動(dòng)態(tài)裂縫堵漏試驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

馬成云 竇益華 鄧金根 馮永存 艾二鑫 趙 凱 惠 城

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2．中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院3．西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 4.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院)

0 引 言

井漏是最常見(jiàn)且最難治理的井下復(fù)雜事故[1-3]。應(yīng)力敏感裂縫地層的裂縫漏失通道隨著井底壓力動(dòng)態(tài)張開(kāi)和閉合，堵漏難度大，國(guó)內(nèi)外均未有很好的技術(shù)應(yīng)對(duì)[4]。應(yīng)力敏感裂縫性地層鉆井液漏失的主要原因是高密度鉆井液壓裂地層中的微裂縫或弱結(jié)構(gòu)面，形成誘導(dǎo)性裂縫造成漏失[5-6]。此外，在鉆井施工過(guò)程中，開(kāi)泵過(guò)猛、下鉆速度過(guò)快等也會(huì)造成新的裂縫或閉合的裂縫開(kāi)啟[7-9]，而碳酸鹽地層裂縫網(wǎng)絡(luò)或縫洞體系發(fā)育，由于壓差、溫度及鉆井液流動(dòng)作用的影響，也會(huì)使裂縫寬度發(fā)生變化[10-11]。通常，裂縫性地層發(fā)生鉆井液漏失時(shí)，需要采用堵漏劑封堵裂縫阻止鉆井液漏失。傳統(tǒng)鉆井液中的固相顆粒一般以裂縫的靜態(tài)寬度為設(shè)計(jì)依據(jù)[12-19]，忽視了由井筒波動(dòng)壓力引起的裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化的影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的堵漏顆粒粒徑遠(yuǎn)小于地層裂縫的動(dòng)態(tài)縫寬，或不能匹配裂縫的動(dòng)態(tài)變化特征，無(wú)法在裂縫內(nèi)形成架橋堵漏層，甚至引發(fā)惡性漏失[20-24]。為此，筆者研制了用于評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感裂縫性地層鉆井液漏失堵漏效果的試驗(yàn)裝置，通過(guò)改變裂縫面閉合應(yīng)力、裂縫入口壓力、井筒內(nèi)堵漏漿驅(qū)替壓力等參數(shù)，模擬裂縫動(dòng)態(tài)變化條件下的堵漏過(guò)程及評(píng)價(jià)不同堵漏配方堵漏效果。

1 裂縫堵漏試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工況，基于相似原理研制了動(dòng)態(tài)裂縫堵漏模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示。整個(gè)裝置由5部分構(gòu)成，分別是堵漏漿循環(huán)系統(tǒng)、裂縫動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)、堵漏漿配置系統(tǒng)、反向承壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該裝置模擬鉆井液攜帶堵漏漿進(jìn)入動(dòng)態(tài)裂縫內(nèi)這一過(guò)程及評(píng)價(jià)堵漏材料堵漏效果。試驗(yàn)時(shí)，由注入泵提供動(dòng)力源，驅(qū)替鉆井液通過(guò)管匯進(jìn)入堵漏漿攪拌系統(tǒng)；然后鉆井液攜帶堵漏顆粒流入模擬井筒，再進(jìn)入動(dòng)態(tài)裂縫內(nèi)。在裂縫被架橋封堵之前，鉆井液會(huì)通過(guò)裂縫出口進(jìn)入廢液回收罐。一段時(shí)間后，隨著堵漏材料在裂縫內(nèi)架橋堵漏，裂縫出口的鉆井液漏失速率和漏失體積下降，裂縫入口壓力持續(xù)上升。當(dāng)裂縫入口壓力大于裂縫側(cè)面閉合壓力時(shí)，裂縫面發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)，裂縫入口壓力被定義為裂縫啟動(dòng)壓力。

1—?jiǎng)恿σ簝?chǔ)集罐；2—注入泵；3—鉆井液儲(chǔ)集罐；4—高壓活塞容器；5—堵漏漿攪拌罐；6—?jiǎng)討B(tài)裂縫模系統(tǒng)；7—壓力傳感器接頭；8—平流泵；9—回壓閥；10—廢液回收罐；11—高壓變頻泵。

