井壁強化機理與致密承壓封堵鉆井液技術新進展

邱正松， 暴丹， 李佳， 劉均一， 陳家旭

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石油化工股份有限公司勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司，山東東營 257064）

目前中國深層超深層、非常規、海洋深水油氣勘探開發中，普遍存在較為嚴重的鉆井液漏失問題，其中井漏最嚴重的川東北地區，單井鉆井液漏失量最高可達上萬立方米，每年因為井漏造成的經濟損失目前中國深層超深層、非常規、海洋深水油氣勘探開發中，普遍存在較為嚴重的鉆井液漏失問題，其中井漏最嚴重的川東北地區，單井鉆井液漏失量最高可達上萬立方米，每年因為井漏造成的經濟損失嚴重[1-2]。地層承壓能力低是發生鉆井液漏失問題的根本原因[3-4]，如何通過優化鉆井液技術提高地層承壓能力，拓寬安全密度窗口，是實現“安全、快速、優質、高效”鉆井的技術關鍵。井壁強化原理是鉆井液提高地層承壓能力的重要理論依據[5-6]。康菲、埃克森美孚、雪佛龍等[7-11]國外技術服務公司相繼擁有了較為成熟的井壁強化專利技術，如MI-SWACO公司I-BOSS一體化井壁強化技術（Integrated Borehole Strengthening Solutions）。鉆井液井壁強化理論雖然取得了一系列成功的應用，但其微觀作用機理、模擬評價實驗方法、有效地層適用性等方面缺乏深入研究。借鑒微觀顆粒物質力學的“力鏈網絡結構”原理，從井壁強化材料特性參數的精細化表征入手，揭示了基于微納米尺度的致密承壓封堵機理，給出了鉆井液強化致密承壓封堵優化方法。利用研制的井壁強化封堵模擬實驗裝置，開展了井壁強化封堵過程模擬實驗研究。

1 井壁強化致密承壓封堵技術研究

1.1 合理架橋封堵支撐裂縫實現井壁強化機理

橋塞的不可滲透性使得裂縫后端壓力下降，在地應力作用下，橋塞后端裂縫面趨于閉合。通過剛性的封堵材料來減緩裂縫后端由閉合拉應力所產生的形變，并將該形變向井壁周圍傳遞，使架橋后裂縫附近的井壁周向應力增加，從而增加井壁裂縫處承壓能力。封堵材料架橋封堵裂縫時，其距離裂縫端口越近，越有利于裂縫的閉合及抑制裂縫尖端的擴展。實際鉆井作業過程中，可通過對裂縫尺度進行預測來優選封堵材料的粒徑。地應力各向異性越小，漏失速度越小，封堵材料滲透性越差，井壁及裂縫所受周向壓應力越大，井壁裂縫的閉合趨勢越大。在井壁強化過程中，可通過測量地應力各向異性及漏失速度，并綜合各因素的影響，盡可能優化提高封堵層致密性，有助于提高井壁承壓能力[12]。

井壁強化機理分析表明，通過優選井壁強化材料強度和粒徑，在裂縫近開口端形成致密承壓封堵層，能夠有效提高易漏失地層的承壓能力，實現“井壁強化”作用。基于微觀顆粒物質力學的“強力鏈結構分析”基本原理，從井壁強化材料特性參數的精細化表征入手，探討了致密承壓封堵微觀機理，初步給出了鉆井液強化致密承壓封堵優化方法，為井壁強化鉆井液優化設計提供參考。

1.2 基于強力鏈網絡結構的致密承壓封堵微觀機理

微觀上，裂縫中致密承壓封堵層可近似為封堵材料顆粒物質體系。顆粒物質體系是由大量離散顆粒組成的體系，顆粒體系的宏觀改變和強度特性等，主要取決于顆粒個體的空間排列及體系內部力鏈網絡結構。顆粒物質組成的體系，在外載荷作用下顆粒物質相互接觸擠壓形成接觸力，接觸力沿顆粒傳播形成接觸力網絡，接觸力傳遞路徑通常呈準直線性的鏈狀結構，稱為力鏈網絡結構[13]。

