提高裂縫性地層承壓能力的實驗研究及現場應用

魯鐵梅， 王戰衛， 徐生江， 鞏加芹， 王 貴， 曹 成

1中國石油新疆油田公司工程技術研究院 2西南石油大學石油與天然氣工程學院

0 引言

鉆井液漏失是石油工程長期存在的技術難題，會浪費大量生產時間并導致巨大的經濟損失，強化井筒提高地層承壓能力是解決此問題的重要措施[1- 5]。強化井筒的關鍵在于在鉆井液中加入封堵材料從而彌補地層微裂縫等缺陷，進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價對于強化井筒鉆井液設計至關重要。

國內外研究人員圍繞鉆井液井筒強化效果評價展開了研究，Contreras[6]、Aadnoy[7]、van Oort[8]等通過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井筒強化效果的影響，指出了堵漏材料粒度、濃度等因素對于井筒強化的影響。這些研究雖然為鉆井液強化井筒設計提供了參考，但是這些傳統井筒強化評價普遍采用鋼塊模擬地層裂縫，無法反映巖石性質及其對地層承壓能力的影響。

為科學定量評價鉆井液的井筒強化效果，研制了采用人造巖心模擬地層巖石的壓裂實驗裝置，可以直觀反映鉆井液對巖石破裂壓力的影響。采用該壓裂實驗裝置系統評價了瀝青類封堵劑、剛性顆粒封堵劑等材料的井筒強化效果。制備了帶裂紋的人造巖心，研究了裂紋對巖石破裂壓力的影響，考察了封堵材料對帶裂紋巖石承壓能力的影響。研究成果對于指導井筒強化鉆井液設計和評價具有重要的理論意義和工程實踐意義。

1 實驗儀器與材料

1.1 實驗儀器與方法

目前國內外通常采用裂縫塊堵漏裝置開展鉆井液井筒強化實驗，不能反映巖石力學性質變化的影響。為了直觀評價鉆井液強化井筒提高地層承壓的能力，研究團隊設計了井筒強化巖心壓裂實驗裝置。如圖1所示，井筒強化巖心壓裂實驗裝置由壓力控制系統、油液轉換系統以及巖心夾持系統三部分組成。實驗用人造巖心采用水泥、石英砂以及水作為原料，按照國家行業標準《砌筑砂漿配比設計規程》(JGJ/T98—2010)[12]進行制備，其性質與地層巖石更為接近，并且通過配料組分調整可以獲得不同強度和孔滲特性的人造巖心，從而模擬不同巖性的地層。壓力控制系統通過配套軟件控制壓力泵為實驗系統提供一定的壓力，油液轉換系統將壓力泵提供的油壓驅替鉆井液，使其進入巖心夾持系統的人造巖心之中。實驗過程中，記錄巖心內孔之中的孔壓隨著時間的變化情況，即可反映出實驗用鉆井液強化井筒提高地層承壓能力的效果。

圖1 井筒強化巖心壓裂實驗裝置

1.2 實驗材料

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碳酸鈣、超細二氧化硅、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。實驗采用固相含量為4%的預水化膨潤土漿+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驗。

2 完整巖心井筒強化實驗

2.1 單一封堵劑完整巖心井筒強化實驗

2.1.1 瀝青類封堵劑

瀝青類封堵劑在壓差的作用下，容易被驅替進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，可以減少鉆井液中的水相進入地層巖石，從而保持井壁穩定性[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，用于鉆井液強化井筒實驗，巖心內孔壓力隨著時間的變化情況如圖2所示。圖2可以看出，隨著加壓至600 s左右，巖心內容壓力開始升高，初始階段壓力上升較為緩慢，隨后呈線性急劇升高。當壓力達到巖心破裂壓力之后，巖心被壓裂，巖心內孔壓力急劇降低。基漿對應的巖心在實驗進行到924 s時被壓裂，而加入瀝青的鉆井液被壓裂所需時間更長，加入氧化瀝青、磺化瀝青和乳化瀝青的鉆井液對應的壓裂時間分別為1 029 s、1 282 s、1 150 s，體現出了瀝青延緩地層巖石破壞的能力?；鶟{對應的巖石破裂壓力為12.98 MPa，加入氧化瀝青、磺化瀝青和乳化瀝青的鉆井液對應的巖石破裂壓力分別為13.6 MPa、14.23 MPa、15.51 MPa，對應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化井筒效果。

