微裂縫模擬新方法及承壓封堵能力評價實驗研究及應用

＊喬東宇 陳帥 劉偉 白楊 王偉罡 柳新國

（1.西部鉆探有限公司工程技術研究院 新疆 834000 2.西南石油大學石油與天然氣工程學院 四川 615000 3.西部鉆探錄井工程分公司 新疆 834000 4.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 四川 615000）

引言

由于同一井段內存在多個壓力系統或受致漏裂縫性地層的影響，導致地層承壓能力低、安全密度窗口窄，在鉆井過程中易發生井漏或井漏引起的井下復雜事故。不同的地層情況對承壓封堵材料提出了更高的要求。

Alberty等首次提出了“應力籠”理論，完成了物理模型的建立，認為承壓封堵材料能在裂縫中形成封堵層，封堵層受裂縫壓力而支撐裂縫，同時誘導井周應力，從而提高地層承壓能力。王貴等[1]認為在封堵誘導縫時，封堵材料建立封堵層的最佳位置是距離裂縫入口較短的位置，并通過實驗和彈性力學的結合研究，提出了提高地層承壓能力的機理，并建立了數學模型描述井壁應力。孫金聲等[2]研究了鉆井液在超低滲透時對地層承壓能力的影響，并明確了機理。認為當鉆井液在井壁形成封堵層并且該封堵層滲透率極低時，可以有效阻隔鉆井液進入地層而提高地層承壓能力。

基于地層裂縫展布情況和“應力籠”理論設計3D打印巖心能更為準確地模擬實際裂縫，從而優選出適合的承壓封堵材料。

1.微裂縫模擬方法及建立過程

(1)裂縫寬度統計

選取瑪湖401區塊白堿灘組地層天然巖心，利用電鏡掃描對其裂縫展布情況，以及裂縫寬度情況進行了分析，如圖1所示。通過裂縫寬度的標示及統計得到10個裂縫寬度分別為：11.32μm、9.50μm、27.04μm、27.50μm、30.30μm、20.83μm、30.03μm、13.75μm、27.40μm和9.10μm，平均裂縫縫寬為20.60μm；根據該裂縫情況設計3D打印巖心的裂縫寬度。

圖1 3D打印巖心設計圖

(2)3D打印模擬介質建立

選取TPU90為3D打印模擬介質的原材料（TPU具有橡膠高彈性和塑料高強度的合成高分子材料）。采用F-T251P打印機，實現微米裂縫巖心的精準打印。設計3D打印巖心為中空結構，底部為實心結構，呈“杯子”狀，同時巖心四周有兩條長裂縫，裂縫寬度為20μm，用來模擬井底。

(3)封堵承壓能力評價實驗裝置

鉆井液恒流泵入巖心，在恒流泵的作用下，鉆井液將沿著裂縫流動，此時鉆井液中提高地層承壓材料將進入裂縫，并在裂縫開口處附近形成封堵層，阻止鉆井液泵入所產生的壓力向裂縫尖端傳遞，巖心圍壓將發生改變，以此模擬提高地層承壓能力過程。通過模擬鉆井液在井眼條件下對井筒裂縫封堵前后壓力變化情況，從而實現提高地層承壓能力，評價裝置如圖2。

圖2 承壓能力評價裝置

圖3 封堵層失穩形式示意圖

2.封堵層失穩機理研究

(1)封堵層失穩方式

如果封堵層整體結構強度較低，井筒壓力增大時首先導致封堵層的結構破壞，從而導致封堵層不再是一個完整的結構，發生結構破壞失穩。具體表現為滲透性失穩、擠壓破碎失穩、摩擦滑移失穩、剪切失穩四種封堵層失穩形式，如圖4所示。工程上，四種失穩形式中摩擦滑移失穩和剪切失穩發生概率最大，分別受封堵層摩擦失穩強度與剪切失穩強度控制。故將這兩種封堵層失穩形式作為重點進行影響因素分析。

圖4 加入1.5%XNCY-A XNCY-B巖心圍壓變化圖

(2)影響封堵層穩定的因素

關于摩擦滑移失穩，影響較大的因素有：封堵層與裂縫壁面的靜摩擦力，封堵層與裂縫壁面的接觸面積，縫內壓力。縫內壓力越大，封堵層在水平方向上承受的推力差越小，此時封堵層不容易發生橫向的位移，從而更加穩定。因此從工程意義上講，通過封堵層的作用，縫內壓力應該越低越好，即等于地層孔隙壓力。

