提高屏蔽環(huán)承壓能力實(shí)驗(yàn)研究

劉加杰 ，鐘穎,，張浩

（1.四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊(duì)，四川 自貢 643000；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610000）

1 屏蔽暫堵技術(shù)

1.1 簡(jiǎn)介

屏蔽暫堵技術(shù)是根據(jù)儲(chǔ)層孔喉尺寸及其分布規(guī)律，在鉆至目的層前20～50m將鉆井液中的固相顆粒調(diào)整到與之相匹配，即加入高純度、超細(xì)目、多級(jí)配的剛性架橋、充填粒子和變形粒子等固相顆粒，有意識(shí)地在很短時(shí)間內(nèi)在地層距井壁很小的距離內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的暫時(shí)堵塞，使?jié)B透率急劇下降，從而有效地阻止鉆井液繼續(xù)侵入地層[1]。屏蔽暫堵技術(shù)最初是用于石油天然氣鉆井中對(duì)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行保護(hù)，防止儲(chǔ)層傷害，近年這一技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于鉆井施工中防漏堵漏。由于屏蔽暫堵技術(shù)對(duì)鉆井施工過(guò)程中設(shè)備要求較低，且成本便宜堵漏效果好，被廣泛使用。

1.2 暫堵劑

屏蔽暫堵技術(shù)的物理模型示意圖見(jiàn)圖1。圖1為一個(gè)理想孔喉中的顆粒堵塞情況。顆粒在孔喉中的堵塞在一定的條件下遵循“選擇性架橋,逐級(jí)填充”的過(guò)程。

1）架橋粒子的架橋

圖中最大的顆粒為架橋粒子，單個(gè)架橋粒子隨鉆井液相進(jìn)入油層，在流經(jīng)孔喉時(shí)：若r粒r孔，則沉積在孔喉外；r粒/r孔若為1/3～2/3，則在孔喉處卡住，成為架橋。

2）填充粒子的填充

圖1 屏蔽暫堵物理模型

架橋粒子架橋后，孔喉孔隙大量減小，鉆井液中更小一級(jí)粒子卡在更小喉道處，這一過(guò)程不斷重復(fù)，這一過(guò)程叫單粒逐級(jí)填充。這時(shí)堵塞帶的滲透率取決于鉆井液中最小一級(jí)粒子的粒級(jí)，但滲透率不會(huì)為零。

3）變形粒子的作用

如果鉆井液中僅有剛性顆粒作為架橋和填充粒子，仍會(huì)留下形狀不規(guī)則的微間隙（如圖中的黑色部分），暫堵帶的滲透率不會(huì)為零。這就需要引入屏蔽暫堵最關(guān)鍵的顆粒外形在一定的溫度條件下可變的軟化變形顆粒。當(dāng)最小粒級(jí)的粒子是可變形時(shí)，就會(huì)嵌入不規(guī)則的微間隙，則堵塞帶的滲透率可接進(jìn)于零。

2 實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)對(duì)比普通堵漏鉆井完井液（簡(jiǎn)稱普通鉆井液）和改進(jìn)后堵漏鉆井完井液（加強(qiáng)鉆井液）在實(shí)驗(yàn)裝置堵漏模擬試驗(yàn)裝置儀（CWCTAcid-Ⅰ型）所形成屏蔽環(huán)的承壓能力，完成此次實(shí)驗(yàn)研究[2]。

2.1 普通鉆井液實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 巖芯及普通鉆井液參數(shù)

選取實(shí)驗(yàn)用致密砂巖巖心造縫后抽真空，飽和水48h待用，巖心基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 普通鉆井液實(shí)驗(yàn)巖樣清單

表2 普通鉆井液屏蔽環(huán)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.1.2 實(shí)驗(yàn)程序

1）屏蔽環(huán)形成：①巖樣人工造縫后抽真空，飽和地層水48h；②測(cè)巖樣的正向地層水滲透率Kw；③在高溫高壓酸溶解堵評(píng)價(jià)儀上，用非滲透鉆井液對(duì)巖樣進(jìn)行反向損害作用 60min（鉆井液溫度 80℃，壓差為3.5MPa，圍壓7.5MPa），并計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的濾液體積；④在較低流壓下，正向地層水驅(qū)（返排）。找出突破壓力 Pd，記錄返排壓力 Pi及巖樣滲透率 Kwi；⑤增大流壓返排，計(jì)算其滲透率恢復(fù)值Kf=Kwi/Kw×100%；

