四川盆地茅口组气藏具有较大的勘探开发潜力[1-4]，但不同区域储层埋藏深度、温度、压力、孔渗及天然裂缝发育程度等地质特征差异大，针对性改造工艺匹配难度大。天然裂缝发育的裂缝型储层表现为储层非均质性较强，常规酸化工艺难以使得改造层段均匀布酸，不能得到充分改造。非机械方式暂堵转向酸化工艺一定程度上可实现非均质储层均匀布酸，国内主要采用可降解材料作为暂堵转向剂，依靠酸液携带进入渗透性较好及流动系数大的层段，堆积实现暂堵转向，从而达到了强非均质储层的酸液合理置放的目的[5-9]。
以川西茅口组为例，其平均深度6 700 m、平均温度150 ℃、平均地层压力125 MPa、平均孔隙度2.6%~4.2%、平均渗透率(0.18~3.00)×10-3 μm2。鉴于井下岩心数量的限制，基于3D打印裂缝岩板模拟技术，模拟研究了不同完井方式下非机械方式暂堵转向工艺，优选了耐温、承压能力强的暂堵转向材料，评价了不同裂缝下暂堵转向材料含量、粒径组合等设计参数及其封堵能力，为暂堵转向酸化工艺设计提供理论依据。
从储层岩心及微观薄片(见图 1)可知，茅口组储集空间多为裂缝及与裂缝伴生的溶蚀孔洞。对露头、岩心、薄片及生产动态等静、动态资料综合分析认为，双鱼石区块茅口组储层的储集类型为裂缝型。
对川西双鱼石茅口组储层开展酸压模拟设计，得到人工酸蚀裂缝宽度等数据。模拟储层温度150 ℃、地层压力125 MPa、孔隙度3.0%。针对该储层低孔低渗、天然裂缝较发育等特点，采用深度酸压工艺技术造长缝沟通天然裂缝系统来增大改造波及范围，故模拟采用前置液+胶凝酸酸压工艺，排量6 m3/min、前置液120 m3、胶凝酸300 m3。软件模拟结果表明，渗透率在(0.18~3.00)×10-3 μm2时, 对应的人工酸蚀裂缝宽度为1.3~7.9 mm(见图 2)。根据储层岩心描述及酸压软件模拟得到储层天然裂缝及人工酸蚀裂缝宽度范围，为后续暂堵材料优选提供了依据。
采用与射孔孔眼直径相匹配的球形暂堵材料，在套管壁上的孔眼入口处进行暂堵。对于裸眼完成井，可采用小粒径球形暂堵材料深入到人工酸蚀裂缝内，实现堆积暂堵(见图 3)。堆积暂堵时需使用多级配的暂堵剂和纤维，暂堵颗粒架桥，纤维封堵充填颗粒间孔隙，以便充分充填裂缝口和/或裂缝内的空间，实现有效封堵[10-12]。
实验评价了暂堵颗粒和暂堵球在储层温度条件下的降解能力。选取6 mm暂堵球进行炮眼暂堵能力测试。将暂堵球放置在岩心夹持器一端封堵，放入岩心流动实验设备中进行注入、暂堵测试。
实验表明：在150 ℃时，暂堵球和暂堵颗粒A的12 h降解率可达98%以上(见图 4)；封堵球封堵承压＞15 MPa，能形成有效封堵，封堵245 min后完全降解(见图 5)，可满足暂堵需求。
以往的投球封堵实验，大多无法观察到封堵球的运移情况[13-14]。本研究采用可视化管柱，可有效地观察封堵球运移情况。采用清水作为携带液来评价不同排量对不同个数的暂堵球封堵效率的影响，从而优化暂堵球用量。实验结果(见表 1)表明，排量越大，封堵几率越大，暂堵球在清水中封堵效率为47%~100%，与投球数量和排量正相关。若要实现完全暂堵炮眼，投球数需为炮眼数的1.27倍以上。
暂堵评价流动装置可模拟高强度纤维暂堵剂材料对不同缝宽裂缝的封堵情况，评价封堵效果。通过泵注含暂堵剂的携带液进入模拟裂缝装置内，记录注入端的压力变化，同时对比裂缝出口端的液量变化情况，以判断暂堵剂在裂缝内部的封堵情况。根据以上两个参数形成一定的评价标准，以评价不同含量及配比条件下的封堵效果。实验装置如图 6所示。
实验用模拟裂缝岩板为3D打印的模拟真实裂缝的岩板(见图 7)。两块岩板中部均刻蚀相同尺寸的凹槽，上下闭合形成一平行裂缝，凹槽表面进行磨砂处理，凹槽两外侧棱对称钻垫片固定槽，通过不同厚度的垫片改变裂缝宽度。实验使用的3D岩板基质孔隙度为1.0%，渗透率为0.20×10-3 μm2。
选取5套暂堵颗粒对3 mm缝宽进行粒径组合评价，暂堵颗粒粒径分别为0.2~0.4 mm、0.4~0.6 mm、0.6~1.0 mm、2.0 mm和2.0 mm暂堵颗粒+暂堵纤维(见图 8)在同样实验条件下对比。从实验结果(见图 9)可以看出，仅依靠粒径较为集中的暂堵颗粒对3 mm缝宽的有效封堵压力≤7 MPa，而颗粒与纤维组合可有效封堵，封堵压力≥15 MPa。分析认为，暂堵颗粒架桥，纤维封堵颗粒间孔隙，快速形成有效封堵。
