壓裂暫堵劑及其適用范圍分析

肖沛瑤

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

作為改造儲(chǔ)層使新井投產(chǎn)老井穩(wěn)產(chǎn)、提升單井產(chǎn)能的主要措施，水力壓裂在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，然而隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，在初次水力壓裂作業(yè)形成的水力裂縫控制的泄油區(qū)內(nèi)原油采出程度較高，而在泄油區(qū)外仍然存在一定動(dòng)用程度較低的剩余儲(chǔ)量難以受到波及[1]，單井產(chǎn)量逐漸下降。

針對(duì)此類情況，通常進(jìn)行重復(fù)壓裂改造來(lái)提升單井產(chǎn)能。早期油田現(xiàn)場(chǎng)通常采用常規(guī)的同井同層重復(fù)壓裂技術(shù)，但該技術(shù)存在僅能重新張開(kāi)現(xiàn)有人工裂縫而無(wú)法形成新的人工裂縫；可部分恢復(fù)原有人工裂縫的導(dǎo)流能力但對(duì)注入水驅(qū)替體積及孔隙壓力分布形式產(chǎn)生的影響有限，增產(chǎn)效果可能較差等問(wèn)題。為經(jīng)濟(jì)有效地動(dòng)用這部分剩余儲(chǔ)量，盡可能提高單井產(chǎn)量，目前在現(xiàn)場(chǎng)普遍引入暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)。

暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù)的關(guān)鍵是造出新縫，而造出新縫最重要的就是選擇合適的暫堵劑，因此，壓裂暫堵劑是暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂施工技術(shù)的關(guān)鍵之一，優(yōu)選出針對(duì)低滲透油田堵老縫壓新縫的壓裂暫堵劑對(duì)確保能夠有效地暫堵老縫開(kāi)啟新縫，增強(qiáng)增油效果具有積極作用。

1 壓裂暫堵劑及其分類

壓裂暫堵劑是用來(lái)暫堵老裂縫的材料。施工過(guò)程中，按計(jì)劃加入的壓裂暫堵劑和支撐劑由壓裂液攜帶被泵入地層后，兩者按一定比例選擇性進(jìn)入高滲透層、原有人工裂縫或連通的炮眼，在地層內(nèi)某處形成橋堵，使處于井筒和堵塞帶之間的裂縫體積內(nèi)裂縫凈壓力急劇升高，當(dāng)此壓力高過(guò)微裂縫開(kāi)啟壓力或新縫破裂壓力時(shí)裂縫將在水平兩向應(yīng)力差條件下二次破裂，繼而改變裂縫起裂方位以開(kāi)啟微裂縫或新縫，之后進(jìn)入的壓裂液將延伸和擴(kuò)展微裂縫或新縫為新的支裂縫[2，3]。

壓裂用暫堵劑和鉆井、修井用暫堵劑及堵水調(diào)剖、酸化用暫堵劑同屬于暫堵劑眾多類型中的一種，但相較于這些暫堵劑，壓裂用暫堵劑的封堵效果更好，承壓能力更強(qiáng)，同時(shí)其暫堵時(shí)間更加可控，對(duì)地層的傷害也相對(duì)較小[4]。

根據(jù)暫堵材料的不同，可將油田壓裂用暫堵劑分為惰性固體類暫堵劑（如硅粉、巖鹽、封堵小球、碳酸鈣粉、油溶性樹(shù)脂等）、惰性有機(jī)樹(shù)脂類暫堵劑及遇酸溶脹聚合物類暫堵劑等；根據(jù)使用形態(tài)的不同，可將壓裂用暫堵劑分為顆粒型暫堵劑（如苯甲酸片、瀝青等）、凍膠型暫堵劑、纖維型暫堵劑和泡沫型暫堵劑等[4]；此外，也可以以壓裂施工結(jié)束后需要恢復(fù)地層滲透率時(shí)壓裂暫堵劑的解堵方式為依據(jù)，將其分為酸溶性壓裂暫堵劑、油溶性壓裂暫堵劑（如油溶性樹(shù)脂等）和水溶性壓裂暫堵劑（如苯甲酸等）[5]，這是一種在目前較為主流的分類方式，本文選擇以此分類方式為依據(jù)，綜合分析其中不同種類壓裂暫堵劑的性能特點(diǎn)及其適用范圍。

