四川盆地頁巖氣儲層暫堵轉向壓裂技術進展及發(fā)展建議

郭建春，趙 峰，詹 立，張 航，曾 杰

（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川成都 610500）

四川盆地及其周緣地區(qū)是我國頁巖氣的主要產區(qū)，其頁巖氣勘探開發(fā)技術水平始終處于國內前沿。水平井分段多簇壓裂技術作為該區(qū)域頁巖氣高效開發(fā)的重要手段，因頻繁出現(xiàn)井筒內套管變形、面臨工具入井困難、無法實施電纜傳輸分簇射孔和下入橋塞等問題，極大地降低了壓裂施工效率[1–2]。同時，由于地層非均質性、射孔孔眼流量分配不均勻等的影響，壓裂施工還面臨一次改造射孔簇開啟不充分、各簇裂縫難以同步均勻擴展和水平井段改造不完全等關鍵工程問題[3–5]。此外，當改造段天然裂縫發(fā)育時，單裂縫過度延伸，還會增加井間壓竄風險，影響單井產量[6–7]。對于川南深層頁巖氣藏，天然裂縫總體欠發(fā)育，水平應力差值大，壓后易形成雙翼縫，裂縫復雜程度低，改造體積小[8–9]。

暫堵轉向壓裂技術是解決上述工程問題的重要手段之一，通過泵送可降解暫堵劑封堵先壓裂裂縫，使注入流體轉向，在水平井段開啟新裂縫或在壓裂裂縫縫口與封堵層間產生分支縫[10]。四川盆地頁巖氣開發(fā)過程中，該技術逐漸演化為以下2 種：1）縫口暫堵轉向壓裂技術[11]（見圖1），通常指采用暫堵劑或暫堵球封堵先壓裂縫的入口或射孔孔眼，迫使后續(xù)注入流體轉向，開啟暫堵縫間未開啟的射孔簇，保證各簇水力裂縫有效延伸，實現(xiàn)“暫堵勻擴”，最終達到水平井段充分改造的目的；2）縫端暫堵轉向壓裂技術[12]（見圖2），通常指采用攜帶液將暫堵劑運移至裂縫端部形成封堵層，從而減小優(yōu)勢裂縫過度生長，防止井間壓竄，同時增大封堵層與裂縫入口間流體凈壓力，實現(xiàn)開啟新縫、提高裂縫復雜程度的目的。目前，暫堵壓裂技術已在四川盆地長寧、威遠和昭通等區(qū)塊開展了現(xiàn)場應用，其改造效果顯著優(yōu)于同區(qū)域采用常規(guī)壓裂技術的頁巖氣井[13–17]。但由于暫堵劑材料本身復雜多樣，以及對暫堵材料縫內運移、封堵、承壓失穩(wěn)機理的研究不夠深入等，目前施工現(xiàn)場對暫堵材料加入?yún)?shù)的選擇還主要停留在現(xiàn)場經(jīng)驗層面，缺乏理論依據(jù)。此外，隨著頁巖氣開發(fā)向深部進軍，高溫、高壓等復雜工況和高應力、天然裂縫等復雜地質條件對暫堵工藝和暫堵材料提出了更高要求。

圖1 縫口暫堵轉向壓裂技術原理示意Fig. 1 Principle of near-wellbore temporary plugging and diverting fracturing technology

圖2 縫端暫堵轉向壓裂技術原理示意Fig. 2 Principle of far-field temporary plugging and diverting fracturing technology

基于上述情況，為了給暫堵轉向壓裂技術的發(fā)展提供借鑒、指導，筆者首先介紹了四川盆地及其周緣地區(qū)頁巖儲層特征和開發(fā)概況，回顧了該區(qū)域暫堵轉向壓裂技術的應用歷程；然后從暫堵材料、暫堵機理、暫堵裂縫轉向機理、暫堵工藝和應用效果等方面總結了暫堵轉向壓裂技術的主要進展，對比了國內外該技術的應用情況；最后針對該技術目前存在的局限和面臨的挑戰(zhàn)，提出了發(fā)展建議。

1 儲層特征及暫堵轉向壓裂應用歷程

1.1 儲層特征和勘探開發(fā)概況

四川盆地及其周緣地區(qū)頁巖氣儲量豐富，發(fā)育了海相、海陸過渡相和陸相等3 類富有機質頁巖，廣泛分布6 套厚度大、有機碳含量高和成熟度高的頁巖氣富集層系，頁巖氣地質資源量和可采資源量分別為57.27×1012和9.16×1012m3[18–20]。四川盆地6 套頁巖儲層的特征如表1 所示，自下而上富有機質頁巖層系分別為陡山沱組、筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組、龍?zhí)督M、須家河組和自流井組。其中，筇竹寺組和五峰組—龍馬溪組有機碳含量（TOC）高的頁巖厚度最大，在盆地南部、東北部TOC 大于2%的頁巖厚度分別為60～150 m 和80～120 m[18]。

表1 四川盆地6 套頁巖儲層的特征[18–19]Table 1 Table of six sets of shale reservoir characteristics in the Sichuan Basin[18–19]

四川盆地及其周緣地區(qū)經(jīng)過10 余年的頁巖氣勘探開發(fā)，在埋深3500 m 以淺的中淺層已經(jīng)建成涪陵、長寧—威遠和昭通等3 個國家級頁巖氣示范區(qū)，成功實現(xiàn)頁巖氣規(guī)?；?、商業(yè)化開發(fā)，川南地區(qū)埋深3500～4500 m 的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組深層海相頁巖分布穩(wěn)定，頁巖氣地質資源量達6.6×1012m3，具備良好的開發(fā)前景[21–22]。四川省統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021 年全省頁巖氣產量為143.4×108m3，居全國首位。四川盆地中淺層頁巖氣是我國頁巖氣產業(yè)發(fā)展的“壓艙石”，而深層頁巖氣則是未來頁巖氣實現(xiàn)上產的主力軍[22]。

