重复压裂用转向剂的研究及应用进展

第46卷第11期2018年6月广　州　化　工

Guangzhou Chemical Industry

Vol.46No.11Jun.2018

重复压裂用转向剂的研究及应用进展

*

李　锐,余维初

(长江大学化学与环境工程学院,湖北　荆州　434023)

摘　要:随着储层改造增产的需求日益紧迫,重复压裂用转向剂的研究也逐渐趋于多元化,不同类型的转向剂应运而生㊂

目前关于转向剂的研究主要集中于提高封堵能力㊁扩展应用范围和降低储层伤害三个方面㊂文中结合国内外研究现状,对具有自清洁能力的可降解转向剂及应用较为广泛的交联型转向剂进行了重点论述,认为响应国家的绿色发展理念的可降解转向剂是今后的主要研究方向㊂

关键词:转向剂;暂堵剂;重复压裂;转向压裂　

中图分类号:TE39

　文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2018)11-0007-04

*

基金项目:国家科技重大专项(2017ZX05049003-007)㊂

第一作者:李锐(1994-),男,硕士研究生,研究方向:油气田应用化学㊂

通讯作者:余维初(1965-),男,教授,博士生导师,从事钻井液㊁压裂液等领域的教学和科研工作,E-mail:yuweichu@㊂

Progress on Research and Application of Temporary

Diverting Agent for Refracturing *

LI Rui ,YU Wei -chu

(Yangtze University,Hubei Jingzhou 434023,China)

Abstract :With the urgent demand for reservoir stimulation,researches on diversion fracturing agent gradually become diversified,and various types of diverting agents emerge as the time requires.At present,the relevant research focuses mainly on improving the sealing capacity,extending the application range and reducing reservoir bined with the current situation at home and abroad,biodegradable diverting agents with self-cleaning ability and the more widely used crosslinking diverting agents were focused on.It was believed that the biodegradable diverting agent responded to the national green development concept was the main developing agent direction.

Key words :diverting agents;temporary diversion;refracturing;diverting fracturing

当前很多老油田已经到了开发后期,面临着低产㊁高含水等问题,且随着各种非常规油气开发的火热[1-2],必须进行有效的储层改造,以提高单井效益㊂储层体积改造的关键技术有分段多簇射孔技术㊁大型滑溜水压裂技术和可钻式桥塞封隔技术㊂而在大型滑溜水压裂操作时,由于单纯的重复压裂只能张开或延伸原有裂缝,增产效果不佳,因此应用有效的转向剂实现裂缝的转向显得尤为重要[3]㊂在对非均质性储层中进行改造时,将转向剂有计划地注入到原裂缝中,提高地层内净压力,为后续油气开采提供新的通道,可有效的增大油藏改造体积[4],从而提高采收率㊂在其基本概念中,与调剖暂堵剂有相似之处,而区别在于储层改造用转向剂主要用于压裂施工阶段,需要承压的能力更强,从而足以改变原地应力场压出新的裂缝[5-7],主要目的是堵旧缝㊁造新缝;而调剖暂堵剂主要用于注水阶段,原理是流体会先进入高渗透率区域形成堵塞,从而将水导向低渗透率区,主要目的是堵大缝㊁通小缝[8]㊂文中结合重复压裂用转向剂的国内外研究现状,对其应用㊁暂堵机理㊁优缺点等方面进行了综述,以使对转向剂有更全面的认识㊂

1　转向剂类型及研究进展

有关转向压裂剂的研究已有较长的历史,较早的报道是1936年Halliburton [9]的一个专利㊂该专利提出使用硫酸替代部分酸液与岩石反应生成硫酸钙,用作后期泵送盐酸压裂液的转向剂㊂由于该技术会对储层造成永久性伤害,因而未得到推广应用㊂1989年Nitters G 等[10]指出虽然化学转向剂对于酸压增产具有包括成本较低㊁操作较为方便等优势,但是由于缺乏配套的工艺及设备,导致其应用效果不佳,当时主要采用的是定向射孔等机械方法㊂

