網(wǎng)狀泡沫材料的堵漏特性研究

遲軍， 馬川， 尹達， 蒲曉林， 李家學， 王濤

裂縫性漏失是鉆井過程中最常遇到的漏失類型，其大約占井漏總數(shù)的70%，花費占90%以上。因此解決裂縫性漏失問題意義重大[1-3]。目前最常用的解決方法是橋塞堵漏，橋塞堵漏材料有礦物顆粒、果殼、植物纖維、合成纖維等[4-6]。這些常規(guī)的堵漏材料在堵漏施工中取得了一定的效果，但是存在可變形性差，不易進入漏層，形成的封堵墻強度低等問題，尤其是在漏失嚴重的裂縫性地層，常規(guī)的堵漏材料在波動、抽吸壓力等外力作用下，易被返排，造成堵漏效果不佳或者重復漏失[7-11]，因此研究新型橋塞堵漏材料，合理選取其種類和濃度，對提高裂縫性地層承壓能力、提高鉆井工程安全性和成功率都有著重大的意義[12-13]。研制出了新型的網(wǎng)狀泡沫堵漏材料，并進行了裂縫性漏失的橋塞堵漏研究，評價其在裂縫內(nèi)的封堵效果。探明其堵漏機理，并復配出了效果良好的堵漏配方。

1 實驗材料

1.1 網(wǎng)狀泡沫堵漏材料

實驗用網(wǎng)狀泡沫堵漏材料是一種多孔、密度約為0.02 g/cm3、纖維直徑為0.05 mm、網(wǎng)格直徑約為0.3～0.6 mm的固體泡沫，其成分是聚氨基甲酸乙酯。網(wǎng)狀泡沫結(jié)構(gòu)極端開放，幾乎沒有封閉的泡或細胞窗，只遺留泡相遇處的線性邊界，因此能夠浸潤于不同鉆井液體系中。網(wǎng)狀泡沫材料具有高彈性，可擠入裂縫，在裂縫處形成一個過濾網(wǎng)，同時起到骨架支撐的作用。鉆井液體系中的微小顆粒充填進泡沫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而改善其性能，也相當于對顆粒材料起到了交聯(lián)作用。

實驗用網(wǎng)狀泡沫堵漏材料由網(wǎng)狀泡沫板材切割加工而成，顆粒尺寸約為2～10 mm，如圖1所示。取部分網(wǎng)狀泡沫材料和碳酸鈣、核桃殼顆粒，對其膨脹性和強度進行了測試，結(jié)果見表1和表2。由表1可以看出，網(wǎng)狀泡沫堵漏材料具有吸油膨脹特性，且在高溫柴油中熱滾后膨脹程度更大。由表2可以看出，高溫老化以及柴油浸泡都會對網(wǎng)狀泡沫堵漏材料的抗拉強度產(chǎn)生影響，在柴油中熱滾后其抗拉強度會大大減弱。因此網(wǎng)狀泡沫堵漏材料更適合于在低溫水基鉆井液中使用。

圖1 網(wǎng)狀泡沫和篩網(wǎng)堵漏材料照片

表1 不同測試條件下堵漏材料的體積相對膨脹率

表2 不同堵漏材料熱滾前后（100 ℃、16 h）的強度

1.2 篩網(wǎng)堵漏材料

篩網(wǎng)堵漏材料是一種高摩阻片狀材料，其強度高，表面凹凸不平，邊緣呈纖維狀。片狀篩網(wǎng)材料相互之間可以將顆粒材料包裹在中間，并且在壓力作用下，增強封堵隔墻中材料之間以及封堵隔墻與裂縫面之間的摩擦力。材料的邊緣呈現(xiàn)出纖維狀，容易插入或掛靠于裂縫面上，為封堵隔墻在光滑裂縫條件中的形成起到重要作用。因此它的加入能夠增強封堵隔墻的穩(wěn)定性，從而更加有效地封堵裂縫。實驗用篩網(wǎng)堵漏材料粒徑為0.076 mm，厚度為0.1 mm，長為2～4 mm的矩形金屬多孔薄片。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

實驗裝置為QD-2型長裂縫堵漏材料評價裝置，其模擬的裂縫具有30 cm長的深度，實驗完成后可以打開裂縫模塊，觀察堵漏材料在裂縫內(nèi)的封堵位置和形態(tài)，探索橋接堵漏材料封堵裂縫的機理和規(guī)律。該裝置結(jié)構(gòu)由主體裝置、裂縫模塊和壓力源3部分組成，主體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。該實驗裝置密封效果好、操作簡單、使用方便；裂縫模塊與裂縫墊片可以貼合為各種尺寸的楔形裂縫[14-15]。

