新型易降解可调节暂堵剂研究与应用_盛志民.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：中国石油天然气集团有限公司“重点上产地区钻井液评估与技术标准化有形化研究”项目子课题，纳-微米封堵评价方法研究（项目编号：2019D-4226）。收稿日期收稿日期：2022-01-21 作者简介作者简介：盛志民(1984-),男，新疆自治区克拉玛依市人，高级工程师，2007 年毕业于长江大学机械设计及其自动化专业，研究方向：储层改造技术。E-mail：。新型易降解可调节暂堵剂研究与应用 盛志民，陈胜安，杨春曦，马越，王丽峰，曾从良（中国石油西部钻探井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000）摘 要：目前的暂堵剂系列产品存在封堵强度不够、耐温稳定性差、低温溶解性差、溶解后残渣较多对储层伤害大、成本高等问题，针对这些缺点，研制出一种高性能、低成本、低伤害的降解可调暂堵剂。实验研究表明：采用新型易降解可调节暂堵剂材料施工效果好，能有效提升压裂效率，从而提升油井产量；同时，其生物毒性较低，易降解，表现出良好的环境适应性，满足生产施工过程中的环保要求。现场试验表明：暂堵剂应用配套技术方案成功实现了封堵老缝、压开新缝的施工目的；同时试验井施工后日产油量增长 89%92%，含水率下降 48%55%。关 键 词：降解；可调节；暂堵剂；低成本 中图分类号：TE357.1 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0447-05 Research and Application of New Easily Degradable and Adjustable Temporary Plugging Agent SHENG Zhi-min,CHEN Sheng-an,YANG Chun-xi,MA Yue,WANG Li-feng,ZENG Cong-liang（Downhole Operation Company of CNPC Western Drilling Engineering Co.,Ltd.,Karamay Xinjiang 834000,China）Abstract:The current temporary plugging agent series products have the problems of insufficient plugging strength,poor temperature resistance stability,poor low temperature solubility,large amount of residue after dissolution,great damage to the reservoir,and high cost.Aiming at these shortcomings,a degradable and adjustable temporary plugging agent with high performance,low cost and low damage was developed.The experimental research showed that the new easily degradable and adjustable temporary plugging agent material had good construction effect,could effectively improve the fracturing efficiency,and thus increased the oil well production.Field tests showed that,the application of temporary plugging agent supporting technical scheme