封堵評(píng)價(jià)用微裂縫巖心的模擬及模擬封堵實(shí)驗(yàn)

閆 晶

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

0 引言

自20世紀(jì)60年代，人們開始運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室手段模擬地層的漏失情況。最初的評(píng)價(jià)手段以API堵漏評(píng)價(jià)儀為主，而后，人們考慮了裂縫表面的形態(tài)、粗糙度等漏失通道特征。國(guó)外防漏堵漏室內(nèi)評(píng)價(jià)模擬裝置較為先進(jìn)，可以在模擬井底溫度及壓力等條件下，全尺寸動(dòng)態(tài)模擬防漏堵漏作用效果。如N. Kaageson-Loe等報(bào)道了在兩塊平行帶孔金屬板之間填充不同粒徑的粒子來(lái)模擬不同滲透率的裂縫壁面，模塊的規(guī)格為250、500、1000 μm[1]。OFI公司使用過(guò)濾介質(zhì)為不同目數(shù)的砂盤或瓷片，最小模擬縫寬為14 μm，工作壓差最大28 MPa，需要配備高溫高壓滲透性封堵儀[2]。國(guó)內(nèi)80年代中期開始也相繼研制或參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)了一批堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，常見的堵漏模擬實(shí)驗(yàn)大多都是狹縫、彈子床或滾珠、砂床模擬的動(dòng)態(tài)靜態(tài)堵漏實(shí)驗(yàn)，除此之外，部分儀器還能夠進(jìn)行夾持巖心進(jìn)行堵漏實(shí)驗(yàn)和堵漏過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)，如西南石油大學(xué)的高溫高壓鉆井液漏失動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)儀，模塊裂縫開度規(guī)格為1～10 mm[1]；石秉忠等采用高精度激光刻蝕工藝技術(shù)，在鋼化玻璃面中間部位精密刻蝕出各種微米級(jí)裂縫寬度的模擬縫，裂縫開度10～100 μm[3]；陳良制作了金屬縫板，通過(guò)尺規(guī)和螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)，鐵塊能夠模擬20～100 μm的微裂縫，深度為5 mm[4]；徐同臺(tái)等提出釆用高溫高壓濾失儀，通過(guò)砂床和泥餅?zāi)M井壁內(nèi)外泥餅的封堵效果[5]；岳前升、向興金等利用低滲人造巖心和切片金屬巖心模擬硬脆性泥頁(yè)巖微裂縫；馮學(xué)榮設(shè)計(jì)了組合型裂縫漏床，采用不同配件的組合應(yīng)用，模擬出不同張開度、橫截面形狀、孔喉錐度、粗糙度的漏層[6]；李春霞等利用現(xiàn)有的HTHP鉆井液濾失儀進(jìn)行開發(fā)，采用石英砂粒的填集來(lái)模擬破碎性地層，代替專用進(jìn)口儀器對(duì)鉆井液和完井液封堵效果進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[7]。

N. Kaageson-Loe所述的模擬方法，以粒子填充在金屬板中的方式模擬裂縫，以及陳良設(shè)計(jì)的金屬縫板，均存在縫面光滑、裂縫開度規(guī)格少的不足；OFI公司使用的砂盤或瓷片進(jìn)行模擬，解決了縫面粗糙度的問(wèn)題，但模擬的是孔隙度和滲透率，不能較好的模擬孔縫，且需要額外配備價(jià)格高昂的高溫高壓滲透性封堵儀；西南石油大學(xué)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)漏失模擬，然而裂縫開度僅為毫米級(jí)；石秉忠模擬了具有一定表面粗糙度的微米級(jí)裂縫，然而使用巖心夾持器具有誤差大、重復(fù)性差的缺點(diǎn)。上述方法在裂縫開度和模擬方法方面，存在模擬程度差、裂縫開度規(guī)格少、實(shí)驗(yàn)誤差大、重復(fù)性差，而且一些儀器操作相對(duì)過(guò)于復(fù)雜等不足，尤其針對(duì)微裂縫模型有一定的局限，因此，室內(nèi)開展了封堵評(píng)價(jià)用微裂縫巖心的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)人造裂縫進(jìn)行了有效開度測(cè)量和微觀觀察，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該人造微裂縫可以用于鉆井液封堵材料的封堵性能評(píng)價(jià)。

