提高裂縫性地層承壓能力的實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

魯鐵梅， 王戰(zhàn)衛(wèi)， 徐生江， 鞏加芹， 王 貴， 曹 成

1中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

0 引言

鉆井液漏失是石油工程長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題，會(huì)浪費(fèi)大量生產(chǎn)時(shí)間并導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，強(qiáng)化井筒提高地層承壓能力是解決此問(wèn)題的重要措施[1- 5]。強(qiáng)化井筒的關(guān)鍵在于在鉆井液中加入封堵材料從而彌補(bǔ)地層微裂縫等缺陷，進(jìn)而提高地層承壓能力。因此，鉆井液提高地層承壓能力的效果評(píng)價(jià)對(duì)于強(qiáng)化井筒鉆井液設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞鉆井液井筒強(qiáng)化效果評(píng)價(jià)展開(kāi)了研究，Contreras[6]、Aadnoy[7]、van Oort[8]等通過(guò)研究指出堵漏材料可以顯著提高地層巖石的破裂壓力。Savari[9]、Moazzeni[10]、Wang[11]等研究了堵漏材料對(duì)井筒強(qiáng)化效果的影響，指出了堵漏材料粒度、濃度等因素對(duì)于井筒強(qiáng)化的影響。這些研究雖然為鉆井液強(qiáng)化井筒設(shè)計(jì)提供了參考，但是這些傳統(tǒng)井筒強(qiáng)化評(píng)價(jià)普遍采用鋼塊模擬地層裂縫，無(wú)法反映巖石性質(zhì)及其對(duì)地層承壓能力的影響。

為科學(xué)定量評(píng)價(jià)鉆井液的井筒強(qiáng)化效果，研制了采用人造巖心模擬地層巖石的壓裂實(shí)驗(yàn)裝置，可以直觀反映鉆井液對(duì)巖石破裂壓力的影響。采用該壓裂實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)評(píng)價(jià)了瀝青類封堵劑、剛性顆粒封堵劑等材料的井筒強(qiáng)化效果。制備了帶裂紋的人造巖心，研究了裂紋對(duì)巖石破裂壓力的影響，考察了封堵材料對(duì)帶裂紋巖石承壓能力的影響。研究成果對(duì)于指導(dǎo)井筒強(qiáng)化鉆井液設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和工程實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

目前國(guó)內(nèi)外通常采用裂縫塊堵漏裝置開(kāi)展鉆井液井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，不能反映巖石力學(xué)性質(zhì)變化的影響。為了直觀評(píng)價(jià)鉆井液強(qiáng)化井筒提高地層承壓的能力，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了井筒強(qiáng)化巖心壓裂實(shí)驗(yàn)裝置。如圖1所示，井筒強(qiáng)化巖心壓裂實(shí)驗(yàn)裝置由壓力控制系統(tǒng)、油液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及巖心夾持系統(tǒng)三部分組成。實(shí)驗(yàn)用人造巖心采用水泥、石英砂以及水作為原料，按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《砌筑砂漿配比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T98—2010)[12]進(jìn)行制備，其性質(zhì)與地層巖石更為接近，并且通過(guò)配料組分調(diào)整可以獲得不同強(qiáng)度和孔滲特性的人造巖心，從而模擬不同巖性的地層。壓力控制系統(tǒng)通過(guò)配套軟件控制壓力泵為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一定的壓力，油液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將壓力泵提供的油壓驅(qū)替鉆井液，使其進(jìn)入巖心夾持系統(tǒng)的人造巖心之中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄巖心內(nèi)孔之中的孔壓隨著時(shí)間的變化情況，即可反映出實(shí)驗(yàn)用鉆井液強(qiáng)化井筒提高地層承壓能力的效果。

圖1 井筒強(qiáng)化巖心壓裂實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

常用的鉆井液封堵劑主要包括瀝青類封堵劑、剛性顆粒封堵劑以及其它封堵劑[13]。瀝青類封堵劑主要包括磺化瀝青、氧化瀝青以及乳化瀝青。剛性顆粒封堵劑包括超細(xì)碳酸鈣、超細(xì)二氧化硅、納米碳酸鈣以及納米二氧化硅。其它常用的封堵劑還有乳化石蠟和聚乙二醇。實(shí)驗(yàn)采用固相含量為4%的預(yù)水化膨潤(rùn)土漿+2%SMP- 2+0.8%CMC-LV為基漿，在基漿之中加入一定濃度的封堵劑作為封堵鉆井液用于提高地層承壓能力實(shí)驗(yàn)。

