深層裂縫性儲層物理類堵漏材料定量評價優(yōu)選方法

許成元 張洪琳 康毅力 游利軍 方俊偉張敬逸 閆霄鵬 謝智超 周賀翔

1. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2. 中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

井漏是制約深層超深層鉆井的重要工程技術(shù)難題，儲層段井漏更會嚴重妨礙油氣層及時發(fā)現(xiàn)、準確評價和高效開發(fā)，大幅降低油氣井產(chǎn)量。鉆井液漏失是深層裂縫性儲層鉆完井階段最嚴重的儲層損害方式，漏失導致工作液中固相和液相大量侵入儲層，極易誘發(fā)固相堵塞損害、流體敏感損害、應力敏感損害和液相圈閉損害[1-8]。而且隨著工作液漏失量增加，損害帶范圍急劇增大，并與后續(xù)作業(yè)損害相疊加。高溫、高壓、高地應力等深層（埋深大于4 500 m）儲層條件，進一步增加了工作液漏失控制難度，且通過增產(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[9-14]。

深層裂縫性儲層井漏控制不僅要做到漏失時高效封堵裂縫[15-18]，還應兼顧生產(chǎn)前解堵和儲層保護[9,19-26]。物理類橋接堵漏材料是儲層段井漏控制最常用的材料類型，具有來源廣、施工便利等優(yōu)點，但橋接堵漏材料種類繁多、性能各異。按幾何形狀可分為圓球狀、片狀、纖維狀和不規(guī)則形狀材料，按力學性質(zhì)可分為剛性、彈性和彈塑性材料，按化學可解除性質(zhì)可分為酸溶、自降解和惰性材料等。橋接堵漏材料的作用效果，取決于其對鉆井液漏失層條件和漏失類型的適用性[27]，針對堵漏材料評價與優(yōu)選問題，國內(nèi)外學者開展了大量研究，設(shè)計并開展實驗探討了堵漏材料幾何、物理和力學性能對封堵效率的影響，形成了堵漏材料性能評價方法[28-35]。然而，現(xiàn)有的評價方法多針對堵漏材料單一性能參數(shù)的評價，堵漏材料作用效果受幾何、物理和力學性能的綜合影響，目前仍缺少物理類橋接堵漏材料系統(tǒng)評價方法，堵漏材料選擇仍以經(jīng)驗為主，尚未形成針對裂縫性儲層井漏控制的堵漏材料定量評分優(yōu)選方法。

筆者以塔里木盆地深層裂縫性致密儲層為例，考慮儲層高溫、高壓、高地應力條件和生產(chǎn)前解堵需求，基于堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)提取結(jié)果，設(shè)計并開展室內(nèi)實驗，對材料關(guān)鍵性能參數(shù)進行了系統(tǒng)評價，基于層次分析法計算了堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)權(quán)重，建立了堵漏材料定量評分模型，最終形成了深層裂縫性儲層橋接堵漏材料定量評分優(yōu)選方法。研究成果可為深層裂縫性儲層堵漏材料優(yōu)選與堵漏配方設(shè)計提供新思路和理論依據(jù)。

1 堵漏材料優(yōu)選方法設(shè)計思路

1.1 深層裂縫性儲層堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)

堵漏材料對鉆井液漏失層條件和漏失類型的適用性決定其作用效果，井漏特征決定堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)類型，根據(jù)井漏特征確定堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)，為堵漏材料優(yōu)選的首要步驟。本文以塔里木盆地深層裂縫性致密儲層為例，研究區(qū)儲層深度大于6 500 m，地層溫度介于150～180 ℃，儲層基塊致密，基塊平均孔隙度為2.22%，基塊平均滲透率為0.070 mD，儲層天然構(gòu)造裂縫發(fā)育，成為改善致密儲層物性和提高油氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵[36-37]。但是，天然裂縫在鉆開儲層過程中也成為主要的工作液漏失通道，采用橋接堵漏材料對裂縫進行有效封堵，是深層裂縫性致密儲層井漏控制的重要方式。