2 壓裂暫堵劑研究進(jìn)展及綜合分析

2.1 酸溶性壓裂暫堵劑

酸溶性壓裂暫堵劑通常采用碳酸鈣、陶粒等鈣等無(wú)機(jī)類粉末作為暫堵材料[4，6]，如閆治濤[7]研制了一種具備良好分散、懸浮及沉降特性的新型高效碳酸鈣暫堵劑，能夠滿足在中淺層通過(guò)重復(fù)壓裂改造控制裂縫轉(zhuǎn)向造出新縫的需要。酸溶性壓裂暫堵劑雖然具有生產(chǎn)成本較低、耐溫性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也主要存在著酸敏性地層不適用、由于只能在孔喉或裂縫部位架橋封堵而導(dǎo)致封堵效果較差、由于形成的濾餅強(qiáng)度不高而導(dǎo)致無(wú)法形成較大壓差阻力、由于施工時(shí)普遍選用的呈堿性的壓裂液而導(dǎo)致壓裂施工結(jié)束后難以依靠自身返排出地層，還需對(duì)其進(jìn)行專門的酸化解堵等諸多不足。

受限于上述性能上的缺陷，酸溶性壓裂暫堵劑在單純的轉(zhuǎn)向壓裂中很少使用，但該類暫堵劑可在酸化壓裂改造中利用返排的殘酸解堵，所以仍有應(yīng)用，特別是在需要進(jìn)行酸壓改造的高溫油氣層[4]，如張軍等[8]通過(guò)對(duì)原有專利產(chǎn)品進(jìn)行研究及改進(jìn)，研制了一類針對(duì)裂縫性油氣儲(chǔ)層的油氣儲(chǔ)層裂縫暫堵劑，其主要組成包括超細(xì)碳酸鈣、植物纖維和氧化瀝青。暫堵結(jié)束后該類壓裂暫堵劑可通過(guò)射孔和酸化使其解堵，返排性能出色，壓力返排率和酸化返排率可達(dá)80%以上，有效彌補(bǔ)了原有暫堵劑在壓裂、酸化后自行解堵困難這一缺陷。

2.2 油溶性壓裂暫堵劑

油溶性壓裂暫堵劑主要是溶于油的壓裂暫堵劑，可選擇的材料有樹(shù)脂、石蠟、瀝青等[4]。

油溶性樹(shù)脂一般通過(guò)使用高分子聚合物溶液等類型的懸浮劑，用以在地層中形成懸浮顆粒。該類暫堵劑具有良好的黏性和熱塑性，注入地下后，可以利用一定的孔隙直徑與顆粒粒徑的比值使暫堵劑在老裂縫中形成有效的封堵，在老裂縫中形成段塞之后便可在舊的裂縫面上重新壓開(kāi)新的裂縫，因此常選擇油溶性樹(shù)脂作為油溶性壓裂暫堵劑的主要原料。目前，在現(xiàn)場(chǎng)使用較為普遍的油溶性樹(shù)脂類壓裂暫堵劑主要是具有較高熔點(diǎn)的樹(shù)脂類產(chǎn)品，如油溶性樹(shù)脂、松香及其改性物等[9]。如王盛鵬等[10]研制的球狀顆粒暫堵劑ZD-150、霍維晶等[11]合成的軟化點(diǎn)不同的油溶性暫堵劑OBZD-1和OBZD-2、宋振云等[12]研制的油水井重復(fù)壓裂的油溶性暫堵劑，均是為滿足現(xiàn)場(chǎng)不同需要而研制出的油溶性樹(shù)脂類壓裂暫堵劑產(chǎn)品，其耐溫能力強(qiáng)；由于樹(shù)脂類材料強(qiáng)度大，其承壓強(qiáng)度較高，能較好地封堵滲透性巖心；同時(shí)，該類壓裂暫堵劑易被油層油流溶解、攜帶、返排，使油相滲透率逐漸恢復(fù)，對(duì)地層傷害小。目前各油田針對(duì)高含水油井研制開(kāi)發(fā)的油溶性壓裂暫堵劑品種較多但成本普遍偏高，普通松香具有一定的油溶性和變形能力且我國(guó)盛產(chǎn)松香而成為油溶性壓裂暫堵劑的首選原料[13]。但其軟化點(diǎn)較低而無(wú)法封堵高滲層或裂縫，在油田的應(yīng)用受到限制。而以普通松香為原料，經(jīng)過(guò)一系列處理制取得到改性松香油溶性壓裂暫堵劑既保留了普通松香的形變能力和油溶性等化學(xué)性質(zhì)又進(jìn)一步提高了油溶率且軟化點(diǎn)范圍可調(diào)，可滿足更多對(duì)性能上的要求，適用范圍得到擴(kuò)展，如趙慶波等[13]利用加入其他官能團(tuán)的方法來(lái)增強(qiáng)作為原料的天然高分子松香的油溶性、調(diào)節(jié)其軟化點(diǎn)范圍，最終合成了一種油溶性、暫堵強(qiáng)度等綜合性能良好的改性松香油溶性暫堵劑。

