深層裂縫性?xún)?chǔ)集層封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理與強(qiáng)化方法

許成元，閆霄鵬，康毅力，游利軍，張敬逸

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?西南石油大學(xué)，成都 610500）

0 引言

裂縫性?xún)?chǔ)集層鉆完井過(guò)程中，工作液漏失是最嚴(yán)重的儲(chǔ)集層損害方式，更是長(zhǎng)期影響鉆井效率和油氣井產(chǎn)能的復(fù)雜工程問(wèn)題之一。高溫、高壓、高地應(yīng)力等深層（埋深大于4 500 m）儲(chǔ)集層條件，進(jìn)一步增加了工作液漏失控制難度，且通過(guò)增產(chǎn)改造等措施解除或緩解漏失損害的成本和難度也隨之增加。深層裂縫性?xún)?chǔ)集層工作液漏失控制已成為石油與天然氣工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

為了達(dá)到安全高效鉆井和儲(chǔ)集層保護(hù)的要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)易漏低承壓能力地層的漏失控制做了大量研究。暫堵理論和方法的提出，較好地解決了孔隙型和裂縫-孔隙型儲(chǔ)集層工作液漏失控制問(wèn)題。但對(duì)于天然裂縫發(fā)育的裂縫性?xún)?chǔ)集層，由于工作液漏失控制難度大，漏失損害仍然難以得到有效控制[1-6]。針對(duì)裂縫性地層工作液漏失控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼引入斷裂力學(xué)、顆粒物質(zhì)力學(xué)、突變理論、多相流體力學(xué)等相關(guān)理論開(kāi)展研究。目前，裂縫性地層工作液漏失控制主要包括調(diào)控井周應(yīng)力、封堵漏失通道、提高巖體強(qiáng)度等 3種方法。調(diào)控井周應(yīng)力方法又包括“應(yīng)力籠”、提高裂縫閉合應(yīng)力和提高裂縫延伸壓力等3種方式，該類(lèi)方法通過(guò)調(diào)控井周切向應(yīng)力場(chǎng)和裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)來(lái)控制工作液漏失[7-15]。封堵漏失通道方法是指通過(guò)使用堵漏材料形成致密、高強(qiáng)度封堵層，封堵裂縫漏失通道，建立井筒液柱壓力與地層壓力之間的平衡[16-25]。提高巖體強(qiáng)度方法是指材料進(jìn)入漏失通道后，在地層溫度、壓力、流體等環(huán)境下，形成高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)體，隔斷井筒和地層兩個(gè)壓力系統(tǒng)，從而達(dá)到控制工作液漏失的目的[26-29]。對(duì)于提高巖體強(qiáng)度方法，由于其形成的封堵層通常難以解除，不能滿(mǎn)足投產(chǎn)前解堵的需要，多不應(yīng)用于儲(chǔ)集層。對(duì)于裂縫性?xún)?chǔ)集層，采用可溶（酸溶或氧化溶蝕等）顆粒材料體系封堵裂縫是最常用的漏失控制方法[30-31]。裂縫封堵層在高溫、高壓、高地應(yīng)力環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是決定深層裂縫性?xún)?chǔ)集層漏失控制效果的關(guān)鍵因素，而當(dāng)前對(duì)深層裂縫性?xún)?chǔ)集層封堵層結(jié)構(gòu)及其承壓穩(wěn)定性的研究仍有待深入。

本文以顆粒物質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，明確裂縫封堵層多尺度結(jié)構(gòu)，構(gòu)建深層裂縫性?xún)?chǔ)集層高溫、高壓、高地應(yīng)力環(huán)境下裂縫封堵層失穩(wěn)模式，建立裂縫封堵層強(qiáng)度模型，揭示封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，進(jìn)而提取堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)。選用新型堵漏材料開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)對(duì)裂縫封堵效果的影響，形成深層裂縫性?xún)?chǔ)集層堵漏材料選擇原則，為裂縫性?xún)?chǔ)集層堵漏材料優(yōu)選和配方設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 裂縫封堵層多尺度結(jié)構(gòu)