接觸力網絡上局部顆粒受到的力大小不同，使得接觸顆粒間接觸有強弱之分，其中一些顆粒之間接觸應力較大，同時顆粒之間的連接為準直線狀，傳遞和承載了較大份額的外載荷，即形成強力鏈；相反則形成弱力鏈（圖1）。強力鏈支撐體系絕大部分外載荷，決定了體系結構強度；而弱力鏈銜接著強力鏈，對強力鏈起到了輔助和穩定的作用[14]。強、弱力鏈在顆粒物質體系中相輔相成，不可或缺。

圖1 光彈實驗中力鏈網絡結構[15]

以下3個因素影響力鏈結構的強弱[16]：①顆粒平均配位數＜Z＞。定義為每個顆粒平均與＜Z＞個顆粒接觸，＜Z＞越大，可供尋找的顆粒數目增加，連接成強力鏈的概率增加，體系結構強度越大。②顆粒平均接觸力＜F＞。定義為顆粒之間相互擠壓時在接觸區及其附近產生的平均應力，當顆粒之間的接觸力大于平均接觸力＜F＞時，則連接形成強力鏈。③顆粒間的剪切應力。顆粒在外載荷作用下發生擠壓變形產生力鏈，但若無法承受剪切力，在非常小的外載荷作用下，力鏈都很容易沿剪切面發生斷裂，從而影響體系的整體結構強度。

井壁強化材料經鉆井液攜帶進入地層裂縫后，經架橋、堆積、填充作用形成封堵層，微觀上是從細小結構單元（單顆粒）逐漸形成整體的、具有一定強度結構的過程；細觀上是顆粒之間擠壓產生接觸應力形成力鏈結構的過程；宏觀上是顆粒逐漸堆積、擠壓形成封堵層的過程。形成封堵層后，顆粒之間緊密堆積、相互擠壓，產生不同的接觸應力，從而形成不同強度的力鏈，這些力鏈相互交錯構成力鏈網絡，并且非均勻地貫穿在封堵層內部，影響封堵層穩定性[17]。當封堵層內部形成的強力鏈越多時，形成的封堵層穩定性越強，越容易達到致密承壓的效果。裂縫封堵層內部力鏈強弱與井壁強化材料顆粒粒徑、表面特征、彈性特征、彈性模量和泊松比、摩擦系數、材料組合類型等因素有關。

1）顆粒粒徑。顆粒粒徑影響力鏈網格發展分布，光彈實驗結果見圖2。由圖2可知[18]，顆粒粒徑越小，體系可壓縮的空間越大，促使小顆粒在外載荷作用下移動鍥緊，顆粒平均配位數＜Z＞增大，體系中強力鏈數目分布更多，封堵層更加致密承壓。考慮到工程實際情況，在堵漏顆粒粒徑與裂縫尺寸匹配的前提下，優化粒徑級配，粗、中、細粒徑顆粒復配使用，增加顆粒堆積體積分數，降低封堵層滲透率，提高封堵層致密承壓能力。

圖2 光彈實驗中不同顆粒粒徑體系內部力鏈分布圖[19]

2）顆粒表面特征。采用圖像顆粒分析儀，分析方解石、果殼、石墨等典型井壁強化材料的顆粒表面特征及堆積孔隙比[19]，見表1。由表1可以看出，對于同一類型的井壁強化材料，顆粒球形度越大、棱角度越小，顆粒堆積越緊密，顆粒平均配位數＜Z＞越大，顆粒之間連接成強力鏈的概率增加，封堵層更致密承壓。石墨顆粒由于彈性變形特征受壓后具有低的堆積孔隙比。考慮到工程實際情況，大粒徑井壁強化材料應具有低球形度、高棱角度，保證在裂縫中成功架橋，小粒徑井壁強化材料應具有高球形度、低棱角度，使堆積填充更加致密，增加顆粒堆積體積分數，提高封堵層致密承壓能力。