1.2 暫堵轉向壓裂技術應用歷程

暫堵轉向壓裂技術適用性廣，可用于直井和水平井的水力壓裂和酸化壓裂[23–25]。該技術在新井壓裂和老井重復壓裂施工中均有應用[26]?？p口暫堵轉向壓裂和縫端暫堵轉向壓裂技術可在直井壓裂和水平井分段壓裂中應用，對于直井，還可進行縱向分層分段暫堵轉向壓裂[10]。

四川盆地及其周緣地區(qū)近年才開始大規(guī)模應用暫堵轉向壓裂技術開發(fā)頁巖氣。該區(qū)塊頁巖氣開發(fā)經(jīng)歷了直井壓裂、常規(guī)水平井分段多簇壓裂[27]、“工廠化”壓裂模式（拉鏈式壓裂、循環(huán)拉鏈式壓裂、同步式壓裂）[28]和“密切割分段分簇+高強度加砂+暫堵轉向（多級）壓裂”[29]等發(fā)展階段。2010 年，在四川省威遠縣新場鎮(zhèn)實施了中國石油首次頁巖氣直井壓裂（威 201 井）[27]。2011 年，中國石油完成了我國第一口頁巖氣水平井——威201-H1 井的11 段壓裂施工[30]。2014 年，我國首次頁巖氣四井同步拉鏈式壓裂于四川宜賓順利進行，是當時世界上最先進的頁巖氣“工廠化”壓裂作業(yè)[31]。2014—2016 年，國內油田通過借鑒國外先進壓裂技術和自主創(chuàng)新，逐漸形成了頁巖氣壓裂工藝1.0 版[32]。但隨著頁巖氣勘探開發(fā)挺進儲層地質條件更加復雜的區(qū)塊，壓裂施工受高地應力和天然裂縫的影響，加之水平段長度增加，施工參數(shù)（級數(shù)、液量、砂量和排量等）變化，到2018 年頁巖氣壓裂工藝1.0 版逐漸顯得“動力不足”，導致儲層改造不充分，測試產量高低不均。經(jīng)過2 年多的現(xiàn)場試驗，該區(qū)域逐漸形成“密切割分段分簇+高強度加砂+暫堵轉向+石英砂替代陶?！钡男乱淮鷫毫压に嚕错搸r氣壓裂工藝2.0 版[32]。

暫堵轉向壓裂技術隨著四川盆地頁巖氣壓裂工藝升級逐漸被廣泛應用。下面以四川盆地威遠地區(qū)中淺層頁巖氣儲層的壓裂改造工藝為例，分析說明四川盆地暫堵轉向壓裂技術的應用歷程。頁巖氣壓裂工藝1.0 版（2014—2019 年）具有“短段、少簇、長間距”的分段分簇特征，主體單段長60～70 m，單段射孔3～5 簇，簇間距15～25 m，且很少涉及暫堵轉向壓裂技術；頁巖氣壓裂工藝2.0 版（2020—2022 年）具有“長段、多簇、短間距”的分段分簇特征，主體單段長90～130 m，單段射孔12～18 簇，簇間距4～7 m，同時開始大規(guī)模使用暫堵轉向壓裂技術（見表2）。以上分析可知：是否采用大規(guī)模暫堵轉向壓裂技術，是區(qū)分1.0 版和2.0 版的重要標志。

表2 頁巖氣壓裂改造工藝參數(shù)變化特征Table 2 Variation characteristics of parameters for shalegas fracturing stimulation process

1）頁巖氣壓裂工藝1.0 版（2014—2019 年）。由于施工排量、液量過大，導致水力壓裂過程中近井筒附近的天然裂縫被激活，發(fā)生剪切滑移錯位，這是導致水平井筒發(fā)生套變的主要原因[33–35]。套變導致橋塞無法下至預定位置進行分段改造，使得單井丟段數(shù)增加，壓裂改造效果受限。在此背景下，暫堵轉向壓裂技術主要有2 種應用場景：①應用于發(fā)生套變高風險段，采用暫堵劑封堵近井筒附近的大裂縫，使進入大裂縫的流體減少，降低壓裂過程中大裂縫發(fā)生剪切滑移錯位的概率，減小井筒套變發(fā)生的概率[36]；②應用于套變合壓段，采用暫堵劑代替橋塞進行分段，即采用暫堵劑封堵套變合壓段中已開啟的水力裂縫入口，迫使流體轉向開啟新裂縫，從而實現(xiàn)套變合壓段充分改造[36–40]。

2）頁巖氣壓裂工藝2.0 版（2020—2022 年）。由表2 可知，頁巖氣壓裂工藝2.0 版的水平井單段改造段長增加，段內射孔簇數(shù)增加，簇間距減小。由此也引發(fā)一系列工程問題：①受射孔孔眼進液不均勻以及地層非均質性等的影響，射孔簇開啟不完全，單段改造不充分；②儲層天然裂縫較發(fā)育時，已開啟簇水力裂縫過度延伸，導致井間壓竄風險增加。因此，該階段大規(guī)模應用暫堵轉向壓裂技術主要包括以下2 種情形：①應用于所有壓裂改造井段，采用暫堵劑封堵已開啟水力裂縫的入口或射孔簇孔眼，從而迫使流體轉向開啟新裂縫，最終實現(xiàn)段內充分改造的目的；②應用于井間壓竄發(fā)生高風險段（天然裂縫發(fā)育段），采用暫堵劑封堵水力裂縫端部，防止裂縫過度延伸，降低井間壓竄風險。