2 完整巖心井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

2.1 單一封堵劑完整巖心井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

2.1.1 瀝青類封堵劑

瀝青類封堵劑在壓差的作用下，容易被驅(qū)替進(jìn)入地層的微裂縫之中，從而形成封堵帶。由于瀝青具有疏水性質(zhì)，可以減少鉆井液中的水相進(jìn)入地層巖石，從而保持井壁穩(wěn)定性[14]。在基漿中分別加入濃度為3%的磺化瀝青、氧化瀝青和乳化瀝青，用于鉆井液強(qiáng)化井筒實(shí)驗(yàn)，巖心內(nèi)孔壓力隨著時(shí)間的變化情況如圖2所示。圖2可以看出，隨著加壓至600 s左右，巖心內(nèi)容壓力開(kāi)始升高，初始階段壓力上升較為緩慢，隨后呈線性急劇升高。當(dāng)壓力達(dá)到巖心破裂壓力之后，巖心被壓裂，巖心內(nèi)孔壓力急劇降低?；鶟{對(duì)應(yīng)的巖心在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到924 s時(shí)被壓裂，而加入瀝青的鉆井液被壓裂所需時(shí)間更長(zhǎng)，加入氧化瀝青、磺化瀝青和乳化瀝青的鉆井液對(duì)應(yīng)的壓裂時(shí)間分別為1 029 s、1 282 s、1 150 s，體現(xiàn)出了瀝青延緩地層巖石破壞的能力?；鶟{對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為12.98 MPa，加入氧化瀝青、磺化瀝青和乳化瀝青的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力分別為13.6 MPa、14.23 MPa、15.51 MPa，對(duì)應(yīng)提高的地層承壓能力分別為1.25 MPa、0.62 MPa、2.53 MPa，顯示出了明顯提高地層承壓能力的效果。根據(jù)地層承壓能力的提高值，可以得到在瀝青類封堵劑中乳化瀝青具有最好的強(qiáng)化井筒效果。

圖2 瀝青類封堵劑井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 剛性顆粒封堵劑

剛性顆粒封堵材料在鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的壓差作用下會(huì)被擠入井壁巖石孔隙之中，并形成具有一定強(qiáng)度的封堵層，從而阻緩鉆井液液相侵入，提高井壁承壓能力[15- 18]。在基漿中分別加入濃度為3%的超細(xì)二氧化硅、超細(xì)碳酸鈣、納米二氧化硅、納米碳酸鈣，然后開(kāi)展鉆井液井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯尤雱傂灶w粒材料的鉆井液對(duì)應(yīng)的井筒壓力曲線在壓裂之前的變化趨勢(shì)與基漿相似，即先緩慢升高后呈線性遞增直至巖石被壓裂，對(duì)應(yīng)的壓力曲線出現(xiàn)急劇降低。具體地，加入超細(xì)二氧化硅、超細(xì)碳酸鈣、納米二氧化硅、納米碳酸鈣的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力分別為18.79 MPa、19.76 MPa、16.25 MPa、15.43 MPa，與基漿相比它們提高的地層承壓能力分別為5.81 MPa、6.78 MPa、3.27 MPa、2.45 MPa，超細(xì)碳酸鈣提高巖石承壓能力效果最好。與基漿不同的是，加入剛性顆粒材料的鉆井液在巖心破裂之后井筒壓力呈鋸齒狀，表明對(duì)應(yīng)巖心仍具有一定的承壓能力。這是因?yàn)閴毫阎?，剛性顆粒材料進(jìn)入裂縫形成的封堵層具有承壓能力。

圖3 剛性顆粒封堵劑井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 其它封堵劑

將乳化石蠟加入鉆井液之中可以提高濾餅質(zhì)量，在井壁巖石形成低滲透屏蔽帶，阻止鉆井液中滲入地層深部，從而提高地層承壓能力。聚合醇的防塌作用機(jī)理為當(dāng)溫度低于其濁點(diǎn)時(shí)會(huì)分散于水中。當(dāng)溫度高于聚合醇的濁點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生相分離，阻止鉆井液液相侵入地層，從而起到穩(wěn)定井壁的作用[16]。在基漿中加入濃度為3%的乳化石蠟和聚乙二醇，評(píng)價(jià)其井筒強(qiáng)化效果，結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?，加入乳化石蠟和聚乙二醇的鉆井液對(duì)應(yīng)的井筒壓力曲線與基漿類似，達(dá)到破裂壓力之后急劇降低，并且?guī)r石破裂后的承壓能力較低。具體地，加入乳化石蠟的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為14.44 MPa，加入聚乙二醇的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為13.86 MPa，其對(duì)應(yīng)的地層承壓能力提高值分別為1.46 MPa和0.88 MPa，二者相比乳化石蠟提高地層承壓能力的效果更好。

圖4 乳化石蠟和聚乙二醇井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 復(fù)配封堵劑完整巖心井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