1 微裂縫封堵評(píng)價(jià)方法建立

根據(jù)高溫高壓失水儀的溫度壓力控制原理，結(jié)合OFI高溫高壓滲透性封堵儀，設(shè)計(jì)加工長(zhǎng)度分別為5 cm和10 cm巖心套和可以承壓的泥漿杯，利用高溫高壓失水儀的內(nèi)六角螺絲固定巖心套，采用膠圈密封泥漿杯和巖心套。裝置工作溫度室溫～260 ℃，工作壓力0～10 MPa，評(píng)價(jià)裝置如圖1所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)30 min內(nèi)漏失量來(lái)評(píng)價(jià)封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果。

2 微裂縫巖心模擬實(shí)驗(yàn)

將水泥與水按一定比例混合，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將長(zhǎng)度為10～20cm，寬度為2～3cm，不同厚度和組合的造縫用軟質(zhì)鋁箔片固定在巖心套中，澆筑攪拌均勻的水泥，澆筑完成放入40 ℃恒溫恒濕條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。利用水泥的堿性和鋁箔遇堿易腐蝕的性質(zhì)，在水泥固化的同時(shí)完成微裂縫的制作。表1為相同尺寸不同厚度的鋁箔在水泥堿性相當(dāng)?shù)娜芤褐型耆g所需的時(shí)間，圖2為厚度20 μm的鋁箔在水泥堿性相當(dāng)?shù)娜芤褐械母g情況。

圖1 微裂縫封堵評(píng)價(jià)裝置示意圖

表1 鋁箔完全腐蝕用時(shí)

圖2 鋁箔腐蝕前后對(duì)比圖

從表1和圖2可以看出，鋁箔在堿性溶液中會(huì)完全腐蝕，腐蝕時(shí)間隨著鋁箔片厚度的增加由16 min增長(zhǎng)至79 min，小于水泥完全固化所需時(shí)間，可以制造出不同寬度的微裂縫。

3 微裂縫巖心有效縫寬驗(yàn)證

由于膠凝材料的固化時(shí)間大于金屬箔片的腐蝕時(shí)間，金屬箔片腐蝕過(guò)程中，膠凝材料會(huì)繼續(xù)流動(dòng)并占據(jù)一定的金屬箔片的空間，因此，模擬的巖心裂縫開度小于所用金屬箔片的厚度，需要對(duì)巖心的有效縫寬進(jìn)行驗(yàn)證。

求取裂縫巖心的寬度時(shí)，一種是薄片分析法，沒(méi)有考慮裂縫內(nèi)流體的流動(dòng)，另一種是利用高爾夫-拉特經(jīng)驗(yàn)公式，沒(méi)有考慮裂縫表面的微觀特性、機(jī)械寬度和水力學(xué)開度，難以準(zhǔn)確反映裂縫的真實(shí)流動(dòng)特性。論文采用了微觀觀察法和流量計(jì)算法。流量計(jì)算法考慮裂縫表面是凹凸不平的，用傳統(tǒng)的幾何方法難以準(zhǔn)確地反映出本質(zhì)特征，因此使用分形幾何法描述巖石裂縫表面[8-16]。

3.1 微觀觀察法

應(yīng)用金相顯微鏡對(duì)論文制作的巖心裂縫有效開度進(jìn)行微觀觀察，見圖3。模擬的巖心裂縫表面具有一定的粗糙度，裂縫開度處于微米級(jí)別，與設(shè)計(jì)相符。

圖3 微裂縫顯微照片

3.2 流量計(jì)算法

巖石斷面具有分形特征，考慮裂縫中流體的流動(dòng)，根據(jù)Navier-Stokes(N-S)方程、質(zhì)量守恒方程和達(dá)西定律，推導(dǎo)出裂縫流動(dòng)的有效開度模型[8]，見公式(1)。

(1)

