周福建 ，袁立山，劉雄飛 ，王博，李明輝 ，李奔

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249

3 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

4 中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，克拉瑪依 834000

0 引言

非常規(guī)油氣資源稟賦較差，普遍存在儲層致密、低孔、低滲等特征，必需通過儲層壓裂改造才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)[1]。其中，水平井分段壓裂技術(shù)已經(jīng)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù)[2]。以我國頁巖氣開發(fā)為例，近年來，在降本提質(zhì)增效的前提下，水平段長幾乎不變，但射孔簇?cái)?shù)從2～3簇增加到5～11簇，簇間距由25～30 m縮短到5～10 m[3]。隨著射孔簇?cái)?shù)的增加，由射孔不完善、射孔非均勻沖蝕[4-5]、地層非均質(zhì)性[6-7]等因素造成各簇裂縫難以同步起裂、裂縫擴(kuò)展不均勻，導(dǎo)致目標(biāo)層段整體動用不足，降低改造效果。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)(TPDF)通過泵入可降解暫堵劑，封堵先壓裂縫，改變液流方向，在未改造或欠改造層段開啟新裂縫，大幅度提高整體改造效果[8-10]。該技術(shù)已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。本文全面回顧了暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的發(fā)展歷程，從暫堵轉(zhuǎn)向壓裂機(jī)理、材料和工藝3個(gè)方面歸納總結(jié)了暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的關(guān)鍵技術(shù)，并對技術(shù)的發(fā)展做了一定的展望，以期對國內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的發(fā)展起到一定的建設(shè)性作用。

1 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂機(jī)理

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)是在壓裂過程中通過工作液攜帶暫堵劑進(jìn)入已壓開的裂縫或與高滲帶連通的炮眼，形成高強(qiáng)度的濾餅橋堵，阻止后續(xù)壓裂液進(jìn)入原裂縫和高滲帶，迫使井底靜壓力升高，在高應(yīng)力區(qū)開啟新的裂縫，作業(yè)結(jié)束后暫堵劑完全溶(降)解，使裂縫恢復(fù)導(dǎo)流能力[11]。從其定義可知，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂過程中有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，首先，暫堵劑需要進(jìn)入目標(biāo)層位，其次，暫堵劑能夠形成有效封堵，再次，封堵后能夠開啟新的裂縫，最后，暫堵劑能夠完全降解。

1.1 暫堵劑運(yùn)移機(jī)理

1.1.1 直井內(nèi)的運(yùn)移

暫堵劑的運(yùn)移行為及規(guī)律最早在直井的投球暫堵工藝中受到人們的關(guān)注。Brown等[12]通過對這一過程的受力分析，認(rèn)為暫堵球在炮眼處的運(yùn)移坐封行為主要受慣性力和拖曳力的影響，如圖1所示。通過對暫堵球速度和其所受的拖曳力和慣性力的估算，提出了判斷暫堵球坐封的數(shù)學(xué)模型，并分析了影響坐封效率的因素，包括暫堵球的類型和尺寸、炮眼尺寸和數(shù)量、泵注排量和流體類型等。研究表明可以通過增加泵注排量以提高拖曳力或者改變暫堵球尺寸和類型以最小化其所受慣性力，從而提高暫堵球的坐封效率。但是需要注意的是，排量的增大會導(dǎo)致暫堵球慣性力增大，因此，僅增大注入排量往往不能很好地改善坐封效果。Steven[13]研究了不同密度暫堵球的坐封效率，發(fā)現(xiàn)對于常規(guī)的暫堵球(非浮力暫堵球，密度大于流體密度)，隨著排量的增加，其坐封效率逐步增大，但通常不能實(shí)現(xiàn)完全封堵，而浮力型暫堵球由于不會沉降，可以實(shí)現(xiàn)完全封堵。此外，蔡華等[14]認(rèn)為減少射孔數(shù)也能夠提高暫堵球的坐封效率。

圖1 控制暫堵球坐封效率的基礎(chǔ)力簡化示意圖[12]Fig.1 Simplified sketch of the basic forces governing ball sealer efficiency[12]

Nozaki等[15]延續(xù)Brown的分析思路，采用拖曳力與慣性力的比值(Rball)來分析暫堵球的坐封效率，并提出了暫堵球封堵效率估算的經(jīng)驗(yàn)公式。劉明明等[16]通過調(diào)研認(rèn)為當(dāng)Rball＞3.25時(shí)，暫堵球可對炮眼具有較高的封堵效率。Tan等[17]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)投球封堵效率具有上限，并且暫堵劑在井筒截面上所處的位置不同，其對炮眼的坐封效率也不同，因此，修正了Brown提出的暫堵球坐封效率模型，進(jìn)一步提高了模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配程度。

顆粒在流場中的運(yùn)動還受附加質(zhì)量力、Magnus力和Asffman力等的影響，其中大部分都與顆粒附近的流場有關(guān)。在忽略暫堵球?qū)α鲌龅挠绊憰r(shí)，李會雄等[18]通過將各力分別與Stokes力比較，判斷得知重力、浮力、附加質(zhì)量力、黏性阻力以及慣性力對暫堵球的運(yùn)移起主要作用，而其余力的影響可以忽略。肖暉等[19]進(jìn)一步引入了管壁效應(yīng)對暫堵球運(yùn)移的影響，修正了暫堵球沉降速度。韓慧芬等[20]在模型中考慮了Basset力的影響，對暫堵球在直井內(nèi)的運(yùn)動速度進(jìn)行了更精細(xì)的計(jì)算，有助于提高后續(xù)估算暫堵球坐封效率的準(zhǔn)確性。

