可降解繩結(jié)暫堵劑性能評價及應用

劉 威，賈振福，陳 恒

（1.中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006；2.重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331；3.四川申和新材料科技有限公司，四川成都 610599）

水平井密切割多簇孔眼暫堵壓裂過程中，通常采用顆粒暫堵劑、纖維、暫堵球等封堵材料復合封堵簇間孔眼來實現(xiàn)射孔簇均勻開啟，提高各簇裂縫進液效率和作業(yè)效率[1-4]。顆粒暫堵劑或纖維等材料復配孔眼暫堵工藝簡單，是目前應用最為廣泛的一種暫堵方法，但暫堵材料在射孔孔眼只是簡單的物理隨機堆積，無法確定暫堵厚度和暫堵位置，在重新開泵壓裂過程中會沖刷暫堵材料，破壞暫堵層，造成暫堵失效[5-7]。采用暫堵球封堵孔眼時，隨著壓裂支撐劑對圓形孔眼沖蝕，導致孔眼不規(guī)則，暫堵球無法完全封堵形狀與尺寸不規(guī)則的炮眼，同時暫堵球受排量、液體黏度影響較大，在井筒壓力降低后易脫落，影響暫堵效果。此外，通過暫堵顆粒和暫堵球來進行復合暫堵使用，用量大，成本高，但暫堵效果仍然有限[8-10]。目前國內(nèi)對繩結(jié)暫堵劑室內(nèi)和現(xiàn)場應用研究相對較少[11-15]。為此，采用高強度柔性可降解聚乳酸材料制備了一種繩結(jié)暫堵劑，并對其進行了性能評價。結(jié)果表明，其降解性能和承壓性能滿足壓裂施工要求，5 口井現(xiàn)場試驗應用效果良好。

1 繩結(jié)暫堵劑制備工藝及孔眼封堵原理

1.1 繩結(jié)暫堵劑制備工藝

繩結(jié)暫堵劑是由繩結(jié)和尾翼兩部分組成，中間主體繩結(jié)為單結(jié)、八字結(jié)或中國結(jié)，尾翼為兩條呈對稱結(jié)構(gòu)，尾翼細絲全部散開呈流蘇狀。繩結(jié)暫堵劑選用聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙醇酸高強度可降解材料，具有較好的溶解能力和較高的承壓能力。通過調(diào)整繩結(jié)暫堵劑合成材料的類型，控制其在指定儲層溫度下的初始降解時間和完全降解時間[11-12，14]。

制備方法為：

（1）以聚乳酸材料、可降解樹脂為原料，按照一定比例混合干燥后經(jīng)過熔融紡絲，冷卻后進行上油、牽伸、卷繞處理，得到600 D 的纖維細絲；

（2）纖維細絲通過紡織機加捻并絲形成1 500 D 纖維復合線，利用編織機對生產(chǎn)的纖維復合線進行8 股編織，制作出0.8 mm 的纖維細線；

（3）將纖維細線按照8 股、16 股編織成為纖維繩；根據(jù)不同尺寸繩結(jié)大小，選擇單股或多股纖維繩混合編織成為字結(jié)狀的繩結(jié)式結(jié)構(gòu)，并將繩結(jié)兩端尾翼打散，烘干即可制成繩結(jié)暫堵劑。

1.2 繩結(jié)暫堵劑孔眼封堵原理

（1）導流入孔。繩結(jié)暫堵劑的兩側(cè)尾翼細絲作為導流端，遇液體后形成水化層易分散展開，提高暫堵劑在液體中的懸浮性，有利于產(chǎn)生較高的拖拽力，從而促使一側(cè)尾翼細絲極易進入射孔孔眼。

（2）彈性變形，自適應封堵孔眼。隨著尾翼進入孔眼，繩結(jié)主體在井底壓差的作用下可發(fā)生壓縮變形，座封于孔眼處，對于不同程度沖蝕的射孔孔眼均具有較強的自適應性。未進入孔眼的尾翼通過“孔眼流量再補充效應”對沖蝕射孔孔眼形成二次封堵，進一步提升繩結(jié)暫堵劑封堵效果。

（3）提高封堵承壓能力。繩結(jié)暫堵劑本身字結(jié)狀結(jié)構(gòu)促使纖維繩有更多的交叉和更多的“扭轉(zhuǎn)波動”，在井底壓差下，纖維繩通過“摩擦自鎖”促使繩結(jié)暫堵劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強，提高了封堵承壓能力[16]。

