毫米級寬度裂縫封堵層優化設計

康毅力 余海峰 許成元 唐龍

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

裂縫性地層是鉆井過程中較為常見的地層之一。在鉆井過程中遇到裂縫性地層容易發生井漏，導致損失大量鉆井液、延長鉆井時間、影響地質工作的正常進行、造成井下復雜情況或事故等一系列工程問題［1］，因此人們對鉆井完井過程中的防漏堵漏技術進行了深入的探究［2－5］。橋接堵漏作為最常見的一種漏失控制方法，因此備受關注［6－8］。對裂縫地層進行封堵后，隨著鉆井深度的增加，鉆井液的密度也在相應的提高，因此形成的封堵層需要具有一定的承壓能力。許成元提出了增強封堵層承壓能力的封堵策略［9］；在橋接堵漏材料的選擇方面，Andrade提出了一種雙重纖維堵漏劑，通過硬纖維架橋、軟纖維充填，成功處理了墨西哥南部油田的井漏問題［10］；李家學提出加入隨鉆剛性顆粒在裂縫端面形成架橋，并且根據裂縫寬度計算剛性顆粒以及各級填充粒子粒徑［11］；Kefi介紹了一種通過架橋纖維材料與填充顆粒進行封堵的方法，以及根據裂縫寬度及壓差大小計算纖維剛度的方法［12］；另外賈麗莉、Friedheim、Whitfill及毛洪江等對不同堵漏材料進行了總結與展望［13－17］；閆豐明等提出了暫堵性堵漏的封堵思想，為了防止鉆井完井液侵入過深而無法解除損害，通過酸溶性強的堵漏材料在裂縫端面形成致密的封堵層，生產時再進行酸溶解堵，在現場實踐中取得了良好的效果［18］。可見針對微米級裂縫漏失的防漏堵漏技術已經有了較為成熟的發展。

原地有效應力下，裂縫寬度一般在幾十到幾百微米范圍，在鉆井過程中由于改變了裂縫周圍的應力場而導致裂縫寬度發生變化，使寬度增加到毫米級。而當裂縫寬度達到毫米級別后井漏呈現出漏失量大、漏速快等特點［19］，加上由于應力擾動下裂縫寬度處于不斷變化的動態過程，非常不利于封堵工作的開展。對于毫米級寬度裂縫封堵主要有以下難點：①漏失通道寬，漏失速率大，堵漏材料容易隨工作液漏入深部地層，在裂縫入口處沉積困難；②大尺寸封堵材料形成的封堵層不夠致密，結構極不穩定；③裂縫在壓力作用下動態變化，堵漏材料對其適應性很差，對于已經形成的封堵層則容易失效。因此，筆者通過開展室內2mm裂縫室內封堵實驗，優選出有效的封堵材料，形成封堵層優化配方，最終提出針對毫米級裂縫的堵漏材料優化組合。

圖1 實驗用纖維材料圖

1 不同類型堵漏材料作用機理

1）纖維材料。纖維是常見的堵漏材料，在鉆井液中加入纖維后均勻分散，進入漏失通道中，當纖維長度大于裂縫寬度時就容易形成架橋，并捕獲經過的其他纖維，從而相互牽扯形成網架結構，增強封堵層的整體結構穩定性。不同纖維在封堵過程中所起到的作用也是不同的，剛度大的硬纖維可實現架橋，剛度小的軟纖維通過相互牽扯，使網架結構更致密。但由于纖維材料本身的整體剛度不強，當壓差達到一定值時容易發生失效，不能滿足壓差較大時的工程實際需要。本文實驗選用軟纖維（DTR［20］、QP－1）以及不同剛度的硬纖維（塑料纖維、動物毛發）作為纖維堵漏材料，如圖1所示。