1.1.2 水平井內(nèi)的運(yùn)移

與直井相比，暫堵劑在水平井內(nèi)的運(yùn)移更復(fù)雜，但運(yùn)移行為是由受力決定的，其中，慣性力和拖曳力仍是主要作用力。此外，炮眼在水平井筒上的分布位置也影響暫堵劑是否容易進(jìn)入其中。因此，提高暫堵劑在炮眼處的運(yùn)移效率應(yīng)當(dāng)增大拖曳力、減小慣性力或縮短暫堵劑與炮眼在垂向上的高度差。對于水平井多簇壓裂，暫堵劑在炮眼處的運(yùn)移效率受炮眼的分流比、相位角、形狀以及泵注排量、攜帶液黏度等因素的影響。對于顆粒類暫堵劑，當(dāng)攜帶液對其具有較好的攜帶性或者其能夠在井筒橫截面上均勻分布時(shí)，其在炮眼處的運(yùn)移效率與炮眼分流比的關(guān)系為一條過原點(diǎn)的弧線，物模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都證實(shí)了這種現(xiàn)象[21-22]。然而，非浮力暫堵劑通常沿著水平井筒底部向前運(yùn)移，其在井筒截面上的分布表現(xiàn)為局部集中，因此，其在炮眼處的運(yùn)移效率與炮眼分流比的關(guān)系并不過原點(diǎn)[23]。此外，Yuan等[23]的研究還表明，泵注排量的增大可使運(yùn)移效率先增大后減小，增大液體黏度和采用多種密度混合的暫堵劑可以提高暫堵劑在炮眼處的運(yùn)移效率。Wang[24]和郭建春[25]等采用3種密度不同的暫堵球進(jìn)行水平井暫堵壓裂，以期分別封堵水平井頂部、中部和底部的炮眼，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證明該方法可取得較好的暫堵效果。

1.2 暫堵劑封堵機(jī)理

1.2.1 研究手段

暫堵作業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)即是對目標(biāo)炮眼或裂縫形成致密封堵。研究手段以物模實(shí)驗(yàn)為主，數(shù)模研究相對薄弱。Zhang等[26]總結(jié)了近年來裂縫暫堵實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)展歷程，早期的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多采用堵漏儀評價(jià)暫堵劑的封堵能力，其對裂縫和炮眼的模擬較為簡化，隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，模擬裂縫尺寸逐漸增大[27-28]、裂縫形貌從平行金屬板發(fā)展到3D打印粗糙裂縫[29-31]。由于暫堵劑的封堵行為需要對顆粒的位移和軌跡進(jìn)行精確模擬，常見的數(shù)值模擬研究均采用耦合計(jì)算流體動力學(xué)—離散元方法(CFD-DEM)進(jìn)行模擬。Lin[32]和秦浩[33]等基于該方法研究了暫堵劑顆粒在楔形裂縫內(nèi)的架橋封堵過程。

1.2.2 顆粒和纖維暫堵機(jī)理

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂中常用的暫堵劑包括顆粒和纖維等類型。根據(jù)暫堵材料的強(qiáng)度可分為剛性材料和柔性材料，與之對應(yīng)的存在剛性封堵理論和柔性封堵理論[34]。其中，剛性封堵理論主要包括架橋和充填2種機(jī)理[35-36]。尺寸相對較大的顆粒在炮眼或裂縫開口處先形成一個(gè)穩(wěn)定的架橋結(jié)構(gòu)，這些顆粒從流動體系中逐漸沉積下來。盡管大顆粒在此階段的流動受到限制，但是尺寸較小的顆粒和流體仍可以通過大顆粒之間的間隙流動，因此，單純的架橋不一定能限制流體和壓力的溝通。隨后，在充填階段，尺寸較小的顆粒充填架橋結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙，最終形成致密的封堵帶，建立起足夠大的壓差，實(shí)現(xiàn)液體分流[37-40]。若沒有大顆粒形成穩(wěn)定的架橋結(jié)構(gòu)，小顆粒會進(jìn)入裂縫內(nèi)，無法形成有效的封堵，因此，架橋和堵塞是相輔相成的。此外，纖維常搭配顆粒暫堵劑一起使用。纖維在其中具有多種作用，首先纖維在裂縫壁面粘附聚集，能夠捕集后續(xù)流過的顆粒和纖維，輔助顆粒形成架橋封堵，此外，顆粒架橋間的孔隙能夠被纖維很好的填充，進(jìn)一步降低封堵帶的滲透率[28,41-44]。

