关于水力压裂中临时封堵剂与混合支撑剂封堵机制的可视化实验研究

《Powder Technology》：Visual experimental study on plugging mechanism of temporary plugging agent mixed proppant in hydraulic fracture

水力压裂封堵技术研究中，采用可视化粗糙裂缝封堵装置对比分析纤维、颗粒及其混合体系与支撑剂的封堵机理。结果表明颗粒混合支撑剂形成底置沉积、坡面堆积、封堵填充的致密封堵层，压力承载能力提升1.6倍；纤维混合体系通过壁面粘附、区域聚集、流道压缩和压实封堵实现高效封堵，压力承载能力提升1.1倍。研究揭示了两种混合体系的协同作用机制，明确了支撑剂在促进封堵结构形成、增强封堵层致密性和稳定性方面的关键作用，为优化水力压裂封堵工艺提供理论支撑。

　　在当前的油气开发领域，尤其是对于非常规油气资源的高效开采，临时封堵与转向压裂技术扮演着至关重要的角色。这项技术通过向地层中注入含有临时封堵剂的压裂液，能够在水力裂缝中形成有效的封堵结构，从而改变压力传递路径，促进裂缝网络的复杂化，提高油气的流动效率和产量。随着全球对能源需求的不断增长，特别是中国在页岩气、煤层气等非常规资源开发方面的持续投入，研究和优化临时封堵技术已成为行业内的重点课题。

中国拥有丰富的非常规油气资源，但这些资源往往具有复杂的地质结构，表现为低孔隙度、低渗透率、高差异应力以及强烈的储层非均质性。这些特性使得传统的高排量、高液体体积压裂技术难以形成复杂的裂缝网络。同时，为了提高单井产量，当前的压裂设计普遍采用高簇密度和小簇间距的策略，这虽然在一定程度上提升了压裂效果，但也导致了裂缝传播的不平衡，增加了裂缝击穿的风险。裂缝击穿不仅会影响当前井的压裂效果，还可能干扰邻井的生产，进而降低整体的生产性能。因此，临时封堵与转向压裂技术的引入，成为解决这些问题的重要手段。

在实际应用中，常用的临时封堵剂主要包括颗粒和纤维两种类型。颗粒封堵剂因其成本较低、易于运输和操作，在现场得到了广泛应用。然而，颗粒封堵剂在形成封堵结构时存在一定的局限性，如封堵效果不够理想、对微孔隙的填充能力不足等。相比之下，纤维封堵剂则因其良好的封堵性能和较高的稳定性，在某些情况下表现出更优的封堵效果。但纤维材料的成本较高，且在实际操作中需要特殊的设备和管道系统，这在一定程度上限制了其大规模应用。此外，纤维封堵剂在面对较大的压力差时，其承载能力相对较低，难以满足复杂储层中高强度压裂的需求。

为了克服上述问题，近年来研究者们尝试将颗粒和纤维材料进行复合，形成混合型临时封堵剂。这种复合材料结合了颗粒和纤维各自的优点，既能通过颗粒的堆积作用形成较为稳定的封堵结构，又能利用纤维的粘附性和柔韧性，在裂缝中形成更紧密的封堵层。然而，尽管混合封堵剂在实验室和现场试验中展现出良好的应用前景，其具体的封堵机制仍缺乏深入研究。现有的研究多基于非可视化实验或光滑裂缝的可视化实验，前者无法直观观察封堵过程，限制了对封堵机理的全面理解；后者虽然能够观察到封堵剂在裂缝中的迁移和封堵行为，但由于裂缝表面过于光滑，无法真实反映实际储层中裂缝的复杂形态，影响了实验结果的代表性。

因此，本研究采用了一种可视化粗糙裂缝封堵装置，对纤维、颗粒及其与支撑剂的混合材料在裂缝中的迁移和封堵过程进行了系统分析。通过对比不同材料在裂缝中的行为，揭示了颗粒混合支撑剂和纤维混合支撑剂各自的封堵机制。实验结果表明，颗粒混合支撑剂的封堵过程主要包含底部沉积、向下坡积聚、向上坡封堵以及孔隙填充，最终实现裂缝的完全封堵。而纤维混合支撑剂的封堵机制则包括壁面粘附、聚集区形成、流道压缩以及压实封堵。在实验条件下，颗粒混合支撑剂的承压能力比纯颗粒提高了1.6倍，纤维混合支撑剂的承压能力则比纯纤维提高了1.1倍。这些结果表明，支撑剂在封堵过程中起到了关键作用，不仅促进了封堵结构的形成，还增强了封堵层的紧密性和稳定性，从而提高了封堵效率。