對(duì)各種裂縫性地層工作液漏失控制技術(shù)（見(jiàn)表1）進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，裂縫封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。裂縫封堵層是由離散的固體顆粒相互作用而組成的復(fù)雜體系，涉及多個(gè)空間結(jié)構(gòu)層次，具有復(fù)雜跨尺度結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。宏觀(guān)尺度下的裂縫封堵層是由堵漏材料形成的顆粒物質(zhì)體系，其能夠代表堵漏材料顆粒聚集體的宏觀(guān)力學(xué)性能[32]。在外載荷作用下，封堵層中顆粒相互接觸擠壓形成接觸力，接觸力沿堵漏材料傳遞形成力鏈網(wǎng)絡(luò)，是支撐外載荷的基礎(chǔ)。傳遞力鏈的顆粒群或顆粒團(tuán)簇構(gòu)成裂縫封堵層的細(xì)觀(guān)尺度。裂縫封堵層承壓結(jié)構(gòu)演化的過(guò)程也是細(xì)觀(guān)力鏈網(wǎng)絡(luò)與相應(yīng)顆粒群演變的過(guò)程（見(jiàn)圖2）。微觀(guān)尺度下的裂縫封堵層是組成封堵層的基本單元，即堵漏材料。微觀(guān)尺度堵漏材料的性能參數(shù)決定了細(xì)觀(guān)力鏈顆粒群強(qiáng)度，進(jìn)而影響宏觀(guān)裂縫封堵層強(qiáng)度和穩(wěn)定性。堵漏材料性能參數(shù)分為幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和化學(xué)參數(shù) 3大類(lèi)，是堵漏材料優(yōu)選和配方設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

表1 裂縫性地層工作液漏失控制技術(shù)

圖1 裂縫封堵層多尺度結(jié)構(gòu)[18]

圖2 裂縫封堵層剪切過(guò)程中力鏈網(wǎng)絡(luò)演化

2 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理

2.1 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式

裂縫封堵層形成后，在地層高溫、高壓和流體環(huán)境中，在井筒液柱壓力、地應(yīng)力和地層壓力作用下，裂縫面作用在封堵層上的摩擦力與封堵層自身剪切強(qiáng)度是保持封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。根據(jù)裂縫封堵層結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)成因，封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)可分為摩擦失穩(wěn)與剪切失穩(wěn)兩種模式。

2.1.1 封堵層摩擦失穩(wěn)

封堵層與裂縫面之間的摩擦力是保持封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素之一。封堵層摩擦失穩(wěn)可分為整體滑移致摩擦失穩(wěn)、粒度降級(jí)致摩擦失穩(wěn)與裂縫擴(kuò)展致摩擦失穩(wěn)3種形式（見(jiàn)圖3）。當(dāng)井筒液柱壓力和地層壓力間正壓差超過(guò)封堵層與裂縫面間摩擦力時(shí)，封堵層會(huì)在裂縫內(nèi)部發(fā)生滑動(dòng)并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)逐漸松散破壞，這種失穩(wěn)形式即為整體滑移致摩擦失穩(wěn)（見(jiàn)圖3b）；深層高溫、高裂縫閉合應(yīng)力條件下，堵漏材料會(huì)發(fā)生粒度降級(jí)導(dǎo)致裂縫面作用在封堵層上的有效應(yīng)力降低，進(jìn)而降低封堵層與裂縫面間摩擦力，誘發(fā)失穩(wěn)，這種失穩(wěn)形式即為粒度降級(jí)致摩擦失穩(wěn)（見(jiàn)圖3c）；當(dāng)裂縫封堵層的致密性較差時(shí)，井筒液柱壓力會(huì)通過(guò)封堵層傳遞到裂縫內(nèi)部，誘發(fā)裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而降低裂縫面作用在封堵層上的有效應(yīng)力和摩擦力，這種情況導(dǎo)致的封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)即為裂縫擴(kuò)展致摩擦失穩(wěn)（見(jiàn)圖3d）。