顆粒暫堵劑的尺寸與炮眼或者裂縫的寬度之間通常需要進(jìn)行匹配才能實(shí)現(xiàn)有效的封堵。采用單一尺寸的暫堵劑進(jìn)行封堵時(shí)，一般認(rèn)為暫堵劑的尺寸應(yīng)當(dāng)為裂縫寬度的1/3，這被稱為“三分之一”架橋規(guī)則[45]。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)采用該規(guī)則在某些情況下并不能達(dá)到最佳效果。因此，學(xué)者們又陸續(xù)提出了理想充填理論，d90規(guī)則等[46-48]。由于單一粒徑暫堵劑形成的封堵帶存在滲透率較大的問題，后續(xù)多采用具有連續(xù)粒徑分布的暫堵劑顆粒進(jìn)行暫堵作業(yè)，并由此發(fā)展形成了多級架橋暫堵技術(shù)[49-50]。在暫堵支撐裂縫時(shí)，暫堵劑顆粒的尺寸分布范圍越廣，其封堵效果越好。Van Domelen[51]提出暫堵劑顆粒應(yīng)當(dāng)按照尺寸大致分為四級，即：粗顆粒(4～18目)，中等顆粒(20～70目)，細(xì)顆粒(100～200目)和粉末(270目或更小)?，F(xiàn)場作業(yè)中通常采用兩種粒徑的暫堵劑混配的方式[52]?？紤]到特定儲層壓裂所形成的水力裂縫形貌差異，在模擬裂縫形貌的條件下，針對不同縫寬可進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化暫堵劑的粒徑組合[31,53-54]。

暫堵劑在裂縫內(nèi)的封堵受多種因素的影響，包括裂縫形貌、暫堵劑濃度、泵注排量、攜帶液黏度。研究表明，顆粒暫堵劑主要在縫內(nèi)狹窄位置形成架橋封堵，因此，裂縫的迂曲度以及粗糙度對封堵效果具有顯著影響[31,53,55]。此外，增大暫堵劑濃度、提高泵注排量和攜帶液黏度均有助于暫堵劑形成封堵。值得注意的是，現(xiàn)場在添加暫堵劑時(shí)，纖維、顆粒濃度過大易造成管線堵塞。對于水平井多簇壓裂的情況，由于射孔孔眼數(shù)多，暫堵劑在各炮眼間的運(yùn)移規(guī)律較為復(fù)雜，位于水平井筒不同位置處的炮眼的暫堵效率與泵注排量息息相關(guān)。因此，需要針對不同的射孔角度以及不同的炮眼分流比優(yōu)化設(shè)計(jì)泵注程序[23,56-57]。

1.3 裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理

1.3.1 主要研究手段

三軸壓裂物模實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證通過暫堵技術(shù)實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向的重要研究手段。De Pater展示了三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，在此基礎(chǔ)上，陳和周等人采用大尺度真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了對天然巖樣和人造巖樣的壓裂實(shí)驗(yàn)[58-60]。在眾多水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)中，巖樣尺寸不一，從80 mm×80 mm×100 mm到800 mm×800 mm×800 mm不等[10,61-66]。對于水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)的觀察和描述形成了一套詳細(xì)的工作流程，包括采用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)可以了解和認(rèn)識巖樣內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展動態(tài)過程[62,67]，采用添加彩色示蹤劑的壓裂液顯示水力裂縫的空間形態(tài)，采用CT掃描壓裂前后的試樣并進(jìn)行三維重構(gòu)準(zhǔn)確描述裂縫擴(kuò)展形態(tài)[68-70]。

由于暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)有多種應(yīng)用場景，包括直井分層壓裂，直井平面轉(zhuǎn)向壓裂，水平井裸眼完井多級壓裂等，其物模實(shí)驗(yàn)也針對性的采用了不同的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)不同的完井方式(裸眼、人造井筒)、井筒方向、射孔(射孔簇?cái)?shù))等[11,26,41,71]。

此外，數(shù)值模擬也常用于研究轉(zhuǎn)向裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，主要的數(shù)值模擬方法包括有限元(FEM)和內(nèi)聚區(qū)方法(CZM)[72-74]、擴(kuò)展有限元(XFEM)[75-76]、離散元(DEM)[77-78]和位移不連續(xù)法(DDM)[79-80]等。

1.3.2 裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律

轉(zhuǎn)向裂縫的延伸主要受水平應(yīng)力差、射孔參數(shù)、流體參數(shù)等因素影響。研究表明，先壓開的裂縫可能顯著改變原始地應(yīng)力場，加入暫堵劑后，凈壓力的增加也會引起主應(yīng)力重定向，這有利于轉(zhuǎn)向裂縫的產(chǎn)生[74,81]。其中，當(dāng)水平應(yīng)力差較小時(shí)，轉(zhuǎn)向裂縫沿著射孔方向延伸，傾向于形成復(fù)雜裂縫；當(dāng)水平應(yīng)力差較大時(shí)，轉(zhuǎn)向裂縫的延伸逐漸向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，甚至沿著初始裂縫延伸，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)向裂縫[11,64,82-83]。

暫堵劑的封堵位置也影響了轉(zhuǎn)向裂縫的延伸模式。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)水力壓裂裂縫的縫寬較小，顆粒或纖維暫堵劑大多在縫口位置形成封堵[26,71]。通過人為支撐水力裂縫或者采用粒徑較小的暫堵劑的方式可以實(shí)現(xiàn)暫堵劑在裂縫尖端形成封堵[84-85]。暫堵劑在初始裂縫的縫端或縫口形成封堵，可能產(chǎn)生3種轉(zhuǎn)向裂縫延伸模式，即：初始裂縫的根部產(chǎn)生轉(zhuǎn)向裂縫，初始裂縫的內(nèi)部產(chǎn)生轉(zhuǎn)向裂縫，遠(yuǎn)離初始裂縫的位置產(chǎn)生轉(zhuǎn)向裂縫[84]。此外，暫堵位置越靠近初始裂縫的根部，轉(zhuǎn)向裂縫受到的應(yīng)力干擾越強(qiáng)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向裂縫距初始裂縫的距離越遠(yuǎn)[82]。