此外，隨著四川盆地頁巖氣開發(fā)向深層頁巖氣藏進軍，壓裂施工面臨地應力高、塑性強、天然裂縫分布復雜且總體欠發(fā)育、水平兩向應力差值大等挑戰(zhàn)，造成常規(guī)壓裂施工時水力裂縫起裂延伸困難、有效改造體積偏小、裂縫復雜程度低和導流能力低，需要通過暫堵轉向壓裂提高裂縫水平橫向覆蓋率和裂縫復雜性[8,20]。目前，深層頁巖氣開發(fā)在暫堵轉向壓裂理論認識與工藝、技術創(chuàng)新上依然任重道遠。

2 暫堵轉向壓裂關鍵技術進展

通過廣泛調研國內外文獻，從暫堵材料、暫堵機理、暫堵裂縫轉向機理、暫堵工藝和應用效果等方面總結了暫堵轉向壓裂關鍵技術的主要進展。暫堵材料在堵水、壓裂酸化、鉆井、完井和修井作業(yè)中均有應用，但在水力壓裂中應用最為廣泛，是目前的研究熱點[41]。暫堵材料的性能參數(shù)決定了暫堵效果，而對暫堵機理的清晰認識對暫堵工藝參數(shù)優(yōu)化設計至關重要。

2.1 暫堵材料

暫堵材料分類有多種，根據(jù)其原料，可分為惰性有機樹脂、惰性固體、固體有機酸和遇酸溶脹的聚合物等[41]；根據(jù)其表觀形態(tài)，又可分為暫堵球和暫堵劑，其中暫堵劑可細分為液體凝膠類、顆粒類、泡沫類和纖維類[42]。頁巖氣藏暫堵最常用的材料包括暫堵球和顆粒暫堵劑（見圖3）。其中，暫堵球主要用于縫口暫堵，其封堵對象是井筒的中射孔孔眼，其直徑與射孔孔眼直徑處于同一級別；暫堵劑可用于縫口暫堵和縫內暫堵，其封堵對象主要是人工裂縫。由于頁巖氣藏中暫堵工藝的發(fā)展時間較短，針對頁巖氣藏暫堵特征的研究較少，故本文主要總結其他領域與頁巖氣藏暫堵物理過程相似的研究。

圖3 暫堵材料Fig. 3 Temporary plugging material

暫堵球最初主要用難降解的材料制作，例如塑料、橡膠等。但這類材料在完成轉向后難以降解，會對地層造成損害，因此逐漸被淘汰。目前最常用的暫堵球由可溶合金、樹脂、PLA、PVAc 等可降解性材料制成。暫堵球最主要的性能是其力學性能和溶解性能，力學性能要保證暫堵球在高壓下不變形失效，能夠有效封堵；溶解性能則要保證其能夠有效降解。暫堵球周圍的工作液主要是滑溜水，因此需要其能夠在該環(huán)境中直接降解成小分子物質，并隨著返排液直接排出。目前針對新材料暫堵球的研發(fā)，國內外文獻報道較少，大部分為專利。杜林麟等人[43]以碳化硼、聚丙烯酰胺、4,4-二氨基二苯酰胺、聚乙烯蠟、熱塑性聚合物、苯并三唑及田菁膠為原料，制備了一種高強度可降解的頁巖用壓裂暫堵球。金智榮等人[44]優(yōu)選合成了樹脂類暫堵球，能夠在45 ℃下承受30 MPa 的壓差4 h，當壓裂完成后能夠快速溶解。雷煒[45]通過在鎂合金中加入Fe 金屬和X 金屬，制作得到可溶合金材料，其抗壓強度達90 MPa，在60 ℃的3%KCl 溶液中溶解速度為1.73 g/h。宋世偉[46]利用丙烯酸、丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、殼聚糖等材料制作得到的可降解暫堵球，具有優(yōu)良的降解承壓性能。對于深層頁巖氣藏，如威榮深層頁巖氣田，地層溫度在127.4～135.0 ℃[47]，對暫堵球性能要求更高。劉多容等人[48]發(fā)明了一種抗壓強度高、可溶性好、彈性變形能力強和對尺寸不規(guī)則炮眼封堵性能優(yōu)異的暫堵球，且對水質無要求，能在30～130 ℃的溫度環(huán)境下溶解/降解，無殘渣，溶解/降解時間在6 h～40 d 范圍內可調。目前研發(fā)的暫堵球基本能夠滿足當前頁巖氣開發(fā)的需要。