对于3 mm的裂缝宽度，优选暂堵材料组合为纤维和2.0 mm颗粒，改变二者的含量，以确定最优组合。实验结果(见图 10)表明，采用2.0 mm颗粒和纤维组合封堵时，都能够有效封堵3 mm裂缝，只是形成有效封堵的时间存在差异。暂堵材料总用量越多，起压速度越快，封堵所用时间就越少。通过实验优化，得到组合暂堵材料的配方为(质量分数，下同)：0.8%暂堵纤维+0.8%的2.0 mm暂堵颗粒。
除暂堵材料含量外，施工排量也是影响暂堵效果的关键因素。从理论上说，增大排量加大了暂堵材料在缝内的运移速率，使材料能够快速在缝内形成堆积封堵。但在实际作业过程中，增大排量却会造成动态缝宽变大，使得当前所用的暂堵材料组合不再适用，增大了缝内暂堵的不确定性。
采取固定缝宽方式，不考虑动态缝宽影响，对比了40 mL/min、50 mL/min和60 mL/min3种排量下针对3 mm缝宽优选的暂堵材料组合实验评价，研究排量对暂堵效果的影响。在固定缝宽条件下，排量越高，暂堵材料在缝内的架桥堆积速率越快，暂堵用液量和材料用量均越低(见图 11)。因此，推荐采用相对较大的排量进行暂堵作业，以实现暂堵材料在缝口的快速堆积和封堵。
针对储层力学特征、裂缝发育程度，结合酸压模拟和室内实验就可以实现暂堵缝网酸压：①通过测井解释和岩石力学实验确定σH、σh、St等储层力学参数；②通过成像测井刻画天然裂缝位置、产状、密度；③计算天然裂缝开启或岩体形成新缝所需Pnet；④根据暂堵承压能力，确定天然裂缝开启条数i；⑤酸压模拟确定酸压规模和主裂缝和/或所有天然裂缝的尺寸；⑥计算暂堵酸蚀裂缝所需材料用量Md0和Mdi; ⑦根据推荐配方确定每种暂堵材料用量M。不同裂缝发育程度储层暂堵酸压优化流程见图 12。
采用暂堵层渗透率模型计算暂堵材料用量，即：填充量增大→暂堵层孔隙度、渗透率、流入裂缝流体量减小，井筒液体压缩而产生憋压ΔP，ΔP≥Pnet时沟通天然裂缝或产生新缝。因此，通过达西公式计算单缝暂堵材料用量，进而计算暂堵主缝和开启的天然裂缝的材料用量。
达西公式为：
单缝暂堵材料用量计算公式为：
将式(1) 代入式(2)得单缝暂堵材料用量：
因此，暂堵材料的总用量计算公式为：
式中：ρd为暂堵材料密度，1 200 kg/m3；Ld为裂缝暂堵段长度，m(实验平均值为0.064 m)；Vd为裂缝暂堵段体积，m3；Hf为裂缝高度，由酸压模拟求得，m；Wf为裂缝宽度，由酸化模拟求得，m；Kd为暂堵层渗透率(实验平均值为0.837×10-3 μm2)；μ为携带液黏度，mPa·s；Q为排量，m3/h；ΔP=Pnet，由测井数据结合岩石力学实验得出, MPa；Md0为主裂缝用量，kg; Mdi为第i条开启的天然裂缝用量, kg。
以双探X井为例，茅口组测井解释有3段为含气层。该井茅口组地层应力状态为σH>σv>σh，σH、σh分别为2.3 MPa/100 m、1.98 MPa/100 m，储层段平均σH-h为22.3 MPa。
参考该区块茅口组岩石力学试验，内聚力为24.1~92.4 MPa，平均值69.3 MPa。在现有封堵能力(15 MPa)下，逼近角≤60°~80°的天然裂缝以张性破裂为主(见图 13)。
该井第1段厚度为33 m，天然裂缝发育，钻至此段时钻井液密度1.94~2.01 g/cm3，漏失钻井液达71.0 m3，点火火焰高0.5~3.0 m，经成像测井解释该段天然裂缝密度0.52条/m，平均高度3 m，宽度3 mm。经计算，天然裂缝开启压力Pnet为4.9~12.7 MPa，可知在暂堵能力为15 MPa的情况下，17条裂缝可全部开启。暂堵时建议排量降至2 m3/min左右，此时主缝动态缝宽为3 mm。推荐使用2.0 mm暂堵颗粒和6.0 mm暂堵纤维进行暂堵，体积比为1∶1。由式(4)可计算得出暂堵材料总用量为250 kg，其中暂堵天然裂缝和主裂缝分别需16 kg和234 kg暂堵材料。
(1) 优选的暂堵材料承压达15 MPa，150 ℃下降解率＞98%，适于裂缝型储层暂堵转向条件。
(2) 射孔完井暂堵的炮眼封堵效率与排量正相关；暂堵球投球总数为炮眼数的1.27倍时，可达到完全封堵。裸眼完成井暂堵酸蚀裂缝，暂堵纤维和2.0 mm颗粒组合可有效封堵3 mm缝口，配方为0.8%暂堵纤维+0.8%的2.0 mm颗粒时封堵效果最佳。
(3) 增大排量可提高(固定缝宽)缝口封堵速度，现场施工时需要结合模拟计算确定最佳排量。
(4) 建立了不同裂缝发育程度储层的暂堵转向优化设计方法与流程，通过建立的暂堵层渗透率模型可计算获得暂堵转向材料加量，为现场应用提供了理论依据。
2021, Vol. 50 Issue (3): 90-95
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