裂縫性漏失架橋材料粒度分布研究

趙 洋， 鄧明毅， 肖洛書， 曾文強(qiáng)， 何 佳

(1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 2西南石油大學(xué) 3 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院)

井漏的防治是油氣開采中一個重大的挑戰(zhàn)，尤其是針對裂縫性地層時，漏失現(xiàn)象的發(fā)生更為普遍[1-3]。據(jù)不完全的統(tǒng)計，裂縫性油氣藏的油氣資源量約占世界儲量的50%，90%以上的井漏都屬于裂縫性漏失[4-5]。

堵漏材料[6]通常作為阻止或減少鉆井液損失到地層的工具，主要目的是設(shè)計一種有效的方法確保能夠封住裂縫并有效停止流體損失。粒度分布在設(shè)計這些粒度分布過程中是一個重要的參數(shù)[7]。Abrams,A[8]提出的1/3規(guī)則，即中值粒徑的橋接相加應(yīng)≥1/3中值孔隙大小，且橋接的濃度大小至少為漿液濃度的5%。Smith等[9]對于石英砂巖給定孔隙度具有高滲透率的問題進(jìn)行了研究，通過實驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這些孔道是相互連接的，并找到石英砂巖漏失的原因和措施，認(rèn)為D90規(guī)則適應(yīng)地層裂縫大小。Hands，N[10]、Dick MA[11]等利用甲酸鈉鹽水鉆井液作為基漿，搭配碳酸鈣顆粒，在一定架橋基礎(chǔ)上，減少砂巖地層流體的漏失。Vickers S.等提出了一種新模型，建立一個架橋方式，廣泛適配其孔喉大小，認(rèn)為D90粒子應(yīng)等于最大孔喉直徑，并提出D25粒子應(yīng)等于1/7的平均孔喉直徑，基于此粒徑分布使漏失得到有效改善[12]。Lavrov A等[13]利用不同的實驗室測試來評估有效橋接對滲透率降低的影響。以上方法都是在選擇粒度分布的基礎(chǔ)上來進(jìn)行堵漏作業(yè)，減少流體損失的。

因此，開展裂縫性漏失橋塞堵漏鉆井液的理論和實驗研究，設(shè)計合理的架橋規(guī)律評價方法，正確選取架橋材料的種類、漿液中材料濃度與粒度的級配，對已知裂縫寬度的堵漏有很好的效果，并對鉆井工程防漏堵漏有著積極的意義[14]。針對裂縫性漏失的基本特征，利用自研制的不銹鋼長楔形裂縫模塊，對已知裂縫寬度的裂縫，進(jìn)行了承壓堵漏室內(nèi)實驗研究，探討了架橋顆粒的粒度分布對裂縫性漏失的影響[15-17]。

一、實驗部分

1. 實驗裝置

實驗選定的儀器是高溫高壓動靜態(tài)堵漏儀，其配套的其它儀器為氮氣源、壓縮機(jī)、壓縮空氣冷凍式干燥機(jī)。該堵漏儀的核心部分是不銹鋼長楔形裂縫模塊，楔形模塊上寬下窄，與立縫模版與縫板模塊相比，更接近現(xiàn)場的真實狀態(tài)，可在實驗后觀察到堵漏材料進(jìn)入裂縫的深度與封堵情況，其具體參數(shù)為：裂縫高度R=47 mm，裂縫長度L為30 cm。規(guī)格Ⅰ：入口裂縫Wi=2 mm，出口裂縫Wo=1 mm；規(guī)格Ⅱ：入口裂縫Wi=3 mm，出口裂縫Wo=1 mm；規(guī)格Ⅲ：入口裂縫Wi=3.5 mm，出口裂縫Wo=2 mm。實驗裝置參數(shù)[18]，如圖1所示，其中裂縫寬度為Wi，即入口寬度為Wi，出口寬度為Wo。

