毫米級(jí)寬度裂縫封堵層優(yōu)化設(shè)計(jì)

康毅力 余海峰 許成元 唐龍

“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

裂縫性地層是鉆井過(guò)程中較為常見(jiàn)的地層之一。在鉆井過(guò)程中遇到裂縫性地層容易發(fā)生井漏，導(dǎo)致?lián)p失大量鉆井液、延長(zhǎng)鉆井時(shí)間、影響地質(zhì)工作的正常進(jìn)行、造成井下復(fù)雜情況或事故等一系列工程問(wèn)題［1］，因此人們對(duì)鉆井完井過(guò)程中的防漏堵漏技術(shù)進(jìn)行了深入的探究［2－5］。橋接堵漏作為最常見(jiàn)的一種漏失控制方法，因此備受關(guān)注［6－8］。對(duì)裂縫地層進(jìn)行封堵后，隨著鉆井深度的增加，鉆井液的密度也在相應(yīng)的提高，因此形成的封堵層需要具有一定的承壓能力。許成元提出了增強(qiáng)封堵層承壓能力的封堵策略［9］；在橋接堵漏材料的選擇方面，Andrade提出了一種雙重纖維堵漏劑，通過(guò)硬纖維架橋、軟纖維充填，成功處理了墨西哥南部油田的井漏問(wèn)題［10］；李家學(xué)提出加入隨鉆剛性顆粒在裂縫端面形成架橋，并且根據(jù)裂縫寬度計(jì)算剛性顆粒以及各級(jí)填充粒子粒徑［11］；Kefi介紹了一種通過(guò)架橋纖維材料與填充顆粒進(jìn)行封堵的方法，以及根據(jù)裂縫寬度及壓差大小計(jì)算纖維剛度的方法［12］；另外賈麗莉、Friedheim、Whitfill及毛洪江等對(duì)不同堵漏材料進(jìn)行了總結(jié)與展望［13－17］；閆豐明等提出了暫堵性堵漏的封堵思想，為了防止鉆井完井液侵入過(guò)深而無(wú)法解除損害，通過(guò)酸溶性強(qiáng)的堵漏材料在裂縫端面形成致密的封堵層，生產(chǎn)時(shí)再進(jìn)行酸溶解堵，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中取得了良好的效果［18］?？梢?jiàn)針對(duì)微米級(jí)裂縫漏失的防漏堵漏技術(shù)已經(jīng)有了較為成熟的發(fā)展。

原地有效應(yīng)力下，裂縫寬度一般在幾十到幾百微米范圍，在鉆井過(guò)程中由于改變了裂縫周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)而導(dǎo)致裂縫寬度發(fā)生變化，使寬度增加到毫米級(jí)。而當(dāng)裂縫寬度達(dá)到毫米級(jí)別后井漏呈現(xiàn)出漏失量大、漏速快等特點(diǎn)［19］，加上由于應(yīng)力擾動(dòng)下裂縫寬度處于不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，非常不利于封堵工作的開(kāi)展。對(duì)于毫米級(jí)寬度裂縫封堵主要有以下難點(diǎn)：①漏失通道寬，漏失速率大，堵漏材料容易隨工作液漏入深部地層，在裂縫入口處沉積困難；②大尺寸封堵材料形成的封堵層不夠致密，結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定；③裂縫在壓力作用下動(dòng)態(tài)變化，堵漏材料對(duì)其適應(yīng)性很差，對(duì)于已經(jīng)形成的封堵層則容易失效。因此，筆者通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)2mm裂縫室內(nèi)封堵實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出有效的封堵材料，形成封堵層優(yōu)化配方，最終提出針對(duì)毫米級(jí)裂縫的堵漏材料優(yōu)化組合。

圖1 實(shí)驗(yàn)用纖維材料圖

1 不同類(lèi)型堵漏材料作用機(jī)理

1）纖維材料。纖維是常見(jiàn)的堵漏材料，在鉆井液中加入纖維后均勻分散，進(jìn)入漏失通道中，當(dāng)纖維長(zhǎng)度大于裂縫寬度時(shí)就容易形成架橋，并捕獲經(jīng)過(guò)的其他纖維，從而相互牽扯形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)封堵層的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。不同纖維在封堵過(guò)程中所起到的作用也是不同的，剛度大的硬纖維可實(shí)現(xiàn)架橋，剛度小的軟纖維通過(guò)相互牽扯，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更致密。但由于纖維材料本身的整體剛度不強(qiáng)，當(dāng)壓差達(dá)到一定值時(shí)容易發(fā)生失效，不能滿(mǎn)足壓差較大時(shí)的工程實(shí)際需要。本文實(shí)驗(yàn)選用軟纖維（DTR［20］、QP－1）以及不同剛度的硬纖維（塑料纖維、動(dòng)物毛發(fā)）作為纖維堵漏材料，如圖1所示。