2）剛性顆粒。剛性顆粒在封堵層結構中起著骨架的作用，具有高硬度、不易變形的特點［21］。在實際作業中，石英、核桃殼、CaCO3或者破碎的巖屑常用來作為剛性顆粒。使用剛性顆粒進行封堵，顆粒在裂縫狹窄處架橋，后面的顆粒撞擊前面架橋顆粒而停止運動，形成堆積。單獨使用剛性顆粒進行封堵時，需要不同粒徑的剛性顆粒逐級進行填充，但由于顆粒的尺寸及形狀的限制，單一剛性顆粒形成的封堵層不夠致密，需要加入彈性填充粒子。筆者選用核桃殼作為剛性堵漏材料，根據剛性顆粒粒徑與裂縫寬度的比例關系［11］，架橋粒子的粒徑范圍設定為1.0 D≥d≥0.6 D。因此選擇（8～12）目的核桃殼作為架橋粒子。

3）彈性粒子。將尺寸大于裂縫寬度的彈性粒子加入鉆井液中，隨著壓力的增加，彈性粒子受力變形后進入裂縫內，在自身的彈性力作用下在裂縫面產生摩擦力，增強封堵層的穩定性，使封堵層難以向裂縫深處滑動。但由于彈性粒子受到尺寸的限制，以及具有可變形性，因此單獨使用彈性顆粒時形成的封堵層不致密，且承壓能力低。本文選用橡膠粒子作為彈性堵漏材料，考慮在鉆井液中加入彈性粒子，增強封堵層穩定性的同時，通過加入其他不同材料，對所形成的封堵層特征進行分析，探究各材料的協同作用機理。

2 堵漏材料協同堵漏效果評價

2.1 實驗準備及評價方法

1）基漿的配制。基漿配方及性能如表1、2所示。

表1 封堵實驗用基漿表

表2 基漿性能參數表

圖2 縫寬2mm鋼巖樣圖

2）實驗方法。實驗條件：室溫，起始壓力1MPa，2 mm縫寬的鋼巖樣（圖2）。實驗中選取承壓能力、成封時間和累計漏失量3個指標來衡量堵漏材料的性能。實驗標準：從加壓穩定后打開出口端開始計時，到封堵形成無漏失結束這段時間，即為成封時間；當某一實驗點壓力下，漏失速度在10s內維持穩定且大于50 mL／s，則說明封堵失敗，上一個實驗點即為該封堵層承壓能力值，總的流體漏失量即為累計漏失量。實驗流程：①設定初始壓力為1MPa，30s之后打開柱塞出液口；②記錄打開柱塞時的漏失量，當漏失量為0時，保持當前壓力10min。若在10min之內再次發生漏失，則記錄漏失時間和漏失量，當漏失量再次為0后，再穩壓10min；③穩壓10min之后，加壓0.5～1 MPa，重復步驟②，直到封堵失敗，結束實驗。

考慮單一堵漏材料在封堵方面的不足，探究不同堵漏材料之間協同作用的封堵能力，采用不同堵漏材料組合來實現毫米級裂縫的封堵。通過開展縫寬2mm的室內封堵實驗，找出不同材料的最優濃度及組合。

2.2 纖維材料

為了明確纖維材料中軟硬纖維的配比關系，在開展組合材料封堵實驗之前首先進行纖維材料的優選實驗。按照不同濃度配方對纖維材料進行復配（表3）。

表3 纖維材料封堵2mm裂縫實驗配方表

首先對兩種軟纖維進行分析比較（表4）。

表4 DTR與QP－1封堵2mm裂縫實驗結果表

通過對軟纖維的堵漏實驗評價，單獨使用軟纖維雖然能在較短的時間內形成封堵層，但由于軟纖維自身強度不足，不能形成具有較高承壓能力的封堵層（表5）。

表5 硬纖維與軟纖維組合封堵2mm裂縫實驗結果表

由實驗結果可知，在軟纖維的基礎上添加一定濃度的硬纖維之后，形成封堵前的初始漏失量減少到了350mL，封堵層承壓能力提高到了4.5MPa。可見，在軟纖維體系中加入一定數量的硬纖維可提高堵漏劑的快速成封能力和封堵層承壓能力。