正是由于裂縫面的移動(dòng)，原本完好的封堵層就會(huì)失穩(wěn)，堵漏漿繼續(xù)向裂縫出口運(yùn)移。與此同時(shí)，由于封堵層的突然破壞，裂縫入口處的壓力會(huì)突降，裂縫面也會(huì)趨于閉合。當(dāng)裂縫寬度縮小到某一值時(shí)，裂縫內(nèi)的堵漏顆粒會(huì)再次在裂縫內(nèi)形成架橋。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，堵漏材料在裂縫內(nèi)表現(xiàn)出“架橋-失穩(wěn)-架橋”的動(dòng)態(tài)架橋堵漏過(guò)程。該過(guò)程反映了鉆井過(guò)程中由于激動(dòng)壓力或抽吸壓力導(dǎo)致原本完好的封堵層破壞后，堵漏顆粒再次在裂縫內(nèi)建立封堵層的能力。這一設(shè)想有助于在靜態(tài)裂縫堵漏試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修正堵漏配方，強(qiáng)化堵漏漿的堵漏能力。此外，該裝置可以通過(guò)裂縫出口的平流泵反向向裂縫內(nèi)注入流體，測(cè)試封堵層的反向承壓能力；還可以在封堵層建立后，通過(guò)在井筒大排量鉆井液流動(dòng)，模擬鉆井過(guò)程鉆井液持續(xù)沖刷對(duì)封堵層穩(wěn)定性的影響。尤其，當(dāng)架橋顆粒尺寸設(shè)置過(guò)大時(shí)，堵漏顆粒會(huì)在裂縫入口形成“假封堵”，在鉆井液持續(xù)沖刷作用下，封堵層可能被破壞。

1.1.1 堵漏漿循環(huán)系統(tǒng)

堵漏漿循環(huán)系統(tǒng)包括2個(gè)注入泵和2個(gè)10 L活塞容器，注入泵用于注入循環(huán)液及清洗液，為鉆井堵漏漿的循環(huán)提供動(dòng)力源?；钊萜饔糜谌菁{循環(huán)鉆井液，2個(gè)容器里始終保持一個(gè)活塞向上移動(dòng)，一個(gè)活塞向下移動(dòng)，從而確保一個(gè)是吸液狀態(tài)，一個(gè)是排液狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)往復(fù)不斷循環(huán)。

1.1.2 裂縫動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)裂縫模擬系統(tǒng)中心為井筒，井筒一周為圓盤裂縫(見(jiàn)圖2)。圓盤裂縫與井筒同心，裂縫最大直徑為260 mm，井筒直徑為30 mm。在井筒上端設(shè)有直徑為30 mm的高壓管路與堵漏漿系統(tǒng)出口管路相連。在井筒下端設(shè)置有回壓閥。當(dāng)需要循環(huán)鉆井液時(shí)，可通過(guò)設(shè)置回壓閥壓力，實(shí)現(xiàn)特定裂縫入口壓力條件下的鉆井液持續(xù)流動(dòng)。下裂縫面?zhèn)缺谠O(shè)置有10 mm高的空腔，可通過(guò)控制該空腔內(nèi)流體壓力(即裂縫面閉合壓力)實(shí)現(xiàn)裂縫動(dòng)態(tài)變化。具體操作為：當(dāng)堵漏材料在裂縫內(nèi)建立了封堵層后，裂縫內(nèi)的流體壓力會(huì)持續(xù)增加，直至超過(guò)裂縫面閉合壓力時(shí)，裂縫面就可能發(fā)生移動(dòng)。上裂縫面均勻布置了3組壓力傳感器，在試驗(yàn)過(guò)程中，可根據(jù)3組壓力傳感器的數(shù)值大小關(guān)系判斷架橋堵漏位置。

圖2 動(dòng)態(tài)裂縫模擬系統(tǒng)Fig.2 Dynamic fracture simulation system

1.1.3 堵漏漿配置系統(tǒng)

