割缝筛管阻塞系数随着缝宽增加而逐渐减小，纤维暂堵剂质量分数越大阻塞系数越大，但缝宽大于临界值3 mm时，不同纤维质量分数暂堵剂的阻塞系数变化趋于平衡，堵塞风险较小；根据割缝堵塞程度，阻塞系数存在一临界值6.1，阻塞系数大于6.1，割缝堵塞程度较严重，暂堵剂无法通过；阻塞系数小于6.1，暂堵剂通过性良好，对应的缝宽和暂堵剂质量分数可作为暂堵酸压的参数优选方案。

4 结 论

(1)针对酸化压裂中暂堵剂堵塞筛管割缝的问题，开展了割缝筛管不同暂堵剂配方通过性室内试验与地面验证试验，结果表明3 mm为顺北常用暂堵剂配方通过割缝筛管的临界缝宽值。

(2)建立了割缝筛管阻塞系数计算模型，以阻塞系数来区分不同暂堵剂配方通过割缝管的堵塞程度，当阻塞系数大于6.1，割缝堵塞程度较大，暂堵剂无法通过，阻塞系数小于6.1时，暂堵剂通过性良好。

(3)通过室内试验数据计算得到阻塞系数，形成了暂堵酸压参数优选方案，低于临界值所对应的缝宽和暂堵剂质量分数可作为暂堵酸压的参数优选方案。