該實驗裝置拆卸及操作方便簡單，密封性良好，縫板為楔形，可以根據(jù)實驗要求組裝不同尺寸縫寬的裂縫通道。由于碳酸鹽巖壁面是光滑的，砂巖壁面是粗糙的，對于這種形式的模擬，可在光滑楔形裂縫縫板中夾入表面粗糙的超薄夾片來實現(xiàn)。

圖1 不銹鋼長楔形裂縫模塊幾何尺寸示意圖

2.實驗配方

實驗用基漿為：6%膨潤土+0.3%Na2CO3+0.3%HV-CMC，實驗用架橋材料主要為剛性方解石顆粒和核桃殼。方解石顆?？稍诹芽p中某位置卡住，相對較小的顆粒填充至裂縫中，核桃殼顆?？梢院艽蟪潭冉档投氯麑拥臐B透性，二者復(fù)配能最大限度的提高堵塞層的承壓能力[19]。實驗應(yīng)用到架橋堵漏材料粒度分級分別是：0～0.2 mm(粒級A1)、0.2～0.35 mm(粒級A2)、0.35～0.45 mm(粒級A3)0.45～0.9 mm(粒級B)、0.9～1.2 mm(粒級C1)、1.2～1.4 mm(粒級C2)、1.4～1.7m(粒級C3)、1.7～2.0 mm(粒級C4)、2.0～2.4 mm(粒級D)、2.4～2.8 mm(粒級E)、2.8～3.2 mm(粒級F)、3.2～3.5 mm(粒級G)等，通過細(xì)目數(shù)篩分可以篩出更精細(xì)分布的粒徑以供實驗需要。

3. 實驗結(jié)果與分析

由于對光滑裂縫進(jìn)行若干組實驗后，發(fā)現(xiàn)無論增加粒徑大小或濃度，都只能在縫口與縫尾堵住，無法在其他位置形成架橋，同時考慮到地層裂縫多為不光滑，采用夾片更能模擬實際情況，研究過程中的實驗均采用粗糙裂縫。

本文考察了單種材料與復(fù)配材料以不同粒度分布對不同寬度粗糙裂縫的架橋效果，以三種楔形裂縫為例，列舉出若干種搭配方式及其在裂縫內(nèi)的架橋效果，實驗結(jié)果如表1所示，其中Lx為堵漏材料進(jìn)入裂縫的深度。

表1 不同裂縫寬度和粒度分布對架橋效果的分析結(jié)果(部分)

注：所選顆粒粒級均又通過細(xì)目篩進(jìn)行詳細(xì)篩選使用。

由表1可以看出，使用粗糙裂縫進(jìn)行實驗，可以在縫中某一位置形成架橋，其中在粒徑D10、D25與D75等相同濃度與同種材料進(jìn)行實驗時保持不變，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)D50保持不變時，隨著D90粒徑的增加，架橋位置從“尾部”逐漸向“腰部”提前；當(dāng)D90保持不變時，隨著D50粒徑的增加，架橋位置可在“喉部”與“腰部”兩處形成架橋且封堵壓力有明顯上升的趨勢。同時，對不同寬度的裂縫或?qū)︻w粒濃度進(jìn)行改變時，效果均呈現(xiàn)這一趨勢。

圖2 3.5～2 mm裂縫的粒徑分布與封堵壓力

根據(jù)不同寬度裂縫繪制出的粒徑分布與封堵壓力圖，圖2是其中一例，其中黑色虛線作為參考線代表毫米的入口裂縫寬度，黑色曲線表示不同粒級分布下所對應(yīng)的封堵壓力，相應(yīng)的單色系線表示每個粒徑的二次回歸擬合曲線隨著壓力的增加而變化的趨勢。根據(jù)對每組數(shù)據(jù)的擬合曲線可以看出，D90粒徑的選取往往對提高封堵壓力來看，十分明顯。結(jié)合表1，無論單顆粒材料還是復(fù)配材料，D90值都介于1.20～3.50 mm之間。一般來說，所有的材料中D90值小于實驗裂縫寬度的在實驗中大都導(dǎo)致大量漏失或被擊穿。這表明要確保一個有效的裂縫架橋，D90值在堵漏設(shè)計中不可缺少，且需要定量化D90粒徑值。