暫堵劑根據(jù)形態(tài)可分為顆粒、纖維、泡沫和液體凝膠4 種。纖維和凝膠主要用于酸壓暫堵和調剖堵水，而泡沫暫堵劑則主要用于驅油、調剖和酸化作業(yè)[42]。顆粒暫堵劑是當前頁巖氣藏暫堵轉向中使用最廣泛的暫堵劑，根據(jù)性能可以劃分為油溶性、水溶性和酸溶性等3 種。暫堵劑的工作環(huán)境與暫堵球相同，主要是在滑溜水中，因此水溶性顆粒暫堵劑在頁巖氣藏暫堵中使用最廣泛。覃孝平等人[49]以丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）等材料得到了AAAM-NVP-NGD 四元共聚物暫堵劑。D.Zhu 等人[50]利用AM、AMPS 等單體聚合，得到了一種可降解預成型顆粒，該種顆粒注入地層后遇水能夠膨脹，具有良好的變形能力，適用于不同尺寸的裂縫。許偉星等人[51]將2 種自降解材料復配，得到一種配方為60% PA+40% YG-1 的自降解綠色水溶性暫堵劑，該暫堵劑降解后僅含葡萄糖和乙醇酸，對儲層和環(huán)境均無傷害。曾斌等人[52]以聚丙烯酸鈉、植物膠、松香酸鈉、聚磷酸銨和聚乙二醇為原料，發(fā)明了一種適用于頁巖氣藏壓裂、能克服高應力差的暫堵劑，其降解率可達100%，抗壓強度可達80 MPa，且耐溫能力強，最高使用溫度達180 ℃。此外，還研發(fā)出由可溶解高強度聚合物制成的繩結狀暫堵材料，用于封堵不規(guī)則射孔孔眼，如Any-Plug 繩結暫堵劑[53]，適用于地層溫度60～200 ℃的油氣井，降解時間在12 h～4 d 可調。同樣，目前研發(fā)的顆粒暫堵劑基本能夠滿足當前頁巖氣開發(fā)的需要。

2.2 暫堵轉向壓裂機理

2.2.1 暫堵球坐封機理

暫堵球主要利用射孔孔眼打開程度不同導致的進液量差異實現(xiàn)對改造充分的射孔簇封堵，通過滑溜水將暫堵球泵入井筒，暫堵球封堵射孔孔眼導致壓力升高，打開未壓開的儲層。暫堵球的封堵效率是最被關注的問題。目前常用的研究手段主要有3 種（見圖4）：1）根據(jù)暫堵球在流體中的受力狀態(tài)建立相應的運動方程，對得到的解析公式進行求解；2）利用計算流體力學–離散元方法（CFD-DEM）耦合滑溜水與暫堵球運動特征，建立暫堵球運移–封堵模型；3）通過可視化和承壓試驗研究暫堵球的封堵規(guī)律。

圖4 暫堵球坐封機理研究方法Fig. 4 Research method for setting mechanism of temporary plugging balls

R.W.Brown 等人[54]首先提出影響暫堵球封堵的理論模型，分析暫堵球在井筒中受到的慣性力、拖曳力和附著力等，研究影響封堵效率的因素，提出當暫堵球的密度大于壓裂液密度時，其能夠自動落入井底。S.R.Erbstoesser 等人[55]通過研究不同密度暫堵球的封堵效率，提出浮力球比非浮力球密封效率更高，流體黏度、排量、暫堵球和攜帶流體之間的密度差是影響暫堵球封堵效果的關鍵。李勇明等人[56]進一步通過受力分析，建立了投球分壓排量控制方程，得到了不同射孔長度上的最小控制排量，研究結果表明，射孔數(shù)越大，對排量的要求越高。肖輝等人[57]在李勇明等人[56]的基礎上，增加了重力、附加質量力和Basset 力對暫堵球運動的影響，并提出暫堵球的運動主要包括短期加速運動和長時間勻速沉降運動，暫堵球的密度越大，則速度越大，排量是影響暫堵球運動的關鍵因素。綜上所述，在直井段影響暫堵球封堵效率的因素主要包括暫堵球密度、泵送排量和攜帶液黏度等因素。

頁巖氣開發(fā)時，井筒通常存在直井段和水平井段，因此暫堵球的運移和封堵更加復雜。X.Tan等人[58]改進了暫堵球的封堵模型，使其可用于研究斜井和水平井中不同密度暫堵球的封堵效率，研究認為，在水平井段中應使用重型、中性和浮力球，從而實現(xiàn)對不同相位射孔孔眼的封堵。方裕燕等人[59]建立炮眼暫堵試驗裝置并進行了試驗研究，研究認為，當暫堵球直徑小于炮眼尺寸時無法形成有效封堵，排量越大，越有利于形成封堵。陳釗等人[60]通過數(shù)值模擬多簇壓裂投球暫堵，研究了投球時機、投球數(shù)量、暫堵球直徑對暫堵效果的影響，確定了昭通頁巖氣示范區(qū)的暫堵工藝參數(shù)。張峰等人[61]利用CFD 和EDM 耦合模型模擬暫堵球運移，發(fā)現(xiàn)受流體阻力影響，暫堵球存在空間分布差異，不同排量下暫堵球運移速度具有相對穩(wěn)定值，排量影響暫堵球在長水平井段的封堵位置。C.Wan 等人[62]通過受力分析，明確了暫堵球在垂直段和水平段的運動特征，通過研究暫堵球密度、排量和射孔角度對暫堵球封堵的影響，發(fā)現(xiàn)暫堵球密度對坐封效率的影響比排量更大；當暫堵球封堵完成后，排量對其封堵穩(wěn)定性的影響比密度更大。目前，水平井段暫堵球封堵機理研究仍主要通過建立數(shù)學模型來進行分析，分析內容包括暫堵球的密度、直徑與孔眼直徑的匹配關系、排量和射孔角度之間的關系等。

2.2.2 顆粒暫堵劑暫堵機理

顆粒暫堵劑最初主要在鉆井堵漏中應用。1977 年，A.Abrams[63]首次提出了1/3 架橋理論，即顆粒粒徑需要達到地層孔喉直徑的1/3 才能實現(xiàn)有效封堵。后來，N.Hands 等人[64]提出了暫堵顆粒的d90規(guī)則，即顆粒粒徑的d90值要和封堵區(qū)的最大孔喉直徑相等。隨后，國內學者將其發(fā)展為1/3～2/3原則，即顆粒直徑為顆粒平均孔喉直徑的1/3～2/3時能夠形成有效封堵層。綜上所述，鉆井堵漏中對顆粒暫堵劑暫堵機理的主要研究點是顆粒粒徑與堵漏中孔隙半徑之間的關系。