裂縫暫堵轉(zhuǎn)向的核心是激活天然弱面，而天然弱面分為強(qiáng)膠結(jié)和弱膠結(jié)兩種情況[86-87]。對于強(qiáng)膠結(jié)天然弱面，通過化學(xué)損傷的方法降低其膠結(jié)強(qiáng)度，從而提高天然弱面開啟率，是目前研究的熱點(diǎn)[88-89]。此外，暫堵轉(zhuǎn)向本質(zhì)是一個(gè)多場耦合的復(fù)雜力學(xué)問題，建立完備的暫堵轉(zhuǎn)向模型，是厘清裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律的核心。

2 暫堵劑

暫堵劑，又稱轉(zhuǎn)向劑或暫堵轉(zhuǎn)向劑。暫堵劑有多種類型與劃分標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)展歷程及研究進(jìn)展已被廣泛報(bào)道。根據(jù)暫堵劑的承壓能力可分為用于壓裂酸化、修井、堵水調(diào)剖等作業(yè)的低承壓類型暫堵劑和轉(zhuǎn)向壓裂暫堵劑[90-91]。從形態(tài)上，暫堵劑包括固體顆粒、薄片、纖維、凍膠和泡沫等[91-95]。

在20世紀(jì)80年代，泡沫轉(zhuǎn)向劑流行于現(xiàn)場應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究中。由于泡沫轉(zhuǎn)向劑泵送簡單、具有初始的返排性能，至今仍用于砂巖和碳酸鹽巖儲層[96]。此外，凝膠和乳液類型暫堵劑的性能隨作業(yè)時(shí)間發(fā)生變化，具有不可預(yù)測性，因此，不推薦采用僅僅基于黏度性質(zhì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的暫堵劑。目前現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的暫堵劑包括顆粒和纖維2種類型。

Harrison[97]根據(jù)油氣田開發(fā)歷史論述了顆粒暫堵劑的發(fā)展過程，并劃分為3個(gè)階段。早期，1932—1945年，儲層深度大約為3000～5000 ft，改造措施通常為小規(guī)模(液量小于2000 gal)，暫堵劑主要應(yīng)用于碳酸鹽巖儲層酸壓，防止酸壓溝通底水。此后，1946—1960年，儲層開發(fā)深度來到4000～8000 ft，改造措施逐漸采用大體積壓裂/酸壓。1960年后，深層氣藏(15000～22000 ft)得到開發(fā)，高溫高壓條件給暫堵劑帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，儲層開發(fā)深度逐漸增大，對暫堵劑材料的要求也不斷提高。從材料上，暫堵劑包括惰性有機(jī)樹脂、固體有機(jī)酸、溶脹型聚合物、惰性固體等[97]。

固體暫堵劑從溶解性上可劃分為油溶、酸溶、堿溶和水溶。油溶性暫堵劑包括油溶性樹脂、瀝青和石蠟等，在油中具有良好的溶解性，不需要額外添加解堵劑，但此類暫堵劑通常承壓能力有限，受力易變性，制約了現(xiàn)場應(yīng)用；酸溶性暫堵劑的主要成分為碳酸鈣、陶粒等，其強(qiáng)度高、不易變形、抗溫性好，但由于其需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本較高的酸化解堵且難以完全解堵，其研究和應(yīng)用相對較少；堿溶性暫堵劑在油田現(xiàn)場的應(yīng)用不多，還處于室內(nèi)研發(fā)階段[90-91,93]。

水溶性暫堵劑是指在暫堵作業(yè)結(jié)束后能夠在壓裂液或返排液中直接溶解或破膠溶解或降解的暫堵劑，主要分為交聯(lián)類暫堵劑和非交聯(lián)類暫堵劑[90]。交聯(lián)類暫堵劑可能存在以下問題：殘?jiān)^多，交聯(lián)劑具有毒性，交聯(lián)及破膠受交聯(lián)劑、破膠劑、pH和溫度等因素影響大。非交聯(lián)類暫堵劑主要為聚合物類，大多含有一些水不溶物。

可降解類型的暫堵劑通常利用聚合物的水解實(shí)現(xiàn)材料在地層環(huán)境中的自然降解，目前溫控型的可降解暫堵劑得到廣泛關(guān)注和研究，通常需要添加活化劑控制降解時(shí)間[90]。此外，可生物降解類型暫堵劑對儲層傷害最小，不需要添加助劑。可降解化學(xué)顆粒暫堵劑的種類繁多，如聚氨酯、聚酯、聚醚、聚內(nèi)酯、聚酰胺、聚氨酯和聚乳酸(PLA)等材料[10,27,96,98-99]。在實(shí)際應(yīng)用過程中需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：顆粒尺寸多樣以便形成有效封堵，與攜帶液和儲層流體相匹配，在平均地層溫度下具有很好的熱穩(wěn)定性，以及能夠承受井底靜壓而不發(fā)生破壞[96]。

除了顆粒型暫堵劑，可降解纖維暫堵劑廣泛應(yīng)用于酸壓作業(yè)中，其原材料包括聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚乳酸和可降解聚酯等[90]。