堵漏漿配制系統(tǒng)處于裂縫動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)與堵漏漿循環(huán)系統(tǒng)中間。在堵漏漿配置系統(tǒng)中設(shè)有攪拌器，用于攪動(dòng)堵漏漿，保證堵漏漿混合均勻。堵漏漿配置系統(tǒng)下端，接有直徑30 mm的高壓管路，高壓管路另一端與井筒上端連接。

1.1.4 反向承壓系統(tǒng)

在裂縫動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)出口設(shè)有一個(gè)平流泵，可通過(guò)平流泵反向向裂縫內(nèi)注入流體，以此測(cè)試封堵層的反向承壓能力。

1.1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該部分主要包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集及控制裝置、數(shù)據(jù)記錄顯示計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)主要實(shí)時(shí)記錄和顯示壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的啟停、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示以及安全保護(hù)。

1.2 裝置特點(diǎn)

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置具有以下特點(diǎn)：①可分別實(shí)現(xiàn)定壓差和定排量試驗(yàn)，最大驅(qū)替壓差為10 MPa，最大排量為1 L/min，滿足復(fù)雜工況下的鉆井堵漏效果評(píng)價(jià)條件；②可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)充鉆井液，滿足長(zhǎng)時(shí)間和大排量鉆井液持續(xù)流動(dòng)條件下的堵漏過(guò)程模擬；③既可模擬動(dòng)態(tài)裂縫堵漏，還可模擬靜態(tài)裂縫堵漏；④試驗(yàn)裝置可模擬裂縫寬度在0.5～10 mm之間的裂縫堵漏過(guò)程；⑤可實(shí)時(shí)記錄驅(qū)替壓力(排量)、裂縫寬度以及架橋封堵位置的變化，為分析封堵層破壞機(jī)制提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；⑥可通過(guò)軟件控制驅(qū)替泵的頻率交替變化，實(shí)現(xiàn)模擬井筒波動(dòng)壓力條件下的封堵層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；⑦試驗(yàn)裝置可施加反向驅(qū)替壓力，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)封堵層抗“返吐”能力。

1.3 技術(shù)參數(shù)

(1)高壓變頻泵：工作額定流量為0～1 L/min，精度為0.3%；額定壓力為0～10 MPa，工作頻率為0～50 Hz。

(2)裂縫模擬單元：?jiǎn)卧w直徑260 mm；縫入口寬度在0.5～10 mm之間變化，且裂縫初始寬度可人為調(diào)整。

(3)堵漏漿攪拌轉(zhuǎn)速：0～600 r/min(無(wú)級(jí)調(diào)速)。

(4)壓力傳感器：共6個(gè)，量程0～15 MPa，精度0.1%。

(5)鉆井液儲(chǔ)集罐：容積10 L。

(6)堵漏漿罐：容積3 L。

(7)廢液回收罐：?jiǎn)未蝺?nèi)部容積為12 L。

(8)循環(huán)管路：內(nèi)徑30 mm，滿足毫米級(jí)堵漏材料輸送要求。

2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

(1)配制堵漏漿。在堵漏漿罐中直接加入鉆井液和堵漏材料，開(kāi)啟攪拌器配置堵漏漿。

(2)加入鉆井液。通過(guò)高變頻泵向2個(gè)10 L的鉆井液儲(chǔ)集罐中吸入鉆井液，用于頂替堵漏漿。

(3)完成裂縫動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的裝配。先蓋上上裂縫面，并擰緊固定螺絲；然后向下裂縫面?zhèn)缺诳涨怀淙朐O(shè)定壓力(例如3 MPa)的氣體，使裂縫開(kāi)口復(fù)位到初始寬度(例如1 mm)；最后，連接上裂縫面上的3組壓力傳感器及將井筒上端連接到堵漏漿罐。

(4)安裝連通管匯，檢測(cè)校準(zhǔn)設(shè)備。試驗(yàn)啟動(dòng)前，連接相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保試驗(yàn)各系統(tǒng)設(shè)備正常工作，確保各級(jí)管線連接處于要求的密封狀態(tài)，無(wú)漏水、漏油情況發(fā)生，進(jìn)行壓力和流通測(cè)試并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