頁巖氣藏主要利用顆粒封堵人工裂縫，因此下面重點總結顆粒–裂縫封堵的研究進展，主要涉及暫堵層的形成條件和暫堵層所能提供的封堵壓力2 方面的研究。

1）暫堵層形成條件。研究暫堵層形成條件的核心是研究封堵層形成過程，目前主要采用可視化平板試驗和CFD-DEM 數(shù)值模擬進行研究[65–67]（見圖5）。可視化平板試驗是將裂縫等效為透明平板，將暫堵劑驅替進入平板中，直接觀察封堵層的形成。目前公認的顆粒封堵過程是大顆粒首先在裂縫中架橋，形成穩(wěn)定的封堵層，而后小粒徑顆粒充填在大顆粒間架橋形成的封堵層的孔隙中，近一步降低封堵層滲透率，達到提高封堵壓力的目的。前人重點研究了顆粒的加入順序、顆粒濃度、粒徑和裂縫形態(tài)對封堵過程的影響。①顆粒粒徑：許成元等人[68]模擬了不同粒徑對暫堵層的形成機制的影響，針對不同粒徑提出了暫堵層形成的4 種模式，分別是單粒架橋、順序雙架橋、平行架橋和多粒架橋；②顆粒加入順序：B.LYU 等人[66]利用可視化平板得到結論，先使用大顆粒在裂縫中形成暫堵層，再使用小粒徑能夠明顯增大暫堵層體積；③顆粒濃度：R.Li 等人[69]提出顆粒濃度決定顆粒在裂縫中的架橋行為，在低濃度下以單顆粒架橋為主，而在高濃度下以雙顆粒架橋為主；④裂縫粗糙性：裂縫越粗糙，在裂縫中形成暫堵層的概率越大[69]；⑤裂縫寬度：裂縫寬度越大，形成暫堵層越困難[69]。目前的研究能夠從一定程度上重現(xiàn)暫堵層的形成過程，但其選取的試驗參數(shù)仍然與現(xiàn)場實際有較大出入。

圖5 封堵過程研究方法Fig. 5 Research methods for plugging process

2）暫堵層封堵能力。利用可視化裝置或CFDDEM 研究封堵過程，能夠確定封堵層形成條件，但可視化裝置中的裂縫系統(tǒng)并不能承壓，難以測試封堵層的封堵能力，因此目前主要通過承壓裝置研究封堵層的封堵能力。制作耐高壓的夾持器，將巖心或巖板作為裂縫系統(tǒng)，將暫堵劑預制進入裂縫，或者使用中間容器動態(tài)驅替暫堵劑進入裂縫系統(tǒng)，通過測試封堵層的滲透率或封堵壓力反映暫堵層的封堵能力。目前學者主要從以下2 方面研究暫堵層封堵能力的影響因素：

①顆粒的粒徑和分選性。一般認為，顆粒粒徑越小，形成的封堵層越致密，但粒徑應與裂縫尺寸相匹配。因此，目前最常用的方式是通過不同粒徑顆粒復配來提高暫堵層的承壓能力。A.M.Gomaa等人[70]利用自研的橋接裝置，研究了封堵層的滲透率，結果表明粒徑雙峰分布的顆粒和較高濃度的小顆粒比粒徑三峰分布的顆粒滲透率更低。

②暫堵劑濃度。暫堵劑濃度越大，形成的封堵層的封堵壓力越高，但需要根據(jù)地層開啟新縫所需破裂壓力優(yōu)化暫堵劑濃度，以控制成本。H.Xu 等人[71]利用導流裝置研究了濃度為12，18 和24 kg/m3的顆粒在裂縫中的封堵壓力，隨著濃度逐漸增大，其封堵壓力升高，最高可達20 MPa 以上。關于裂縫寬度和粗糙性對暫堵層承壓能力影響的研究較少，研究人員重點關注其對暫堵層形成的影響。目前對封堵層封堵壓力的研究，主要是從宏觀上分析不同材料或工況條件下的封堵壓力，但未能從微觀角度建立封堵層結構特征與封堵壓力之間的聯(lián)系。

2.2.3 暫堵裂縫擴展機理

1）縫口暫堵裂縫

由于儲層非均質性、縫間應力干擾和射孔孔眼磨蝕等因素的影響，多簇水力裂縫難以同步起裂和均衡擴展。縫口暫堵工藝，是通過投放暫堵球、暫堵顆粒、暫堵繩結等材料，封堵優(yōu)勢孔眼，限制優(yōu)勢擴展裂縫的孔眼流量，迫使弱勢孔眼起裂擴展，通過重新分配各孔眼流量實現(xiàn)多簇水力裂縫均衡擴展。因此，明確縫口暫堵前后各孔眼流量變化，是研究縫口暫堵裂縫擴展規(guī)律、調控縫口暫堵工藝的關鍵。