2 繩結(jié)暫堵劑性能評價

繩結(jié)暫堵劑的降解、承壓性能是否滿足孔眼封堵的需要是繩結(jié)暫堵劑最為關(guān)鍵的性能指標。因此，主要從以下兩方面進行繩結(jié)暫堵劑性能評價：（1）降解性能，合理的降解性能是現(xiàn)場施工成功的關(guān)鍵需求，又是后期解除孔眼堵塞的關(guān)鍵因素。（2）承壓性能，較大的承壓強度可以大幅度提高封堵成功率。

2.1 基礎性能

優(yōu)選聚乳酸材料制備繩結(jié)暫堵劑，該材料具有吸水膨脹可變形和高強度特點，滿足降解、承壓要求，其基礎性能見表1。

表1 繩結(jié)暫堵劑基礎性能

2.2 繩結(jié)暫堵劑降解性能

將18 mm 繩結(jié)暫堵劑樣品浸泡于清水、聚合物滑溜水中進行降解實驗（圖1～圖4），模擬地層溫度為90 ℃，經(jīng)過一定時間后取出烘干，通過失重法測試樣品的降解率。室內(nèi)實驗表明繩結(jié)暫堵劑溶解后均形成基本澄清的溶液。在模擬地層溫度90 ℃下，繩結(jié)暫堵劑在不同液體中的溶解時間快慢為：滑溜水＞清水；繩結(jié)暫堵劑溶解是兩端尾翼優(yōu)先開始降解，繩結(jié)暫堵劑26 h 降解率可達100%。繩結(jié)暫堵劑降解完全后無肉眼可見的顆粒狀物，即水不溶物均極少，沒有任何沉淀絮凝產(chǎn)生，說明繩結(jié)暫堵劑水溶物與不同液體配伍性良好。因此，進入井筒封堵孔眼的繩結(jié)暫堵劑在地層條件下溶解于壓裂液中，在壓裂施工完成后失去封堵作用，不會給返排或解堵帶來困難。

圖1 90 ℃條件下繩結(jié)暫堵劑清水降解評價實驗結(jié)果

圖2 90 ℃條件下繩結(jié)暫堵劑清水降解狀態(tài)

圖3 90 ℃條件下繩結(jié)暫堵劑聚合物滑溜水降解評價實驗結(jié)果

圖4 90 ℃條件下繩結(jié)暫堵劑聚合物滑溜水降解狀態(tài)

2.3 繩結(jié)暫堵劑靜態(tài)承壓性能

采用模擬射孔孔眼直徑為8 mm 的球座裝置，球座內(nèi)孔徑10°倒角，繩結(jié)暫堵劑座封于球座上，球座外部通過保溫套加熱至90 ℃保溫2 h，測試過程中逐步增加壓力，壓力從15、20、25 MPa 等以5 MPa 遞增逐級加壓，每級加壓穩(wěn)定3 min，以打壓壓力突然降低10%以上為承壓強度的判定依據(jù)，該壓力即為繩結(jié)暫堵劑承壓強度（圖5）。繩結(jié)暫堵劑的承壓能力受繩結(jié)直徑和球座孔徑的影響，測試了不同尺寸繩結(jié)暫堵劑在固定孔徑球座上的承壓能力。

圖5 繩結(jié)暫堵劑承壓裝置示意

不同直徑繩結(jié)暫堵劑承壓實驗結(jié)果見圖6。從圖6 可以看出，隨著繩結(jié)暫堵劑直徑增加，其承壓能力大幅度增加，繩結(jié)暫堵劑直徑在18 mm 以上時，可滿足120 min 承壓50 MPa（圖7），繩結(jié)暫堵劑直徑在15 mm 時，可承壓35 MPa，繩結(jié)暫堵劑直徑在13 mm和11 mm 時承壓較低，分別為25 MPa 和12 MPa。

圖6 不同直徑繩結(jié)暫堵劑90 ℃條件下清水承壓評價實驗結(jié)果

圖7 直徑18 mm 繩結(jié)暫堵劑承壓測試曲線

3 關(guān)鍵工藝參數(shù)及投加方法

與常規(guī)暫堵球相比，繩結(jié)暫堵劑尾翼細絲隨壓裂液穿過孔眼，有效封堵圓形或不規(guī)則形狀的孔眼，避免因壓力降低而造成脫落，井筒內(nèi)壓力越高，繩結(jié)越緊，封堵性能越好?；趪鴥?nèi)外暫堵壓裂技術(shù)研究成果，結(jié)合現(xiàn)場實際，確定了繩結(jié)暫堵劑尺寸及用量、泵送排量、投加方法。