2.3 剛性顆粒與彈性粒子組合

選取剛性顆粒與彈性粒子組合，評價不同濃度配方組合的封堵能力。實驗結果如表6所示。

表6 剛性顆粒與彈性粒子組合封堵2mm裂縫實驗結果表

實驗結果表明，剛性顆粒與彈性粒子組合，剛性顆粒的濃度小于3.0%時基本無法形成有效的封堵層，承壓能力低且漏失量大；當剛性顆粒的濃度達到7.0%時，封堵層的承壓能力提高到9MPa，而漏失量仍然較大。通過9組不同濃度的對比實驗可得，當剛性顆粒濃度為7.0%，彈性粒子濃度為9.0%時，封堵層的封堵效果最好。

2.4 彈性粒子與纖維材料組合

選取彈性粒子與纖維材料作為封堵實驗堵漏材料，實驗結果如表7所示。

實驗結果表明，不同濃度的彈性粒子與纖維材料組合形成的封堵層效果差異大。4.0%的纖維材料成封時間和累計漏失量都要大于另外兩組濃度；當纖維材料的濃度提高到5.0%時，封堵效果并沒有得到顯著地提高。因此，針對彈性粒子與纖維材料組合，7.0%的彈性粒子與4.5%的纖維材料能夠得到最好的封堵效果，最大承壓值達6MPa，累計漏失量175mL。

2.5 剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料組合

把3種堵漏材料組合起來進行實驗評價。利用正交實驗，將3種堵漏材料分別選取3種加量進行復配后開展實驗，得到裂縫中形成的封堵層試樣（圖3），封堵層實驗結果如表8所示。

表7 彈性粒子與纖維材料組合封堵2mm裂縫實驗結果表

圖3 3種組合材料形成的封堵層圖

表8 3種堵漏材料組合封堵2mm裂縫實驗結果表

通過實驗可知，將3種堵漏材料結合起來，使封堵層的承壓能力提高到13MPa（圖4），累計漏失量減小到30mL，這說明通過剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料3種堵漏材料組合，各種材料“各司其職”，能夠滿足毫米級裂縫的封堵要求。因此，3種堵漏材料組合最優濃度配方是：基漿＋5%核桃殼＋4%軟纖維＋0.5%硬纖維＋7%彈性粒子。

將不同組合室內封堵實驗的結果進行對比分析。從圖4中可以看出，3種封堵材料組合所形成的封堵層封堵效果最好；剛性顆粒與彈性粒子組合累計漏失量大；而彈性粒子與纖維材料組合的承壓能力低。因此，將剛性顆粒、彈性粒子和纖維材料組合起來，形成的封堵層效果最好。為了進一步探究不同堵漏材料組合協同作用效果的差異性，下面對各種組合的封堵機理進行了分析。

圖4 不同堵漏材料組合在鋼巖樣中封堵效果對比圖

3 堵漏材料協同封堵機理

3.1 軟硬纖維材料的封堵機理

纖維作為柔彈性材料，在封堵層中起著提高封堵層整體結構穩定性的作用。首先，工作液中抗彎強度相對較大的硬纖維隨鉆井液流向裂縫，由于其長度大于裂縫寬度，部分硬纖維可以橫向架于裂縫端面處；其次，抗彎強度較小的軟纖維被橫架于裂縫端面處的硬纖維捕獲，柔軟的軟纖維相互牽扯，組成更加致密的網狀體，形成纖維網架結構，此時，該網架結構相當于減小了裂縫的橫截面積，使漏失逐步轉變為濾失，減弱了壓力向裂縫深處的傳播；隨著壓差的不斷增大，當壓力大于硬纖維的屈服強度時，纖維網架結構整體進入裂縫中，形成更加致密的網架結構，也使得其他堵漏材料更加容易架橋和填充（圖5）。