數(shù)值模擬是目前研究縫口暫堵裂縫擴展規(guī)律的主要手段。周彤等人[72]根據(jù)各簇裂縫流量差異分配暫堵球數(shù)量，研究了非均質應力場下投球數(shù)量、時機及次數(shù)對多簇裂縫擴展的影響；唐瑄赫等人[73]、李奎東等人[74]、J.Li 等人[75]、B.Wang 等人[76]通過調整優(yōu)勢射孔簇的流量，研究了暫堵射孔簇位置、暫堵時機及次數(shù)對縫口暫堵后多裂縫競爭擴展過程的影響；胡東風等人[77]將暫堵球封堵概率和數(shù)量方程植入簇間流量分配方程，研究了投球數(shù)量、時機及次數(shù)對三維多簇裂縫擴展形態(tài)的影響。上述研究可以歸為根據(jù)簇間流量差異分配暫堵球、模擬縫口暫堵的研究方法，發(fā)現(xiàn)適量增大暫堵球數(shù)量和暫堵次數(shù)，并根據(jù)應力和天然裂縫特征選擇合適的暫堵時機（數(shù)值模擬的暫堵時機一般選擇大于1/3 注液總時長），有利于促進各簇裂縫均衡擴展。但是，這些方法假設暫堵球總會優(yōu)先封堵優(yōu)勢孔眼，在均質地層內模擬縫口暫堵時可能會出現(xiàn)水平段A、B靶點附近射孔簇裂縫同時被封堵的現(xiàn)象，暫不能考慮暫堵球、暫堵顆粒和暫堵繩結等在水平井筒內的運移坐封規(guī)律對各簇流量變化及后續(xù)裂縫擴展的影響。

2）縫內暫堵裂縫

早期，為了實現(xiàn)低滲透油氣藏未動用區(qū)的挖潛，提出了縫內暫堵重復壓裂技術，通過投放纖維、凝膠、聚合物等暫堵材料限制新水力裂縫的縫內流量及壓力向舊水力裂縫前端傳遞，提升新水力裂縫的縫內凈壓力，改變封堵位置附近的應力場分布，新裂縫沿周圍巖石弱面或新的最大水平主應力方向發(fā)生裂縫轉向[78–79]。目前，為了防止發(fā)生頁巖氣壓裂井間壓竄，采用了縫內暫堵工藝，通過在裂縫發(fā)育的壓裂段投放暫堵顆粒等材料封堵過度擴展或與大型天然裂縫溝通的水力裂縫，限制優(yōu)勢裂縫的縫內流量及壓力向裂縫前端傳遞，抑制優(yōu)勢裂縫過度擴展[80]。因此，明確縫內暫堵前后優(yōu)勢裂縫縫內流場及應力場變化，是研究縫內暫堵裂縫擴展規(guī)律、調控縫內暫堵工藝的關鍵。

王博[80–81]、S.Shi 等人[82]通過求解縫內暫堵前后流場及應力場，總結了3 種數(shù)學假說：①應力籠模型——假設暫堵劑在縫內形成封堵段塞，段塞前端的流體逐漸濾失到周圍巖體，縫內壓力降低，裂縫逐漸閉合，暫堵劑受到周圍巖體的壓實作用后產生了附近應力場，導致裂縫發(fā)生轉向或很難繼續(xù)擴展；②裂縫閉合應力模型——假設暫堵劑在縫內逐漸形成封堵層，不斷增長的封堵層受到周圍巖體的壓實作用后產生附加的法向應力，裂縫開度和裂縫閉合應力增加，導致裂縫很難繼續(xù)擴展；③裂縫擴展阻力模型——假設暫堵劑在裂縫尖端附近形成封堵區(qū)域，阻止縫內流體及壓力傳遞到裂縫尖端，導致裂縫很難繼續(xù)擴展。

物理模擬試驗和數(shù)值模擬是目前研究縫內暫堵裂縫擴展規(guī)律的主要手段。M.Li 等人[83–84]、R.Zhang 等人[85]基于真三軸水力壓裂物理模擬裝置，采用纖維、纖維和顆粒組合、水溶性暫堵劑等材料，研究了應力差、材料用量和完井方式對頁巖縫內暫堵后裂縫轉向擴展規(guī)律和形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)水平應力差較大不利于暫堵后裂縫轉向，暫堵劑用量影響封堵位置、裂縫轉向類型和射孔簇有效性。

受限于試驗條件及研究尺度，數(shù)值模擬成為開展縫內暫堵裂縫擴展轉向機理研究及工程應用的主要手段。C.Lu 等人[86]基于三維DDM 法，研究了應力差、逼近角、天然裂縫位置、暫堵時間和暫堵段長度對單條水力裂縫暫堵后與天然裂縫的交互轉向擴展形態(tài)的影響；D.Wang 等人[87]基于三維CZMFEM 法，研究了天然裂縫力學強度、應力差和暫堵位置對單簇水力裂縫擴展過程的影響；Y.Zou 等人[88]基于三維DEM 法，研究了應力差、天然裂縫參數(shù)、暫堵點數(shù)量、暫堵位置和注入排量對單簇水力裂縫與天然裂縫的交互擴展過程及擴展形態(tài)的影響。B.Luo 等人[89]考慮縫內暫堵劑在縫內運移–封堵行為，建立了KGD 型裂縫尖端漸近解與暫堵劑顆粒通量運移模型的耦合模型，研究了暫堵前縫內液量、暫堵劑用量和孔眼壓力損失對水平井多簇裂縫擴展過程的影響。上述研究發(fā)現(xiàn)，水平應力差和天然裂縫逼近角較小時，采用縫內暫堵有利于形成復雜的裂縫形態(tài)；水平應力差較大時，高排量、大液量和多次暫堵等措施有利于提高裂縫的復雜程度，但多數(shù)模型暫未考慮縫內暫堵劑在頁巖復雜縫網(wǎng)內如何運移–封堵、縫內暫堵后流場及應力場如何變化、是否實現(xiàn)封堵當前優(yōu)勢裂縫等問題。