圖3 裂縫封堵層摩擦失穩(wěn)模式

2.1.2 封堵層剪切失穩(wěn)

裂縫封堵層自身剪切強(qiáng)度是保持封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的另一主要因素。裂縫封堵層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性、裂縫面宏觀(guān)起伏和微凸體高度變化等因素會(huì)導(dǎo)致封堵層-裂縫面間摩擦力、封堵層受到的裂縫閉合應(yīng)力不是處處相等[19]。封堵層-裂縫面間摩擦力存在低值和高值。封堵層-裂縫面間摩擦力低值處即為封堵層的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。裂縫封堵層承壓過(guò)程中，破壞傾向于首先發(fā)生在這些薄弱點(diǎn)處，這種結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以封堵層自身發(fā)生剪切失穩(wěn)的方式發(fā)生（見(jiàn)圖4）。這種封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式即為封堵層剪切失穩(wěn)。阻止封堵層剪切失穩(wěn)的因素細(xì)觀(guān)上為力鏈抗剪強(qiáng)度，宏觀(guān)上表現(xiàn)為封堵層內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力。

圖4 裂縫封堵層剪切失穩(wěn)模式

2.1.3 封堵層綜合失穩(wěn)

實(shí)際工況下，裂縫封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)既包含摩擦失穩(wěn)又包含剪切失穩(wěn)，即綜合失穩(wěn)。其中任何一種失穩(wěn)模式都會(huì)導(dǎo)致封堵層結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致工作液重復(fù)性漏失。因此，裂縫封堵層承壓能力最終取決于其摩擦強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度中的較小值，即：

2.2 裂縫封堵層強(qiáng)度模型

2.2.1 裂縫封堵層摩擦強(qiáng)度模型

當(dāng)井筒液柱壓力、地層壓力和裂縫面作用在封堵層上的摩擦力處于力學(xué)平衡時(shí)，裂縫封堵層保持摩擦穩(wěn)定。裂縫封堵層發(fā)生摩擦失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界井筒液柱壓力與地層壓力的壓差即為封堵層摩擦強(qiáng)度[23]：

2.2.2 裂縫封堵層剪切強(qiáng)度模型

裂縫封堵層多尺度結(jié)構(gòu)框架下，細(xì)觀(guān)力鏈強(qiáng)度決定宏觀(guān)封堵層剪切強(qiáng)度，并受微觀(guān)尺度堵漏材料性能參數(shù)影響。微觀(guān)尺度堵漏材料主要包括顆粒材料和纖維材料。裂縫封堵層剪切強(qiáng)度等于顆粒封堵層剪切強(qiáng)度和纖維增強(qiáng)封堵層剪切強(qiáng)度之和：

對(duì)于完全由顆粒材料形成的封堵層，根據(jù)顆粒物質(zhì)力學(xué)，其細(xì)觀(guān)力鏈抗剪強(qiáng)度取決于顆粒間接觸應(yīng)力，因此，顆粒封堵層剪切強(qiáng)度表示為[23]：

纖維材料加入后，由于其拉筋作用，可進(jìn)一步提高裂縫封堵層剪切強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度增量表示為[23]：

其中，纖維剪切位移角表示為：

3 堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)提取

根據(jù)裂縫封堵層強(qiáng)度模型，影響封堵層強(qiáng)度和承壓能力的堵漏材料幾何參數(shù)包括顆粒粒度分布D90、纖維長(zhǎng)徑比、纖維初始傾斜角，力學(xué)參數(shù)包括抗壓能力、摩擦系數(shù)、纖維彈性模量、纖維抗拉強(qiáng)度。通過(guò)開(kāi)展模型參數(shù)敏感性分析，明確堵漏材料性能參數(shù)對(duì)封堵層強(qiáng)度的影響，結(jié)合深層裂縫性?xún)?chǔ)集層高溫、高壓、高地應(yīng)力條件，提取堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)，為堵漏材料優(yōu)選提供依據(jù)。模型基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示。