圖2 QD-2型長裂縫堵漏裝置示意圖

2.2 堵漏基漿配方及性能

油基基漿為塔里木盆地庫車山前區(qū)塊UDM-2油基鉆井液。水基和油基基漿的基本性能見表3，配方如下。

水基基漿 水+4%膨潤土+0.2%無水碳酸鈉+0.5% CMC-HV

油基基漿 柴油+10%水+2.7% CaCl2+2%主輔乳化劑+2.3%輔乳化劑+0.6%黏度調(diào)節(jié)劑+1.2%降失水劑+2.7% CaO+重晶石

表3 水基基漿與高密度油基鉆井液的基本性能

2.3 堵漏材料基本配方

堵漏材料基礎配方如下。

0#水基基漿+1%核桃殼（細）+1%SQD-98（中粗）+1%SQD-98（細）+1%ZDS-1+1%ZDS-2+1%ZDS-3

其中，SQD為纖維與顆?；旌衔铮琙DS為剛性礦物顆粒，ZDS-3粒徑為2.0～0.9 mm，ZDS-2粒徑為0.9～0.45 mm，ZDS-1粒徑為0.125～0.05 mm。

2.4 實驗方案

①準備3 000 mL水基鉆井液，按質(zhì)量比加入堵漏材料，攪拌均勻。②將入口2 mm出口1 mm的長裂縫模塊裝入堵漏裝置，保證儀器密封完好。③將攪拌好的鉆井液倒入實驗筒內(nèi)，旋好注氣筒和鋼蓋。④水龍頭下準備好量程燒杯，打開閥門，靜置10 min，記錄無外界壓力下的漏失量。⑤10 min后無外界壓力下自然封堵成功后，打開注氣筒加壓到1 MPa。⑥以1 MPa為間隔，逐步加壓到5 MPa，分析不同壓力下的承壓封堵效果。

3 實驗結(jié)果

3.1 網(wǎng)狀泡沫封堵裂縫實驗

考察了不同壓力下網(wǎng)狀泡沫封堵裂縫的情況，結(jié)果見表4。在堵漏基礎配方中加入0.04%的網(wǎng)狀泡沫或0.6%篩網(wǎng)堵漏材料，其在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況如圖3所示。由表4可以看出，單獨使用堵漏基礎配方或網(wǎng)狀泡沫材料不能成功封堵裂縫，加入0.08%的網(wǎng)狀泡沫堵漏材料就可以成功封堵裂縫，但隨著網(wǎng)狀泡沫堵漏材料質(zhì)量分數(shù)的增加，在相同壓力作用下的漏失量減少并不顯著。由圖3可以看出，在尾部形成的封堵隔墻實際完全由剛性顆粒構(gòu)成。網(wǎng)狀泡沫堵漏材料則是滯留于裂縫之中。

表4 加入網(wǎng)狀泡沫堵漏配方后在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

圖3 加有網(wǎng)狀泡沫和篩網(wǎng)材料的堵漏漿在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

網(wǎng)狀泡沫極易壓縮，可隨基漿漏失出來一部分。經(jīng)分析認為，在實際地層中，網(wǎng)狀泡沫材料可在裂縫深處較窄孔隙中壓縮，從而與剛性顆粒共同組成封堵隔墻，對在其中流動的流體產(chǎn)生極大的阻力，因此可以減少漏失速率。滯留在裂縫較寬處的一部分網(wǎng)狀泡沫壓縮形變較小，形成的封堵隔墻較弱，但是大量的網(wǎng)狀泡沫分布于裂縫之中，相當于形成了多層微弱的封堵隔墻，承擔了部分壓力，減少對剛性堵漏顆粒的沖擊，提高了整體的承壓能力。

3.2 篩網(wǎng)堵漏材料封堵裂縫實驗

篩網(wǎng)堵漏材料封堵裂縫情況見表5。由表5可以看出，篩網(wǎng)堵漏材料的添加質(zhì)量分數(shù)小于0.9%時，隨著加量增加，漏失量大為減少，而加量超過0.9%后，隨加量的增加漏失量減少幅度降低。考慮到使用的經(jīng)濟性，0.9%質(zhì)量分數(shù)即為篩網(wǎng)材料的合理加量。與表2對比可知，篩網(wǎng)堵漏材料添加量要遠遠大于網(wǎng)狀泡沫堵漏材料，其加量的增加對漏失總量影響較大。由圖3還可以看出，篩網(wǎng)堵漏材料依靠高摩阻的性質(zhì)增強封堵隔墻的穩(wěn)定性，與固相顆粒共同封堵裂縫末端。