2.3 暫堵轉向壓裂技術及現(xiàn)場應用效果

以下主要總結四川盆地及其周緣地區(qū)頁巖氣開發(fā)中應用暫堵轉向壓裂技術的典型案例，并對比分析暫堵轉向壓裂在國外頁巖氣區(qū)塊的應用情況。暫堵轉向壓裂施工效果評價的現(xiàn)場監(jiān)測技術主要包括施工壓力分析、高頻壓力監(jiān)測技術、壓裂示蹤技術、管外光纖技術、微地震監(jiān)測技術和井下電視等，大多數(shù)監(jiān)測技術成本較高，且解釋速度慢，高頻壓力監(jiān)測技術等新型診斷技術有助于現(xiàn)場實時監(jiān)測[10]。

2.3.1 威榮頁巖氣田

川南威榮頁巖氣藏埋深3500～4200 m，通過“密切割+高強度加砂+暫堵轉向”的改造理念進行暫堵轉向壓裂施工，以實現(xiàn)有效改造體積最大化[9]。根據(jù)射孔孔眼直徑，選取暫堵球直徑為15.0和13.5 mm、暫堵劑粒徑為60/80 目，實施復合暫堵施工，同時采用更小粒徑（100/200 目）的顆粒封堵層理和微裂縫，實現(xiàn)裂縫縫內轉向，增加裂縫復雜性。圖6 所示為其中一口水平井的暫堵轉向壓裂施工曲線，暫堵后施工壓力增大了12.3 MPa。該區(qū)塊施工后水平井單段簇數(shù)由2～3 簇增至6～8 簇，加砂強度由1.05 t/m 升至1.95 t/m，水平段橫向覆蓋率高達96.4%，平均無阻流量提高了60.4%[9]。

圖6 威榮WY23-1HF 井暫堵轉向壓裂施工曲線[9]Fig. 6 Temporary plugging and diverting fracturing curve of Well Weirong WY23-1HF[9]

2.3.2 長寧區(qū)塊

川南長寧區(qū)塊頁巖氣藏水平應力差為10～16 MPa，難以形成裂縫網(wǎng)絡，其209 井區(qū)NH1 和NH8 平臺的3 口井采用“高強度加砂+縫內暫堵轉向”壓裂工藝（加砂強度2.8～3.1 t/m），簇間距為8.50～10.00 m，在總液量50%～60%時加入100/200 目與1～3 mm粒徑組合暫堵劑300～400 kg[13]。平臺其余井采用常規(guī)壓裂工藝，加砂強度較低（1.9～2.2 t/m），簇間距為16.40～21.60 m。同平臺2 口采用不同壓裂工藝改造井的微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，相較于常規(guī)壓裂井，“高強度加砂+縫內暫堵轉向”壓裂后井的改造體積、微地震事件點數(shù)和裂縫復雜指數(shù)分別增加10.9%、86.3%和29.2%，180 d 累計產量和預測EUR分別增加44.5%和32.1%[13]。

2.3.3 南川頁巖氣田

重慶南川頁巖氣田LQ-1HF 井完鉆井深6285 m，其目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖儲層，兩水平主應力之差約7 MPa[14]。該井分25 段壓裂，根據(jù)儲層特征，采用縫口暫堵和縫端暫堵壓裂工藝的井段各5 段，暫堵劑為壓差聚合膠結型暫堵劑 GTF-SM（粒徑1～2 mm，溫度90～160 ℃）[14]?？p口暫堵單段暫堵劑用量（184～210 kg）高于縫端暫堵單段暫堵劑的用量（65～138 kg），2 種暫堵工藝的施工曲線如圖7 所示。第20 段縫端暫堵施工過程中，當注入液量達328.6 m3時，注入暫堵劑65 kg 和膠液20 m3，施工壓力上升2.1 MPa；第14 段縫口暫堵時，注液量達590 m3后，降排量注入暫堵劑230 kg 和膠液30 m3，使施工壓力增加6 MPa[14]。與采用常規(guī)壓裂工藝相比，平均縫長增加5.8%，SRV 增加12.5%，平均產氣量達23.37×104m3/d[14]。

圖7 LQ-1HF 井暫堵壓裂施工曲線[13]Fig. 7 Temporary plugging fracturing curve of Well LQ-1HF[13]

2.3.4 國外典型頁巖氣區(qū)塊

暫堵轉向壓裂技術在北美Haynesville、Permian Basin 等頁巖氣區(qū)塊均有應用，取得了較好的增產改造效果。Haynesville 頁巖氣區(qū)塊位于美國路易斯安那州北部和得克薩斯州東部[90]，該區(qū)塊一口水平井分39 段壓裂，單段共5 簇，簇間距從該區(qū)塊原來的12～30 m 減至5～12 m，加砂強度達5.2～7.4 t/m，壓后7 個月累計產量提升5%[91]。Permian Basin 頁巖氣區(qū)塊位于美國得克薩斯州西部和新墨西哥州東南部[92]，該區(qū)塊水平井單段簇數(shù)從3 簇增至10 簇，簇間距縮減至4.50 m，加砂強度提升至7.5 t/m[93]。微地震監(jiān)測結果表明，Permian Basin 頁巖氣區(qū)塊暫堵轉向壓裂井的微地震事件點數(shù)比常規(guī)壓裂井高50%，暫堵轉向后初期產量增加10%～20%[94]。北美典型頁巖氣區(qū)塊采用的簇間距與四川盆地及其周緣地區(qū)水平井的簇間距相當，且均有逐漸減小的趨勢，體現(xiàn)出近年來“密切割”開發(fā)的發(fā)展趨勢。此外，北美頁巖氣區(qū)塊加砂強度總體上高于四川盆地頁巖氣區(qū)塊加砂強度。國內外在施工參數(shù)、暫堵劑用量和加入時機方面仍主要通過經(jīng)驗判定，需進一步明確暫堵轉向壓裂機理，據(jù)此進行優(yōu)化設計。