successfully achieved the construction purpose of plugging old fractures and opening new fractures;at the same time,after the construction of the test well,the daily oil production increased by 89%92%,and the water content decreased by 48%55%.Key words:Degradable;Adjustable;Temporary plugging agent;Low cost 随着经济的迅速发展，工业制造的进程逐步加快，对石油资源的需求也日益提高。因此非常规油气资源勘探开发节奏愈发加快，使得非常规油气资源已成为国内外石油行业关注的重点。在页岩油气经济开发方面，压裂技术便是最为之有效的方法。其中压裂形成较为复杂的网缝以及提高网状缝隙的复杂程度便是压裂技术成效高低的关键。在美国 92%、中国 96%以上的页岩气储层都采用精细分段压 裂 改 造 的 工 艺，即 利 用 全 三 维 压 裂 软 件stimplan6.0 对裂缝类型预测、储屋地质精细划分、裂缝参数、压裂材料、投球批次及数量等进行系统优化设计1-2。但从微地震监测技术、产液剖面测试技术、示踪剂测试技术等的研究结果表明，大约 1/3 的射孔簇，因应力差异、套管变形等因素，没有得到充分改造，从而对油井产量造成严重影响3。Barnett 盆地某页岩气井产气剖面显示，Barnett 页岩裂缝主要为天然缝，并且多数裂缝被方解石全部或部分充填。同时由于 Barnett 页岩气储集层呈低孔、低渗特征，气流阻力比常规天然气大，开采难度较大。1998 年，水基压裂液代替凝胶压裂液，通过 20%的压裂改造，使得单井比以往多贡献了 70%的产量，低效改造段占比远大于 45%4。研究表明，暂堵是提高裂缝复杂程度、储层渗透率和油气井产量的有效方法之一，可以解决因水平应力差大或套管变形而难以形成复杂裂缝的难题。不仅如此，暂堵压裂技术也广泛应用于老井重复改造当中。在 2020年由于疫情所造成的低油价形势下，为降本增效，新疆油田在玛湖致密油区块、吉木萨尔页岩油区块新投的水平井中应用大段多 簇+暂堵体积压裂技术的井达到 102 口，占比 42%，其中页岩油区块占比 76%，暂堵剂需求量大；同时在我国近些年的老井重复改造中，暂堵压裂需求也逐年增大。该文详DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.032 448 当 代 化 工 2023 年 2 月 细阐述了暂堵压裂技术的作用机理，同时系统地总结出目前多种暂堵剂在压裂暂堵技术中的应用成效，并对其所存在的问题进行分析5。同时针对目前暂堵剂在实际工程应用中所发现的问题，提出并设计研发出一种高性能、低成本、低伤害的新型降解可调暂堵剂材料。1 暂堵剂作用机理及应用 1.1 作用机理 暂堵剂是一种短时间内使得储层渗透率降低或短时间内封堵高渗透层的一种物质，并可以与一些水溶性的物质混合后一同注入储层，在压强差的作用下逐渐形成致密且十分轻薄的油层暂堵带，在一段时间过后，可自行解堵或人工解堵6。暂堵剂的作用机理：在压裂施工中，由桥堵原理研发的暂堵材料，在此时加入压裂液当中，其颗粒直径一般为岩石基质缝隙宽度的 1.21.5 倍。当暂堵剂随压裂液进入到缝隙中后，可在岩石颗粒缝隙中形成桥堵，并有效阻止后续暂堵剂的继续进入，进而在该位置逐渐堆积7。随着后续暂堵剂的不断注入，越来越多的暂堵剂堆积、桥堵在该位置，在裂缝中形成具有一定强度的桥堵带，进而阻止裂缝继续向远处伸展，迫使压裂液转向。暂堵剂在岩石颗粒缝隙中的作用机理如图 1 所示。图 1 压裂暂堵剂在岩石颗粒缝隙中的作用机理 Fig.1 Action mechanism of fracturing temporary plugging agent in rock particle gap 随着后续压裂液的不断注入，裂缝内部的净压力不断升高，当裂缝内部的净压力达到储层微裂缝开启压力或新裂缝破裂压力时，微裂缝或新裂缝开启。