研究區(qū)儲層井漏成因類型以大中裂縫型漏失和裂縫擴延型漏失為主，裂縫—封堵層系統(tǒng)穩(wěn)定性是決定該深層裂縫性儲層井漏控制效果的關(guān)鍵。裂縫封堵層承壓過程中主要失穩(wěn)模式包括摩擦失穩(wěn)和剪切失穩(wěn)，其中摩擦失穩(wěn)可進一步分為材料粒度降級致摩擦失穩(wěn)和裂縫擴展致摩擦失穩(wěn)（圖1）[14]。根據(jù)裂縫—封堵層系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，結(jié)合研究區(qū)深層裂縫性儲層高溫、高壓、高地應力條件和生產(chǎn)前解堵要求，提取了6種堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)：粒度分布、纖維長徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、可溶蝕能力、抗高溫能力[10]。

粒度分布影響裂縫中堵漏材料架橋和填充效果，進而影響裂縫封堵強度和封堵效率[38]；纖維長徑比和堵漏材料摩擦系數(shù)影響封堵層的摩擦和剪切失穩(wěn)強度，進而影響裂縫封堵效果；研究區(qū)深層裂縫性致密儲層溫度達150 ℃以上，高溫老化可導致堵漏材料粒徑和強度降級，影響裂縫封堵效果，因而堵漏材料需具有抗高溫能力[30]；抗壓能力影響儲層高裂縫閉合應力或高流體壓差作用下，堵漏材料破碎降級程度，進而影響裂縫封堵效果；考慮到裂縫性儲層生產(chǎn)前解堵的需要，堵漏材料需具備一定的可溶蝕能力。酸溶解堵是裂縫封堵層最常用的解除方式，因此多采用酸溶率來表示可溶蝕能力。

1.2 深層裂縫性儲層堵漏材料優(yōu)選方法設(shè)計流程

針對裂縫性儲層橋接堵漏材料優(yōu)選問題，形成了堵漏材料定量評分優(yōu)選流程，如圖2所示。

首先，提取深層裂縫性儲層堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)；然后，開展堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)評價實驗，根據(jù)參數(shù)評價標準與評分標準確定參數(shù)得分；采用層次分析法[39-40]，計算堵漏材料性能參數(shù)權(quán)重；進而根據(jù)堵漏材料參數(shù)得分和參數(shù)權(quán)重，對堵漏材料進行定量評分；最后，選用高得分堵漏材料形成堵漏配方，開展現(xiàn)場應用。本文提出的堵漏材料定量評分優(yōu)選方法主要針對物理類橋接堵漏材料。堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)提取和相對重要程度，應根據(jù)漏失層工程地質(zhì)條件、漏失成因類型和漏失特征進行動態(tài)調(diào)整。本文以塔里木盆地深層裂縫性致密儲層為例，介紹堵漏材料定量評分優(yōu)選方法。

2 堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)評價

2.1 堵漏材料

選用塔里木盆地深層裂縫性致密儲層常用堵漏材料開展分析（表1），材料分為架橋材料、填充材料、拉筋材料3類。

表1 實驗評估堵漏材料分類表

架橋材料中，N1和N2為有機果殼類堵漏材料；D6為高強度顆粒狀堵漏材料；C1、F2和C7為無機礦物類剛性堵漏材料，主要成分為碳酸鈣。填充材料中，E1為復合狀堵漏材料；C4、C9為較小粒徑的無機礦物類堵漏材料，主要成分為碳酸鈣。D12、D13、G8為拉筋材料。

2.2 堵漏材料性能參數(shù)評價方法

對堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)進行實驗測試，包括粒度D90、纖維長徑比、摩擦系數(shù)、抗壓能力、酸溶率、抗高溫能力。通過加壓前后堵漏材料的粒度降級率反映堵漏材料抗壓能力強度；由酸溶實驗結(jié)果評價堵漏材料的酸溶率高低；架橋材料和填充材料的抗高溫能力由高溫前后堵漏材料的粒度降級率表示，拉筋材料的抗高溫能力則通過質(zhì)量損失率評價。