表2 模型基礎(chǔ)參數(shù)

3.1 堵漏材料幾何參數(shù)

3.1.1 粒度分布

粒度分布是顆粒堵漏材料關(guān)鍵幾何參數(shù)，通過(guò)影響堵漏材料在裂縫中的架橋和填充效果影響裂縫封堵強(qiáng)度和封堵效率。粒度分布D90值是堵漏材料優(yōu)選和堵漏配方優(yōu)化的主要依據(jù)。此外，堵漏材料粒度分布影響封堵層孔隙度[33]。裂縫封堵層孔隙度反映封堵層致密性，強(qiáng)力鏈只有在致密顆粒體系中才能形成。圖5表明，隨著封堵層孔隙度增加，裂縫封堵層承壓能力降低。通過(guò)優(yōu)選堵漏材料類(lèi)型、濃度和匹配，可調(diào)節(jié)粒度分布D90值，進(jìn)而優(yōu)化堵漏配方。

3.1.2 纖維長(zhǎng)徑比

纖維長(zhǎng)徑比為纖維材料長(zhǎng)度和直徑的比值。圖6表明，裂縫封堵層承壓能力隨纖維長(zhǎng)徑比的增加而線(xiàn)性增加。纖維長(zhǎng)徑比主要影響纖維加入后的封堵層剪切強(qiáng)度增量，進(jìn)而影響封堵層剪切強(qiáng)度。纖維長(zhǎng)徑比越大，纖維之間更易交織并形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，封堵層剪切變形過(guò)程中纖維內(nèi)部形成的拉應(yīng)力越高，在未達(dá)到纖維抗拉強(qiáng)度的條件下其導(dǎo)致的纖維剪切強(qiáng)度增量越大。

圖5 封堵層孔隙度與承壓能力關(guān)系

圖6 纖維長(zhǎng)徑比與封堵層承壓能力的關(guān)系

3.2 堵漏材料力學(xué)參數(shù)

3.2.1 抗壓能力

由于深層裂縫性?xún)?chǔ)集層的高壓、高地應(yīng)力條件，架橋材料必須具備較高的抗壓能力，才能持續(xù)發(fā)揮剛性材料的架橋作用。裂縫閉合壓力為裂縫面作用在封堵層上的壓力。一方面，裂縫閉合壓力通過(guò)影響裂縫面作用在封堵層上的摩擦力影響封堵層摩擦強(qiáng)度；另一方面，裂縫閉合壓力通過(guò)影響作用在顆粒和纖維表面的摩擦力影響封堵層剪切強(qiáng)度。圖7表明，封堵層摩擦強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨裂縫閉合壓力的升高而增加；在表2所示參數(shù)條件下，封堵層摩擦強(qiáng)度始終大于封堵層剪切強(qiáng)度。由于封堵層承壓能力取決于封堵層摩擦強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度中的較小值，表2所示參數(shù)條件下封堵層承壓能力主要受其剪切強(qiáng)度控制，強(qiáng)化封堵層承壓能力的重點(diǎn)應(yīng)該為提高其剪切強(qiáng)度。裂縫閉合壓力受封堵層對(duì)裂縫支撐作用的影響，封堵層對(duì)裂縫的支撐作用越強(qiáng)，支撐裂縫寬度越大，裂縫閉合壓力越高[7]。因而需要選擇具有高抗壓強(qiáng)度的剛性顆粒堵漏材料，提高裂縫的閉合壓力，進(jìn)而提高封堵層承壓能力。

圖7 裂縫閉合壓力與封堵層承壓能力的關(guān)系

3.2.2 摩擦系數(shù)