随着后续压裂液不断注入，微裂缝或新裂缝不断伸展成为新的分支缝，最终提高压裂裂缝的复杂程度8。一般情况下，暂堵剂在可控的时间内会溶于水相或烃中，不会对储层产生伤害，满足压裂后的生产需求。1.2 非常规储层暂堵剂类型 暂堵剂作为储层改造技术中降本增效的重要材料，市场前景广阔。在非常规储层复杂缝网压裂改造常用的暂堵剂包括以暂堵炮眼为主的暂堵球、以暂堵裂缝通道为主的常规类暂堵剂和纤维类暂堵剂、其他新型合成暂堵剂等，各类型暂堵剂性能如表 1 所示9。表 1 各类型暂堵剂性能 Table 1 Performance of various types of temporary plugging agents 类型 暂堵位置 粒径或 长度/mm 密度/(gcm-3)主要优点 暂堵球 射孔孔眼为主，高渗透层为辅 3.50 1.20 易溶解、污染小、施工操作方便、配套工艺简单、成本低 常规类 暂堵剂 裂缝通道 2.00 1.051.20 停泵不影响效果、施工配套工艺简单，可以多次投放 纤维类 暂堵剂 裂缝通道为主，射孔孔眼为辅 3.006.00 1.001.02 抗高温、承压能力强、易降解、无污染，可阻止支撑剂回流 其他新型合成暂堵剂 裂缝通道、射、孔炮眼均可-储层损害小、耐高温、易降解 1.3 非常规储层暂堵剂使用情况 目前国内油田压裂所采用的暂堵剂主要有油溶性暂堵剂和水溶性暂堵剂。油溶性暂堵剂承压能力强，可适用温度范围广，但由于受溶解性上的特殊要求，只能应用于油井的压裂施工10。水溶性暂堵剂应用范围广，对地层伤害较小，但生产成本高，承压能力差，破胶工艺难以控制。油气田开发中对水溶性暂堵剂的需求大，针对其存在的缺陷，REDDY 等对聚乳酸类暂堵剂进行了研究，在使用时添加活化剂缩短降解时间，实现了暂堵剂降解率超过 90%。崔福林等提出研制一种高强度水溶性颗粒暂堵剂并给出了制备方法，由抗压强度高的无机盐颗粒制得，提高了封堵强度，提高了溶解率，易返排。高强度水溶性暂堵剂主要应用于老井重复压裂和自然选择甜点暂堵体积压裂。目前暂堵剂仍存在许多不足，其中以 3 种主流暂堵剂为例，纤维性暂堵剂在施工过程中材料强度较弱，易变形，易交织形成絮凝状物质；胶塞类暂堵剂在耐温耐盐方面不理想，破胶可控性差；颗粒暂堵剂其不可形变具有更好的抗压强度，但没有较好的自我恢复能力，在受到破坏时不能保证暂堵层的稳定。2 暂堵剂技术改进 2.1 新型易降解可调节暂堵剂 针对现有暂堵剂生产成本高、耐温能力不足、溶解速度慢等问题，研制一种具有高降解率、高封 第 52 卷第 2 期 盛志民，等：新型易降解可调节暂堵剂研究与应用 449 堵率、高稳定性、低成本、低伤害且适用于不同温度储层的改性聚乳酸暂堵剂系列产品及配套工艺，从而弥补现阶段暂堵剂缺陷，提高暂堵转向压裂的改造效果，进一步降低压裂成本。不同类型暂堵剂不同改造思路见图 2。根据不同温度下暂堵剂的性能需求，通过对聚乳酸分子结构分析、官能团的改性，优化暂堵剂材料合成所需要的聚合反应条件、结晶条件以及提纯方法等一系列因素11，从而实现暂堵剂承压、耐温、降解率等各项性能的提高，聚乳酸聚合方式演示见图 3。图 2 不同类型暂堵剂不同改造思路 Fig.2 Transformation ideas of different types of temporary plugging agents 图 3 聚乳酸聚合方式演示 Fig.3 Demonstration of polylactic acid polymerization mode 2.2 新型易降解可调节暂堵剂合成思路 2.2.1 研制适用于不同温度条件的暂堵剂 在高温环境条件下，通过对聚左旋乳酸和聚右旋乳酸化结晶条件进行优化，从而得以提高结晶效率，再通过加入助剂促进晶体结构形成，从而形成高温暂堵剂体系。在中温环境条件下，在暂堵剂合成过程中，选择添加活性基团的扩链剂,从而进一步提高耐温性能，同时添加纳米无机材料,改进混合生产工艺，最大限度提高材料的机械强度和耐温性。