D90降級率（R90）的計算公式為：

式中D90i表示初始堵漏材料的粒度D90，μm；D90d表示實驗處理后堵漏材料的粒度D90，μm。

酸溶率（RA）計算公式為：

式中W表示酸溶后重量，g；Wo表示用于濾抽的濾紙重量，g；W1表示酸溶前材料質(zhì)量，g。

2.2.1 堵漏材料粒度分布測試

采用激光粒度儀和圖像分析法兩種實驗方法，對粒徑小于1 mm的堵漏材料采用激光粒度儀進行粒度測量。圖像分析法則用于粒徑1 mm以上的堵漏材料粒度分布測試，該方法的操作流程為：①利用高清照相機對均勻分布的堵漏材料進行拍照，成像顆粒之間應避免相互接觸；②對高清圖像進行成像處理，包括圖像去噪、圖像增強、閾值選擇、圖像二值化、邊緣檢測等手段[41]（圖3）；③得到實驗材料的粒度分布結(jié)果。

圖3 圖像分析法

2.2.2 堵漏材料抗高溫能力測試

采用滾子加熱爐對堵漏材料進行高溫老化，實驗流程：①測定初始堵漏材料粒度分布；②配制鉆井液作為堵漏材料分散液；③在老化罐中加入一定量的堵漏材料與不超過老化罐容積2/3體積的分散液，在180 ℃的高溫環(huán)境下老化8 h；④將老化后的堵漏材料烘干，重新測量粒度分布，計算堵漏材料的D90降級率。

2.2.3 堵漏材料抗壓能力測試

使用液壓機對堵漏材料加壓，實驗裝置如圖4所示。

圖4 堵漏材料抗壓能力測試裝置示意圖

實驗流程：①測定初始堵漏材料粒度分布；②將一定質(zhì)量的堵漏材料平鋪于破碎室內(nèi)，啟動液壓機加載模塊，使鋼板面均勻作用于鋼質(zhì)活塞面，并以恒定速率加壓；③加壓至30 MPa，穩(wěn)壓5 min后卸壓；④取出實驗樣品，重新測量粒度分布，計算堵漏材料的D90降級率。

2.2.4 堵漏材料摩擦系數(shù)測試

采用COF-1型摩擦系數(shù)測量儀測量堵漏材料的表面摩擦系數(shù)[42]，該裝置通過上部滑塊在覆蓋有堵漏材料的摩擦板上滑動來實現(xiàn)堵漏材料摩擦系數(shù)的測量，根據(jù)實驗得到的摩擦曲線可計算出堵漏材料的平均滑動摩擦系數(shù)。

3 堵漏材料性能參數(shù)權(quán)重確定

3.1 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)橋接堵漏材料實際作用方式，將其劃分為架橋材料、填充材料和拉筋材料[14]。結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)、室內(nèi)實驗結(jié)果及專家和工程師的經(jīng)驗，確定深層裂縫性儲層堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)相對重要程度（表2），進而以參數(shù)相對重要程度為基礎(chǔ)，根據(jù)“1～9”標度法，構(gòu)建架橋材料、填充材料、拉筋材料性能參數(shù)判斷矩陣（表3～5）。

表2 堵漏材料性能參數(shù)相對重要程度表

表3 架橋材料性能參數(shù)判斷矩陣表

3.2 判斷矩陣的一致性檢驗

當判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果CR＜0.1時，則認為所構(gòu)建的判斷矩陣滿足一致性要求[43]。CR的計算公式為：

式中RI表示平均隨機一致性指標；CI表示一致性系數(shù)，與矩陣的階數(shù)n及最大特征根有關(guān)；λmax表示判斷矩陣最大特征值；n表示判斷矩陣的階數(shù)。

表4 填充材料性能參數(shù)判斷矩陣表

表5 拉筋材料性能參數(shù)判斷矩陣表

根據(jù)平均隨機一致性指標（RI）值與判斷矩陣的階數(shù)（n）的關(guān)系（表6），計算構(gòu)建的架橋材料、填充材料、拉筋材料性能參數(shù)，判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果滿足標準（表7）。

表6 平均隨機一致性指標與判斷矩陣的階數(shù)的關(guān)系表

表7 判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果表

3.3 計算堵漏材料性能參數(shù)權(quán)重

求解判斷矩陣常用的近似計算方法：根法、和法及冪法。本文采用和法計算堵漏材料性能參數(shù)相對權(quán)重[43-44]，將判斷矩陣(aij)n×n的每一列歸一化，得到矩陣(bij)n×n，即