表5 篩網(wǎng)堵漏材料在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

3.3 堵漏材料復配實驗

考察了網(wǎng)狀泡沫和篩網(wǎng)堵漏材料復合配方的堵漏情況，結(jié)果見表6。由表6可以看出，2種堵漏材料復配使用，堵漏效果更好。0.9%篩網(wǎng)堵漏材料+0.04%網(wǎng)狀泡沫即達較好堵漏的效果?？紤]到網(wǎng)狀泡沫材料的加量要比篩網(wǎng)低很多，且成本低廉和更易于分散，確定0.45%篩網(wǎng)堵漏材料+0.04%網(wǎng)狀泡沫配方為最佳堵漏配方。由圖4可知，2種材料相互組合，優(yōu)勢疊加，在模擬長裂縫中形成了穩(wěn)固的封堵隔墻。

表6 網(wǎng)狀泡沫和篩網(wǎng)復合配方在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

圖4 14#配方在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

3.4 不同寬度裂縫條件下的堵漏實驗

將裂縫模塊換成入口1 mm出口為0.5 mm的裂縫模塊，同時在14#配方的基礎上去掉1%ZDS-1，形成17#配方；將裂縫模塊換成入口為3 mm出口為1.5 mm的裂縫模塊，同時在14#配方的基礎上加入1%核桃殼中粗，形成18#配方，其封堵效果見見表7和圖5。由表7可知，在入口1 mm出口0.5 mm的裂縫下，網(wǎng)狀泡沫材料進入較少，原因在于入口較窄的情況下網(wǎng)狀泡沫需要更大的形變量才能進入裂縫，這個過程中需要克服較大的阻力；并且總漏失量較小，隨堵漏漿流動的堵漏材料不多。由于網(wǎng)狀泡沫的多孔特性在低壓縮的情況下可以透過鉆井液，受到流動壓差的影響較小，而在狹窄孔隙中由于受到了更大的壓縮，流通孔隙減小，因此受到了流動壓差更大的影響，從而與剛性架橋顆粒共同架橋，封堵裂縫，其作用相當于一般可變形顆粒。由圖5可知，在入口3 mm出口1.5 mm的條件下，網(wǎng)狀泡沫大量地進入裂縫中，并且與尾部堵漏隔墻存在一定的分層。原因可解釋為在較大入口條件下，網(wǎng)狀泡沫隨堵漏漿能夠輕易進入裂縫中，由于其多孔特性以及尾部封堵隔墻承擔著主要作用，沉積的網(wǎng)狀泡沫材料受到壓差的影響并不顯著，進而隨著裂縫的收窄產(chǎn)生阻卡沉積于裂縫的某一區(qū)域。

表7 不同寬度的裂縫對復合堵漏配方堵漏情況的影響

圖5 17#（左）和18#（右）配方堵漏材料在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

3.5 庫車山前區(qū)塊高密度油基鉆井液堵漏實驗

將14#配方基漿換成高密度油基鉆井液形成19#配方進行堵漏實驗，結(jié)果見表8和圖6。

表8 高密度油基鉆井液堵漏實驗結(jié)果

圖6 19#配方在裂縫模塊內(nèi)的封堵情況

由此可知，在高密度油基鉆井液中漏失量相比水基鉆井液更大，原因在于實驗用油基鉆井液相比實驗用水基基漿更易流動，并且油基鉆井液浸泡下的網(wǎng)狀泡沫堵漏材料強度變?nèi)?，形成的封堵隔墻整體較弱，進而更易發(fā)生漏失。但總體而言19#配方能夠成功封堵漏失裂縫。

4 結(jié)論與認識

1.通過對新型網(wǎng)狀泡沫堵漏材料進行研究，并與篩網(wǎng)堵漏材料進行對比和復配,從而形成了針對裂縫性漏失堵漏效果良好的配方。

2.通過在水基基漿中進行實驗，考慮到堵漏效果，兼顧經(jīng)濟性，得出在基本堵漏配方下加入0.45%篩網(wǎng)和0.08%網(wǎng)狀泡沫即為最佳方案。

3.網(wǎng)狀泡沫堵漏材料在油基鉆井液和高溫條件下強度變?nèi)酰虼烁m于在低溫水基鉆井液中使用。

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