壓裂暫堵劑及其適用范圍分析

肖沛瑤

（西安石油大學，陜西西安 710065）

作為改造儲層使新井投產老井穩產、提升單井產能的主要措施，水力壓裂在世界范圍內得到了廣泛的應用，然而隨著開發時間的延長，在初次水力壓裂作業形成的水力裂縫控制的泄油區內原油采出程度較高，而在泄油區外仍然存在一定動用程度較低的剩余儲量難以受到波及[1]，單井產量逐漸下降。

針對此類情況，通常進行重復壓裂改造來提升單井產能。早期油田現場通常采用常規的同井同層重復壓裂技術，但該技術存在僅能重新張開現有人工裂縫而無法形成新的人工裂縫；可部分恢復原有人工裂縫的導流能力但對注入水驅替體積及孔隙壓力分布形式產生的影響有限，增產效果可能較差等問題。為經濟有效地動用這部分剩余儲量，盡可能提高單井產量，目前在現場普遍引入暫堵轉向重復壓裂技術。

暫堵轉向重復壓裂技術的關鍵是造出新縫，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向重復壓裂施工技術的關鍵之一，優選出針對低滲透油田堵老縫壓新縫的壓裂暫堵劑對確保能夠有效地暫堵老縫開啟新縫，增強增油效果具有積極作用。

1 壓裂暫堵劑及其分類

壓裂暫堵劑是用來暫堵老裂縫的材料。施工過程中，按計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入高滲透層、原有人工裂縫或連通的炮眼，在地層內某處形成橋堵，使處于井筒和堵塞帶之間的裂縫體積內裂縫凈壓力急劇升高，當此壓力高過微裂縫開啟壓力或新縫破裂壓力時裂縫將在水平兩向應力差條件下二次破裂，繼而改變裂縫起裂方位以開啟微裂縫或新縫，之后進入的壓裂液將延伸和擴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，同時其暫堵時間更加可控，對地層的傷害也相對較小[4]。

根據暫堵材料的不同，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、油溶性樹脂等）、惰性有機樹脂類暫堵劑及遇酸溶脹聚合物類暫堵劑等；根據使用形態的不同，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束后需要恢復地層滲透率時壓裂暫堵劑的解堵方式為依據，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，綜合分析其中不同種類壓裂暫堵劑的性能特點及其適用范圍。

2 壓裂暫堵劑研究進展及綜合分析

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、陶粒等鈣等無機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重復壓裂改造控制裂縫轉向造出新縫的需要。酸溶性壓裂暫堵劑雖然具有生產成本較低、耐溫性能好、強度高等優點，但同時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致封堵效果較差、由于形成的濾餅強度不高而導致無法形成較大壓差阻力、由于施工時普遍選用的呈堿性的壓裂液而導致壓裂施工結束后難以依靠自身返排出地層，還需對其進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，所以仍有應用，特別是在需要進行酸壓改造的高溫油氣層[4]，如張軍等[8]通過對原有專利產品進行研究及改進，研制了一類針對裂縫性油氣儲層的油氣儲層裂縫暫堵劑，其主要組成包括超細碳酸鈣、植物纖維和氧化瀝青。暫堵結束后該類壓裂暫堵劑可通過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80%以上，有效彌補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，可選擇的材料有樹脂、石蠟、瀝青等[4]。

油溶性樹脂一般通過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新的裂縫，因此常選擇油溶性樹脂作為油溶性壓裂暫堵劑的主要原料。目前，在現場使用較為普遍的油溶性樹脂類壓裂暫堵劑主要是具有較高熔點的樹脂類產品，如油溶性樹脂、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]研制的油水井重復壓裂的油溶性暫堵劑，均是為滿足現場不同需要而研制出的油溶性樹脂類壓裂暫堵劑產品，其耐溫能力強；由于樹脂類材料強度大，其承壓強度較高，能較好地封堵滲透性巖心；同時，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，對地層傷害小。目前各油田針對高含水油井研制開發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盛產松香而成為油溶性壓裂暫堵劑的首選原料[13]。但其軟化點較低而無法封堵高滲層或裂縫，在油田的應用受到限制。而以普通松香為原料，經過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性質又進一步提高了油溶率且軟化點范圍可調，可滿足更多對性能上的要求，適用范圍得到擴展，如趙慶波等[13]利用加入其他官能團的方法來增強作為原料的天然高分子松香的油溶性、調節其軟化點范圍，最終合成了一種油溶性、暫堵強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場得到了應用，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。壓裂結束后蠟球暫堵劑依靠地層溫度軟化，逐漸失去對地層的封堵能力。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可與原油較好配伍，不會因溫度變化而導致物質析出、結塊等，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法比擬的優勢，如因粒度小而得以進人射孔孔眼內部甚至井底附近地帶實現封堵，但其主要原料石蠟也具有諸如軟化點低、封堵效果較差、對于施工壓力和地層溫度較高的儲層不再適用等缺陷，因此這也在一定程度上導致了蠟球暫堵劑強度低、用量大、地層傷害大、適用性差。同時，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、黏稠樹脂的，其作用原理類似于油溶性樹脂，強度不高但能較好地實現和地層孔隙匹配[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油井結構，有助于后續持續開采。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，容易對地層造成污染，這在一定程度上會制約其現場應用。

