頁巖微裂縫模擬實驗評價

劉衛(wèi)東， 朱曉虎， 蔣文海， 樊 萍， 王悅和， 都炳鋒

(1克拉瑪依市富城能源集團有限公司 2新疆金戈壁油砂礦開發(fā)有限責任公司)

在鉆井過程中，90%以上的井壁失穩(wěn)問題均發(fā)生在泥頁巖井段[1]。其原因在于泥頁巖微裂縫發(fā)育豐富，黏土遇水后發(fā)生水化膨脹[2]，水化作用將使微裂縫不斷沿裂縫方向發(fā)展擴張，最后導(dǎo)致井壁出現(xiàn)宏觀裂縫，井壁失穩(wěn)甚至垮塌[3]。解決該難題的關(guān)鍵在于高效鉆井液封堵材料對微裂縫進行封堵，防止鉆井液濾液入侵，起到穩(wěn)定井壁，保護儲層的作用[4]。對于鉆井液封堵劑的評價方法，尤其是針對裂縫封堵的評價方法，國內(nèi)外還沒有形成一個有效的統(tǒng)一的標準[5]。目前用于泥頁巖微裂縫模擬封堵實驗的方法主要有裂縫鋼片封堵實驗，劈裂巖樣人造裂縫模擬封堵實驗，劈裂巖樣結(jié)合鋼塊套筒法等[6]。這些方法都可以很好的直接模擬巖石裂縫，并且能進行鉆井液封堵劑的封堵性能做基本的評價。但是這些方法都存在操作復(fù)雜，實驗重現(xiàn)性差，實驗成本高等缺點[7]。筆者總結(jié)了各種方法優(yōu)缺點后，在前人研究方法基礎(chǔ)上加以改進，開拓新的思路，提出一種利用濾餅簡單高效可重復(fù)性高的泥頁巖微裂縫封堵性模擬評價方法。

一、 模擬泥頁巖低滲透性濾餅制備

若要對泥頁巖微裂縫真實情況進行模擬，首先要建立泥頁巖所處物理環(huán)境，從封堵性角度來說是對低滲環(huán)境的模擬，即制作滲透率在10-3～10-5mD范圍的低滲濾餅。

1.低滲濾餅的制備

實驗主要材料及儀器：膨潤土，API重晶石粉，1 250目和2 200目碳酸鈣，聚丙烯酰胺PAM，聚丙烯酸鈉PAAS。電子天平，42型高溫高壓失水儀，JC101型電熱鼓風干燥箱。

制作步驟：

(1)首先制備養(yǎng)護基漿，取適量自來水于容器中，加入適量膨潤土和碳酸鈣，進行充分攪拌后靜置24 h來養(yǎng)護。

(2)取適量經(jīng)過養(yǎng)護后的8%基漿300 mL于容器中，同時加入75%的鉆井液用重晶石粉，50%毫微重晶石粉，20%的1 250目和5%的2 200目碳酸鈣，1%聚丙烯酰胺和5%聚丙烯酸鈉，然后在高速攪拌器13 000 r/min條件下攪拌25 min。再用普通低速扇葉攪拌器，600 r/min條件下攪拌2 h，使其能夠分散均勻。

(3)將制備好的濾漿倒入高溫高壓濾失儀器中，在壓力為3.5 MPa狀態(tài)下濾失30 min，然后打開儀器將上層清液倒出，取出濾餅放入電熱鼓風干燥箱中風干。

2.人造低滲濾餅與天然天然頁巖巖心對比

以上述方法制備的人造低滲濾餅與來自長寧地區(qū)龍馬溪組的天然頁巖巖心進行比較。經(jīng)試驗測得實驗室所制備的濾餅滲透率最小可達9.80×10-4mD，而龍馬溪組頁巖巖心經(jīng)測得其滲透率為3.853×10-4mD。通過SEM環(huán)境電鏡掃描制備濾餅和天然巖心表面，實驗室制備的濾餅表面的最大裂縫寬度為13.28 μm，而天然巖心表面裂縫的最大寬度為10.51 μm。比較可知二者的最大裂縫寬度相差不多，但是由實驗室制備的濾餅孔縫數(shù)量要多于天然巖心孔縫數(shù)量，故這是制備濾餅比天然巖心滲透率大的原因之一。但由于實驗室制備濾餅滲透率接近天然巖心，且裂縫寬度在同一數(shù)量級，故可認為實驗室制備濾餅可用于替代天然巖心來進行微裂縫的模擬與封堵性評價實驗。

二、泥頁巖微裂縫實驗室模擬研究

實驗室一般采用直接取心和實驗室制備巖心來進行模擬孔隙和裂縫實驗，但對于微裂縫發(fā)育的泥頁巖來說還沒有有效的實驗室模擬方法[8]。為此，考慮泥頁巖本身特性，本文通過在低滲濾餅上進行人工插針造縫。即通過該手段達到控制裂縫寬度和孔隙，從而接近真實泥頁巖滲透環(huán)境的目的。