摩擦角用于表征形成封堵層的顆粒材料間表面摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)等于摩擦角的正切值。圖8a表明，封堵層承壓能力與顆粒-顆粒摩擦角成正相關(guān)。顆粒-顆粒摩擦角主要影響封堵層剪切強(qiáng)度，增加顆粒-顆粒摩擦角有利于提高封堵層剪切強(qiáng)度。圖8b表明，裂縫封堵層承壓能力隨顆粒-纖維摩擦角增加而增加。顆粒-纖維摩擦角主要影響封堵層剪切強(qiáng)度，通過(guò)增加顆粒-纖維摩擦角可提高封堵層剪切強(qiáng)度。封堵層-裂縫面摩擦角用于綜合表征封堵層中堵漏材料與裂縫面間摩擦系數(shù)。圖8c表明，封堵層-裂縫面摩擦角增加引起封堵層摩擦強(qiáng)度增加，進(jìn)而提高封堵層承壓能力。

圖8 顆粒-顆粒摩擦角（a）、顆粒-纖維摩擦角（b）、封堵層-裂縫面摩擦角（c）與封堵層承壓能力的關(guān)系

3.3 堵漏材料化學(xué)參數(shù)

為保證深層裂縫性?xún)?chǔ)集層正常生產(chǎn)，堵漏過(guò)程中在裂縫中形成的封堵層必須能夠在后期酸化等解堵作業(yè)中有效解除。因此，儲(chǔ)集層段堵漏材料需要具有一定的可溶蝕率（酸溶/氧化溶蝕）。

核桃殼、棉籽殼等有機(jī)剛性堵漏材料仍廣泛應(yīng)用于深井的漏失控制。然而，深井井底溫度高，高溫環(huán)境會(huì)使有機(jī)類(lèi)堵漏材料發(fā)生老化反應(yīng)，弱化堵漏材料強(qiáng)度[34-36]。一方面，高溫老化作用使堵漏顆粒邊緣更易磨蝕，進(jìn)而降低堵漏材料顆粒間力鏈強(qiáng)度，封堵層更易失穩(wěn)；另一方面，高溫老化作用下裂縫中的堵漏材料在裂縫閉合壓力的作用下更易發(fā)生壓縮破壞，易誘發(fā)重復(fù)性漏失。因此，對(duì)于深層裂縫性?xún)?chǔ)集層漏失控制材料，抗高溫能力也是其關(guān)鍵性能參數(shù)之一。

3.4 堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)

由于纖維初始角度難以控制，堵漏用纖維彈性模量均較低，在此不進(jìn)行討論。纖維抗拉強(qiáng)度僅在一定條件下發(fā)揮影響。因此，綜合模型參數(shù)敏感性分析結(jié)果，結(jié)合深層裂縫性?xún)?chǔ)集層高溫、高壓、高地應(yīng)力條件，最終確定粒度分布D90、纖維長(zhǎng)徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、可溶蝕率、抗高溫能力等 6種堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)。

4 堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證模型提取堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)的準(zhǔn)確性，選用深層裂縫性?xún)?chǔ)集層新型堵漏材料開(kāi)展裂縫封堵實(shí)驗(yàn)。材料分為架橋材料、填充材料、變形拉筋材料 3類(lèi)，其中架橋材料包括高強(qiáng)度合成高分子材料和超不規(guī)則形狀材料，填充材料包括剛性顆粒和彈性顆粒，變形拉筋材料以纖維為主，部分材料的性能參數(shù)如表 3所示。通過(guò)對(duì)比累計(jì)漏失量和承壓能力來(lái)評(píng)價(jià)不同配方堵漏材料的封堵效果，實(shí)驗(yàn)配方如表4所示。采用自主研發(fā)高溫高壓全直徑巖心裂縫堵漏儀[37]開(kāi)展堵漏實(shí)驗(yàn)。儀器工作溫度為室溫至200 ℃，鉆井液驅(qū)替壓力為0～30 MPa。裂縫模塊長(zhǎng)度300 mm，縫高110 mm。采用入口縫寬3 mm、出口縫寬1 mm和入口縫寬8 mm、出口縫寬5 mm這兩種裂縫模塊開(kāi)展堵漏實(shí)驗(yàn)。