圖2 瀝青類封堵劑井筒強化實驗結果

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被擠入井壁巖石孔隙之中，并形成具有一定強度的封堵層，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%的超細二氧化硅、超細碳酸鈣、納米二氧化硅、納米碳酸鈣，然后開展鉆井液井筒強化實驗，結果如圖3所示?？梢钥闯觯尤雱傂灶w粒材料的鉆井液對應的井筒壓力曲線在壓裂之前的變化趨勢與基漿相似，即先緩慢升高后呈線性遞增直至巖石被壓裂，對應的壓力曲線出現急劇降低。具體地，加入超細二氧化硅、超細碳酸鈣、納米二氧化硅、納米碳酸鈣的鉆井液對應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，表明對應巖心仍具有一定的承壓能力。這是因為壓裂之后，剛性顆粒材料進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化實驗結果

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理為當溫度低于其濁點時會分散于水中。當溫度高于聚合醇的濁點時會發生相分離，阻止鉆井液液相侵入地層，從而起到穩定井壁的作用[16]。在基漿中加入濃度為3%的乳化石蠟和聚乙二醇，評價其井筒強化效果，結果如圖4所示?？梢钥吹?，加入乳化石蠟和聚乙二醇的鉆井液對應的井筒壓力曲線與基漿類似，達到破裂壓力之后急劇降低，并且巖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應的巖石破裂壓力為14.44 MPa，加入聚乙二醇的鉆井液對應的巖石破裂壓力為13.86 MPa，其對應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化實驗結果

2.2 復配封堵劑完整巖心井筒強化實驗

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化效果的處理劑進行二元復配，分別在基漿中加入3%超細碳酸鈣+3%乳化瀝青、3%乳化瀝青+3%乳化石蠟、3%超細碳酸鈣+3%乳化石蠟，考察其提高地層承壓能力效果，結果如圖5所示。與單劑相比，復配封堵劑的井筒強化效果有明顯提高，加入超細碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液對應的巖石破裂壓力達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；加入超細碳酸鈣和乳化石蠟的鉆井液對應的巖石破裂壓力為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，對應的巖石破裂壓力為17.33 MPa。由圖6可見，加入超細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，這是因為巖石被壓裂之后碳酸鈣進入裂縫形成致密封堵帶，具有較高的承壓能力。

圖5 復配封堵劑井筒強化實驗結果

為了進一步考察加入超細碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液的提高地層承壓能力作用機制，分別測試了干巖樣以及該鉆井液和基漿驅替之后巖石的接觸角，結果如圖6所示。由圖6可以看到，干巖樣的接觸角θ為14.25°，基漿驅替之后其親水性略有增強，接觸角降低至12.58°。加入乳化瀝青的鉆井液驅替之后，巖石的接觸角θ增加至24.35°，疏水性能有所增強。這說明乳化瀝青可以改變巖石的潤濕性能，使其疏水性質增強，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 鉆井液對巖石潤濕性的影響

3 帶微裂紋巖心井筒強化實驗

鉆井過程中常鉆遇發育有微裂紋的地層，其破裂機制與完整巖心存在差異，為此，開展了有微裂紋巖心的井筒強化實驗。首先制作帶微裂紋的巖心，然后采用不同的鉆井液加壓對其實施壓裂，考察鉆井液對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，采用巖心壓裂實驗裝置將巖心壓出微裂縫。當巖心內孔壓力出現降低時停止泵入，即可得到帶微裂紋的人造巖心。實驗過程中的巖心內孔壓力曲線如圖7所示，巖心內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致的。實驗表明，巖心被清水壓出裂縫對應的壓力為6 MPa。