2）屏蔽環(huán)的強(qiáng)度：①同（1）中①～③；②在流壓分別為 4MPa，5MPa、7MPa、10MPa、12MPa、15MPa，用地層水反向測(cè)定巖樣濾失量。并計(jì)量出各流壓點(diǎn)上10min的鉆井完井液累積濾失體積；計(jì)算此時(shí)的巖樣滲透率Ki及屏蔽環(huán)暫堵率Zd=（Kw-Ki）/Kw×100%。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)6塊巖樣進(jìn)行了屏蔽環(huán)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（測(cè)試屏蔽環(huán)所能承受的鉆井正壓差）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2、圖2所示。

圖2 不同裂縫寬度下巖樣屏蔽環(huán)強(qiáng)度曲線

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：原漿對(duì)于縫寬在W=1μm～600μm之間所形成的屏蔽環(huán)強(qiáng)度有高有低。整體上看當(dāng)縫寬W＜50μm時(shí)，屏蔽環(huán)的強(qiáng)度能夠達(dá)到15MPa以上，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工作業(yè)要求。但是，當(dāng)縫寬W＞50μm時(shí)，所形成的屏蔽環(huán)的強(qiáng)度不足10MPa，明顯強(qiáng)度不夠，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)要求。分析其原因如下：

表3 加強(qiáng)鉆井液實(shí)驗(yàn)巖樣清單

表4 加強(qiáng)后屏蔽環(huán)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表

由于原漿本身所形成的屏蔽環(huán)是由聚合物處理劑在巖樣的裂縫端面處聚集形成膠束或膠團(tuán)等軟性粒子來(lái)封堵架橋，形成的屏蔽環(huán)很薄。這就造成在巖樣的端面裂縫口處很容易被破壞，因而強(qiáng)度不夠。這為后期的鉆井液的性能改造提供了依據(jù)，因此在普通液中加入了CaCO3和纖維來(lái)提高屏蔽環(huán)強(qiáng)度。

2.2 加強(qiáng)泥漿實(shí)驗(yàn)研究

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料（表3）

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

屏蔽環(huán)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（測(cè)試屏蔽環(huán)所能承受的鉆井正壓差）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：改性后的鉆井液對(duì)于縫寬在W=1μm～600μm之間所形成的屏蔽環(huán)強(qiáng)度有顯著的提高。整體上看，進(jìn)行1h的屏蔽環(huán)形成之后，屏蔽環(huán)的強(qiáng)度均能夠達(dá)到15MPa以上，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工作業(yè)要求。顯而易見(jiàn)，是由于通過(guò)加入的CaCO3和0.3%纖維提高了屏蔽環(huán)的強(qiáng)度，從而使實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。

圖3 不同裂縫寬度下巖樣屏蔽環(huán)強(qiáng)度曲線

3 結(jié)論與建議

本文借助屏蔽暫堵原理，通過(guò)對(duì)普通鉆井液進(jìn)行改良，利用巖芯造縫技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行承壓實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論和建議：

1）普通鉆井完井液能夠快速有效地對(duì)縫寬在1～600μm之間的巖樣形成致密的屏蔽環(huán)，但裂縫高于100μm時(shí)，強(qiáng)度低于10MPa。

2）通過(guò)改造后的鉆井液，對(duì)不同寬度的巖樣多次實(shí)驗(yàn)后，強(qiáng)度值均大于15MPa，強(qiáng)度得到了大大的提高。

3）在常規(guī)地層鉆井施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)裂縫寬度的預(yù)測(cè)，可以隨鉆加入CaCO3等架橋粒子、填充粒子和變形粒子來(lái)加強(qiáng)鉆井液的封堵能力，有效防漏堵漏并減低施工風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 徐同臺(tái), 趙敏，熊友明，等. 護(hù)油氣層技術(shù)（第二版）[M]. 石油工業(yè)出版社, 2009.

[2] 劉大偉. 鉆井液完井液屏蔽環(huán)重復(fù)形成的實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J]. 鉆井液與完井液, 2005(06): 26～29.