表1 典型井壁強化材料顆粒表面特征參數及堆積孔隙比

3）顆粒彈性特征。在鉆井作業中，由于鉆井液當量循環密度ECD的變化，裂縫開度是動態變化的，且難以準確預測裂縫開度，這就要求裂縫承壓封堵層具有較好的彈性變形性能，自適應裂縫開度的變化。另外，彈性顆粒由于彈性變形特征充填于微小孔隙之間，降低封堵層滲透率，增加顆粒平均配位數＜Z＞，從而增加封堵層強力鏈數目，提高封堵層致密承壓能力。

4）顆粒彈性模量和泊松比。封堵層在外界載荷的共同作用下，顆粒與顆粒之間相互擠壓，在接觸點附近，顆粒發生局部變形，產生接觸法向力，符合Hertz接觸理論[20]。將堵漏顆粒近似為球型，則可建立兩球型顆粒發生接觸時的受力模型（見圖3）。顆粒之間接觸中心法向應力公式見式（1）。

圖3 井壁強化材料之間受力模型圖

式中，F為顆粒所受壓力，MPa；a為接觸區域橢圓半徑，m；R1，R2為球體半徑，m；E1，E2為2種材料彈性模量，MPa；μ1，μ2為2種材料泊松比。

由式（1）可知，顆粒相互接觸產生的中心法向力受外部載荷、顆粒物性參數（彈性模量、泊松比、粒徑）的影響，相同變形條件下，井壁強化材料彈性模量越大、泊松比越小，顆粒接觸力越大，越容易形成強力鏈網絡結構。因此，封堵體系中剛性顆粒越多，體系抗壓強度越大，越容易形成強力鏈網絡結構，封堵層承壓能力越高。

5）顆粒摩擦系數。顆粒摩擦系數影響力鏈的強弱。通過離散元模擬不同摩擦系數顆粒體系內部力鏈分布見圖4。由圖4可知[21]，當摩擦系數為0時，顆粒體系中絕大部分都是弱力鏈，存在極少量的強力鏈，力鏈主要來自相鄰顆粒之間的擠壓；當摩擦系數為0.75時，強力鏈數量增多，且長度變長，弱力鏈仍然貫穿于整個體系內部。因此當井壁強化材料表面粗糙時，有助于形成強力鏈網絡結構，封堵層具有較強的抗剪切能力。另外，當井壁強化材料具有較高摩擦系數時，有助于增加封堵層與裂縫壁面之間的摩擦力，從而有利于在裂縫端口形成封堵層，越有利于裂縫的閉合及抑制裂縫尖端的擴展。

圖4 離散元模擬不同摩擦系數顆粒體系內部力鏈分布圖[21]

6）井壁強化材料組合類型。力鏈中顆粒之間的應力與材料類型有關。當單獨使用顆粒狀、片狀封堵材料時，顆粒之間往往形成弱力鏈結構，在剪切應力作用下力鏈容易發生斷裂。借鑒混凝土領域研究，纖維加筋技術能有效彌補傳統混凝土剪切強度的不足[22]。由此可知，井壁強化作業中纖維材料能增加封堵層剪切強度，加入纖維后通過離散界面作用和密集成網作用提高封堵層剪切強度，有助于形成強力鏈網絡結構，提高封堵層致密承壓能力。

