基于高效架橋和致密填充的深層裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法研究

許成元，陽(yáng) 洋，蒲 時(shí)，康毅力，李大奇，張杜杰，閆霄鵬，楊 斌

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206）

裂縫性儲(chǔ)層工作液漏失控制是石油與天然氣工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。井漏不僅會(huì)消耗大量工作液和堵漏材料，直接造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)增加非生產(chǎn)時(shí)間，延長(zhǎng)鉆井周期，影響勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，甚至還會(huì)誘發(fā)卡鉆、井塌、井噴等事故。儲(chǔ)層段漏失則嚴(yán)重妨礙油氣及時(shí)發(fā)現(xiàn)，大幅降低油氣產(chǎn)量[4-5]。如何有效封堵儲(chǔ)層裂縫，避免漏失導(dǎo)致的儲(chǔ)層損害和井下事故，是亟待解決的問(wèn)題。能否有效封堵儲(chǔ)層裂縫，堵漏配方是關(guān)鍵。當(dāng)前堵漏配方設(shè)計(jì)常采用經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)的方法，該方法缺乏科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致出現(xiàn)堵漏材料大量浪費(fèi)、裂縫封堵質(zhì)量不理想等問(wèn)題，堵漏配方設(shè)計(jì)方法亟待完善。因此，根據(jù)儲(chǔ)層裂縫特征，設(shè)計(jì)具有高封堵質(zhì)量的堵漏配方具有重要意義。

為了達(dá)到有效封堵儲(chǔ)層裂縫與儲(chǔ)層保護(hù)的要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在堵漏配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了大量研究。堵漏配方優(yōu)化理論方面，適用于石油工業(yè)的理想充填理論（Ideal Packing Theory）在20 世紀(jì)70年代被提出。ALBERTY[6]應(yīng)用理想充填理論，對(duì)堵漏材料粒度進(jìn)行優(yōu)選，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“應(yīng)力籠”方法的準(zhǔn)確性。張金波等[7]基于理想充填理論，研發(fā)了對(duì)應(yīng)的應(yīng)用軟件，并取得了理想的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。張世鋒等[8]基于改進(jìn)的理想充填理論提出了堵漏顆粒粒度分布設(shè)計(jì)方法。堵漏材料加量設(shè)計(jì)研究方面，王書(shū)琪等[9]提出，當(dāng)架橋材料含量保持在10%～20%，纖維材料保持在5%～15%，堵漏材料的總含量保持20 %～35 %時(shí)，能夠有效封堵裂縫。劉金華等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用多種材料協(xié)同封堵具有較好的裂縫封堵效果，并且指出堵漏材料中顆粒材料、片狀材料、纖維材料和聚合物的最佳配比為5∶2∶2∶1。康毅力等[11]針對(duì)毫米級(jí)寬度裂縫評(píng)價(jià)了剛性顆粒、彈性粒子以及纖維3種封堵材料協(xié)同堵漏效果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了不同材料協(xié)同封堵的機(jī)理。許成元等[12-17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬的手段，發(fā)現(xiàn)架橋材料加量與材料粒徑縫寬比、裂縫摩擦系數(shù)之間的定量關(guān)系，并提出“臨界架橋加量”與“絕對(duì)架橋加量”概念。

通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外堵漏配方優(yōu)化理論、堵漏配方加量?jī)?yōu)化原則等研究進(jìn)展的調(diào)研總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)堵漏配方設(shè)計(jì)方法的研究，仍存在以下不足：①由于裂縫性儲(chǔ)層堵漏機(jī)理不明確，使得當(dāng)前堵漏配方優(yōu)化多依賴經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)指導(dǎo)性不強(qiáng)[18]；②配方設(shè)計(jì)方法對(duì)粒度分布不連續(xù)或重疊分布的各級(jí)填充材料適應(yīng)性差；③缺少有效的堵漏材料加量的確定方法（表1）。

表1 堵漏配方設(shè)計(jì)理論與方法[7-17]Table 1 Design theory and method of plugging formula[7-17]

