裂縫性地層堵漏材料承壓性能及材料優(yōu)選研究

何 龍， 史 堃， 楊 健， 賈光亮

(1中國(guó)石化西南油氣分公司 2中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司)

井漏按漏失通道可分為滲透性地層井漏、裂縫性地層井漏及溶洞性地層井漏，其中溶洞性地層井漏可看做為裂縫性地層井漏的特殊情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-3]，國(guó)外公司井下復(fù)雜時(shí)效約占10%，井漏占復(fù)雜時(shí)效的45%左右，全球石油行業(yè)每年裂縫性地層的堵漏花費(fèi)占到了井漏總花費(fèi)的90%以上。

裂縫性地層井漏在鉆井過(guò)程中是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象[4-6]，多數(shù)井眼都有不同程度的井漏。嚴(yán)重的井漏會(huì)增加處理井漏時(shí)間，影響鉆井效率，導(dǎo)致鉆井費(fèi)用大幅增加。目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和物理等多學(xué)科開(kāi)發(fā)新型的防漏堵漏材料[7-11]，研究有效的漏失壓力計(jì)算方法和新型的井漏處理技術(shù)，從而最大限度的發(fā)揮鉆井新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

目前，橋塞堵漏材料的缺點(diǎn)主要集中在不能完全滿足提高地層承壓能力的要求、堵漏材料尺寸不合理、顆粒級(jí)配不合理、封堵層致密性差，彈性材料較少，瀝青類軟化點(diǎn)低等；堵漏方案及工藝有待改善[12-15]。材料耐溫性差(160℃～200℃)，長(zhǎng)時(shí)間浸泡后強(qiáng)度降低，導(dǎo)致封堵失效。

一、裂縫性地層堵漏材料性能評(píng)價(jià)

1. 高溫?zé)釗p傷對(duì)堵漏材料細(xì)觀參數(shù)的影響

研究表明，高溫?zé)釗p傷對(duì)堵漏材料回彈性有直接影響，高溫老化會(huì)降低堵漏材料回彈性；堵漏材料中彈性材料占比越大，回彈性降低趨勢(shì)越明顯。圖1、圖2分別為200℃、250℃熱損傷48 h對(duì)堵漏材料細(xì)觀影響。熱損傷對(duì)堵漏材料粒徑同樣產(chǎn)生影響，相同閉合應(yīng)力條件下，堵漏材料D90粒徑降級(jí)率隨老化溫度的升高呈增大趨勢(shì)；老化溫度越高，堵漏材料D90粒徑降級(jí)率對(duì)閉合應(yīng)力的敏感性越弱。

圖1 200℃熱損傷48 h對(duì)堵漏材料細(xì)觀參數(shù)影響

2. 堵漏材料粒徑與承壓能力關(guān)系

研究了堵漏材料粒徑與承壓能力的關(guān)系，圖3為剛性暫堵粒徑D90值對(duì)承壓能力影響，當(dāng)剛性粒子D90值與縫寬(1.250 mm)接近時(shí)，其承壓值較大、承壓時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)D90值與縫寬相差越大，封堵效果越差,這是由于暫堵粒徑與縫口受力不均衡造成的，粒徑過(guò)小時(shí)顆粒難以形成有效的架橋，骨架支撐能力弱，呈現(xiàn)承壓能力降低；粒徑較大時(shí)產(chǎn)生封門效應(yīng)，大部分剛性粒子不能在縫內(nèi)架橋，承壓能力降低；當(dāng)暫堵材料D90值與縫寬接近，級(jí)配合理時(shí)剛性粒子架橋穩(wěn)固，為柔性顆粒致密充填提供有利條件，因此具有較高的承壓能力。

圖2 250℃熱損傷48 h對(duì)堵漏材料細(xì)觀參數(shù)影響

圖3 剛性暫堵粒徑D90值對(duì)承壓能力影響

3. 堵漏材料破碎率與承壓能力關(guān)系

開(kāi)展了堵漏材料粒徑與閉合應(yīng)力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，隨閉合應(yīng)力的增大，剛性粒子發(fā)生破碎，D90值呈減小趨勢(shì)，粒徑分布曲線向左移動(dòng)。圖4、圖5分別為暫堵材料承壓20 MPa、40 MPa粒徑分布曲線。

定義了堵漏材料破碎率評(píng)價(jià)方法—計(jì)算堵漏材料D90降級(jí)率。圖6為承壓值隨D90降級(jí)率變化趨勢(shì)，隨著降級(jí)率的增大，承壓值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨裂縫閉合壓力增加，剛性粒子破碎率增大，D90值減小，堵漏材料架橋能力減弱，承壓值能力與承壓時(shí)間會(huì)減小。降級(jí)率從0增大到30%，承壓值從4 MPa降低至0 MPa。

圖4 堵材料承壓20 MPa粒徑分布曲線

圖5 堵材料承壓40 MPa粒徑分布曲線

圖6 承壓值隨D90降級(jí)率變化趨勢(shì)

4. 堵漏材料回彈性與承壓能力關(guān)系

定義了一種堵漏材料回彈性的評(píng)價(jià)方法，研究了堵漏材料回彈性影響承壓能力的機(jī)理。圖7為0.50 mm縫寬暫堵材料承壓值隨回彈率變化趨勢(shì)，隨著回彈率的增大，承壓值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。回彈率從150%升至210%，承壓值從6 MPa降至2 MPa。其機(jī)理為回彈性越大，流體擠壓作用下越容易彎曲變形，導(dǎo)致架橋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

但對(duì)于反復(fù)開(kāi)啟、閉合的裂縫，回彈性良好的材料更容易在裂縫中挺住。

圖7 0.50 mm縫寬暫堵材料承壓值隨回彈率變化趨勢(shì)

二、堵漏材料優(yōu)選

堵漏材料優(yōu)選的原則為：①封堵顆粒的架橋、填充等作用后，形成封堵層；②封堵層使得鉆井流體進(jìn)行過(guò)濾，堵漏顆粒在裂縫尖端或是裂縫喉道處開(kāi)始收縮，直至井壁，最終形成致密填塞層；③填塞層阻止裂縫漏失，同時(shí)鉆井流體通過(guò)封堵層小于流體通過(guò)縫面的濾失，減小了縫內(nèi)流體壓力，提高地層承壓能力。表1列出了裂縫地層暫堵材料優(yōu)選措施。

表1 裂縫地層暫堵材料優(yōu)選措施

三、結(jié)論及建議

(1)當(dāng)D90值與縫寬相差越大，封堵效果越差,呈現(xiàn)承壓能力降低；粒徑較大時(shí)產(chǎn)生封門效應(yīng)，承壓能力降低；當(dāng)暫堵材料D90值與縫寬接近，級(jí)配合理時(shí)剛性粒子架橋穩(wěn)固，具有較高的承壓能力。

(2)隨裂縫閉合壓力增加，剛性粒子破碎率增大，D90值減小，堵漏材料架橋能力減弱，承壓值能力與承壓時(shí)間會(huì)減小。

(3)建議裂縫性地層堵漏材料的研發(fā)基于顆粒物質(zhì)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論開(kāi)展封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建封堵系統(tǒng)承壓能力預(yù)測(cè)模型。針對(duì)裂縫性地層承壓失穩(wěn)控制因素，開(kāi)展針對(duì)性的材料優(yōu)選、堵漏工藝技術(shù)研究。