依據(jù)式（5）～（9），計算架橋材料、填充材料和拉筋材料的性能參數(shù)相對權(quán)重（表8）。

表8 堵漏材料性能相對權(quán)重計算結(jié)果表

4 堵漏材料定量評分模型

將堵漏材料的性能參數(shù)進行標量化處理。堵漏材料性能參數(shù)評分標準如表9～11所示。根據(jù)計算得到的堵漏材料性能參數(shù)的相對權(quán)重，給出堵漏材料優(yōu)選模型：

表9 堵漏材料性能參數(shù)評價標準表[14]

表10 堵漏材料性能評分標準表[14]

式中S表示堵漏材料的最終得分；φi(x)表示堵漏材料性能參數(shù)權(quán)重；?i(x)表示性能對應的量化值。

材料的最終得分是在綜合考慮材料的各性能參數(shù)的條件下計算獲得的，反映了材料的綜合封堵能力。得分越高，則材料的適用性越強。

表11 堵漏材料粒度D90評分標準表[14]

5 結(jié)果與討論

5.1 堵漏材料性能參數(shù)評價結(jié)果

5.1.1 堵漏材料粒度分布、抗高溫與抗壓能力測試

圖5所示為架橋材料的粒度D10、D50、D90值分布情況，分別是指累積百分率曲線上10%、50%和90%點對應的顆粒粒徑，材料粒徑越大，對應的粒度D10、D50、D90值越大。圖6為填充材料的粒度分布情況和拉筋材料的纖維長徑比，纖維長徑比是指纖維長度與直徑的比值。

圖5 架橋材料粒度值分布圖

圖6 填充材料粒度D10、D50、D90值分布和拉筋材料的纖維長徑比圖

高溫條件下，堵漏材料的強度和粒度分布會發(fā)生變化，影響堵漏材料形成封堵層的穩(wěn)定性[12]。實驗測試的堵漏材料的抗高溫能力結(jié)果如圖7、8所示。架橋材料中，C1、F2和C7為無機礦物類剛性堵漏材料，高溫老化后，粒度D90降級率低，則抗高溫能力強，但30 MPa加壓處理后，3種堵漏材料的D90降級率偏高，抗壓能力偏低，分析認為以碳酸鈣為主要成分的無機礦物類剛性堵漏材料在高壓力下發(fā)生脆性變形，顆粒破碎，導致堵漏材料粒度D90變化較大。填充材料中，C4的粒度D90降級率最小，為0.94%，抗高溫能力強。拉筋材料中，D12質(zhì)量損失率最低，為8.1%，抗高溫能力最強。

圖7 架橋材料高溫老化、30 MPa加壓處理后粒度D90變化圖

圖8 填充材料高溫老化后粒度D90變化和拉筋材料高溫老化后質(zhì)量損失率

5.1.2 堵漏材料摩擦系數(shù)測試結(jié)果

平均滑動摩擦系數(shù)是表征堵漏材料摩擦性能的一個主要值，各堵漏材料的平均摩擦系數(shù)如圖9所示。

圖9 堵漏材料平均摩擦系數(shù)圖

架橋材料中，N1和D2的摩擦系數(shù)較高。

5.1.3 堵漏材料酸溶率測試結(jié)果

堵漏材料酸溶率測試實驗結(jié)果如表12所示，有機果殼類堵漏材料N1、N2酸溶率分別為33.89%、31.11%，酸溶率偏低；高強度顆粒狀堵漏材料D6酸溶率最低（10.93%）；以碳酸鈣為組分的堵漏材料酸溶率大于95%，酸溶率高，且能在酸液中迅速發(fā)生溶解；拉筋材料中D12酸溶率最高（67.09%）。

表12 堵漏材料酸溶率測試結(jié)果表

5.2 堵漏材料定量評分

根據(jù)建立的堵漏材料評分模型，計算了各堵漏材料的最終得分（圖10～12）。

圖10 架橋材料各性能參數(shù)最終得分圖

架橋材料中，D6得分最高（7.607 4），N2得分最低（5.572 8）；填充材料中，C9得分最低（8.135 1）；拉筋材料中，D12得分最高（7.646 6），D13得分最低（4.531 2）。