表3 裂縫封堵實(shí)驗(yàn)用部分堵漏材料的性能參數(shù)

表4 裂縫封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)樣品配方及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.2.1 堵漏材料粒度分布

配方 1-0#在裂縫封堵實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，累計(jì)漏失量隨驅(qū)替壓力增大而持續(xù)增加，當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到 7.9 MPa時(shí)，漏失量快速增大，封堵層發(fā)生破壞。從配方 1-0#粒度分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖9）可以看出配方 1-0#粒度分布D90為 5 356 μm，粒徑集中分布在 2 400～5 400 μm。對(duì)于入口縫寬8 mm、出口縫寬5 mm裂縫模塊而言，配方 1-0#的粒徑偏小，雖然可以在裂縫中形成封堵，但封堵層承壓能力不足。在配方1-0#基礎(chǔ)上補(bǔ)充2%的新型超不規(guī)則形狀架橋材料K3后形成配方1-1#，配方1-1#的粒度分布D90為 7 814 μm，粒徑集中分布在2 700～7 800 μm（見(jiàn)圖9）。改進(jìn)后的配方顆粒級(jí)配更合理，在入口縫寬8 mm、出口縫寬5 mm裂縫模塊內(nèi)形成了致密封堵層，裂縫封堵層承壓能力增加到 20.0 MPa以上，累計(jì)漏失量降至77 mL。

圖9 配方1-0#與1-1#粒度分布曲線(xiàn)

4.2.2 纖維長(zhǎng)徑比

為進(jìn)一步分析纖維長(zhǎng)徑比對(duì)裂縫封堵效果的影響，選取含有不同長(zhǎng)徑比纖維的配方開(kāi)展裂縫封堵實(shí)驗(yàn)。將配方2-0#中纖維材料G8（長(zhǎng)徑比159）替換為長(zhǎng)徑比更大的纖維材料 G9（長(zhǎng)徑比 635），形成配方2-1#，堵漏材料總加量不變。由于兩種纖維為同種材料，其抗拉強(qiáng)度相同。對(duì)于配方 2-0#，其形成的裂縫封堵層承壓能力為 9.4 MPa，累計(jì)漏失量為 19 mL（見(jiàn)圖10a）。而對(duì)于配方 2-1#，其形成的裂縫封堵層承壓能力達(dá)到11.2 MPa，累計(jì)漏失量為9 mL（見(jiàn)圖10b）。因此，通過(guò)優(yōu)選纖維材料長(zhǎng)徑比可以降低漏失量，提高封堵層承壓能力。

4.2.3 堵漏材料摩擦系數(shù)

為分析堵漏材料摩擦系數(shù)對(duì)裂縫封堵效果的影響，選取具有不同摩擦系數(shù)的架橋材料形成堵漏配方，開(kāi)展裂縫封堵實(shí)驗(yàn)。將配方 3-0#中主要架橋材料 G7部分替換為新型超不規(guī)則形狀架橋材料K3，形成配方3-1#，堵漏材料總加量不變。利用 COF-1型摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量堵漏材料摩擦系數(shù)[37]。架橋材料G7表面光滑，平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.89，而架橋材料K3表面粗糙，平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為 1.23（見(jiàn)圖11）。對(duì)于配方3-0#，其形成的裂縫封堵層承壓能力僅為5.0 MPa，累計(jì)漏失量達(dá)130 mL。而對(duì)于配方3-1#，其形成的裂縫封堵層承壓能力達(dá)到20.0 MPa以上，累計(jì)漏失量降至20 mL。因此，通過(guò)提高堵漏材料摩擦系數(shù)可有效提高裂縫封堵效果。