在低温环境条件下，为改变聚合物结构，通过增加聚乳酸暂堵剂系列产品支链来降低溶解速度、提高强度。合成暂堵剂过程中引入功能性单体，加入偶联剂，提高聚合物强度 2.2.2 技术路线 实现系列温度暂堵剂研发和应用首先对系列温度暂堵剂原材料进行一定程度的筛选，从而使得温度暂堵剂的合成更加高效。根据工程中的实际情况对改性聚乳酸暂堵剂分子进行设计，从而提出低温暂堵剂、中温暂堵剂、高温暂堵剂的理念。针对低温暂堵剂，通过阳离子共振、部分交连以及调整相对分子质量等从而使得暂堵剂实现在低温环境中工作的高效性。针对中温暂堵剂，则是通过添加纳米颗粒改变暂堵剂内部大分子结构，同时优化结晶条件，使得暂堵剂在中温条件下工作更加高效12。针对高温暂堵剂设计，则是添加扩链剂及助剂从而实现暂堵剂在高温条件下正常且高效工作。最后将 3 种温度系列暂堵剂的分子结构进行进一步验证，以求技术理论的合理性。在确保其分子结构合理后，可以进一步细化温度条件从而使得温度系列暂堵剂更加完善。当温度系列暂堵剂技术理论合理性得到验证后，进一步开展实地检测实验。对系列温度暂堵剂进行制备，并开展室内实验性能评价，对温度系列暂堵剂进行实际测评，从而更好地对温度系列暂堵剂进行问题总结及进一步改良。而在室内性能评测中需要对不同温度条件下的暂堵剂进行基础性能与封堵性能的测试，从而产生横向对比，进而为下一步暂堵剂的改进储备条件。在一系列实验与改进过后，可进入下一步现场实地施工验证，从而获取到新型温度系列暂堵剂在实际工程施工当中实际工作状况与效率，并适当进行总结调整，为以后温度系列暂堵剂的使用工艺的优化建立参考依据，其技术路线图见图 4。图 4 技术路线流程图 Fig.4 Technical route flow chart 450 当 代 化 工 2023 年 2 月 完整技术路线完全实现后，温度系列暂堵剂则会相对比较成熟地应用在实际工程施工现场，并同时产生配套的技术应用体系，从而将会大幅度提高单井油井的产量。3 新型易降解可调节暂堵剂实验 3.1 不同环境中暂堵剂封堵能力评价 通过实验测定，得到在 0.40.8 D 左右岩心基本参数（见表 2），岩心驱替实验结果如图 5 所示。表 2 岩心基本参数 Table 2 Basic core parameters 岩心编号 直径/cm 长度/cm 孔隙度/%水测渗透率/m2 1 8.0 3.6 0.537 1 38 2 8.0 3.6 0.487 2 40 （a）一号岩心 （a）二号岩心 图 5 岩心驱替实验 Fig.5 Core Flooding Experiment 利用逐级加压的方法测试新型暂堵剂的突破压力，由实验结果可以看出，在此期间由于暂堵剂的封堵效果，注入型暂堵剂与新型易降解可调节暂堵剂体系的填砂管出口端都没有流体流出，当暂堵剂被突破后，驱替压力均有不同程度的下降，渗透率开始缓慢恢复。从两组暂堵体系的突破压力以及渗透率曲线可以看出，选用型暂堵剂作为暂堵体系时，压力与渗透率波动较为平稳（见图 6），说明型暂堵剂抗压比较强，在压力突破后暂堵剂凝胶没有形成碎淹，除突破部分外，其他位置能继续稳定存在；选用新型易降解可调节暂堵剂作为暂堵体系时，在压力突破后压力与渗透率波动幅度较为剧烈，在完成温度系列合成改造后，在水驱突破后，突破位置附近的暂堵液体系受环境温度作用的影响，开始部分降解，造成压力与渗透率持续波动，见图 7。图 6 AP 型暂堵剂突破压力（一号岩心）Fig.6 Breakthrough pressure of AP temporary plugging agent(No.1 core)图 7 新型易降解可调节暂堵剂突破压力（二号岩心）Fig.7 Breakthrough pressure of new degradable adjustable temporary plugging agent(No.2 core)由上述实验结果可以看出，在不同环境中新型易降解可调节暂堵剂对比 AP 型暂堵剂，在压力突破后新型易降解可调节暂堵剂在压力与渗透率波动幅度显得更为剧烈，出现这一现象原因主要为新型易降解可调节暂堵剂在水驱突破后，突破位置附近的暂堵液体系受环境温度作用的影响，开始部分降解，造成压力与渗透率持续波动，由此可见新型易降解可调节暂堵剂更易降解，更易调节控制。