理想的暫堵劑需要滿足如下要求：(1)能夠有效降低壓裂液在目標(biāo)儲層的濾失，例如已經(jīng)壓開的裂縫或者高滲層；(2)材料具有足夠大的強(qiáng)度，能夠承受施工壓力而不發(fā)生破壞；(3)材料在壓裂液或工作流體中不溶(降)解或緩慢溶(降)解，以至于其在達(dá)到目標(biāo)位置后仍有足夠大的尺寸；(4)材料在油氣生產(chǎn)過程中必須能夠完全降解，不需要額外注入流體進(jìn)行清除，并且解除封堵后不對儲層造成傷害[97,100]。目前，可降解水溶性暫堵劑是主流的發(fā)展趨勢[91]。

3 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝

3.1 技術(shù)分類

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)具有廣泛的適用性，既涵蓋直井又涵蓋水平井，既可應(yīng)用于新井的完井壓裂又可用于老井重復(fù)壓裂，既適用于水力壓裂又適用于酸化壓裂[101-102]。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)主要分為近井筒轉(zhuǎn)向和遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)向2類。從暫堵轉(zhuǎn)向壓裂作業(yè)的對象和目標(biāo)上，又可以細(xì)分為：直井平面暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、直井縱向分層分段暫堵轉(zhuǎn)向壓裂、水平井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂和遠(yuǎn)場暫堵轉(zhuǎn)向壓裂。

3.1.1 直井平面暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

直井平面暫堵轉(zhuǎn)向壓裂是近井筒轉(zhuǎn)向的一種，其原理是通過定向射孔技術(shù)控制初始裂縫和轉(zhuǎn)向裂縫的起裂位置[76]。其中，一半的射孔的方向沿著最大水平主應(yīng)力方向，另一半的射孔方向垂直于最大水平主應(yīng)力方向，如圖2所示。初次壓裂時(shí)，水力裂縫從射孔的尖端開始沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸，裂縫在該方向上的延伸阻力最小，被稱為優(yōu)勢裂縫平面。之后，注入暫堵劑，在初始裂縫內(nèi)形成致密的濾餅，使得井底流體壓力不能傳導(dǎo)至裂縫尖端，阻礙了初始裂縫的延伸。此時(shí)，繼續(xù)注入壓裂液，井底壓力進(jìn)一步上升，水力裂縫從垂直于最大水平主應(yīng)力方向上的射孔尖端開始延伸，此時(shí)產(chǎn)生的裂縫稱為轉(zhuǎn)向裂縫。

圖2 直井平面暫堵轉(zhuǎn)向壓裂示意圖Fig.2 Schematic diagram of in-plane TPDF in vertical wells

3.1.2 直井縱向分層分段暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

對于儲層厚度大，天然裂縫分布不均勻，縱向非均質(zhì)性嚴(yán)重的油氣藏，為了增大儲層動用程度，提高改造效果，往往需要進(jìn)行分層分段壓裂。采用常規(guī)的機(jī)械分段工具進(jìn)行分層分段改造安全風(fēng)險(xiǎn)大、操作復(fù)雜，施工成本高，分層分段易失效。因此，提出了一種化學(xué)暫堵分層分段的改造技術(shù)，稱之為縱向分層分段暫堵轉(zhuǎn)向壓裂。其機(jī)理為在縱向上，采用暫堵劑封堵已經(jīng)壓開的裂縫通道，迫使在縱向上產(chǎn)生更多的裂縫，實(shí)現(xiàn)分層分段壓裂改造，如圖3所示[10,103]。該技術(shù)在塔里木油田廣泛應(yīng)用，應(yīng)用最大井深7780 m，改造后平均單井增產(chǎn)是常規(guī)籠統(tǒng)改造技術(shù)的3.5倍[10]。

圖3 直井縱向分層暫堵轉(zhuǎn)向壓裂示意圖Fig.3 Schematic diagram of separate-layering TPDF in vertical wells

3.1.3 水平井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

水平井壓裂時(shí)，由于地層非均質(zhì)性、射孔不完善或者炮眼沖蝕等因素造成各射孔簇改造效果存在顯著差異，裂縫延伸不均勻。因此，初次壓裂后同時(shí)存在裂縫和欠改造的射孔簇。此時(shí)，注入暫堵劑封堵已經(jīng)壓開的裂縫，隨后繼續(xù)壓裂，在欠改造射孔簇開啟新的裂縫，如圖4所示[23,56,104-105]。該技術(shù)在長慶油田華H90-3井成功應(yīng)用，創(chuàng)亞洲陸上水平井最長水平段記錄。

圖4 水平井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂示意圖Fig.4 Schematic diagram of multistage TPDF in horizontal wells

該技術(shù)也可應(yīng)用于水平井多級重復(fù)壓裂。在具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)是否補(bǔ)孔以及補(bǔ)孔與暫堵的先后順序可分為：不補(bǔ)孔直接暫堵，先暫堵后補(bǔ)孔，先補(bǔ)孔后暫堵。其中，不補(bǔ)孔直接暫堵技術(shù)思路與水平井多級暫堵轉(zhuǎn)向壓裂一致，是對未改造或欠改造的射孔簇進(jìn)行壓裂。先暫堵后補(bǔ)孔，是在重復(fù)壓裂前先注入暫堵劑封堵所有已存在的裂縫，隨后在未改造區(qū)域(通常介于已有射孔簇之間)補(bǔ)射新孔，后續(xù)的壓裂液轉(zhuǎn)向進(jìn)入新的射孔簇。先補(bǔ)孔后暫堵與之不同，在補(bǔ)孔后，以低排量注入暫堵劑繞過新射孔簇而封堵已經(jīng)改造過的射孔簇，一旦這些射孔簇被封堵，井底壓力將升高開啟新的射孔簇[106]。