對于封堵層與裂縫壁面的靜摩擦力，由于封堵層與裂縫壁面的靜摩擦系數和作用在顆粒上的閉合應力為地層的自身屬性無法改變，因此只能通過增大封堵層與裂縫壁面的接觸面積來提高封堵層承受的最大推力。因此設計剛性封堵材料顆粒的最優硬度應該是盡量大于地層巖石的硬度，使之在法向力的作用下，微小的嵌入地層內部而增大接觸面積。

3.承壓能力評價實驗

(1)室內鉆井液配制

以4.0%土漿（清水+4.0%鈣基膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH）為原漿。取適量基漿，按照體系配方：2.5%降濾失劑SMP-Ⅲ+1.5%懸浮劑CMC-HV+1.0%降黏劑SMC+API重晶石，加重至1.25g/cm3。

(2)封堵承壓材料加量實驗

通常導致地層承壓能力低的原因是微裂縫發育，根據電鏡掃描微裂縫寬度主要集中在10～30μm。根據機理研究和“三分之一封堵理論”優選的封堵材料粒徑要求在3～15μm之間。封堵材料需要使用匹配裂縫寬度、粗糙程度高、顆粒體積分數合理以形成低滲透率的封堵層，能有效防止發生封堵層失穩。同時封堵材料的物性需要滿足耐高溫、強度高，考慮到通用性，封堵材料最好是水油兩親的酸溶性材料且硬度略大于地層巖石硬度。

(3)剛性封堵劑優選

以承壓能力評價裝置為基礎，進行封堵優選。優選實驗用剛性封堵劑包括XNCY-A（800目）、XNCY-B（1000目）、XNCY-C（2500目），復配性能評價實驗見表1。

表1 剛性封堵XNCY-A、XNCY-B最優加量實驗表

當XNCY-A、XNCY-B加量均為1.5%時效果最佳，HTHP失水量及泥餅厚度均為最小。進一步對3#鉆井液進行承壓能力實驗，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，加入1.5%承壓堵漏材料XNCY-A、XNCY-B后，10min以前，3D打印巖心裂縫兩端處于聯通狀態，巖心圍壓沒有變化，承壓堵漏材料尚未形成封堵層。10min以后，巖心圍壓開始變化，呈現為快速上升，說明承壓堵漏材料已經開始在裂縫中形成了封堵層，由最初圍壓與圍壓極限之間的差值可得到該承壓堵漏材料能提供的最大承壓值，加入1.5%承壓堵漏材料XNCY-A、XNCY-B時該承壓值為5MPa。

編號3#的鉆井液性能效果最佳，高溫高壓濾失量下降最為明顯，結合圖4得出結論，選取1.5%為XNCY-A、XNCY-B的最優加量。

在明確了XNCY-A、XNCY-B的最優加量后，為進一步加強微裂縫封堵，提高地層承壓能力，對XNCY-C的最優加量進行優選。XNCY-A、XNCY-B加量為1.5%，不同加量的XNCY-C鉆井液性能，如表2所示。

表2 不同加量的XNCY-C鉆井液性能參數表

在加入了承壓堵漏劑XNCY-C后，HTHP失水量和泥餅厚度隨XNCY-C加量先上升后在1.5%加量時下降到低于基漿，由此選擇1.5%加量的XNCY-A、XNCY-B、XNCY-C進行承壓能力實驗，結果如圖5所示。

圖5 XNCY系列1.5%加量巖心圍壓變化圖

由圖5可以看出，當圍壓最大時，說明封堵層達到了承壓極限，40min后圍壓快速下降，封堵層被破壞，實驗結束。由最初圍壓與圍壓極限之間的差值可得到該承壓堵漏材料能提供的最大承壓值，加入1.5%承壓堵漏材料XNCY-A、XNCY-B、XNCY-C時該承壓值為7MPa。

4.結論

（1）利用3D打印技術制備的模擬介質，全新承壓評價裝置的研制為承壓封堵材料的優選提供了一種科學、有效的實驗評價方法。

（2）優選出了封堵材料方案：1.5% XNCY-A+1.5%XNCY-B+1.5% XNCY-C。通過室內試驗證明該配方能實現封堵層承壓能力7MPa。