為解決上述問(wèn)題，本研究取得了以下進(jìn)展：①基于CFD-DEM 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成模擬結(jié)果，將裂縫封堵分為架橋滯留、堆積填充、承壓封堵3 個(gè)關(guān)鍵階段，進(jìn)一步明確了裂縫性儲(chǔ)層堵漏機(jī)理。在明確堵漏機(jī)理的基礎(chǔ)上，基于“絕對(duì)架橋加量”概念和改進(jìn)的緊密堆積理論，分別確定了堵漏配方中的架橋材料與填充材料加量，提出了基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法。②通過(guò)上述方法設(shè)計(jì)的堵漏配方，相比于利用經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)確定的配方，具有更高的承壓能力、更低的累計(jì)漏失量及更少的材料總用量。③改進(jìn)了緊密堆積理論，提出了填充材料加量設(shè)計(jì)新方法—補(bǔ)差法。綜上，提出基于高效架橋和致密填充的配方設(shè)計(jì)方法，為深層裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)提供了新思路和理論依據(jù)。

1 裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法

1.1 裂縫封堵過(guò)程模擬與堵漏配方設(shè)計(jì)思路

耦合計(jì)算流體力學(xué)與離散元方法的CFD-DEM方法是模擬裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的有效手段。根據(jù)常見(jiàn)的裂縫性儲(chǔ)層裂縫幾何特征，選用楔形裂縫作為裂縫模型的幾何形態(tài)，裂縫入口和出口寬度分別設(shè)定為3 mm 和1 mm，裂縫長(zhǎng)度設(shè)定為50 mm，接近室內(nèi)實(shí)驗(yàn)常用裂縫模塊尺寸。CFD-DEM 模擬中，堵漏材料相關(guān)參數(shù)依據(jù)裂縫性儲(chǔ)層最常用的方解石類堵漏材料進(jìn)行設(shè)置，堵漏材料摩擦系數(shù)采用COF-1 型堵漏材料表面摩擦系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)得[19]，堵漏材料與鉆井液基本參數(shù)見(jiàn)表2。模擬結(jié)果表明，架橋滯留、堆積填充、承壓封堵是裂縫封堵層形成的3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 裂縫封堵過(guò)程CFD-DEM模擬結(jié)果Fig.1 CFD-DEM simulation results of fracture sealing process

表2 堵漏材料與鉆井液基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of plugging material and drilling fluid

堵漏漿固液兩相沿縫長(zhǎng)方向運(yùn)移，初始階段顆粒濃度較低，堵漏材料運(yùn)移通過(guò)裂縫尖端，未能形成架橋。隨著堵漏材料不斷進(jìn)入裂縫，裂縫內(nèi)局部顆粒濃度升高，顆?！w粒、顆?！芽p間相互作用增加，與裂縫寬度匹配的堵漏材料發(fā)生架橋；后續(xù)堵漏材料在形成的架橋后不斷堆積與填充，逐漸演變?yōu)榉€(wěn)定的封堵層，裂縫內(nèi)沿縫長(zhǎng)方向形成壓力梯度。封堵層至縫尖處為低壓區(qū)，封堵層至縫口處為高壓區(qū)，封堵層起到了承壓的作用。

認(rèn)識(shí)到架橋滯留、堆積填充、承壓封堵在裂縫封堵層形成過(guò)程中的關(guān)鍵作用?？紤]堵漏材料在裂縫中的架橋滯留和堆積填充過(guò)程，基于“絕對(duì)架橋加量”概念和緊密堆積理論，設(shè)計(jì)堵漏配方中架橋材料與填充材料加量，形成完整的堵漏配方，提出堵漏配方設(shè)計(jì)新方法。以“絕對(duì)架橋加量”為優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計(jì)配方中架橋材料加量；緊密堆積理論指導(dǎo)填充材料加量設(shè)計(jì)，但傳統(tǒng)緊密堆積理論對(duì)粒度分布不連續(xù)或重疊分布的各級(jí)填充材料適應(yīng)性差。提出“補(bǔ)差法”改進(jìn)傳統(tǒng)緊密堆積理論，設(shè)計(jì)堵漏配方中填充材料加量。利用設(shè)計(jì)的配方開(kāi)展室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)，對(duì)比設(shè)計(jì)前后堵漏配方承壓能力和累計(jì)漏失量。