目前为止,转向剂主要研究难点为:(1)其能否在地层条件下发生可控的化学反应或物理作用,达到良好的暂堵效果;(2)其是否会对储层造成伤害㊂随着相关材料的不断升级和改造,现在涌现出了各种各样的转向剂,在不同的条件下均可实现暂堵承压转向的功能,而对于转向剂分类的方法也有所不同㊂比如可根据解堵方法分为酸溶型㊁水溶型㊁油溶型,也可根据转向剂应用时的状态将其分为颗粒型㊁纤维型㊁交联型㊁泡沫型[11-15]㊂本文按照解堵时的机理分类,论述了研究比较热

8　广　州　化　工2018年6月

门的可降解转向剂㊁应用广泛的交联型转向剂㊁水溶性转向剂㊁油溶性转向剂及酸溶性转向剂的国内外相关研究及应用现状㊂

1.1　可降解转向剂

可降解转向剂溶解性不是特别好,但是在一定条件下某些键位会受到水或催化剂的攻击,引起化学分解㊂可降解转向剂通常是脂族聚酯㊁聚酸酐㊁聚酰胺等类型的聚合物㊂在注入地层后,转向剂只需要在短时间内起到有效的暂堵作用,一段时间后被降解,并溶于反排水,不会对储层造成伤害,如图1所示㊂由于其低甚至无储层伤害的特性,使其成为近些年该领域研究较为热门的材料

㊂

图1　降解过程

Fig.1　The process of degradation

最早于2011年,Allison 等[16]从可降解包装袋得到启发,合成了一种聚乳酸PLA 改性而来的可降解颗粒,与前期常用的岩盐㊁球状封堵材料㊁苯甲酸片进行了性能的对比,筛选出合适的粒径范围与配比后应用于滑溜水体系㊂其具有储层伤害小㊁对环境友好等优点,在美国Barnett 页岩油田进行应用时,加入处理剂后均可明显提升井内压力㊂

且聚乳酸类物质分解后具有酸性,对碳酸岩层有改造作用,引起了相关领域研究人员的关注㊂如F Liang 等[17]通过熔融共混制备多种聚乳酸(PLA)类转向剂,并提出:(1)增塑剂的加入能更好的控制滤失,并使支撑剂分布的更均匀,提高缝网的复杂程度;(2)用半结晶PLA 增强无定形PLA,可大幅增强抗压能力㊂为使可降解转向剂适应范围更广(如低温地层),提高聚合物的降解速率,降低储层伤害率㊂Cortez 等[18]研究了几种常见的可降解转向剂所适宜配套使用的降解催化剂,并从机理上分析得出:胺类降解剂是通过亲核进攻促进转向剂降解的㊂

在2012年,Luo 等[19]在专利中提出多种方案,包括利用蛋白质㊁脂肪酸酯㊁脂肪醇等较为环保的原料复配出可在钻井㊁转向压裂㊁酸化压裂中应用的可降解转向剂,后期通过加入增塑剂可增强聚合物的稳定性㊂该转向剂具有良好的封堵性能和降滤失性能,且环保无储层伤害,应用价值较高㊂

为达到更好的封堵效果,而在2015年,Xue 等[20]提出利用可降解颗粒和纤维作为复合转向剂㊂纤维剂首先桥接在原来的旧裂缝中,后面的颗粒剂可变形膨胀,进一步积聚在裂缝中的成形桥上,形成有效的堵塞㊂利用造缝岩心评价其抗压强度可达40MPa,在吉林油田应用时可明显探测到有新裂缝的产生,日产油量提升数倍㊂

哈里伯顿[21-22]一直对该领域有较多的研究,近期研发了BioVert 可降解转向剂,并形成了成套的Activate 重复压裂服务㊂其转向剂可按需特制,能做到对射孔段和缝网同时形成暂堵,建立复杂程度更高的缝网结构,成功施工后可减缓油井衰减速率,改善油井的长期生产效果㊂成本为开发一口新井的1/3,在美国多个油田已经进行了试验,取得了很好的效果㊂