圖10 不同纖維長(zhǎng)徑比配方裂縫封堵實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

圖11 超不規(guī)則形狀架橋材料K3與常規(guī)架橋材料G7摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

4.2.4 堵漏材料抗壓能力

為進(jìn)一步分析堵漏材料抗壓能力對(duì)裂縫封堵效果的影響，選取具有不同抗壓能力的架橋材料形成配方開(kāi)展裂縫封堵實(shí)驗(yàn)。將配方4-0#中主要架橋材料K4部分替換為高強(qiáng)度架橋材料D2，形成配方4-1#，堵漏材料總加量不變。利用液壓機(jī)在 25 MPa下對(duì)兩種材料加壓，獲取了加壓前后材料的粒度分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖12），并通過(guò)粒度分布D90變化率來(lái)反映堵漏材料抗壓能力。承壓后堵漏材料 K4的粒度分布曲線(xiàn)右移，粒度分布D90變大，表明受壓后材料被壓扁，發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致平面視角下顆粒的粒徑變大，但其縱向視角下粒徑會(huì)相應(yīng)變小。堵漏材料K4承壓后粒度分布D90變化率高達(dá)17.7%。高強(qiáng)度材料D2為高分子復(fù)合材料，強(qiáng)度高，承壓后粒度分布D90變化率僅為 4.5%。對(duì)于配方4-0#，其形成的封堵層承壓能力為18.0 MPa。對(duì)于配方4-1#，其形成的封堵層承壓能力大于20.0 MPa。

圖12 架橋材料K4、D2承壓前后粒度分布曲線(xiàn)

5 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)化方法

形成高質(zhì)量封堵層是深層裂縫性?xún)?chǔ)集層漏失控制的關(guān)鍵，而強(qiáng)化封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于堵漏材料的選擇。根據(jù)裂縫封堵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，形成堵漏材料選擇原則（見(jiàn)圖13）。

圖13 裂縫性?xún)?chǔ)集層堵漏材料選擇原則

一級(jí)原則為堵漏材料類(lèi)型優(yōu)選，利用可溶蝕架橋材料、填充材料、變形拉筋材料協(xié)同作用，形成高承壓能力的封堵層；二級(jí)原則為堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)優(yōu)化，分別對(duì)架橋材料、填充材料、變形拉筋材料的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高封堵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。二級(jí)原則中堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)分為幾何、力學(xué)、化學(xué)參數(shù) 3類(lèi)。其中，幾何參數(shù)優(yōu)化主要通過(guò)優(yōu)化堵漏材料的粒度分布和幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。幾何參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵是提高堵漏材料對(duì)裂縫的封堵效率，這就要求顆粒堵漏材料架橋快速、穩(wěn)定，填充高效、致密。架橋材料構(gòu)成了裂縫封堵層的主要框架，粒度分布D90優(yōu)化原則是毫米級(jí)別寬度裂縫選擇架橋材料的主要方法[21]，即堵漏材料的粒度分布D90大于等于5/6倍裂縫寬度。由于深井剛性堵漏在井筒循環(huán)過(guò)程中會(huì)發(fā)生粒度降級(jí)，可將粒度分布D90適度放大。為了提高架橋材料在裂縫內(nèi)的滯留效率，可優(yōu)選低圓球度的架橋材料。除了粒度分布外，堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)還包括纖維長(zhǎng)徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、可溶蝕率、抗高溫能力，其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表 5所示。摩擦系數(shù)測(cè)試可將堵漏材料制成摩擦板實(shí)現(xiàn)。材料抗壓能力和強(qiáng)度抗溫能力均采用25 MPa下粒度分布D90降級(jí)率評(píng)價(jià)，粒度抗溫能力采用高溫老化后粒度分布D90降級(jí)率評(píng)價(jià)。最終抗溫能力取粒度抗溫能力和強(qiáng)度抗溫能力中的較低值。