1.2 考慮絕對(duì)架橋的架橋材料加量確定方法

考慮到架橋滯留過(guò)程在裂縫封堵層形成過(guò)程中的重要作用，以及對(duì)形成的封堵層強(qiáng)度、穩(wěn)定性的影響，提高架橋材料在裂縫中的架橋概率很有必要。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)架橋材料在堵漏配方中的加量具有重要意義。架橋材料加量確定的方法可參考許成元等[12]提出的“臨界架橋加量”與“絕對(duì)架橋加量”概念：當(dāng)材料加量較低時(shí)，無(wú)法發(fā)生架橋，即架橋概率為零；當(dāng)材料加量增加到某一臨界值后，開(kāi)始有一定概率發(fā)生架橋，此加量即為臨界架橋加量；隨著材料加量繼續(xù)增加，架橋概率也逐漸上升，當(dāng)架橋概率達(dá)到100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的加量即為絕對(duì)架橋加量；當(dāng)材料加量高于絕對(duì)架橋加量時(shí)，裂縫內(nèi)一定發(fā)生架橋，即架橋概率為100%。參考上述理論，通過(guò)“絕對(duì)架橋加量”概念設(shè)計(jì)配方中架橋材料加量，架橋概率隨架橋材料加量變化關(guān)系如圖2所示，表明架橋概率與架橋材料加量及材料粒徑與裂縫寬度比值有關(guān)。圖2中材料粒徑指材料的D90值，裂縫寬度指裂縫入口寬度值。此處加量均為體積百分比。

圖2 架橋材料加量確定圖（摩擦系數(shù)為0.8）[12]Fig.2 Bridge material quantity determination plate（The coefficient of friction is 0.8）[12]

為了便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料稱取，根據(jù)式（1）將體積百分比換算為堵漏配方材料加量Cam（質(zhì)量體積比）：

式中：Cam為用材料質(zhì)量與原漿體積之比表示的絕對(duì)架橋加量，g/mL；Cav為用材料體積與堵漏漿體積之比表示的絕對(duì)架橋加量，%；ρp為架橋材料密度，g/mL。

通過(guò)“絕對(duì)架橋加量”概念確定的架橋材料加量，其數(shù)值能得到該研究的理論支撐；此外，該加量在能有效架橋的基礎(chǔ)上，能保證更多的填充材料進(jìn)入裂縫內(nèi)部形成有效的封堵層，封堵層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及致密性將得到理論的保障。

1.3 考慮緊密堆積的填充材料加量確定方法

1.3.1 連續(xù)粒度分布的緊密堆積理論

堆積填充過(guò)程是裂縫封堵層形成過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其本質(zhì)為堵漏材料顆粒在裂縫內(nèi)的堆積填充，顆粒的高效堆積、致密填充是裂縫封堵的一大追求。因此，合理設(shè)計(jì)堵漏配方中填充材料的加量對(duì)裂縫封堵層的形成、封堵層結(jié)構(gòu)致密性具有至關(guān)重要的作用。為了達(dá)到最大的顆粒堆積效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，并提出了一系列的顆粒緊密堆積理論和模型，并在水泥漿、耐火材料、陶瓷、公路瀝青等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20-23]。目前最為典型的顆粒緊密堆積模型之一為Dinger-Funk 模型。該模型的理論基礎(chǔ)是：體系中最大顆粒的間隙恰能為次大的第二粒級(jí)所充滿，第二粒級(jí)的間隙又恰能為第三粒級(jí)所充滿，并以此類推，便可取得最高的堆積效率[24]。DINGER 和FUNK 給出了顆粒在緊密堆狀態(tài)下的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：CD為小于Di的顆粒累積分?jǐn)?shù)，%；Di為顆粒的粒徑，mm；DL為顆粒的最大粒徑，mm；DS為顆粒的最小粒徑，mm；η為分布模數(shù)。