圖5 纖維材料形成封堵層圖

3.2 剛性顆粒與彈性粒子封堵機理

在鉆井液中加入一定濃度的剛性顆粒和彈性粒子后，彈性粒子首先在裂縫狹窄處停留，促使剛性顆粒停在此處并形成架橋。剛性顆粒完成架橋后，后面的彈性粒子更加容易捕獲，發生變形后充填于剛性顆粒的空隙中（圖6）。這樣通過不斷的橋架、填充來形成封堵層。因為剛性顆粒強度大、不易發生變形，所以形成的封堵層具有較高的承壓能力。由于缺少纖維材料形成的網架結構，封堵層整體性不強，容易發生“間斷性漏失”，成封時間長，與加入纖維材料相比，漏失量明顯增加。

圖6 剛性顆粒與彈性粒子形成封堵層圖

3.3 彈性粒子與纖維材料封堵機理

彈性粒子與纖維材料都具有較好的可變形性，漏失發生后，材料隨著鉆井液進入裂縫中，纖維材料快速形成網架結構，彈性粒子充填于網架結構的空隙中（圖7）。因此兩者組合后能夠迅速地形成封堵，此時形成的封堵層較為致密，整體性較強。但由于缺少強度大的架橋顆粒，隨著壓差的不斷增大，彈性粒子作用與裂縫面所提供的摩擦力不足以支持整個封堵層受到的壓力，使封堵層被擠壓到裂縫深處，降低了封堵層的承壓能力。

圖7 纖維粒子與彈性粒子形成封堵層圖

3.4 剛性粒子、彈性粒子與纖維材料封堵機理

3種堵漏材料組合協同作用下，能夠快速形成承壓能力高的封堵層，這是各堵漏材料之間相互影響、共同作用的結果。按照一定的濃度關系在鉆井液中加入3種堵漏材料之后，纖維材料形成提高封堵層整體性的網架結構，同時捕獲剛性顆粒與彈性顆粒（圖8）；剛性顆粒在裂縫狹窄處進行架橋，使整個封堵層停止向裂縫深處移動，起到封堵層骨架的作用，封堵層能夠承受多大的壓差，取決于剛性顆粒的強度；另外彈性粒子受擠壓變形，自身的彈性力作用于裂縫面，增強封堵層與裂縫面的摩擦力，進一步阻止封堵層在裂縫中移動。隨著封堵材料的增加，裂縫橫截面減小，鉆井液逐漸從漏失變為濾失，越來越多的軟纖維停留在封堵層中，使其變得更加致密。這樣3種材料共同作用，使封堵層逐漸形成一個完善的整體。

圖8 剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料形成封堵層圖

通過對不同材料組合協同作用的封堵實驗評價以及機理分析可知，將3種封堵材料結合起來，克服各自的不足，通過實驗評價，取得了良好的封堵效果。因此，優選出的針對毫米級裂縫的封堵層堵漏材料組合為：剛性顆粒＋彈性粒子＋纖維材料。

通過分析，可以總結出不同堵漏材料對封堵層的影響程度，如表9所示。

4 結論

1）針對2mm裂縫，提出優化封堵層配方的設計為：基漿＋5%剛性顆粒＋4%軟纖維＋0.5%硬纖維＋7%彈性粒子。

2）對毫米級裂縫進行架橋封堵的最優材料組合為剛性顆粒、彈性粒子與纖維材料。

3）剛性顆粒對于封堵層的承壓能力影響大；彈性顆粒增加封堵層的穩定性，增強封堵層與裂縫面的摩擦力；纖維材料對于封堵層結構的整體性以及累計漏失量的減少具有重要作用。

4）橋接材料類型、組合以及濃度配比的優選，對于能夠成功封堵毫米級裂縫具有重要的作用。

表9 不同類型堵漏材料對封堵層的影響表

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