5.3 堵漏材料定量評分優(yōu)選方法室內(nèi)實驗驗證

為了驗證堵漏材料最終評價結(jié)果的有效性，根據(jù)堵漏材料最終得分形成堵漏配方，開展裂縫封堵實驗。以裂縫封堵層最大承壓能力為實驗指標，評價堵漏材料的裂縫封堵效果。共設(shè)計6組配方（表13）。

表13 堵漏配方承壓能力評價表

配方1-0#和1-1#改變了架橋材料，分別選用得分最高的架橋材料D6和得分最低的架橋材料N2；配方2-0#和2-1#分別選用了不同得分的填充材料和拉筋材料；配方3-0#由綜合得分較高的架橋材料、填充材料和拉筋材料組成，3-1#由綜合得分較低的架橋材料、填充材料和拉筋材料組成。根據(jù)實驗得到的各配方最大承壓能力，比較配方1-0#和1-1#，配方1-0#最大承壓為10 MPa，高于配方1-1#；配方2-0#最大承壓為13.6 MPa，高于配方2-1#；由綜合得分最高優(yōu)選出的堵漏材料組成的配方3-0#最大承壓高于15 MPa，效果明顯。實驗結(jié)果表明，高得分的堵漏材料形成的堵漏配方承壓能力高，封堵效果好，同時說明了該方法的可行性。

圖11 填充材料各性能參數(shù)最終得分圖

5.4 現(xiàn)場實例

根據(jù)現(xiàn)場實際要求，可對多種堵漏材料進行優(yōu)選，調(diào)整各參數(shù)之間的相對權(quán)重，優(yōu)選出最佳的堵漏材料，在塔里木盆地W12、N3井進行堵漏現(xiàn)場試驗。W12井鉆井液漏失成因機理以誘導裂縫型、裂縫擴展延伸型為主。N3井鉆井液漏失成因機理以大中裂縫型為主，裂縫擴展延伸型為輔。兩口井的漏失層位對堵漏材料性能有不同要求。明確不同層位堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)，依據(jù)權(quán)重優(yōu)選堵漏配方。以誘導破裂型漏失為主，擴展延伸型漏失為輔的漏失層，裂縫寬度范圍大，則采用預防為主，防治結(jié)合的原則，合理的粒度分布，低D90降級率、高抗溫能力等是堵漏材料選擇的要求；以大中裂縫型漏失為主的漏失層，裂縫封堵層強度是堵漏的關(guān)鍵，因此需要優(yōu)化鉆井液封堵能力?；诙吭u分方法優(yōu)選堵漏配方，試驗結(jié)果如表14所示。

圖12 拉筋材料各性能參數(shù)最終得分圖

表14 堵漏現(xiàn)場試驗結(jié)果表

6 結(jié)論

1）堵漏材料對鉆井液漏失層條件和漏失類型的適用性決定其作用效果，井漏特征決定堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)類型，根據(jù)井漏特征確定堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)，為堵漏材料優(yōu)選的首要步驟。

2）基于堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)提取結(jié)果，設(shè)計并開展室內(nèi)實驗，對材料關(guān)鍵性能參數(shù)進行了系統(tǒng)評價，基于層次分析法計算了堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)權(quán)重，建立了堵漏材料定量評分模型，最終形成了深層裂縫性儲層橋接堵漏材料定量評分優(yōu)選方法。

3）選取高分的堵漏材料形成堵漏配方開展裂縫封堵實驗，室內(nèi)實驗及現(xiàn)場應用驗證了本文堵漏材料定量評分優(yōu)選方法的可靠性，為堵漏材料評價優(yōu)選與堵漏配方設(shè)計提供了理論依據(jù)。

4）提出的堵漏材料定量評分優(yōu)選方法主要適用于物理類橋接堵漏材料，其中堵漏材料關(guān)鍵性能參數(shù)類型、相對重要程度和權(quán)重，應根據(jù)漏失層工程地質(zhì)條件、漏失成因類型等漏失特征進行動態(tài)調(diào)整。