1.3.2 改進(jìn)的緊密堆積理論

關(guān)于式（2）中分布模數(shù)η的取值，國(guó)外學(xué)者OQUENDO-PATI?O 等[25]對(duì)此做了較為深入的研究：考慮材料粒徑與裂縫寬度比值條件下，研究CD值與分布模數(shù)η的關(guān)系，筆者基于此研究結(jié)果，探索了材料堆積密度與分布模數(shù)η的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3中η為分布模數(shù)，λ為裂縫寬度與材料粒徑之比，封堵層孔隙度表征CD值，封堵層孔隙度越低，材料堆積越緊密，CD值越大。本實(shí)驗(yàn)中，在滿足最大堆積效率的前提下，并考慮裂縫封堵層形成過(guò)程中大顆粒材料對(duì)架橋效率的影響，取分布模數(shù)η=0.5。

圖3 不同縫寬粒徑比條件下封堵層孔隙度與分布模數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationbetweenporosityofsealinglayersanddistribution modulus of different seam width to particle size ratio（λ）

利用式（2）緊密堆積理論模型計(jì)算出堵漏材料的具體粒徑分布范圍；將堵漏材料在區(qū)間內(nèi)具體粒徑分布范圍相減，則為材料的體積占比：

式中：φ為材料體積占比，%；Di90為區(qū)間內(nèi)最大粒徑，mm；Di10為區(qū)間內(nèi)最小粒徑，mm。

再確定最大粒徑材料（即架橋材料）的質(zhì)量體積比，從而確定其余材料（即填充材料）的質(zhì)量體積比。

當(dāng)堵漏材料密度相同，堵漏材料質(zhì)量體積比為：

式中：Ci為材料質(zhì)量體積占比，%；Cm為最大粒徑材料質(zhì)量占比，%；φi為材料i的體積占比，%；φm為最大粒徑材料的體積占比，%。

當(dāng)堵漏材料密度不同時(shí)，堵漏材料質(zhì)量體積比為：

式中：ρi為材料i的密度，g/cm3；ρm為材料m的密度，g/cm3。

需要指出的是，緊密堆積理論適用于體系中各材料粒度分布連續(xù)的情況，當(dāng)體系中各材料粒度分布不連續(xù)或重疊分布，該方法有一定局限?？紤]到絕大多數(shù)情況下堵漏材料粒度分布不連續(xù)、重疊，在利用緊密堆積理論對(duì)配方填充材料加量設(shè)計(jì)前，需對(duì)堵漏材料粒度分布進(jìn)行優(yōu)化，使體系中所有材料粒度連續(xù)分布，因此，提出“補(bǔ)差法”以解決該問(wèn)題。

補(bǔ)差法：當(dāng)體系中各材料粒度分布不連續(xù)、重疊，通過(guò)適當(dāng)放大或縮小體系中部分材料粒徑邊界值，形成新的粒度分布，使整個(gè)體系中各材料粒度分布連續(xù)、無(wú)重疊。具體方法如下：

①假設(shè)堵漏漿配方中存在n種組分的堵漏材料，各組分粒徑分布范圍分別為：[x1，x2]，[x3，x4]，[x5，x6]，…，[xn-1，xn]。其中，x1和xn分別為體系中最大顆粒粒徑和最小顆粒粒徑。

“補(bǔ)差法”實(shí)際上是通過(guò)適當(dāng)放大或縮小體系中部分材料粒徑邊界值，將原本存在離散分布或者交叉分布的顆粒變成連續(xù)分布體系。

綜上，以緊密堆積理論及Dinger-Funk 模型為基礎(chǔ)，通過(guò)確定該理論模型中分布模數(shù)η的值、優(yōu)化體系中所有材料的粒度分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)緊密堆積理論的改進(jìn)。

改進(jìn)的緊密堆積理論一方面優(yōu)化了堵漏配方中各級(jí)材料的粒度分布，另一方面指導(dǎo)堵漏配方中填充材料的加量，該加量符合顆粒的緊密堆積模型，堆積率高，空隙率低。配方中材料進(jìn)入裂縫內(nèi)部以后，一定程度上按照緊密堆積模型進(jìn)行堆積，形成的裂縫封堵層，其結(jié)構(gòu)致密性將得到保障。