3.2 暂堵剂应用配套技术研究 在室内评价的基础上，开展暂堵剂在岩石颗粒裂缝口以及在裂缝内的不同条件下的封堵性能测试，针对暂堵剂的使用量、粒径组合比例以及泵送 第 52 卷第 2 期 盛志民，等：新型易降解可调节暂堵剂研究与应用 451 参数（注入浓度、排量）、投送时机选择等开展研究，从而探寻出暂堵剂最优使用配比与使用条件，明确暂堵剂的暂堵和解堵效果的影响因素，并对暂堵工艺进行优化，根据不同油田下的地质状况，配合室内实验评价，对径粒大小、用量以及浓度等要素进行调整，对不同实验组的封堵压力、总滤失量等实验结果进行对比分析，研判出实际中的封堵位置，从而分析找出缝内转向与缝口转向，结合多组实验结果分析，确定出实际最适合的技术方案。配套技术方案见图 8。图 8 配套技术研究流程图 Fig.8 Flow chart of supporting technology research 4 现场应用 将新型易降解可调节暂堵剂材料应用于油田现场试验，5 口井的试验结果表明：暂堵剂应用配套技术方案实施后，实现了封堵老缝、压开新缝的施工目的；同时试验井施工后日产气量分别有不同程度增长，含水率逐步下降，试验井在使用新型易降解可调节暂堵剂材料施工后日产油量均增幅明显，日产油量上升及含水率下降趋势稳定，见表 3。表 3 新型易降解可调节暂堵剂应用效果 Table 3 Application effect of new easily degradable and adjustable temporary plugging agent 井号 封堵老缝效果/%产油量增长率/%含水量下降率/%W23-1 95 89 50 W23-2 96 92 52 W23-3 96 90 48 W23-4 96 91 51 W23-5 97 89 55 5 结 论 1）针对不同工程施工现场环境温度，设计并研发出一种高性能的、低成本、易调控的降解可调暂堵剂，从而提高单井油井的产量。2）通过对温度系列暂堵剂的研究、制备以及实地施工实验，从而形成一套具有高性能、低成本、以调控的适用于不同温度储层的暂堵剂体系及配套应用技术，同时针对此类暂堵剂的使用，结合对照其他现有暂堵剂，制定一套该暂堵剂的使用及评价标准，提出不同暂堵剂质量参考标准。3）采用新型易降解可调节暂堵剂材料施工效果好，能有效提升压裂效率，从而提升油井产量；同时，其生物毒性较低，易降解，表现出良好的环境适应性，满足生产施工过程中的环保要求，具备良好的市场开发前景。4）暂堵剂应用配套技术方案成功实施，实现了封堵老缝、压开新缝的施工目的；同时试验井施工后日产油量分别有不同程度增长，含水率逐步下降，试验井在使用新型易降解可调节暂堵剂材料施工后日产油量均增幅明显，日产油量上升及含水率下降趋势稳定，从而证明所制备的新型易降解可调节暂堵剂材料具备规模化应用价值。参考文献：1曾斌，徐太平，周京伟，等.全可溶高强度暂堵剂的研制及应用J.当代化工，2021，50（1）：22-25.2肖沛瑶.暂堵转向压裂技术用暂堵剂研究新进展J.石油化工应用，2019，38（10）：54-56.3徐占东.油田压裂用暂堵剂技术分析J.石油工程，2021，47（5）：28-31.4王纪伟，康玉柱，张殿伟.非常规储层压裂暂堵剂应用进展J.特种油气藏，2020，28（5）：88-101.5HE C M,SHI S Z,ZHONG K W,et al.Performance evaluation of water soluble diverter agent and its temporary plugging effect in refracturingJ.IOP Conference Series:Earth and Environmental 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