1.裂縫的制備

實驗用品：經(jīng)過烘干且靜置后的低滲濾餅，金屬銀針(直徑0.25 mm)。

制備步驟：

(1)經(jīng)過一段時間后，從電熱鼓風干燥箱中取出放置的濾餅，然后在室溫下靜置，待濾餅成型干燥后，用金屬銀針以設(shè)計好的插入角度來對濾餅進行穿刺操作。

(2)將穿刺后的濾餅在室溫下靜置1.5～3 h，然后取出金屬銀針，這樣具備裂縫的濾餅制備完畢。

2.裂縫開度的精確確定

在利用金屬銀針進行穿刺造縫時，所造人工裂縫寬度會受多種因素影響，使其在濾餅成型的過程中發(fā)生改變，現(xiàn)對人工裂縫寬度進行深一步的研究與確定。

圖1 裂縫微觀放大示意圖

如圖1所示，記制備的濾餅面積為A，人工裂縫的開度為d，濾餅厚度(即人造裂縫深度)為h，假設(shè)裂縫長度與寬度不隨裂縫改變，液體流經(jīng)裂縫時為穩(wěn)定滲流，且在濾餅人工造縫后濾餅滲透率的增加值全部來自裂縫提供，即濾餅滲流為孔—縫二重介質(zhì)滲流，那么有：

(1)

式中：d—裂縫縫長，m；Vf—通過裂縫滲透的液體體積，m3；μ—濾液流體黏度，mPa·s；h—裂縫深度，m；n—裂縫條數(shù)。

3.微裂縫模擬穿透性研究

3.1 烘干時間對裂縫的影響

在用金屬銀針對實驗室制備濾餅進行穿刺造縫的過程中，濾餅是否成型將會影響裂縫模擬成功與否。如果濾餅還處于未完全干燥的狀態(tài)，表面濕潤，這時濾餅的強度與韌性不足，將會導(dǎo)致在金屬銀針穿插過后濾餅將穿刺部分重新閉合，故考慮到上述因素，將對制備的濾餅在電熱鼓風干燥箱中進行加熱與風干操作。

表1 烘干時間與濾餅清水滲透率

注：為了避免由于長時間高溫條件下對制備濾餅本身結(jié)構(gòu)與性質(zhì)造成破壞與影響，加熱溫度不超過50℃為宜，這里取加熱溫度為50℃。所用金屬銀針直徑0.25 mm，所造裂縫數(shù)量為10個，插孔排列方式為直線型垂直裂縫。

通過上述實驗數(shù)據(jù)(表1)和圖2可知，濾餅在進行加熱和風干操作時，濾餅成型受加熱時間影響較大，如果加熱時間較短時，濾餅未能干燥成型，若加熱時間過長，則濾餅會凝固龜裂。由表1可以得知，在50℃條件下，加熱時間控制在1～2 h為宜。

(a)加熱時長為0.5 h濾餅 (b)加熱時長3 h的濾餅圖2 加熱不同時長的濾餅形狀

3.2 裂縫閉合與時間的關(guān)系

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在穿插造縫后進行濾餅清水滲透率測試的環(huán)節(jié)中，因為濾餅裂縫還未完全成型，結(jié)果在3.5 MPa壓力條件下，濾餅上的裂縫會由于清水的連續(xù)沖刷而閉合，從而導(dǎo)致濾餅的滲透率降低[9]。故依據(jù)上文所述，進行清水滲透率測試的濾餅選擇經(jīng)過加熱1～2 h的，且為了考察裂縫閉合與時間二者的關(guān)系，測量多組時間點的濾餅清水濾失量。

圖3 不同加熱時間的濾餅30 min內(nèi)的失水情況

由圖3可看出，在加熱時間為1 h和1.5 h時，濾餅的第一次失水量比較大，但是隨著時間的延長，濾餅的清水濾失量越來越少，逐步接近濾餅在造縫前的清水濾失量，表明濾餅上的裂縫在濾失過程的后面發(fā)生堵塞現(xiàn)象。表格數(shù)據(jù)顯示濾餅在加熱2 h后其在造縫后的清水滲透率顯著提高，這反映出濾餅裂縫在濾失過程的后期未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。故把最佳加熱時間確定為2 h。

4.微裂縫對濾餅滲透率影響研究

現(xiàn)在為了更加深入地研究裂縫對濾餅滲透率的影響，現(xiàn)在從裂縫數(shù)量，插針傾角，插針的排列方式三個方向來分別進行研究。

4.1 裂縫數(shù)量對濾餅滲透率的影響

進行人工造縫操作，排列方式為直線型，以濾紙中心為起始造縫點，然后沿直線作用兩邊各每隔5 mm且插孔方向為90°垂直來進行造縫操作，造縫的數(shù)量分別為5，9，13，17，20，隨后再測其濾餅清水滲透率。結(jié)果如表2所示。