1.3 井壁強化材料特性的精細化表征

基于井壁強化機理及微觀顆粒物質力學“力鏈”基本原理，提出了評價井壁強化材料的顆粒強度、彈性、表面摩擦及封堵層剪切強度等主要精細化技術指標，建立了相應的實驗表征方法，結果見表2[23-27]。由表2可看出，通過剛性顆粒、彈性顆粒、纖維等不同類型井壁強化材料的合理協同，可顯著增大顆粒的抗壓強度、堆積體積分數、彈性變形率、表面摩擦系數和黏聚力。剛性顆粒棱角分明，適合作架橋顆粒，復配彈性顆粒與纖維材料進一步增大了顆粒表面摩擦系數，封堵層有利于形成“強力鏈網絡結構”，有助于在裂縫入口端不遠處形成致密承壓封堵層，增強裂縫承壓封堵層的結構穩定性。

表2 井壁強化材料的主要技術參數精細化表征實驗結果

2 井壁強化鉆井液封堵模擬實驗優化

基于井壁強化機理及微觀顆粒物質力學“力鏈”基本原理，研制了新型井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置[28]，該裝置能夠模擬不同地層溫度、壓差條件下，可變或固定開度裂縫的動態漏失與封堵過程，實時監測鉆井液漏失速率、封堵帶承壓能力、裂縫開度變化量等重要參數，為致密承壓封堵機理及鉆井液防漏堵漏效果評價提供了實驗新方法。

利用研制的井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置，按照鉆井液致密承壓封堵優化方法，將不同類型封堵材料按照合理比例與粒度級配的組合使用，開展井壁強化鉆井液模擬實驗優化研究。對新自制的井壁強化封堵材料OPTI-WSM-1、OPTIWSM-2、OPTI-WSM-3特性進行評價，結果見表3。由表3可以看出，OPTI-WSM-1、OPTI-WSM-2、OPTI-WSM-3的D90降級率較小，表面摩擦系數、彈性變形率、顆粒堆積體積分數、黏聚力均較大，基本滿足井壁強化材料的技術指標要求，可形成承壓能力高、具有一定彈性的“強力鏈網絡結構”致密承壓裂縫封堵層，提高鉆井液封堵承壓能力。

表3 自制井壁強化封堵材料的特性評價結果

井壁強化材料的封堵裂縫模擬曲線見圖5。由圖5可知，隨著井壁強化鉆井液（10%OPTI-WSM-3）不斷注入裂縫模擬釜體，當時間為126 s時，鉆井液注入壓力開始逐漸增大，形成了封堵層，此時裂縫承壓能力可達5.73 MPa；當時間為234 s時，鉆井液注入壓力迅速降低，而裂縫尖端壓力與閉合壓力瞬時升高，裂縫發生“擴展”，井壁強化材料被“擠入”裂縫內部，重新封堵并支撐裂縫，裂縫開度增至640.3 μm；此后鉆井液注入壓力再次升高，時間為328 s時裂縫承壓能力達8.92 MPa，此時井壁強化材料再次被“擠入”裂縫內部，重新封堵并支撐裂縫，裂縫開度進一步增至801.3 μm，與井壁強化材料的D90粒徑相當，裂縫承壓最高達10.93 MPa，裂縫漏失量為26.2 mL。綜合分析可知，井壁強化材料通過有效封堵支撐裂縫提高了地層承壓能力，該結果與井壁強化提高地層承壓能力作用機理分析結果基本一致。

圖5 井壁強化封堵材料封堵裂縫動態模擬實驗曲線

3 結論與認識

1.提出并闡明了基于強力鏈網絡結構的致密承壓封堵裂縫微觀機理；建立了井壁強化封堵材料特性參數的精細化表征方法。通過顆粒類型、粒度級配與濃度優化，基于剛性顆粒、彈性顆粒與纖維材料等協同作用，可形成具有“強力鏈網絡結構”的致密承壓封堵層，顯著提高裂縫地層承壓能力。

2.利用自行研制的井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置，開展了井壁強化鉆井液封堵動態模擬實驗研究。模擬實驗表明，自制的新型井壁強化封堵材料可發揮致密承壓封堵裂縫作用，而且當支撐裂縫至合理開度時，可明顯提升地層承壓能力。