石蠟作為另一種油溶性暫堵材料因油溶性能出色也在現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用，特別是將其和重晶石、高壓聚乙烯等材料混合，制備成蠟球狀的壓裂暫堵劑。壓裂結(jié)束后蠟球暫堵劑依靠地層溫度軟化，逐漸失去對(duì)地層的封堵能力。如姜必武等[14]以石蠟、松香、瀝青等材料為基本原料合成了具有熱塑性的蠟球粒子暫堵劑，可較好地溶解在原油中的同時(shí)可與原油較好配伍，不會(huì)因溫度變化而導(dǎo)致物質(zhì)析出、結(jié)塊等，有助于保障泄油通道暢通。雖然蠟球暫堵劑具有其他類型暫堵劑無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，如因粒度小而得以進(jìn)人射孔孔眼內(nèi)部甚至井底附近地帶實(shí)現(xiàn)封堵，但其主要原料石蠟也具有諸如軟化點(diǎn)低、封堵效果較差、對(duì)于施工壓力和地層溫度較高的儲(chǔ)層不再適用等缺陷，因此這也在一定程度上導(dǎo)致了蠟球暫堵劑強(qiáng)度低、用量大、地層傷害大、適用性差。同時(shí)，蠟球暫堵劑的破碎性高，封堵效率低。

此外，在暫堵材料的選擇上，也有選擇軟瀝青、黏稠樹(shù)脂的，其作用原理類似于油溶性樹(shù)脂，強(qiáng)度不高但能較好地實(shí)現(xiàn)和地層孔隙匹配[15]。

油溶性壓裂暫堵劑適用的溫度范圍較廣，封堵性能良好，解堵方便，地層傷害小。此外，與水溶性壓裂暫堵劑相比，油溶性壓裂暫堵劑具有明顯的選擇性，且其作用可逆[16]，可在一定程度上保護(hù)油井結(jié)構(gòu)，有助于后續(xù)持續(xù)開(kāi)采。然而油溶性壓裂暫堵劑成本較高，且難溶于水，在目前多數(shù)油井已處于高含水階段的情況下壓裂完成后不易返排，容易對(duì)地層造成污染，這在一定程度上會(huì)制約其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

油溶性壓裂暫堵劑目前在使用上更適用于油井[17-19]而不太適用于高含水油井及注水井[20]，壓裂施工結(jié)束后可在無(wú)需要加入其他助劑的情況下溶解于儲(chǔ)層流體中返排出地層，不會(huì)對(duì)地層造成污染[21]，對(duì)于高含水油井及注水井，裂縫封堵效果下降，解除堵塞時(shí)間較長(zhǎng)，返排速度較慢。

2.3 水溶性壓裂暫堵劑

水溶性壓裂暫堵劑主要指水溶性聚合物凍膠類產(chǎn)品，其在水中可溶且溶解之后具有良好的增黏性，暫堵結(jié)束后能直接溶解或經(jīng)破膠劑破膠后可溶解在水基壓裂液或返排液中排出地層。

水溶性壓裂暫堵劑主要分交聯(lián)類水溶性壓裂暫堵劑和非交聯(lián)類水溶性壓裂暫堵劑。如賴南君等[22]以淀粉、丙烯酸及丙烯酰胺為原料，結(jié)合交聯(lián)劑（帶有不飽和雙鍵的有機(jī)物DJ-1）和引發(fā)劑（過(guò)硫酸銨、亞硫酸氫鈉）研制的水溶性壓裂暫堵劑、趙志強(qiáng)等[24]開(kāi)發(fā)的地下成膠凝膠暫堵劑HFriGel交聯(lián)類水溶性壓裂暫堵劑以及劉少克[23]利用骨膠、交聯(lián)劑（WEQ）及增稠劑等材料制備的水溶性壓裂暫堵劑，均為交聯(lián)類水溶性壓裂暫堵劑，可通過(guò)交聯(lián)成膠來(lái)提高自身強(qiáng)度以達(dá)到實(shí)現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向所需強(qiáng)度要求[4]。非交聯(lián)類水溶性暫堵劑主要分為由植物膠、改性淀粉復(fù)配的產(chǎn)物和骨膠粉改性的暫堵劑這兩類。前者主要起暫堵作用的是植物淀粉，其溶解快，但抗溫能力不足，無(wú)法在溫度較高的井內(nèi)使用，不能有效封堵較小的孔隙和裂縫，同時(shí)溶解過(guò)快造成承壓能力下降，也影響了暫堵劑的暫堵轉(zhuǎn)向效果，后者生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜且生產(chǎn)過(guò)程存在一定風(fēng)險(xiǎn)，合成出的產(chǎn)品非均質(zhì)，產(chǎn)物波動(dòng)性大。