3 主要挑戰(zhàn)及發(fā)展建議

目前，施工現(xiàn)場主要面臨暫堵材料種類選擇不清楚、暫堵材料加入?yún)?shù)選擇不明確2 大關鍵工程問題。其中，后者主要包括暫堵劑加入時機與加量的優(yōu)化，暫堵劑粒徑與濃度、攜帶液黏度與排量的選擇?？蓮臅憾聶C理研究、制定評價標準和新材料研發(fā)3 方面著手解決上述工程問題。

1）加強暫堵理論研究。暫堵劑在地層中依次經(jīng)過地面管線、井筒和射孔孔眼后進入裂縫，最后在裂縫中運移封堵，形成封堵層。首先，暫堵劑以怎樣的加量和濃度進入各個裂縫，以及進入裂縫后在裂縫之中形成封堵層的條件、形成封堵層的過程和方式，及其主控因素是什么，目前尚缺乏深入研究，可通過可視化試驗結合計算流體力學數(shù)模方法開展研究，定量分析暫堵劑進入裂縫后的狀態(tài)；其次，暫堵層的封堵–承壓機理不清（暫堵劑在裂縫中形成的封堵層封堵壓力大小，以及該封堵壓力是否導致暫堵層失效尚不明確），應根據(jù)暫堵層封堵物理過程，建立相應的試驗設備，同時對暫堵層受力進行理論分析，建立封堵壓力預測模型開展研究；再次，對暫堵裂縫轉向擴展機理認識不夠深入，而明確縫口暫堵前后各孔眼流量變化、縫內暫堵前后優(yōu)勢縫內流場及應力場變化是研究暫堵裂縫擴展機理的關鍵，因此暫堵裂縫擴展研究應結合暫堵材料在縫口或縫內的運移封堵規(guī)律，建立適配不同暫堵材料類型、可植入裂縫擴展模擬計算的孔眼流量分配、縫內暫堵后流場及應力場計算等的數(shù)學模型。

2）規(guī)范暫堵劑評價體系并形成行業(yè)標準。目前，用于頁巖暫堵轉向壓裂施工的暫堵劑主要包括顆粒（應用最廣泛）、凝膠和纖維等3 大類。每一大類暫堵劑的封堵原理不同，同一大類暫堵劑的形狀、密度和力學性質等也存在差異。因此，由于暫堵劑的復雜多樣性，導致暫堵劑種類選擇和暫堵劑加量精準優(yōu)化十分困難。在目前暫堵劑品種、性能多樣的情況下，未形成一套標準的評價體系。因此，需要總結當前暫堵劑的性能特點，并結合現(xiàn)場需求，形成一套適用于暫堵劑性能參數(shù)（溶解性、承壓能力、密度和形狀等）的評價體系，指導暫堵劑廠商生產。

3）加強新材料研發(fā)。隨著頁巖氣開發(fā)進一步邁向深層，暫堵材料所面臨的地層環(huán)境更加惡劣，對其工作環(huán)境提出了更高要求。對現(xiàn)有暫堵材料進行改性，提高耐溫性、承壓能力，同時保證后續(xù)溶解后的產物無污染。豐富暫堵劑的種類，提高封堵效果，例如目前已經(jīng)報道的繩結暫堵劑等。

4 結束語

四川盆地頁巖氣儲量豐富，全省頁巖氣年產量已達143.4×108m3，但在頁巖氣儲層改造過程中，存在易發(fā)生套變、射孔簇開啟不完全、井間壓竄風險以及深層頁巖難以形成縫網(wǎng)等問題，嚴重制約頁巖氣的高效開發(fā)。暫堵轉向壓裂技術能夠通過泵入暫堵劑，產生附加阻力，達到控制人工裂縫走向和延伸的目的，從而解決上述工程難題。該技術已在威遠、長寧、川南等區(qū)塊應用并取得了較好的效果。但目前仍然存在暫堵材料種類選擇和加入?yún)?shù)不明確等工程問題，其根本原因在于暫堵劑縫內運移規(guī)律、暫堵層形成條件不明，封堵壓力難以預測，暫堵后裂縫延伸機理不清楚。通過對國內外文獻進行總結，針對暫堵轉向壓裂技術，提出以下發(fā)展建議：強化暫堵理論研究，明確暫堵劑運移、封堵、暫堵層承壓和裂縫轉向機理，建立相應的試驗裝置和數(shù)學模型，支撐暫堵轉向壓裂技術理論體系構建；根據(jù)現(xiàn)場需求，建立并規(guī)范暫堵劑評價體系，形成行業(yè)標準，提升暫堵劑優(yōu)選的科學性；加強新材料的研發(fā)，使暫堵劑適用于更深的地層和更復雜的地質環(huán)境，同時降低使用成本，推進暫堵轉向壓裂技術規(guī)?；瘧?；充分總結分析前期施工情況，針對不同儲層特征形成與之適應的施工方案，深化暫堵轉向壓裂技術造縫增產的認識；加快發(fā)展暫堵轉向壓裂施工后評估技術，指導現(xiàn)場施工方案進一步優(yōu)化。