2）剛性顆粒。剛性顆粒在封堵層結(jié)構(gòu)中起著骨架的作用，具有高硬度、不易變形的特點(diǎn)［21］。在實(shí)際作業(yè)中，石英、核桃殼、CaCO3或者破碎的巖屑常用來(lái)作為剛性顆粒。使用剛性顆粒進(jìn)行封堵，顆粒在裂縫狹窄處架橋，后面的顆粒撞擊前面架橋顆粒而停止運(yùn)動(dòng)，形成堆積。單獨(dú)使用剛性顆粒進(jìn)行封堵時(shí)，需要不同粒徑的剛性顆粒逐級(jí)進(jìn)行填充，但由于顆粒的尺寸及形狀的限制，單一剛性顆粒形成的封堵層不夠致密，需要加入彈性填充粒子。筆者選用核桃殼作為剛性堵漏材料，根據(jù)剛性顆粒粒徑與裂縫寬度的比例關(guān)系［11］，架橋粒子的粒徑范圍設(shè)定為1.0 D≥d≥0.6 D。因此選擇（8～12）目的核桃殼作為架橋粒子。

3）彈性粒子。將尺寸大于裂縫寬度的彈性粒子加入鉆井液中，隨著壓力的增加，彈性粒子受力變形后進(jìn)入裂縫內(nèi)，在自身的彈性力作用下在裂縫面產(chǎn)生摩擦力，增強(qiáng)封堵層的穩(wěn)定性，使封堵層難以向裂縫深處滑動(dòng)。但由于彈性粒子受到尺寸的限制，以及具有可變形性，因此單獨(dú)使用彈性顆粒時(shí)形成的封堵層不致密，且承壓能力低。本文選用橡膠粒子作為彈性堵漏材料，考慮在鉆井液中加入彈性粒子，增強(qiáng)封堵層穩(wěn)定性的同時(shí)，通過(guò)加入其他不同材料，對(duì)所形成的封堵層特征進(jìn)行分析，探究各材料的協(xié)同作用機(jī)理。

2 堵漏材料協(xié)同堵漏效果評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及評(píng)價(jià)方法

1）基漿的配制?；鶟{配方及性能如表1、2所示。

表1 封堵實(shí)驗(yàn)用基漿表

表2 基漿性能參數(shù)表

圖2 縫寬2mm鋼巖樣圖

2）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)條件：室溫，起始?jí)毫?MPa，2 mm縫寬的鋼巖樣（圖2）。實(shí)驗(yàn)中選取承壓能力、成封時(shí)間和累計(jì)漏失量3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量堵漏材料的性能。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：從加壓穩(wěn)定后打開(kāi)出口端開(kāi)始計(jì)時(shí)，到封堵形成無(wú)漏失結(jié)束這段時(shí)間，即為成封時(shí)間；當(dāng)某一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)壓力下，漏失速度在10s內(nèi)維持穩(wěn)定且大于50 mL／s，則說(shuō)明封堵失敗，上一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)即為該封堵層承壓能力值，總的流體漏失量即為累計(jì)漏失量。實(shí)驗(yàn)流程：①設(shè)定初始?jí)毫?MPa，30s之后打開(kāi)柱塞出液口；②記錄打開(kāi)柱塞時(shí)的漏失量，當(dāng)漏失量為0時(shí)，保持當(dāng)前壓力10min。若在10min之內(nèi)再次發(fā)生漏失，則記錄漏失時(shí)間和漏失量，當(dāng)漏失量再次為0后，再穩(wěn)壓10min；③穩(wěn)壓10min之后，加壓0.5～1 MPa，重復(fù)步驟②，直到封堵失敗，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

考慮單一堵漏材料在封堵方面的不足，探究不同堵漏材料之間協(xié)同作用的封堵能力，采用不同堵漏材料組合來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)裂縫的封堵。通過(guò)開(kāi)展縫寬2mm的室內(nèi)封堵實(shí)驗(yàn)，找出不同材料的最優(yōu)濃度及組合。

2.2 纖維材料

為了明確纖維材料中軟硬纖維的配比關(guān)系，在開(kāi)展組合材料封堵實(shí)驗(yàn)之前首先進(jìn)行纖維材料的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。按照不同濃度配方對(duì)纖維材料進(jìn)行復(fù)配（表3）。