支撑剂的引入，为临时封堵剂的性能提升提供了新的思路。在压裂过程中，支撑剂能够有效改善封堵材料的物理特性，使其在裂缝中形成更加坚固和均匀的封堵层。这种改进不仅有助于提高封堵效果，还能够降低封堵剂的使用成本，提高压裂作业的经济性和可行性。此外，支撑剂的加入还能增强封堵材料的抗压能力，使其在面对较大的压力差时仍能保持结构的完整性，避免因压力过高而导致封堵层破坏，进而影响压裂效果。

从实际应用的角度来看，临时封堵技术的优化对于提升非常规油气资源的开发效率具有重要意义。一方面，通过深入研究封堵材料的迁移和封堵机制，可以为现场压裂设计提供理论支持，使技术人员能够更准确地预测封堵效果，优化压裂参数，提高裂缝网络的复杂性和均匀性。另一方面，开发更加经济、易于部署的临时封堵剂，有助于降低压裂作业的成本，提高施工效率，特别是在需要大规模应用或特殊施工条件的情况下。例如，对于需要大尺寸颗粒或长纤维的现场作业，传统方法往往需要复杂的设备和专用管道，这不仅增加了施工难度，还可能限制了封堵剂的使用范围和灵活性。而通过混合支撑剂和临时封堵剂，可以有效解决这些问题，提高施工的适应性和可行性。

此外，临时封堵技术的优化还对环境保护具有积极意义。颗粒和纤维材料的选择与使用，需要考虑其对地层的环境影响。例如，某些颗粒材料可能在压裂过程中产生较大的环境负担，而纤维材料则可能在某些情况下影响地层的渗透性。因此，开发环保型的临时封堵剂，结合支撑剂的优势，不仅能够提高封堵效果，还能减少对环境的负面影响，实现可持续发展。

在实验设计方面，本研究采用了一种新型的可视化粗糙裂缝封堵装置，该装置能够更真实地模拟实际储层中的裂缝形态，从而提供更具代表性的实验数据。通过对纤维、颗粒及其混合材料在裂缝中的迁移和封堵过程进行观察和分析，研究者能够更直观地理解封堵材料在不同条件下的行为，进而优化封堵剂的配方和施工参数。这种实验方法不仅弥补了传统实验方法的不足，还为未来的研究提供了新的方向。

在实际应用中，临时封堵技术的优化需要结合具体的地质条件和储层特性。例如，在低渗透性储层中，封堵剂需要具备更强的渗透性和适应性，以确保其能够有效进入裂缝并形成稳定的封堵层。而在高差异应力的储层中，封堵剂则需要具备更高的承压能力和稳定性，以防止在高压环境下发生结构破坏。因此，针对不同类型的储层，开发适应性强、性能稳定的封堵剂组合，是提升压裂效果的关键。

与此同时，支撑剂的种类和性能也对封堵效果产生重要影响。目前，常用的支撑剂包括石英砂、树脂砂等，它们在不同储层中的适用性各不相同。例如，石英砂因其成本较低、强度较高，常用于中低渗透性储层的压裂作业；而树脂砂则因其较高的强度和稳定性，适用于高渗透性储层或需要更强支撑力的场景。因此，在选择支撑剂时，需要综合考虑其物理性能、成本效益以及与封堵剂的兼容性，以确保封堵结构的稳定性和有效性。

此外，封堵剂与支撑剂的配比也是影响封堵效果的重要因素。合理的配比不仅能够提高封堵材料的密实度和稳定性，还能优化其在裂缝中的分布，确保封堵结构的均匀性和完整性。例如，颗粒与支撑剂的混合比例过高可能导致封堵层过于紧密，影响压裂液的流动和裂缝的扩展；而比例过低则可能无法形成有效的封堵结构，导致封堵效果不佳。因此，在实际应用中，需要根据具体的地质条件和施工需求，进行封堵剂与支撑剂的优化配比，以达到最佳的封堵效果。

总体而言，临时封堵与转向压裂技术的发展，离不开对封堵材料性能的深入研究和优化。通过结合支撑剂的优势，提高封堵剂的密实度、稳定性和承压能力，不仅能够有效解决传统封堵材料存在的问题，还能为非常规油气资源的高效开发提供强有力的技术支持。未来的研究方向应更加注重封堵材料的复合化、智能化和环保化，以适应不断变化的地质条件和施工需求，推动临时封堵技术的进一步发展。