選擇瀝青類封堵劑、剛性顆粒封堵劑和其他封堵劑中具有較好井筒強(qiáng)化效果的處理劑進(jìn)行二元復(fù)配，分別在基漿中加入3%超細(xì)碳酸鈣+3%乳化瀝青、3%乳化瀝青+3%乳化石蠟、3%超細(xì)碳酸鈣+3%乳化石蠟，考察其提高地層承壓能力效果，結(jié)果如圖5所示。與單劑相比，復(fù)配封堵劑的井筒強(qiáng)化效果有明顯提高，加入超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力達(dá)23.71 MPa，與基漿相比提高了10.73 MPa，顯示出良好的提高地層承壓能力效果；加入超細(xì)碳酸鈣和乳化石蠟的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為20.76 MPa，與基漿相比地層承壓能力提高了7.78 MPa；加入乳化瀝青和乳化石蠟的鉆井液提高巖石承壓能力較低，對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為17.33 MPa。由圖6可見(jiàn)，加入超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液在巖石破裂之后承壓能力下降并不顯著，這是因?yàn)閹r石被壓裂之后碳酸鈣進(jìn)入裂縫形成致密封堵帶，具有較高的承壓能力。

圖5 復(fù)配封堵劑井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步考察加入超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液的提高地層承壓能力作用機(jī)制，分別測(cè)試了干巖樣以及該鉆井液和基漿驅(qū)替之后巖石的接觸角，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到，干巖樣的接觸角θ為14.25°，基漿驅(qū)替之后其親水性略有增強(qiáng)，接觸角降低至12.58°。加入乳化瀝青的鉆井液驅(qū)替之后，巖石的接觸角θ增加至24.35°，疏水性能有所增強(qiáng)。這說(shuō)明乳化瀝青可以改變巖石的潤(rùn)濕性能，使其疏水性質(zhì)增強(qiáng)，阻緩鉆井液水相侵入，降低鉆井液濾失，起到提高地層承壓能力的作用。

圖6 鉆井液對(duì)巖石潤(rùn)濕性的影響

3 帶微裂紋巖心井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

鉆井過(guò)程中常鉆遇發(fā)育有微裂紋的地層，其破裂機(jī)制與完整巖心存在差異，為此，開(kāi)展了有微裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。首先制作帶微裂紋的巖心，然后采用不同的鉆井液加壓對(duì)其實(shí)施壓裂，考察鉆井液對(duì)帶裂紋地層承壓能力的影響。

3.1 微裂紋制備

首先，按照水泥∶砂子∶水=1∶1.8∶0.7制備更為致密的人造巖心，避免注入液體沿著巖心的孔隙滲流，使其易于被壓裂形成微裂紋。然后，以清水作為工作液，采用巖心壓裂實(shí)驗(yàn)裝置將巖心壓出微裂縫。當(dāng)巖心內(nèi)孔壓力出現(xiàn)降低時(shí)停止泵入，即可得到帶微裂紋的人造巖心。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的巖心內(nèi)孔壓力曲線如圖7所示，巖心內(nèi)孔壓力先緩慢上升然后急劇升高，這是由于巖心較為致密導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)表明，巖心被清水壓出裂縫對(duì)應(yīng)的壓力為6 MPa。

圖7 微裂紋制備過(guò)程中的壓力變化曲線

3.2 微裂紋對(duì)巖心破裂壓力的影響

為考察微裂紋對(duì)巖心破裂壓力的影響，采用基漿分別對(duì)完整巖心和帶微裂紋巖心開(kāi)展了井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看到，完整巖心對(duì)應(yīng)的井筒壓力曲線初始階段斜率更大，對(duì)應(yīng)的井筒壓力上升更快，到4 651 s時(shí)巖心被壓破，對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為22.2 MPa，之后壓力急劇降低。帶微裂紋的巖心在驅(qū)替進(jìn)行到590 s時(shí)巖石被壓裂，巖心內(nèi)孔壓力出現(xiàn)急劇降低，對(duì)應(yīng)的裂縫破裂壓力為13.95 MPa。由此可見(jiàn)，微裂紋的存在會(huì)顯著降低巖石破裂壓力，減小地層巖石的承壓能力。

圖8 微裂紋對(duì)巖心破裂壓力的影響

3.3 單一封堵劑對(duì)帶裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，選擇具有較好井筒強(qiáng)化效果的乳化瀝青、超細(xì)碳酸鈣和乳化石蠟，開(kāi)展單一封堵劑對(duì)帶裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。與基漿壓裂相比(圖7)，巖心被壓裂的時(shí)間從2 739 s延緩至3 049～3 370 s，體現(xiàn)出了一定的維持井壁穩(wěn)定的能力。加入超細(xì)碳酸鈣的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力最高為16.06 MPa，與基漿相比地層承壓能力提高了2.11 MPa。加入乳化瀝青和乳化石蠟的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力為14.46 MPa和14.3 MPa，與基漿相比地層承壓能力分別提高了0.51 MPa和0.35 MPa。實(shí)驗(yàn)表明，巖石被含單一封堵劑的鉆井液壓裂之后，不再具有穩(wěn)定的承壓能力。