表3 纖維材料封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)配方表

首先對(duì)兩種軟纖維進(jìn)行分析比較（表4）。

表4 DTR與QP－1封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過(guò)對(duì)軟纖維的堵漏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，單獨(dú)使用軟纖維雖然能在較短的時(shí)間內(nèi)形成封堵層，但由于軟纖維自身強(qiáng)度不足，不能形成具有較高承壓能力的封堵層（表5）。

表5 硬纖維與軟纖維組合封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在軟纖維的基礎(chǔ)上添加一定濃度的硬纖維之后，形成封堵前的初始漏失量減少到了350mL，封堵層承壓能力提高到了4.5MPa?？梢?jiàn)，在軟纖維體系中加入一定數(shù)量的硬纖維可提高堵漏劑的快速成封能力和封堵層承壓能力。

2.3 剛性顆粒與彈性粒子組合

選取剛性顆粒與彈性粒子組合，評(píng)價(jià)不同濃度配方組合的封堵能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 剛性顆粒與彈性粒子組合封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剛性顆粒與彈性粒子組合，剛性顆粒的濃度小于3.0%時(shí)基本無(wú)法形成有效的封堵層，承壓能力低且漏失量大；當(dāng)剛性顆粒的濃度達(dá)到7.0%時(shí)，封堵層的承壓能力提高到9MPa，而漏失量仍然較大。通過(guò)9組不同濃度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可得，當(dāng)剛性顆粒濃度為7.0%，彈性粒子濃度為9.0%時(shí)，封堵層的封堵效果最好。

2.4 彈性粒子與纖維材料組合

選取彈性粒子與纖維材料作為封堵實(shí)驗(yàn)堵漏材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同濃度的彈性粒子與纖維材料組合形成的封堵層效果差異大。4.0%的纖維材料成封時(shí)間和累計(jì)漏失量都要大于另外兩組濃度；當(dāng)纖維材料的濃度提高到5.0%時(shí)，封堵效果并沒(méi)有得到顯著地提高。因此，針對(duì)彈性粒子與纖維材料組合，7.0%的彈性粒子與4.5%的纖維材料能夠得到最好的封堵效果，最大承壓值達(dá)6MPa，累計(jì)漏失量175mL。

2.5 剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料組合

把3種堵漏材料組合起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。利用正交實(shí)驗(yàn)，將3種堵漏材料分別選取3種加量進(jìn)行復(fù)配后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，得到裂縫中形成的封堵層試樣（圖3），封堵層實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表7 彈性粒子與纖維材料組合封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖3 3種組合材料形成的封堵層圖

表8 3種堵漏材料組合封堵2mm裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，將3種堵漏材料結(jié)合起來(lái)，使封堵層的承壓能力提高到13MPa（圖4），累計(jì)漏失量減小到30mL，這說(shuō)明通過(guò)剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料3種堵漏材料組合，各種材料“各司其職”，能夠滿(mǎn)足毫米級(jí)裂縫的封堵要求。因此，3種堵漏材料組合最優(yōu)濃度配方是：基漿＋5%核桃殼＋4%軟纖維＋0.5%硬纖維＋7%彈性粒子。

將不同組合室內(nèi)封堵實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從圖4中可以看出，3種封堵材料組合所形成的封堵層封堵效果最好；剛性顆粒與彈性粒子組合累計(jì)漏失量大；而彈性粒子與纖維材料組合的承壓能力低。因此，將剛性顆粒、彈性粒子和纖維材料組合起來(lái)，形成的封堵層效果最好。為了進(jìn)一步探究不同堵漏材料組合協(xié)同作用效果的差異性，下面對(duì)各種組合的封堵機(jī)理進(jìn)行了分析。

圖4 不同堵漏材料組合在鋼巖樣中封堵效果對(duì)比圖

3 堵漏材料協(xié)同封堵機(jī)理

3.1 軟硬纖維材料的封堵機(jī)理

纖維作為柔彈性材料，在封堵層中起著提高封堵層整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。首先，工作液中抗彎強(qiáng)度相對(duì)較大的硬纖維隨鉆井液流向裂縫，由于其長(zhǎng)度大于裂縫寬度，部分硬纖維可以橫向架于裂縫端面處；其次，抗彎強(qiáng)度較小的軟纖維被橫架于裂縫端面處的硬纖維捕獲，柔軟的軟纖維相互牽扯，組成更加致密的網(wǎng)狀體，形成纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，此時(shí)，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相當(dāng)于減小了裂縫的橫截面積，使漏失逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闉V失，減弱了壓力向裂縫深處的傳播；隨著壓差的不斷增大，當(dāng)壓力大于硬纖維的屈服強(qiáng)度時(shí)，纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入裂縫中，形成更加致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，也使得其他堵漏材料更加容易架橋和填充（圖5）。