3.1.4 遠(yuǎn)場暫堵轉(zhuǎn)向壓裂

遠(yuǎn)場暫堵轉(zhuǎn)向壓裂是通過增大裂縫表面積來提高SRV，例如建立二級裂縫或者形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[107-108]。具體地，通過注入小尺寸的暫堵劑或支撐劑進(jìn)入裂縫遠(yuǎn)端形成封堵，阻礙裂縫的進(jìn)一步延伸，導(dǎo)致在后續(xù)壓裂過程中，井底壓力上升，產(chǎn)生次級裂縫形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。施工結(jié)束后，暫堵劑自降解，裂縫網(wǎng)絡(luò)提供產(chǎn)能。

圖5 遠(yuǎn)場暫堵轉(zhuǎn)向壓裂示意圖Fig.5 Schematic diagram of far-field TPDF

3.2 暫堵劑添加工藝

3.2.1 顆粒加入裝置

顆粒暫堵劑以及暫堵球這類固體堵劑的現(xiàn)場添加方式主要有3種，即通過混砂車、投球器或旁通管線加入流體中。通常大量的顆粒暫堵劑可直接通過混砂車加入，不需要額外的加注設(shè)備，如圖6所示[99]。投球器通常垂直連接在壓裂管線上，其下方通過電動旋塞閥控制暫堵劑的釋放，上方通常為一短節(jié)，用于儲存一定量的暫堵劑，如圖7所示。此種方式下暫堵劑的加量受旋塞閥上部空間大小的限制，通常用于添加少量的暫堵劑，例如添加暫堵球或“繩結(jié)”型暫堵劑。最后一種加入方式是通過旁通管線加入暫堵劑，如圖8所示。在暫堵作業(yè)時(shí)，將暫堵劑預(yù)置于旁通管線內(nèi)，打開連接旁通管的閥門，讓壓裂液將旁通管內(nèi)的暫堵劑攜帶進(jìn)入井筒。此種方式用于添加“繩結(jié)”型暫堵劑，工藝實(shí)現(xiàn)簡單，可操作性強(qiáng)，但暫堵劑加入次數(shù)受限，且不能很好的控制暫堵劑的加入間隔。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)干式加料器[99]Fig.6 Standard dry-additive feeder[99]

圖7 投球器Fig.7 Ball injector

圖8 通過旁通管線添加暫堵劑Fig.8 Adding the temporary plugging agent through the bypass pipeline

3.2.2 纖維加入裝置

纖維在加入時(shí)既要控制其加量實(shí)現(xiàn)勻速加入，又要將其分散避免成團(tuán)造成管線堵塞。因此，纖維加入裝置相對復(fù)雜，通常包括計(jì)量機(jī)構(gòu)、打散機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 纖維在線加入裝置Fig.9 Fiber on-line feeding device

3.3 暫堵劑加量設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的暫堵劑已經(jīng)在油田應(yīng)用多年，油服公司對其用量基本上形成了共識。Van Domelen[51]的統(tǒng)計(jì)表明，對于封堵炮眼，其用量通常較低，約0.5～1 lb/gal；對于裸眼完井或縫洞型儲層，其用量約5～10 lb/gal；對于可降解暫堵劑，其用量差異較大，通常介于1～6 lb/gal。在Williston盆地施工案例中，6家服務(wù)商根據(jù)自己的施工經(jīng)驗(yàn)給出了暫堵劑的推薦加量。對于裸眼完井，用量為0.25～4.1 lb/gal；對于固井射孔完井，用量為0.2～2.7 lb/孔。有服務(wù)商明確表示裸眼完井相比于套管射孔完井的堵劑用量要多20%～35%。盡管服務(wù)商推薦裸眼井段的堵劑用量應(yīng)為射孔段的1.25倍或1.5倍，但FracFocus的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，裸眼井段的堵劑用量約為射孔段的2.3倍。此外，轉(zhuǎn)向劑在不同區(qū)塊中單井或單段的用量存在顯著差異。

除了根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)獲得的暫堵劑加量準(zhǔn)則以外，也可根據(jù)封堵體積估算暫堵劑用量。首先基于暫堵帶形成后的受力平衡分析，確定暫堵帶的長度，進(jìn)而估算暫堵裂縫體積，并確定暫堵劑的加量[109-111]?，F(xiàn)場暫堵作業(yè)過程中通常采用注入過量的暫堵劑以實(shí)現(xiàn)較高的暫堵升壓幅度。高頻壓力監(jiān)測結(jié)果表明，這種做法可能對產(chǎn)能造成負(fù)面影響，因此，在設(shè)計(jì)暫堵劑加量時(shí)可以考慮高頻壓力分析得到的信息[112]。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)測與診斷技術(shù)

不同區(qū)塊、甚至不同井之間的參數(shù)差異巨大，因此，在暫堵轉(zhuǎn)向作業(yè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測并優(yōu)化施工顯得尤為重要，這通常需要利用多種先進(jìn)技術(shù)和監(jiān)測手段。