式中：h——裂縫有效開度，μm；Q——縫內(nèi)流體單位時(shí)間的流量，mL/s；μ——流體的粘度，mPa·s；L——裂縫行程，mm；ω——裂縫寬度，mm；ε——裂縫粗糙度校正系數(shù)，無(wú)量綱；ΔP——流體流動(dòng)方向的壓力梯度，MPa。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)組裝的封堵評(píng)價(jià)裝置(圖1)，計(jì)算出微裂縫的有效開度h。室內(nèi)模擬制作了20 μm內(nèi)開度的微裂縫，數(shù)據(jù)見表2。

表2 流量計(jì)算法驗(yàn)證微裂縫開度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，模擬的巖心裂縫開度小于所用金屬箔片的厚度，微裂縫的開度重復(fù)率較高，可以模擬出20 μm內(nèi)開度的微裂縫。

通過(guò)以上方法驗(yàn)證了微裂縫巖心的開度和形態(tài)與地層裂縫巖心相近，表明文中所述的制作方法是可行有效的。

4 鉆井液封堵劑對(duì)微裂縫的封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

采用圖1的封堵評(píng)價(jià)裝置，將儀器預(yù)熱至所需實(shí)驗(yàn)溫度，檢查并更換老化的密封件，擰緊與泥漿杯連接的閥桿，將加入封堵劑的鉆井液倒入泥漿杯中，放入帶有微裂縫的巖心套，使用密封圈密封，并用內(nèi)六角頂絲固定，倒置在高溫高壓失水儀套筒上，插入溫度計(jì)，連接并調(diào)節(jié)好氣源至所需壓差，待溫度升至所需溫度，開通氣源，進(jìn)行封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，時(shí)長(zhǎng)30 min，記錄1 min及每5～10 min漏失量，對(duì)各數(shù)據(jù)點(diǎn)畫圖并進(jìn)行回歸，可得瞬時(shí)漏失量，利用公式(2)計(jì)算出總漏失量，用來(lái)評(píng)價(jià)鉆井液封堵劑對(duì)不同寬度裂縫的封堵性能。

V=Vsp+2V30

(2)

式中：V——總漏失量，mL；Vsp——瞬時(shí)濾失量，mL；V30——30 min漏失量，mL。

室內(nèi)對(duì)裂縫有效開度為0～100 μm的人造微裂縫巖心進(jìn)行了封堵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和圖4。

表3 鉆井液封堵劑對(duì)微裂縫的封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

圖4 鉆井液封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果

從表3和圖4可以看出，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和線性回歸的瞬時(shí)漏失量相差較大，30 min漏失量數(shù)據(jù)相近，通過(guò)線性回歸可以計(jì)算出最終的總漏失量，小于封堵實(shí)驗(yàn)用鉆井液體積，說(shuō)明加入封堵劑后的鉆井液對(duì)微裂縫具有一定的封堵作用，評(píng)價(jià)鉆井液封堵性能的方法是可行有效的。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)加工了加長(zhǎng)巖心套，配合高溫高壓濾失儀建立了一套微裂縫封堵評(píng)價(jià)方法，裝置工作溫度室溫～260 ℃，工作壓力0～10 MPa。

(2)使用膠凝材料和固化劑制備出了裂縫開度0～100 μm、裂縫行程5～10 cm的微裂縫，通過(guò)微觀觀察和流量計(jì)算兩種方法表明制作的微裂縫開度、粗糙度和縫面形態(tài)與設(shè)計(jì)相符。

(3)該方法適用于100 μm內(nèi)裂縫的人工模擬，由于厚度>100 μm的鋁箔在膠凝材料介質(zhì)中腐蝕用時(shí)較長(zhǎng)，在膠凝材料固化后鋁箔仍未完全腐蝕，目前采用的是插拔方式，人為誤差較大，大于100 μm的微裂縫模擬仍需要摸索。

(4)利用微裂縫封堵評(píng)價(jià)裝置，通過(guò)監(jiān)測(cè)30 min內(nèi)漏失量可評(píng)價(jià)鉆井液封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果。

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