1.4 裂縫性漏失堵漏配方設(shè)計(jì)實(shí)例

選取不同粒徑的GYD 及LCC100-8（7～10 目）、SDL、BYD、NTS-M（細(xì)）等為實(shí)驗(yàn)所用堵漏材料。粒度分布是堵漏材料關(guān)鍵幾何參數(shù)，決定堵漏材料作用原理與堵漏效果，是堵漏配方設(shè)計(jì)與優(yōu)選的基礎(chǔ)；堵漏材料密度在配方設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料加量起決定作用。對(duì)實(shí)驗(yàn)所用材料粒度及密度進(jìn)行分析，材料種類、粒度及密度分析結(jié)果如表3所示。材料粒度分布為D10—D90。

將表3的7種材料組合為A、B兩個(gè)體系。體系A(chǔ)包括：GYD（中）、GYD（細(xì)）、SDL、BYD四種材料，其中GYD（中）為架橋材料，其余材料為填充材料；體系B包括：GYD（粗）、LCC100-8（7～10 目）、GYD（中）、NTS-M（細(xì)）、GYD（細(xì)）、SDL，其中GYD（粗）為架橋材料，其余材料為填充材料。體系A(chǔ) 匹配的裂縫模塊為入口端3 mm、出口端1 mm 的楔形模塊，體系B匹配的裂縫模塊為入口端5 mm、出口端3 mm的楔形模塊。通過(guò)體系A(chǔ)、B，設(shè)計(jì)出2種不同的堵漏配方。

1.4.1 架橋材料加量設(shè)計(jì)

據(jù)圖2，結(jié)合表3 中材料粒度、密度參數(shù)及裂縫模塊寬度參數(shù)，可確定體系A(chǔ) 中架橋材料GYD（中）絕對(duì)架橋加量為1%，體系B中架橋材料GYD（粗）絕對(duì)架橋加量為1%，此加量為通過(guò)式（1）換算之后的質(zhì)量體積比。加量設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 堵漏材料粒度及密度分析結(jié)果Table 3 Particle size and density analysis results of plugging material

表4 兩體系架橋材料加量設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 Design results of material loading for two systems

1.4.2 填充材料加量設(shè)計(jì)

首先通過(guò)“補(bǔ)差法”優(yōu)化兩體系中所有材料的粒度分布，體系A(chǔ)、B優(yōu)化結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。

之后通過(guò)改進(jìn)的緊密堆積理論設(shè)計(jì)體系A(chǔ)、B 中填充材料的加量，對(duì)于體系A(chǔ)：優(yōu)化后的材料粒度分布情況見(jiàn)表5，通過(guò)式（3）計(jì)算BYD 材料在體系A(chǔ) 中的體積百分比。

將Di10=0.001 及Di90=0.11、DS=0.001、DL=4.21 代入式（3），其中分布模數(shù)η取0.5，可得其體積百分比φ=14.9%。同理可得SDL、GYD（細(xì)）、GYD（中）在體系A(chǔ)中的體積百分比分別為24.4%、37.0%、23.7%。

由于體系A(chǔ) 中各材料密度不同，最后通過(guò)式（5）計(jì)算BYD材料在體系A(chǔ)中的質(zhì)量體積比。

將φ=14.9%代入式（5），結(jié)合表3中BYD、體系A(chǔ)中最大粒徑材料GYD（中）的密度分別為ρi=3.00 g/cm3，ρm=1.05 g/cm3，以及由1.3.1 節(jié)中確定的GYD（中）質(zhì)量體積比為1%，上面確定的體系A(chǔ) 中最大粒徑材料GYD（中）體積百分比為23.7 %，可得BYD 材料在體系A(chǔ) 中的質(zhì)量體積比Ci=1.8 %。同理可得體系A(chǔ) 中其他填充材料SDL、GYD（細(xì)）在體系A(chǔ)中的質(zhì)量體積比分別為1.1%、1.5%。故體系A(chǔ)經(jīng)“絕對(duì)架橋加量”概念、改進(jìn)的緊密堆積理論設(shè)計(jì)出的配方如表5所示。