從表2看出插孔造縫的數(shù)量與濾餅滲透率成正相關(guān)，表明裂縫發(fā)育程度對泥頁巖的滲透率影響較大，在鉆進泥頁巖層系時，細微的裂縫也會造成鉆井液侵入地層。根據(jù)實驗結(jié)果，采用銀針造縫的數(shù)量從5個增加到20個時，等效裂縫寬度范圍從8.02×10-5m變化到4.12×10-5m，而當造縫插孔數(shù)為9個時，造縫后的失水量可以達到12.4 mL，則每條裂縫的寬度大約為5.51×10-5m。此時隨造縫數(shù)量的增加，等效裂縫寬度變化幅度不大，故可視最佳造縫數(shù)量為9個。

表2 不同插孔數(shù)量濾餅失水情況

注：基礎(chǔ)濾餅的平均厚度為4.5 mm，造縫針直徑為0.25 mm，均為90°垂直插入，插孔排列方式均為直線型。

4.2 裂縫寬度對濾餅滲透率的影響

通過選用不同直徑的金屬銀針來達到不同直徑裂縫的目的，接下來以垂直方向進行插孔，數(shù)量為9個，隨后測其各自條件下的濾餅清水滲透率。結(jié)果如表3所示。

表3 不同金屬銀針直徑造縫后濾餅失水情況

注：基礎(chǔ)濾餅的平均厚度為4.5mm，造縫數(shù)量為9個，均為90°垂直插入插孔排列方式均為直線型。

由表3數(shù)據(jù)觀察可知，濾餅的失水量隨著金屬銀針直徑的增加而增大，即濾餅的滲透率會隨裂縫直徑的增大而增加，這與相關(guān)文獻所得結(jié)論相符。

4.3 裂縫傾角對濾餅滲透率的影響

通過控制金屬針插入的角度來改變傾角，采用直線型造縫，造縫數(shù)量均為9的90°、60°、45°和30°的裂縫，研究其對濾餅滲透率的影響。同時為了實驗的有效性，將濾餅厚度控制在8 mm左右，實驗結(jié)果如表4。

通過表4數(shù)據(jù)可以看出，在裂縫為90°時，濾餅的失水量最多，30°的失水量最少。這是因為裂縫傾角越小，水流經(jīng)裂縫時的通道越長，水與裂縫間的摩擦阻力持續(xù)的時間也就越長，同時由于黏土的吸附作用，使得水與流經(jīng)通道內(nèi)黏土接觸比表面積增大，使得黏土表面的表面自由能越大，使其產(chǎn)生強的吸附能力，結(jié)果導(dǎo)致裂縫通道變窄阻止水進一步通過，故會造成水分殘留在裂縫中影響失水量。

表4 不同裂縫傾角造縫后濾餅失水情況

注：所用銀針直徑均選用0.25 mm，造縫數(shù)量為9個。

4.4 裂縫排列方式對濾餅滲透率的影響

在上述所做實驗中，均是以裂縫為直線型來進行研究的，現(xiàn)在考察裂縫的不同排列方式是否會影響濾餅滲透率。故在此設(shè)計了四種排列方式來進行研究：直線型、矩陣型、圓周型和交叉型。其各自的排列標準如下：

直線型：以濾紙中心為初始造縫點，然后沿著同一直線方向上左右每隔5 mm進行造縫操作。

矩陣型：以濾紙中心為初始造縫點，隨后沿著濾紙邊緣部位以矩陣對角線方向每隔5 mm來進行造縫操作。

圓周型：以濾紙中心為圓心，沿著半徑為15 mm的圓周上選取距離進行造縫操作。

交叉型：以濾紙中心為初始造縫點，隨后沿著濾紙邊緣部位以十字交叉的方向每隔5 mm來進行造縫操作。

隨后測出各自濾餅的清水滲透率，結(jié)果如表5所示。

通過表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在四種排列方式下，濾餅的失水量相差不大，其可能原因為：在裂縫長度適當情況下，裂縫流體在同一平面同一流向上互相之間的干擾并不大，故不存在類似井間滲流干擾現(xiàn)象。

表5 不同排列方式下濾餅失水情況

注：濾餅遭逢插孔數(shù)量均為9個，所用銀針直徑為0.25 mm，且基礎(chǔ)濾餅的平均厚度為4.5 mm，均為90°垂直插入。

三、結(jié)論

(1)可通過實驗室制備低滲透濾餅的方法，來模擬泥頁巖低滲地層的真實滲透環(huán)境。在制備的低滲濾餅的基礎(chǔ)上，通過金屬銀針來進行人工造縫，控制裂縫的寬度，從而來達到模擬真實裂縫的目的。

(2)裂縫對濾餅滲透率的影響因素主要有加熱時間，裂縫數(shù)量和裂縫寬度，與裂縫的排列方式?jīng)]有多大影響。

(3)本文推薦造縫數(shù)量9個，加熱時間為2 h，裂縫傾角為90°且裂縫的排列方式為矩陣型來作為裂縫模擬評價標準。