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]，壓裂施工結束后可在無需要加入其他助劑的情況下溶解于儲層流體中返排出地層，不會對地層造成污染[21]，對于高含水油井及注水井，裂縫封堵效果下降，解除堵塞時間較長，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品，其在水中可溶且溶解之后具有良好的增黏性，暫堵結束后能直接溶解或經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類水溶性壓裂暫堵劑和非交聯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，結合交聯劑（帶有不飽和雙鍵的有機物DJ-1）和引發劑（過硫酸銨、亞硫酸氫鈉）研制的水溶性壓裂暫堵劑、趙志強等[24]開發的地下成膠凝膠暫堵劑HFriGel交聯類水溶性壓裂暫堵劑以及劉少克[23]利用骨膠、交聯劑（WEQ）及增稠劑等材料制備的水溶性壓裂暫堵劑，均為交聯類水溶性壓裂暫堵劑，可通過交聯成膠來提高自身強度以達到實現暫堵轉向所需強度要求[4]。非交聯類水溶性暫堵劑主要分為由植物膠、改性淀粉復配的產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，無法在溫度較高的井內使用，不能有效封堵較小的孔隙和裂縫，同時溶解過快造成承壓能力下降，也影響了暫堵劑的暫堵轉向效果，后者生產工藝較為復雜且生產過程存在一定風險，合成出的產品非均質，產物波動性大。

水溶性壓裂暫堵劑線性大分子鏈上的極性基團能夠與一些多價金屬離子及有機基團（交聯劑）反應得到交聯產物凍膠，使壓裂暫堵劑在失去水溶性及流動性的同時，其粘附性能得到很大改善，表現出較好的黏彈性，封堵強度較高[2]。

此外，水溶性壓裂暫堵劑親水性、分散性及穩定性良好，和壓裂液較好配伍。壓裂改造結束后溶于水基流體并由其攜帶返出地層不會對地層造成傷害，同時也不會污染環境，符合我國建設綠色油田的環保理念。

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老油田開發后期的高含水特征，對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油田進行的注水開發作業持續進行，油田內大部分主力區塊已經進入含水可達70%以上的中高含水期。針對高含水重復壓裂井，通過大量的室內實驗和材料研究研制了新型水溶性高強度暫堵劑，其封堵強度較高，封堵效果好，且在水溶液中溶解性能好、溶解速度快，施工結束后解堵迅速，不污染地層，在現場應用效果出色[27]。

3 結論及建議

（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用于油井壓裂施工中的油溶性壓裂暫堵劑，同時基于國內外通常采用水基壓裂液進行壓裂改造[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，施工結束后可通過水溶降解由壓裂返排液攜帶返出地面，對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；我國多數油田目前已進入含水率較高的中、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對高含水的特征；為降低重復壓裂改造高含水老井時壓裂液對油層的污染，目前普遍采取快速返排破膠液技術這三點現狀，水溶性壓裂暫堵劑的研究和應用更加符合主流發展趨勢，未來還應主要圍繞水溶性來研發合適的壓裂暫堵材料。其中，具有環境友好、地層傷害小這一特點的可降解壓裂暫堵劑，得益于油氣層保護在我國受到普遍重視及綠色化學品產業逐漸進步，已得到越來越多的關注，是壓裂暫堵劑在未來發展的一個重要方向。

（2）在油田壓裂用暫堵劑未來的發展過程中，廣大研究者還需注意以下幾個方面的問題：

①要加大對油田壓裂用暫堵劑包括暫堵機理、解堵機理在內的作用機理方面的理論研究，為進一步研發、應用壓裂暫堵劑提供理論基礎。

②隨著可持續發展戰略在我國逐步深入，各油田目前已開始采取多種措施以實現綠色生產零污染，具有環境友好特征的新型壓裂暫堵劑應成為研究者關注的重點，在未來要加強對復合型水溶性壓裂暫堵劑的研發。

③應努力提高壓裂暫堵劑的“性價比”，在做到暫堵材料來源廣、價格低，經濟成本降低的同時改善暫堵劑的性能，豐富暫堵劑的功能，使其可以應用于更多類型的儲層。