同理，體系B 經(jīng)“絕對(duì)架橋加量”概念、改進(jìn)的緊密堆積理論設(shè)計(jì)出的配方見(jiàn)表6。

表6 根據(jù)體系B設(shè)計(jì)出的堵漏配方Table 6 Plugging formula design for system B

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)開(kāi)展室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)，從巖心尺度方面對(duì)該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同規(guī)格的裂縫模塊進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別為入口端3 mm、出口端1 mm 的柱塞樣1（直徑25.0 mm，長(zhǎng)度50.0 mm），及入口端5 mm、出口端3 mm 的柱塞樣2（直徑38.0 mm，長(zhǎng)度380.0 mm），如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)用楔形鋼質(zhì)柱塞Fig.4 Wedge steel plunger for experiment

實(shí)驗(yàn)配方見(jiàn)表7。其中：配方#1-2、#2-2 分別為1.3節(jié)中A、B體系經(jīng)“絕對(duì)架橋加量”概念、改進(jìn)的緊密堆積理論設(shè)計(jì)的配方；配方#1-1、#2-1分別為包含A、B體系所有材料的室內(nèi)經(jīng)驗(yàn)配方。配方#1-1、#1-2以柱塞樣1為裂縫模塊，以高溫高壓小巖心裂縫堵漏儀進(jìn)行評(píng)價(jià)；配方#2-1、#2-2 以柱塞樣2 為裂縫模塊，以高溫高壓全直徑巖心裂縫堵漏儀進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)累計(jì)漏失量與封堵層承壓能力表征裂縫承壓堵漏效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和圖5。

表7 室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)配方及結(jié)果Table 7 Formula and results of indoor pressurized plugging experiment

圖5 室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Indoor pressurized plugging test results

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法在巖心尺度方面的可行性，現(xiàn)通過(guò)在新疆塔里木盆地庫(kù)車山前某區(qū)塊A 井的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在地層尺度方面的可行性。

新疆塔里木盆地庫(kù)車山前某區(qū)塊A 井，四開(kāi)鉆進(jìn)至井深6 846.9 m 發(fā)生漏失（排量20 L/s，漏速7.2 m3/h，降排量至8 L/s，漏速10.8 m3/h），后吊灌起鉆至套管內(nèi)（井口液面不可見(jiàn)），配置濃度為16%堵漏漿，出口一直未返，需進(jìn)行專項(xiàng)堵漏作業(yè)。對(duì)漏失原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鉆遇庫(kù)姆格列木群組膏泥巖段，巖性以中厚層—厚層狀褐色、灰褐色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖、泥巖為主，夾薄層—中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、膏質(zhì)細(xì)砂巖，地層裂縫、微裂縫發(fā)育，地層承壓能力低，在高激動(dòng)壓力下容易發(fā)生壓裂性漏失。以高承壓橋堵材料設(shè)計(jì)室內(nèi)堵漏配方#A-1：基漿+4 %NTS-M（中粗）+3.5 %NTS-S（Ⅱ型，中粗）+2.5 %NTS-S（Ⅰ型，粗）+2 %GYD（粗）+3 %GYD（中粗）+2.8%GYD（細(xì)）+8%GT-MF+0.8%NT-2（1/8″），使用高溫高壓多功能水平井損害評(píng)價(jià)儀進(jìn)行裂縫封堵層承壓能力與累計(jì)漏失量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可看出，室內(nèi)配方形成的裂縫封堵層承壓能力為7 MPa，累計(jì)漏失量為35.8 mL。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)通過(guò)基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法對(duì)室內(nèi)堵漏配方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后堵漏配方#A-2：基漿+1.5 %NTS-M（中粗）+2 %NTS-S（II 型，中粗）+4.4%NTS-S（I 型，粗）+1%GYD（粗）+1.8 %GYD（中粗）+2.2 %GYD（細(xì)）+5.6 %GTMF+0.7%NT-2（1/8″），在井深6 848 m 進(jìn)行了專項(xiàng)堵漏一次，堵漏成功，注堵漏漿循環(huán)基本不漏（泵壓23 MPa，漏失當(dāng)量24.7 mL），滿足下步施工工藝需求。實(shí)例分析表明，架橋材料及填充材料的加量嚴(yán)重影響著裂縫封堵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及承壓能力。通過(guò)基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的堵漏配方，可大幅提高地層承壓能力和堵漏成功率。