3.4.1 施工壓力分析

監(jiān)測暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工過程中的壓力響應(yīng)以及施工過程中裂縫梯度的變化是最常見的、最經(jīng)濟(jì)的判斷暫堵有效性的方法。在施工過程中應(yīng)當(dāng)觀察3種現(xiàn)象：(1)在恒定泵速下施工壓力整體的抬升趨勢；(2)當(dāng)暫堵劑到達(dá)射孔時(shí)的泵壓瞬時(shí)增加；(3)施工前期和后期的瞬時(shí)停泵壓力的增幅[51]。這3 種情況可能不會同時(shí)出現(xiàn)，但是任一顯著現(xiàn)象都可解釋為暫堵有效，其原理是發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，井筒內(nèi)的壓力必須至少增大到下一級裂縫的最小起裂/ 延伸壓力。具體操作中可采用一種曲線疊加法，將暫堵節(jié)點(diǎn)后的施工曲線沿時(shí)間軸向前平移，在保持加砂濃度、泵注排量與暫堵前加砂階段一致時(shí)，可以直觀的比較井口壓力的偏移情況[113]。

3.4.2 管外光纖技術(shù)

管外光纖技術(shù)于1990年代在油氣井中得到應(yīng)用，而分布式聲波傳感(DAS)技術(shù)的應(yīng)用起始于2009年[114]。該技術(shù)在套管外部安裝光纖電纜并下入井底，通過在電纜內(nèi)安裝多根光纖可以同時(shí)采集DAS和分布式溫度傳感(DTS)數(shù)據(jù)[115]。DAS的原理是將激光脈沖發(fā)送到光纖中，并記錄下背向散射光的強(qiáng)度，其中，聲學(xué)振動引起的光纖動態(tài)應(yīng)變會造成折射率的微小變化[116]。對背向散射光中的瑞利波進(jìn)行處理得到解釋結(jié)果，其分辨率通常在幾英尺左右[113,115,117]。DTS測量光纖的絕對溫度[117]，可以同時(shí)監(jiān)測壓裂過程中的地層冷卻過程以及生產(chǎn)前的地層回暖過程[118]。對DAS和DTS數(shù)據(jù)的分析不僅可以幫助確定各壓裂段之間是否發(fā)生溝通，還可以直接顯示在暫堵作業(yè)前后進(jìn)液射孔簇的位置，并給出各射孔簇的相對進(jìn)液量，如圖10所示[119-121]。

圖10 DAS和DTS顯示暫堵轉(zhuǎn)向成功[121]Fig.10 DAS and DTS showing successful diversion[121]

3.4.3 壓裂示蹤技術(shù)

水力壓裂裂縫放射性示蹤技術(shù)簡稱壓裂示蹤技術(shù)，其原理是在壓裂階段下入示蹤支撐劑，壓裂施工結(jié)束后通過下入高精度高分辨率的示蹤測井工具，測量近井筒位置的示蹤劑放射性強(qiáng)度，確定示蹤劑的分布情況，進(jìn)而計(jì)算和分析出水力裂縫的參數(shù)[122]。傳統(tǒng)的放射性示蹤劑采用包層式設(shè)計(jì)，放射性物質(zhì)容易脫落，造成設(shè)備污染。研究人員提出了一種特制的零污染示蹤劑，其原理是將少量的金屬鹽(氧化銻、或銥金屬、或氧化抗)與黏土充分混合，制成特殊的陶粒。然后，經(jīng)過核反應(yīng)堆內(nèi)的中子照射，激活陶粒內(nèi)部的金屬鹽。由此制成的示蹤劑所含放射性材料絕大多數(shù)位于陶粒內(nèi)部，可以忽略從表皮脫落的量，因此，避免了對人或設(shè)備的污染[123-124]?，F(xiàn)場一般采用3種示蹤砂所含放射性元素分別為124Sb、46Sc、192Ir。在暫堵前后加砂階段分別交替加入不同類型的示蹤砂，通過測量各示蹤砂的分布情況可確定暫堵作業(yè)后流體分布是否發(fā)生改變，進(jìn)而判斷暫堵的有效性，如圖11所示[125-127]。

圖11 一個(gè)壓裂段內(nèi)三段支撐劑間各加入4磅暫堵劑后的RA示蹤劑測井結(jié)果[127]Fig.11 RA tracer log for a stage with 4 lbs of diverter deployed in each sweep of a three proppant ramp design[127]

3.4.4 微地震監(jiān)測技術(shù)

微地震監(jiān)測是將一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的三分量地震接收系統(tǒng)，以大級距的排列方式，多級布放在壓裂井旁的一個(gè)鄰近井中，接收由于壓裂導(dǎo)致地下巖石斷裂所產(chǎn)生的微地震信號。在壓裂階段可以觀察到數(shù)以千計(jì)的微震事件，微震震源分布是劃定儲層改造體積的基本信息[128-129]。這些資料經(jīng)過處理可以估算出裂縫的尺寸和空間位置[130]?；诖耍梢灾庇^的觀察暫堵作業(yè)前后微震事件的空間是否重疊，以此判斷暫堵作業(yè)是否開啟新的裂縫，如圖12所示[27,131-132]。

圖12 5個(gè)壓裂段暫堵前后的微地震事件[131]Fig.12 Microseismic events for five stages, pre-diverter and post-diverter[131]