圖5 纖維材料形成封堵層圖

3.2 剛性顆粒與彈性粒子封堵機(jī)理

在鉆井液中加入一定濃度的剛性顆粒和彈性粒子后，彈性粒子首先在裂縫狹窄處停留，促使剛性顆粒停在此處并形成架橋。剛性顆粒完成架橋后，后面的彈性粒子更加容易捕獲，發(fā)生變形后充填于剛性顆粒的空隙中（圖6）。這樣通過(guò)不斷的橋架、填充來(lái)形成封堵層。因?yàn)閯傂灶w粒強(qiáng)度大、不易發(fā)生變形，所以形成的封堵層具有較高的承壓能力。由于缺少纖維材料形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，封堵層整體性不強(qiáng)，容易發(fā)生“間斷性漏失”，成封時(shí)間長(zhǎng)，與加入纖維材料相比，漏失量明顯增加。

圖6 剛性顆粒與彈性粒子形成封堵層圖

3.3 彈性粒子與纖維材料封堵機(jī)理

彈性粒子與纖維材料都具有較好的可變形性，漏失發(fā)生后，材料隨著鉆井液進(jìn)入裂縫中，纖維材料快速形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，彈性粒子充填于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空隙中（圖7）。因此兩者組合后能夠迅速地形成封堵，此時(shí)形成的封堵層較為致密，整體性較強(qiáng)。但由于缺少?gòu)?qiáng)度大的架橋顆粒，隨著壓差的不斷增大，彈性粒子作用與裂縫面所提供的摩擦力不足以支持整個(gè)封堵層受到的壓力，使封堵層被擠壓到裂縫深處，降低了封堵層的承壓能力。

圖7 纖維粒子與彈性粒子形成封堵層圖

3.4 剛性粒子、彈性粒子與纖維材料封堵機(jī)理

3種堵漏材料組合協(xié)同作用下，能夠快速形成承壓能力高的封堵層，這是各堵漏材料之間相互影響、共同作用的結(jié)果。按照一定的濃度關(guān)系在鉆井液中加入3種堵漏材料之后，纖維材料形成提高封堵層整體性的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)捕獲剛性顆粒與彈性顆粒（圖8）；剛性顆粒在裂縫狹窄處進(jìn)行架橋，使整個(gè)封堵層停止向裂縫深處移動(dòng)，起到封堵層骨架的作用，封堵層能夠承受多大的壓差，取決于剛性顆粒的強(qiáng)度；另外彈性粒子受擠壓變形，自身的彈性力作用于裂縫面，增強(qiáng)封堵層與裂縫面的摩擦力，進(jìn)一步阻止封堵層在裂縫中移動(dòng)。隨著封堵材料的增加，裂縫橫截面減小，鉆井液逐漸從漏失變?yōu)闉V失，越來(lái)越多的軟纖維停留在封堵層中，使其變得更加致密。這樣3種材料共同作用，使封堵層逐漸形成一個(gè)完善的整體。

圖8 剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料形成封堵層圖

通過(guò)對(duì)不同材料組合協(xié)同作用的封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)以及機(jī)理分析可知，將3種封堵材料結(jié)合起來(lái)，克服各自的不足，通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，取得了良好的封堵效果。因此，優(yōu)選出的針對(duì)毫米級(jí)裂縫的封堵層堵漏材料組合為：剛性顆粒＋彈性粒子＋纖維材料。

通過(guò)分析，可以總結(jié)出不同堵漏材料對(duì)封堵層的影響程度，如表9所示。

4 結(jié)論

1）針對(duì)2mm裂縫，提出優(yōu)化封堵層配方的設(shè)計(jì)為：基漿＋5%剛性顆粒＋4%軟纖維＋0.5%硬纖維＋7%彈性粒子。

2）對(duì)毫米級(jí)裂縫進(jìn)行架橋封堵的最優(yōu)材料組合為剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料。

3）剛性顆粒對(duì)于封堵層的承壓能力影響大；彈性顆粒增加封堵層的穩(wěn)定性，增強(qiáng)封堵層與裂縫面的摩擦力；纖維材料對(duì)于封堵層結(jié)構(gòu)的整體性以及累計(jì)漏失量的減少具有重要作用。

4）橋接材料類(lèi)型、組合以及濃度配比的優(yōu)選，對(duì)于能夠成功封堵毫米級(jí)裂縫具有重要的作用。

表9 不同類(lèi)型堵漏材料對(duì)封堵層的影響表

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