圖6 室內(nèi)配方封堵層承壓能力與累計(jì)漏失量結(jié)果Fig.6 Pressure bearing capacity and cumulative leakage of sealing layer by indoor formula

4 討論

基于理論研究和CFD-DEM 模擬，通過(guò)2 組室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和1組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，提出的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法相比于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)法/半經(jīng)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)的堵漏配方在承壓能力、累計(jì)漏失量、材料總用量3 個(gè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)（圖7）。

圖7 不同配方承壓能力、累計(jì)漏失量、材料總用量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of pressure bearing capacity,cumulative loss and total material consumption of different formulations

1）承壓能力

封堵層承壓能力強(qiáng)弱是裂縫封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的綜合反映，封堵層承壓能力越大，裂縫封堵層抵抗外力的能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。圖7a表明，相比于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)配方，優(yōu)化配方的承壓能力得到極大提升，同比增加101 %、100 %、229 %。一方面，優(yōu)化配方中架橋材料的加量在能有效架橋的基礎(chǔ)上，保證更多的填充材料進(jìn)入裂縫內(nèi)部形成有效的封堵層，封堵層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、致密，封堵層承壓能力更高，驗(yàn)證了“絕對(duì)架橋加量”的可行性。另一方面，架橋材料加量過(guò)多可能導(dǎo)致架橋材料在裂縫入口端大量堆積，即使是較小的材料也無(wú)法再進(jìn)入裂縫內(nèi)部，不能形成有效、致密的封堵層，甚至出現(xiàn)“封門”現(xiàn)象。

2）累計(jì)漏失量

累計(jì)漏失量指從堵漏材料進(jìn)入裂縫到裂縫封堵層被破壞時(shí)的鉆井液漏失量。累計(jì)漏失量的大小是裂縫封堵層結(jié)構(gòu)致密性的綜合反映。累計(jì)漏失量越小，裂縫封堵層結(jié)構(gòu)越致密。圖7b表明，相比于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)配方，優(yōu)化配方的累計(jì)漏失量明顯降低，累計(jì)漏失量同比減少32%、38%、31%。優(yōu)化配方中，填充材料由改進(jìn)的緊密堆積理論進(jìn)行確定，其加量符合顆粒的緊密堆積模型，配方中，材料進(jìn)入裂縫內(nèi)部以后，一定程度上按照緊密堆積模型進(jìn)行堆積，形成的裂縫封堵層堆積率更高，空隙率更小，封堵層結(jié)構(gòu)更加致密，故優(yōu)化配方累計(jì)漏失量更低。

3）材料總用量

材料用量是配方選擇時(shí)需考慮的重要因素。圖7c 表明，相比于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)配方，優(yōu)化配方的材料總用量顯著減少，同比減少61%、76%、28%。優(yōu)化配方設(shè)計(jì)方法中架橋材料的加量參考“絕對(duì)架橋加量”概念，即架橋概率達(dá)到100%時(shí)的最低材料加量。通過(guò)該理論確定架橋材料加量，進(jìn)一步確定填充材料加量，最終形成完整堵漏配方，保障了材料的低用量。

基于高效架橋和致密填充的深層裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的配方，實(shí)現(xiàn)了快速高效設(shè)計(jì)裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方，有效保證了裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方封堵裂縫的效果，相比于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)配方，其材料總用量更低，承壓能力更高，累計(jì)漏失量更低，裂縫封堵效果更好。

5 結(jié)論

1）基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)方法考慮了堵漏材料在裂縫中的架橋滯留及堆積填充過(guò)程，以相關(guān)方法理論為支撐，設(shè)計(jì)配方架橋材料以及填充材料加量，提高了架橋材料在裂縫中的架橋概率，提升了填充材料在裂縫中的堆積效率，從而優(yōu)化了裂縫封堵質(zhì)量。

2）基于高效架橋和致密填充的裂縫性儲(chǔ)層堵漏配方設(shè)計(jì)出的配方，其承壓能力更大，累計(jì)漏失量更低，材料總用量更少。

3）改進(jìn)的緊密堆積理論對(duì)不連續(xù)的顆粒粒度分布優(yōu)化效果較好，彌補(bǔ)了緊密堆積理論在該方面的不足。