二、裂縫性漏失架橋規(guī)律分析

裂縫長度方向裂縫寬度不斷變化，可用式(1)表示：

(1)

其中：Wy—封堵處裂縫寬度，mm；Wi—裂縫的入口寬度，mm；Lx—距開口裂縫長度，cm。

針對長楔形裂縫(2～1 mm)封堵效果較好的復(fù)配實驗結(jié)果可知，顆粒在18～25 cm處形成穩(wěn)定架橋，由式(1)算出該處裂縫寬度Wy為1.17～1.4 mm。根據(jù)復(fù)配材料配方數(shù)據(jù)，在半對數(shù)坐標(biāo)系下做出粒子的粒度組成分布曲線與粒度組成累計分布曲線，如圖3所示。

圖3 復(fù)配材料粒度組成分布及累計分布曲線(2～1 mm裂縫)

針對長楔形裂縫(3～1 mm)封堵效果較好的復(fù)配實驗可知，顆粒在18～26 cm處形成架橋，由式(1)計算該處的裂縫寬度Wy為2.13～2.4 mm。同理，針對長楔形裂縫(3.5～2 mm)封堵效果較好的復(fù)配實驗可知，其顆粒架橋在15～21 cm處形成，由式(1)算出該處裂縫寬度Wy為2.8～3.0 mm。

由復(fù)配材料在三種粗糙裂縫中的穩(wěn)定架橋所做的圖，從圖3中可以看出，材料粒子粒度的累積分布曲線約在D90標(biāo)線附近，三種縫寬所對應(yīng)的D90/Wy分別為：1.16、0.99、0.9。采用同樣的方法，在單顆粒材料實驗后得出的粒度分布圖所對應(yīng)的D90/Wy也分布在0.9～1.2區(qū)間內(nèi)。由此可見，設(shè)計架橋材料粒度時應(yīng)對D90進(jìn)行修正，即D90大于等于0.9倍架橋處的裂縫寬度Wy，當(dāng)D90粒徑等于裂縫的入口寬度為Wi時，材料全部封口。因此若要使材料順利進(jìn)入裂縫并正確架橋，應(yīng)0.9Wy≤D90

本文分別采用三種裂縫三種濃度進(jìn)行分析，得出D10、D25及D75作用于充填作用，因此其為定值時，D50與D90通常決定了架橋的好壞。當(dāng)D50粒徑為定值時，隨著D90粒徑的增大，架橋位置從不穩(wěn)固的“尾端”向“腰部”前進(jìn)，此時D90粒徑相當(dāng)于主架橋顆粒，在合適的位置撐起整個骨架；又當(dāng)D90粒徑保持不變時，增大D50粒徑的使用，不但會在“喉部”與“腰部”兩部分形成架橋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而且封堵壓力會有明顯提升，此時D50顆粒小于D75、D90粒徑，在已經(jīng)形成穩(wěn)定骨架的前提下，一部分進(jìn)入“腰部”加固了架橋，另一部分則在“喉部”停留，形成了封堵隔墻，此時才是真正架橋想要的理想狀態(tài)[20]，該認(rèn)識可以在堵漏作業(yè)中剛性材料的選取上提供較好的依據(jù)。

三、結(jié)論

(1)實際裂縫性漏失的通道多為長短不一、非光滑的，利用自主研制的不銹鋼長楔形裂縫模塊，不僅與實際情況更相近，而且可在實驗后觀察到封堵情況。

(2)影響架橋的另外一個重要因素，即D50與D90顆粒的選取。當(dāng)其他粒徑的粒子保持不變時，隨著D90粒徑增加，架橋位置不斷提前；D50粒徑的加入，在“腰部”的基礎(chǔ)上，又增加了“喉部”架橋，且封堵壓力得到提高。

(3)若要讓材料順利進(jìn)入裂縫并形成穩(wěn)固的架橋，主架橋顆粒粒徑的設(shè)計至關(guān)重要，經(jīng)大量實驗驗證后，應(yīng)采用0.9Wy≤D90

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