(5)根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定參數(shù)，啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中利用高壓變頻泵來(lái)控制鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，保證壓力保持在試驗(yàn)要求的范圍。待裂縫內(nèi)被鉆井液充滿且裂縫入口壓力達(dá)到要求的初始?jí)毫λ查g，打開(kāi)出口閥門，測(cè)試初始漏失量，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

(6)監(jiān)測(cè)記錄試驗(yàn)中各種參數(shù)變化，如果試驗(yàn)中的裂縫面3組壓力傳感器數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間處于相等，說(shuō)明試驗(yàn)已結(jié)束。停止試驗(yàn)，拆卸試驗(yàn)設(shè)備，取出模擬單元并拍照。

3 實(shí)例應(yīng)用

階梯加壓模式下不同裂縫面閉合壓力試驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)裂縫堵漏效果對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)裂縫面閉合壓力設(shè)置為9 MPa時(shí)，裂縫入口壓力從封堵層形成后持續(xù)增加，直到試驗(yàn)結(jié)束(6 000 s)；當(dāng)裂縫面閉合壓力設(shè)置為3 MPa時(shí)，裂縫入口壓力增加到7 MPa左右(4 700 s)時(shí)裂縫面就發(fā)生移動(dòng)。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，前者試驗(yàn)的壓力曲線一直比較穩(wěn)定，而后者壓力曲線出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。從壓力曲線可讀出，后者試驗(yàn)裂縫啟動(dòng)壓差約為4 MPa。該組試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管堵漏配方相同，但裂縫面閉合壓力不同時(shí)形成的封堵層承壓能力也不同。且對(duì)于應(yīng)力敏感裂縫性地層，隨著地層地應(yīng)力分布不同堵漏效果也會(huì)存在較大差異。在設(shè)計(jì)堵漏配方時(shí)，應(yīng)考慮地應(yīng)力分布情況。

圖3 不同閉合壓力條件下的動(dòng)態(tài)裂縫堵漏效果對(duì)比Fig.3 Dynamic fracture plugging effects under different closure pressure conditions

連續(xù)加壓模式、相同裂縫面閉合壓力，不同堵漏顆粒搭配試驗(yàn)條件下的堵漏效果如圖4所示。

圖4 對(duì)比不同顆粒搭配下的動(dòng)態(tài)裂縫堵漏效果Fig.4 Dynamic fracture plugging effects under different particle combinations

由圖4可知，大尺寸顆粒和中等尺寸顆粒加量比為1時(shí)的裂縫啟動(dòng)壓力明顯要高于加量比為0.5時(shí)的啟動(dòng)壓力。該組試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同裂縫面閉合壓力下，大尺寸顆粒和中等尺寸顆粒加量比為1時(shí)，該復(fù)合堵漏材料容易在裂縫內(nèi)架橋，且形成的封堵層承受井筒和地層異常壓力的能力較強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)動(dòng)態(tài)裂縫堵漏試驗(yàn)裝置考慮了井筒波動(dòng)壓力引起的裂縫面動(dòng)態(tài)變化和鉆井液沖刷過(guò)程中的堵漏效果評(píng)價(jià)，是目前較為先進(jìn)的裂縫堵漏模擬試驗(yàn)裝置。

(2)2種特殊條件下的動(dòng)態(tài)裂縫堵漏試驗(yàn)結(jié)果表明：①當(dāng)裂縫內(nèi)壓力超過(guò)裂縫側(cè)面閉合壓一定范圍時(shí)，裂縫面移動(dòng)，裂縫開(kāi)口尺寸會(huì)逐漸變大。②架橋堵漏位置越接近裂縫入口，裂縫啟動(dòng)壓力值越大；架橋堵漏位置越接近裂縫出口，裂縫啟動(dòng)壓力值越小。③在裂縫面發(fā)生移動(dòng)的過(guò)程中，裂縫內(nèi)的堵漏材料存在“架橋-失穩(wěn)-架橋”的動(dòng)態(tài)架橋堵漏過(guò)程。

(3)上述結(jié)論在評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感裂縫性地層鉆井堵漏配方堵漏效果方面具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。