水溶性壓裂暫堵劑線性大分子鏈上的極性基團(tuán)能夠與一些多價(jià)金屬離子及有機(jī)基團(tuán)（交聯(lián)劑）反應(yīng)得到交聯(lián)產(chǎn)物凍膠，使壓裂暫堵劑在失去水溶性及流動(dòng)性的同時(shí)，其粘附性能得到很大改善，表現(xiàn)出較好的黏彈性，封堵強(qiáng)度較高[2]。

此外，水溶性壓裂暫堵劑親水性、分散性及穩(wěn)定性良好，和壓裂液較好配伍。壓裂改造結(jié)束后溶于水基流體并由其攜帶返出地層不會(huì)對(duì)地層造成傷害，同時(shí)也不會(huì)污染環(huán)境，符合我國(guó)建設(shè)綠色油田的環(huán)保理念。

與前兩種壓裂暫堵劑相比，水溶性壓裂暫堵材料更適合我國(guó)老油田開(kāi)發(fā)后期的高含水特征，對(duì)于高含水油井和注水井普遍適用[25，26]。如在吉林油田，隨著為提高采收率對(duì)油田進(jìn)行的注水開(kāi)發(fā)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行，油田內(nèi)大部分主力區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入含水可達(dá)70%以上的中高含水期。針對(duì)高含水重復(fù)壓裂井，通過(guò)大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和材料研究研制了新型水溶性高強(qiáng)度暫堵劑，其封堵強(qiáng)度較高，封堵效果好，且在水溶液中溶解性能好、溶解速度快，施工結(jié)束后解堵迅速，不污染地層，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果出色[27]。

3 結(jié)論及建議

（1）相較于需要酸化解堵且地層傷害大的酸溶性壓裂暫堵劑和只能應(yīng)用于油井壓裂施工中的油溶性壓裂暫堵劑，同時(shí)基于國(guó)內(nèi)外通常采用水基壓裂液進(jìn)行壓裂改造[28]，水溶性壓裂暫堵劑相較于酸溶性壓裂暫堵劑和油溶性壓裂暫堵劑水溶性更好，施工結(jié)束后可通過(guò)水溶降解由壓裂返排液攜帶返出地面，對(duì)裂縫壁面及支撐劑充填層造成的傷害較小，滿足清潔壓裂要求；我國(guó)多數(shù)油田目前已進(jìn)入含水率較高的中、高含水階段，水溶性壓裂暫堵材料相較于酸溶性壓裂暫堵材料和油溶性壓裂暫堵材料能更好地應(yīng)對(duì)高含水的特征；為降低重復(fù)壓裂改造高含水老井時(shí)壓裂液對(duì)油層的污染，目前普遍采取快速返排破膠液技術(shù)這三點(diǎn)現(xiàn)狀，水溶性壓裂暫堵劑的研究和應(yīng)用更加符合主流發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)還應(yīng)主要圍繞水溶性來(lái)研發(fā)合適的壓裂暫堵材料。其中，具有環(huán)境友好、地層傷害小這一特點(diǎn)的可降解壓裂暫堵劑，得益于油氣層保護(hù)在我國(guó)受到普遍重視及綠色化學(xué)品產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)步，已得到越來(lái)越多的關(guān)注，是壓裂暫堵劑在未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（2）在油田壓裂用暫堵劑未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，廣大研究者還需注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

①要加大對(duì)油田壓裂用暫堵劑包括暫堵機(jī)理、解堵機(jī)理在內(nèi)的作用機(jī)理方面的理論研究，為進(jìn)一步研發(fā)、應(yīng)用壓裂暫堵劑提供理論基礎(chǔ)。

②隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在我國(guó)逐步深入，各油田目前已開(kāi)始采取多種措施以實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)零污染，具有環(huán)境友好特征的新型壓裂暫堵劑應(yīng)成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)，在未來(lái)要加強(qiáng)對(duì)復(fù)合型水溶性壓裂暫堵劑的研發(fā)。

③應(yīng)努力提高壓裂暫堵劑的“性價(jià)比”，在做到暫堵材料來(lái)源廣、價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)成本降低的同時(shí)改善暫堵劑的性能，豐富暫堵劑的功能，使其可以應(yīng)用于更多類型的儲(chǔ)層。