3.1 尺寸及用量

繩結(jié)暫堵劑的尺寸根據(jù)射孔孔眼設計，射孔孔眼在壓裂過程中受支撐劑沖蝕產(chǎn)生擴徑，根據(jù)井下成像監(jiān)測，采用下式確定繩結(jié)暫堵劑直徑與孔眼的直徑關(guān)系[15]：

式中：D-繩結(jié)暫堵劑直徑，mm；Dp-射孔孔眼直徑，mm。

繩結(jié)暫堵劑投入是為了封堵已進液孔眼，因此，投加數(shù)量與暫堵孔眼數(shù)量成正比，一般繩結(jié)暫堵劑投加數(shù)量與需要暫堵孔眼數(shù)的關(guān)系為：

式中：N-繩結(jié)暫堵劑個數(shù)；Np-暫堵孔眼數(shù)。

3.2 泵送排量

繩結(jié)暫堵劑有效封堵需要一定排量，排量過低，易在管線內(nèi)產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，孔眼內(nèi)負壓低，繩結(jié)暫堵劑不易座封；排量過高，繩結(jié)暫堵劑由于慣性易越過孔眼，影響座封效率。基于室內(nèi)模擬和礦場經(jīng)驗，設計泵送排量為4.0～6.0 m3/min[10，14]。

3.3 投加方法

繩結(jié)暫堵劑由于形狀不規(guī)則，數(shù)量較多時易于相互纏繞，降低繩結(jié)暫堵劑封堵效果，為此采用可溶解球殼包裹繩結(jié)暫堵劑，采用在壓裂主管線+旋塞閥+壓裂短節(jié)方式投加（圖8）。球殼包裹的繩結(jié)暫堵劑在一定排量下進入管線后，通過與壓裂管線或井筒管道的強力碰撞，球殼打開，釋放繩結(jié)暫堵劑，可實現(xiàn)繩結(jié)暫堵劑分批次進入管線和水平段孔眼，大大提高繩結(jié)暫堵劑封堵效果。

4 現(xiàn)場應用及效果

繩結(jié)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)在東勝、大牛地致密氣區(qū)塊水平井密切割多簇壓裂中累計應用5 井次12 段，施工成功率100%，暫堵升壓3.1～9.3 MPa，平均暫堵升壓4.9 MPa，與暫堵球平均暫堵升壓1.0 MPa 相比，暫堵升壓效果提升明顯（表2）。

表2 繩結(jié)暫堵劑與暫堵球暫堵效果對比

其中J30-6-PX 采用密切割多簇壓裂，目的層溫度89.6 ℃，第4 段，射孔槍型73 槍，射孔3 簇，每簇長度0.8 m，孔密為16 孔/米，相位角60°，射孔孔徑7.0 mm，射孔數(shù)36 孔。本次暫堵采用直徑為18 mm 繩結(jié)暫堵劑進行暫堵，預計封堵24孔，繩結(jié)暫堵劑個數(shù)為1.1 倍暫堵孔眼個數(shù)，即1.1×24＝27 個。在整個壓裂施工中期階段停泵后采用旋塞閥投送裝置將球殼式繩結(jié)暫堵劑以排量2.5 m3/min 投放入井，然后提排量至5.0 m3/min 進行繩結(jié)暫堵劑泵送，繩結(jié)暫堵劑達到射孔孔眼后，壓力上漲9.3 MPa（圖9），暫堵前后在相同排量8.1 m3/min下，暫堵后施工平均壓力比暫堵前高約3.0 MPa，說明繩結(jié)暫堵劑起到很好封堵效果，開啟更高應力儲層。

圖9 試驗井繩結(jié)暫堵壓裂施工曲線

5 結(jié)論與建議

（1）以聚乳酸材料、可降解樹脂為原料制備了一種繩結(jié)暫堵劑，在模擬地層溫度90 ℃條件下，在26 h內(nèi)完全溶解，18 mm 以上繩結(jié)暫堵劑承壓能力達到50 MPa，滿足現(xiàn)場施工需要。

（2）繩結(jié)暫堵劑可以實現(xiàn)壓裂段孔眼的有效封堵，繩結(jié)暫堵劑直徑、加入量、泵送排量目前均處于摸索階段，應通過室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗進一步合理優(yōu)化。

（3）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，與暫堵球相比，繩結(jié)暫堵劑孔眼暫堵升壓效果明顯，可大規(guī)模推廣應用。