圖9 單一封堵劑對(duì)有裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 復(fù)配封堵劑對(duì)帶裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

為考察二元復(fù)配封堵劑對(duì)提高帶裂紋巖心承壓能力的效果，分別在基漿中加入3%超細(xì)碳酸鈣+3%乳化瀝青、3%乳化瀝青+3%乳化石蠟、3%超細(xì)碳酸鈣+3%乳化石蠟，考察其井筒強(qiáng)化效果，結(jié)果見(jiàn)圖10。加入超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力最高達(dá)18.8 MPa,加入超細(xì)碳酸鈣和乳化石蠟的鉆井液為16.29 MPa，加入乳化瀝青和乳化石蠟的鉆井液對(duì)應(yīng)的巖石破裂壓力僅為15.88 MPa，與基漿相比它們對(duì)帶裂紋巖心承壓能力的提高值分別為4.85 MPa、2.34 MPa、1.93 MPa。可以看出，這三種復(fù)配封堵劑對(duì)帶裂紋巖心的井筒強(qiáng)化效果遠(yuǎn)低于完整巖心。因此，在鉆遇帶裂紋的地層時(shí)，應(yīng)著重考慮其較低的承壓能力，采用封堵型鉆井液避免地層被壓裂進(jìn)而導(dǎo)致鉆井復(fù)雜事故。

圖10 復(fù)配封堵劑對(duì)有裂紋巖心的井筒強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

新疆某區(qū)塊侏羅系八道灣組煤層發(fā)育，每口井平均鉆遇17段煤層，煤層平均深度2 854.5 m，平均厚度2.48 m。由于煤層割理發(fā)育，因此在鉆井過(guò)程中易發(fā)生誘導(dǎo)性漏失。對(duì)該區(qū)塊2019～2020年完鉆的117口井的漏失資料整理分析結(jié)果顯示，平均每口井漏失2.87次，最多漏15次；平均漏速18.46 m3/h，最高漏速210 m3/h；平均累計(jì)漏失量101.24 m3，最高1 579.8 m3；單井平均損失時(shí)間91.56 h，最高損失時(shí)間1 962 h。2021年部分井采用了提高地層承壓能力的鉆井液技術(shù)，在原來(lái)的鉀鈣基聚胺有機(jī)鹽鉆井液中加入了超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青，鉆井漏失情況得到了明顯改善，對(duì)5口完鉆井的漏失情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與先前完鉆井漏失情況進(jìn)行比較，結(jié)果如圖11所示。

圖11 提高地層承壓能力的鉆井液應(yīng)用效果

由圖11可以看出，提高地層承壓能力的鉆井液對(duì)應(yīng)的完鉆井平均漏失次數(shù)為1.73次，平均漏速為12.65 m3/h，單井平均損失時(shí)間53.56 h，分別降低了39.7%、31.5%、41.5%，表現(xiàn)出了良好的防漏效果。這是因?yàn)樵趶?qiáng)效封堵劑作用下，煤巖割理等裂紋得以被修復(fù)，地層破裂壓力得到了提高，在相同密度的鉆井液作用下，原本會(huì)被壓裂的部分薄弱地層得以安全鉆進(jìn)，證實(shí)了室內(nèi)研究結(jié)果的正確性和有效性。

5 結(jié)論與建議

(1)研制的巖心壓裂實(shí)驗(yàn)裝置可直接測(cè)試鉆井液作用下巖石的承壓能力，科學(xué)定量地評(píng)價(jià)鉆井液的井筒強(qiáng)化效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)裝置采用裂縫鋼塊模擬地層裂縫無(wú)法反映巖石真實(shí)性質(zhì)的不足。

(2)超細(xì)碳酸鈣和乳化瀝青復(fù)配使用時(shí)鉆井液的井筒強(qiáng)化效果最好，這是因?yàn)閹r石被壓裂之后碳酸鈣進(jìn)入裂縫形成致密封堵帶，而乳化瀝青可以增強(qiáng)巖石的疏水性質(zhì)，阻緩鉆井液水相侵入，因而可以顯著提高巖石承壓能力。

(3)微裂紋的存在會(huì)顯著降低巖石破裂壓力，減小地層巖石的承壓能力。在鉆遇帶裂紋的地層如割理發(fā)育的煤層時(shí)，應(yīng)采用封堵型鉆井液提高地層承壓能力，避免地層被壓裂進(jìn)而導(dǎo)致井下復(fù)雜事故。