表5 堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

D1201井是一口部署在塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷的評(píng)價(jià)井，5 500～5 510 m井段為鹽膏層，鹽膏層厚度數(shù)百至上千米。夾層巖性為泥巖和白云巖，發(fā)育層間裂縫。鹽下地層為泥巖、砂礫巖，微裂縫發(fā)育。鹽膏層鉆進(jìn)時(shí)，漏失頻繁。前期隨鉆堵漏20次，專(zhuān)項(xiàng)堵漏4次，漏失均未得到有效控制。根據(jù)本文堵漏材料選擇原則，對(duì)所應(yīng)用堵漏材料分別從粒度分布、纖維長(zhǎng)徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、抗高溫能力、可溶蝕能力等方面進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出了適用于庫(kù)車(chē)山前鹽膏層的堵漏材料系列，形成了強(qiáng)滯留高承壓堵漏配方，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)D1201井裂縫性漏失的有效控制，施工后鉆井液密度從1.71 g/cm3提高到1.76 g/cm3，正常循環(huán)不漏。

6 結(jié)論

堵漏材料（顆粒、纖維等）、傳遞力鏈的顆粒群或顆粒團(tuán)簇、裂縫漏失通道中封堵層 3個(gè)尺度構(gòu)成了裂縫封堵層的多尺度結(jié)構(gòu)。裂縫封堵層承壓過(guò)程中，堵漏材料相互接觸形成力鏈網(wǎng)絡(luò)。細(xì)觀(guān)尺度力鏈強(qiáng)度取決于微觀(guān)尺度堵漏材料性能參數(shù)，并決定宏觀(guān)封堵層承壓穩(wěn)定性。

摩擦失穩(wěn)和剪切失穩(wěn)為裂縫封堵層結(jié)構(gòu)主要失穩(wěn)模式。其中，摩擦失穩(wěn)又可細(xì)分為整體滑移致摩擦失穩(wěn)、粒度降級(jí)致摩擦失穩(wěn)與裂縫擴(kuò)展致摩擦失穩(wěn)3種形式。裂縫封堵層形成后，在地層高溫、高壓、高地應(yīng)力和流體環(huán)境中，裂縫面作用在封堵層上的摩擦力與封堵層自身剪切強(qiáng)度是保持封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。

形成高質(zhì)量封堵層是深層裂縫性?xún)?chǔ)集層漏失控制的關(guān)鍵，而強(qiáng)化封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于堵漏材料的選擇。粒度分布、纖維長(zhǎng)徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、抗高溫能力、可溶蝕能力為深層裂縫性?xún)?chǔ)集層堵漏材料的關(guān)鍵性能參數(shù)。

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

a——封堵層長(zhǎng)度，m；A——封堵層橫截面面積，m2；Af——封堵層橫截面上纖維所占面積，m2；df——纖維直徑，m；dp——顆粒平均直徑，m；D50，D90——累計(jì)粒度分布曲線(xiàn)上累計(jì)頻率達(dá)到50%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，m；Ef——纖維彈性模量，Pa；kp——顆粒材料剛度，N/m；lf——纖維長(zhǎng)度，m；pc——裂縫閉合壓力，Pa；pz——封堵層承壓能力，Pa；pzf——封堵層摩擦強(qiáng)度，Pa；pzs——封堵層剪切強(qiáng)度，Pa；pzsf——纖維引起的封堵層剪切強(qiáng)度增量，Pa；pzsp——顆粒封堵層剪切強(qiáng)度，Pa；Wf——裂縫寬度，m；δ1——顆粒表面摩擦角，（°）；δ2——纖維表面摩擦角，（°）；δ3——封堵層-裂縫面間摩擦角，（°）；ΔH——裂縫封堵層剪切破壞部分高度，m；εp——顆粒接觸形變，m；θ——纖維剪切位移角，（°）；θi——纖維初始傾斜角，（°）；φ——封堵層孔隙度，%。