3.4.5 井下電視

井下視頻成像技術(shù)的主要手段是通過下入井下攝像頭獲取井底炮眼的清晰圖片，雖然在19世紀(jì)80年代就已經(jīng)得到應(yīng)用，但直到近年來，該技術(shù)才實(shí)現(xiàn)了可靠的獲取上百個(gè)炮眼的高清圖像作業(yè)需要[133]。具有代表性的技術(shù)為“鷹眼監(jiān)測技術(shù)”，它通過圖像算法校正并獲得射孔尺寸的各項(xiàng)參數(shù)，例如直徑、面積、周長等，如圖13所示[133]?；跍y量的炮眼尺寸可以計(jì)算出炮眼沖蝕，根據(jù)炮眼沖蝕與支撐劑體積/質(zhì)量之間的關(guān)系可以進(jìn)一步確定通過單個(gè)炮眼的支撐劑的量，由此，可以確定支撐劑的分布，從而評價(jià)裂縫的延伸情況[115,134-136]。將該技術(shù)應(yīng)用于暫堵轉(zhuǎn)向壓裂作業(yè)中可以確定暫堵作業(yè)的有效性。

圖13 壓裂后炮眼成像顯示被嚴(yán)重沖蝕[133]Fig.13 Post-fracturing perforation image clearly showing significant erosion[133]

3.4.6 高頻壓力監(jiān)測技術(shù)

在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，流量的突然變化會產(chǎn)生一系列的壓力脈沖，這就是水錘。壓裂施工作業(yè)過程中的停泵或關(guān)閉閥門會產(chǎn)生水錘，產(chǎn)生的壓力脈沖沿井筒到達(dá)井底，并與形成的裂縫相互作用，而后再返回地面，最終，形成了由一系列振蕩組成的壓力曲線，由于摩擦而呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢。高頻壓力監(jiān)測技術(shù)是一種簡單、經(jīng)濟(jì)的診斷方法，它僅依賴于地面壓力數(shù)據(jù)采集以及解釋算法，不需要改變或增加壓裂施工過程中的任何操作步驟[137]。研究表明，水力裂縫的產(chǎn)生會改變水錘信號的周期、振幅和持續(xù)時(shí)間，因此，通過對水錘信號的分析可以判斷井筒、裂縫以及儲層的連通性[138-140]。在暫堵轉(zhuǎn)向壓裂作業(yè)中，通過暫堵前的停泵以及施工結(jié)束后的停泵數(shù)據(jù)可以判斷進(jìn)液位置，由此確定暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的作業(yè)效果，如圖14所示[112]。

圖14 高頻壓力監(jiān)測進(jìn)液孔眼位置[112]Fig.14 High frequency pressure monitoring locations of holes accepting fluids[112]

鑒于暫堵作業(yè)在井與井之間仍存在較大差異，對暫堵施工效果的監(jiān)測對實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向壓裂實(shí)時(shí)優(yōu)化至關(guān)重要。對水錘信號數(shù)據(jù)的分析具有一定局限性，它受泵速變化、壓裂液成分、低采樣頻率等因素干擾[141]。生產(chǎn)錄井和化學(xué)示蹤劑等方法都可以進(jìn)行壓后的暫堵效果評估，但是它們不能對暫堵施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)[51]。雖然微地震監(jiān)測和DAS/DTS等高端技術(shù)能夠?yàn)闀憾缕陂g流體分布提供準(zhǔn)確的測量，但是這些技術(shù)需要長時(shí)間的準(zhǔn)備，極大地增加了作業(yè)成本，并且盡管在施工過程中可以快速獲得定性的評價(jià)，但是取得最終的解釋報(bào)告可能仍需數(shù)周時(shí)間[51]。

4 結(jié)論與展望

伴隨著油氣開發(fā)由常規(guī)進(jìn)入非常規(guī)領(lǐng)域，壓裂增產(chǎn)工藝不斷發(fā)展與進(jìn)步，在提質(zhì)增效的前提下，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)日趨完善。壓裂過程中加入暫堵劑可以改變壓裂液流向，增大儲層改造體積，提高油氣采收率。

(1)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂機(jī)理得到廣泛研究，特別地，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開展了大量的、多尺度的暫堵劑運(yùn)移、封堵與裂縫轉(zhuǎn)向規(guī)律研究，其中，暫堵研究重點(diǎn)關(guān)注暫堵劑的粒徑組合和濃度優(yōu)化，考慮封堵效率時(shí)還未結(jié)合暫堵劑向炮眼的運(yùn)移效率。此外，在數(shù)值模擬方面研究相對薄弱，封堵時(shí)缺乏對纖維類暫堵劑的研究，并且對裂縫表面形貌的處理仍極為簡化，難以反映真實(shí)裂縫內(nèi)的封堵規(guī)律。裂縫暫堵轉(zhuǎn)向模擬是一個(gè)多場耦合問題，數(shù)值模擬中對于暫堵過程的構(gòu)建還存在不足。

(2)顆粒和纖維是最常見的暫堵劑類型，其中，可降解性暫堵劑是暫堵劑發(fā)展的主流趨勢，但其應(yīng)用仍面臨著超深層高溫、超低溫儲層等復(fù)雜工況的挑戰(zhàn)。

(3)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝適用場景豐富，包括直井縱向分層、水平井分段分簇以及重復(fù)壓裂等。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂需要在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、優(yōu)化和調(diào)整上形成閉環(huán)。雖然多種先進(jìn)技術(shù)手段可以診斷暫堵改造效果，但仍普遍存在成本高、解釋速度慢等問題。以高頻壓力監(jiān)測為代表的新型診斷技術(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向施工的快速監(jiān)測和實(shí)時(shí)優(yōu)化。