国内许多课题组也进行了相关的研究,如徐等[23]通过动静

态试验评价了两种可降解的转向剂,并对施工工艺进行了优化㊂产品在长庆油田现场应用时,形成了有效的暂时封堵,井下压力明显上升㊂微地震裂缝监测表明流体交替注入堵剂可提高老油井的SRV,3口井的平均日产油量增加了72%㊂陈洋等[24]制备了一种适用于中低温的地层的苯乙烯改性树脂,在合成中用到了二元醇㊁邻苯二甲酸㊁二甲苯㊁甲苯乙烯㊁丙烯酸等原料,其封堵性能好,可完全降解㊂

中国石油大学(北京)的周福建课题组对于该领域有较为深入的研究,并完成了 基于靶向暂堵的深层油气藏高导流多缝改造增产技术与应用”的项目㊂其申请了多项专利[25-27],利用PLA㊁PGA 或PCL 等进行熔融混炼反应制备树脂纳米转向剂㊂2015年建立了纤维滤饼附加压差数学模型[28],具体分析了纤维暂堵人工裂缝附加压差影响因素㊂在2016年,提出:(1)同一裂缝宽度下,随着流速增加,所需纤维质量分数会增加;在同一流速下,裂缝宽度越大,所需纤维质量分数也越大㊂(2)当水平主应力差低于7.5MPa,纤维可使裂缝发生转向;当高于7.5MPa,难以使裂缝发生转向㊂其研制的可降解纤维在少量水存在的情况下降解率能够达到85%以上,在现场采用人工裂缝强制转向酸压工艺增产效果明显[29]㊂后又研发了一种纤维球[30],可显著增大井筒净压力,且在140℃下6h 可彻底降解,已应用于多口稠油深井,处理后油产量比常规增产提高了50%~60%㊂周福建课题组在该领域的研究较为系统,不仅研发了多种可降解转向剂,还对其作用机理及影响因素进行了研究,并给出了具体的施工建议,在现场取得了较好的应用效果㊂

1.2　交联型转向剂

交联型转向剂指胶体颗粒㊁大分子或表面活性剂分子之间因次价键形成空间的网状结构,液体存在于结构孔隙中,形成了有一定强度的冻胶,具有暂时封堵促使流体转向的作用㊂可直接将高粘液注入地层,或注入预胶液,使其在地层条件下进行交联㊂很多研究人员将先前的堵水中的相关研究迁移至该领域,但是需要提升材料的抗压能力㊁缩短破胶时间和降低储层伤害率等以满足转向剂的现场应用要求㊂

利用不同的聚合物和交联剂反应,可得到满足不同地层条件应用的转向剂㊂如李丹等[31]利用不同聚丙烯酰胺与多种交联剂进行交联反应,得到了配方为0.5%HPAM+0.1%自制高温铬交联剂G+0.2%交联剂YG107+0.03%破胶剂的交联型转向剂,该产品的成冻时间为10h,稳定时间为3.8d,封堵率可达92%,渗透率恢复值在83%㊂

在2014年,车航等[32]根据华北油田阿尔区块地层特点,优选出了配方为AS-1+交联剂Y-Z+助剂C 的转向剂,并结合现场实际情况,提出采取三段式注入的方法,每一段转向剂的量均不同,应用时其抗冲击能力远大于现场要求㊂

在页岩气井中,储层改造尤为重要,该类转向剂也可发挥作用㊂Sheng 等[33]针对四川普光气田高含硫量碳酸盐岩气藏的条件,研发了配方为15%~20%HCl㊁3.0%缓蚀剂(酮醛缩胺化合物+氧缩合物+表面活性剂)㊁1.6%~2.0%增稠剂(耐高温降阻剂+丙烯酰胺类共聚物)㊁2.5%~3%分散剂(柠檬酸㊁乙缩醛㊁EDTA)㊁0.75%复合助流剂的酸化压裂液体系,其抗温能力达140℃,减阻率较高,耐压能力较强,适用于高含硫㊁低渗储层深井压裂㊂在现场应用时,天然气流量稳定提升5.2%,效果较好㊂

1.3　水溶性颗粒转向剂

水溶性转向剂与可降解转向剂作用机理类似,但水溶性转