圖7 微裂紋制備過程中的壓力變化曲線

3.2 微裂紋對巖心破裂壓力的影響

為考察微裂紋對巖心破裂壓力的影響，采用基漿分別對完整巖心和帶微裂紋巖心開展了井筒強化實驗，結果如圖8所示。由圖8可以看到，完整巖心對應的井筒壓力曲線初始階段斜率更大，對應的井筒壓力上升更快，到4 651 s時巖心被壓破，對應的巖石破裂壓力為22.2 MPa，之后壓力急劇降低。帶微裂紋的巖心在驅替進行到590 s時巖石被壓裂，巖心內孔壓力出現急劇降低，對應的裂縫破裂壓力為13.95 MPa。由此可見，微裂紋的存在會顯著降低巖石破裂壓力，減小地層巖石的承壓能力。

圖8 微裂紋對巖心破裂壓力的影響

3.3 單一封堵劑對帶裂紋巖心的井筒強化實驗

根據前期實驗研究結果，選擇具有較好井筒強化效果的乳化瀝青、超細碳酸鈣和乳化石蠟，開展單一封堵劑對帶裂紋巖心的井筒強化實驗，結果如圖9所示。與基漿壓裂相比(圖7)，巖心被壓裂的時間從2 739 s延緩至3 049～3 370 s，體現出了一定的維持井壁穩定的能力。加入超細碳酸鈣的鉆井液對應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應的巖石破裂壓力為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。實驗表明，巖石被含單一封堵劑的鉆井液壓裂之后，不再具有穩定的承壓能力。

圖9 單一封堵劑對有裂紋巖心的井筒強化實驗結果

3.4 復配封堵劑對帶裂紋巖心的井筒強化實驗

為考察二元復配封堵劑對提高帶裂紋巖心承壓能力的效果，分別在基漿中加入3%超細碳酸鈣+3%乳化瀝青、3%乳化瀝青+3%乳化石蠟、3%超細碳酸鈣+3%乳化石蠟，考察其井筒強化效果，結果見圖10。加入超細碳酸鈣和乳化瀝青的鉆井液對應的巖石破裂壓力最高達18.8 MPa,加入超細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應的巖石破裂壓力僅為15.88 MPa，與基漿相比它們對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?？梢钥闯觯@三種復配封堵劑對帶裂紋巖心的井筒強化效果遠低于完整巖心。因此，在鉆遇帶裂紋的地層時，應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而導致鉆井復雜事故。

圖10 復配封堵劑對有裂紋巖心的井筒強化實驗結果

4 現場應用及效果分析

新疆某區塊侏羅系八道灣組煤層發育，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。由于煤層割理發育，因此在鉆井過程中易發生誘導性漏失。對該區塊2019～2020年完鉆的117口井的漏失資料整理分析結果顯示，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；平均累計漏失量101.24 m3，最高1 579.8 m3；單井平均損失時間91.56 h，最高損失時間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，在原來的鉀鈣基聚胺有機鹽鉆井液中加入了超細碳酸鈣和乳化瀝青，鉆井漏失情況得到了明顯改善，對5口完鉆井的漏失情況進行統計，并與先前完鉆井漏失情況進行比較，結果如圖11所示。

圖11 提高地層承壓能力的鉆井液應用效果

由圖11可以看出，提高地層承壓能力的鉆井液對應的完鉆井平均漏失次數為1.73次，平均漏速為12.65 m3/h，單井平均損失時間53.56 h，分別降低了39.7%、31.5%、41.5%，表現出了良好的防漏效果。這是因為在強效封堵劑作用下，煤巖割理等裂紋得以被修復，地層破裂壓力得到了提高，在相同密度的鉆井液作用下，原本會被壓裂的部分薄弱地層得以安全鉆進，證實了室內研究結果的正確性和有效性。

5 結論與建議

(1)研制的巖心壓裂實驗裝置可直接測試鉆井液作用下巖石的承壓能力，科學定量地評價鉆井液的井筒強化效果，彌補了傳統評價裝置采用裂縫鋼塊模擬地層裂縫無法反映巖石真實性質的不足。

(2)超細碳酸鈣和乳化瀝青復配使用時鉆井液的井筒強化效果最好，這是因為巖石被壓裂之后碳酸鈣進入裂縫形成致密封堵帶，而乳化瀝青可以增強巖石的疏水性質，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育的煤層時，應采用封堵型鉆井液提高地層承壓能力，避免地層被壓裂進而導致井下復雜事故。