深层裂缝性储集层封堵层结构失稳机理与强化方法

许成元，闫霄鹏，康毅力，游利军，张敬逸

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室•西南石油大学，成都 610500）

0 引言

裂缝性储集层钻完井过程中，工作液漏失是最严重的储集层损害方式，更是长期影响钻井效率和油气井产能的复杂工程问题之一。高温、高压、高地应力等深层（埋深大于4 500 m）储集层条件，进一步增加了工作液漏失控制难度，且通过增产改造等措施解除或缓解漏失损害的成本和难度也随之增加。深层裂缝性储集层工作液漏失控制已成为石油与天然气工程领域的热点和难点问题。

为了达到安全高效钻井和储集层保护的要求，国内外学者针对易漏低承压能力地层的漏失控制做了大量研究。暂堵理论和方法的提出，较好地解决了孔隙型和裂缝-孔隙型储集层工作液漏失控制问题。但对于天然裂缝发育的裂缝性储集层，由于工作液漏失控制难度大，漏失损害仍然难以得到有效控制[1-6]。针对裂缝性地层工作液漏失控制问题，国内外学者相继引入断裂力学、颗粒物质力学、突变理论、多相流体力学等相关理论开展研究。目前，裂缝性地层工作液漏失控制主要包括调控井周应力、封堵漏失通道、提高岩体强度等 3种方法。调控井周应力方法又包括“应力笼”、提高裂缝闭合应力和提高裂缝延伸压力等3种方式，该类方法通过调控井周切向应力场和裂缝尖端应力场来控制工作液漏失[7-15]。封堵漏失通道方法是指通过使用堵漏材料形成致密、高强度封堵层，封堵裂缝漏失通道，建立井筒液柱压力与地层压力之间的平衡[16-25]。提高岩体强度方法是指材料进入漏失通道后，在地层温度、压力、流体等环境下，形成高强度结构体，隔断井筒和地层两个压力系统，从而达到控制工作液漏失的目的[26-29]。对于提高岩体强度方法，由于其形成的封堵层通常难以解除，不能满足投产前解堵的需要，多不应用于储集层。对于裂缝性储集层，采用可溶（酸溶或氧化溶蚀等）颗粒材料体系封堵裂缝是最常用的漏失控制方法[30-31]。裂缝封堵层在高温、高压、高地应力环境下的结构稳定性，是决定深层裂缝性储集层漏失控制效果的关键因素，而当前对深层裂缝性储集层封堵层结构及其承压稳定性的研究仍有待深入。

本文以颗粒物质力学为基础，明确裂缝封堵层多尺度结构，构建深层裂缝性储集层高温、高压、高地应力环境下裂缝封堵层失稳模式，建立裂缝封堵层强度模型，揭示封堵层结构失稳机理，进而提取堵漏材料关键性能参数。选用新型堵漏材料开展室内实验，评价堵漏材料关键性能参数对裂缝封堵效果的影响，形成深层裂缝性储集层堵漏材料选择原则，为裂缝性储集层堵漏材料优选和配方设计提供依据。

1 裂缝封堵层多尺度结构

对各种裂缝性地层工作液漏失控制技术（见表1）进行总结可以发现，裂缝封堵层结构稳定性至关重要。裂缝封堵层是由离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系，涉及多个空间结构层次，具有复杂跨尺度结构（见图1）。宏观尺度下的裂缝封堵层是由堵漏材料形成的颗粒物质体系，其能够代表堵漏材料颗粒聚集体的宏观力学性能[32]。在外载荷作用下，封堵层中颗粒相互接触挤压形成接触力，接触力沿堵漏材料传递形成力链网络，是支撑外载荷的基础。传递力链的颗粒群或颗粒团簇构成裂缝封堵层的细观尺度。裂缝封堵层承压结构演化的过程也是细观力链网络与相应颗粒群演变的过程（见图2）。微观尺度下的裂缝封堵层是组成封堵层的基本单元，即堵漏材料。微观尺度堵漏材料的性能参数决定了细观力链颗粒群强度，进而影响宏观裂缝封堵层强度和稳定性。堵漏材料性能参数分为几何参数、力学参数和化学参数 3大类，是堵漏材料优选和配方设计的重要依据。

表1 裂缝性地层工作液漏失控制技术

图1 裂缝封堵层多尺度结构[18]

图2 裂缝封堵层剪切过程中力链网络演化

2 裂缝封堵层结构失稳机理

2.1 裂缝封堵层结构失稳模式

裂缝封堵层形成后，在地层高温、高压和流体环境中，在井筒液柱压力、地应力和地层压力作用下，裂缝面作用在封堵层上的摩擦力与封堵层自身剪切强度是保持封堵层结构稳定的主要因素。根据裂缝封堵层结构破坏的力学成因，封堵层结构失稳可分为摩擦失稳与剪切失稳两种模式。

2.1.1 封堵层摩擦失稳

封堵层与裂缝面之间的摩擦力是保持封堵层结构稳定的主要因素之一。封堵层摩擦失稳可分为整体滑移致摩擦失稳、粒度降级致摩擦失稳与裂缝扩展致摩擦失稳3种形式（见图3）。当井筒液柱压力和地层压力间正压差超过封堵层与裂缝面间摩擦力时，封堵层会在裂缝内部发生滑动并导致结构逐渐松散破坏，这种失稳形式即为整体滑移致摩擦失稳（见图3b）；深层高温、高裂缝闭合应力条件下，堵漏材料会发生粒度降级导致裂缝面作用在封堵层上的有效应力降低，进而降低封堵层与裂缝面间摩擦力，诱发失稳，这种失稳形式即为粒度降级致摩擦失稳（见图3c）；当裂缝封堵层的致密性较差时，井筒液柱压力会通过封堵层传递到裂缝内部，诱发裂缝扩展，进而降低裂缝面作用在封堵层上的有效应力和摩擦力，这种情况导致的封堵层结构失稳即为裂缝扩展致摩擦失稳（见图3d）。

图3 裂缝封堵层摩擦失稳模式

2.1.2 封堵层剪切失稳

裂缝封堵层自身剪切强度是保持封堵层结构稳定的另一主要因素。裂缝封堵层结构非均质性、裂缝面宏观起伏和微凸体高度变化等因素会导致封堵层-裂缝面间摩擦力、封堵层受到的裂缝闭合应力不是处处相等[19]。封堵层-裂缝面间摩擦力存在低值和高值。封堵层-裂缝面间摩擦力低值处即为封堵层的结构薄弱点。裂缝封堵层承压过程中，破坏倾向于首先发生在这些薄弱点处，这种结构失稳以封堵层自身发生剪切失稳的方式发生（见图4）。这种封堵层结构失稳模式即为封堵层剪切失稳。阻止封堵层剪切失稳的因素细观上为力链抗剪强度，宏观上表现为封堵层内聚力和内摩擦力。

图4 裂缝封堵层剪切失稳模式

2.1.3 封堵层综合失稳

实际工况下，裂缝封堵层结构失稳既包含摩擦失稳又包含剪切失稳，即综合失稳。其中任何一种失稳模式都会导致封堵层结构破坏，进而导致工作液重复性漏失。因此，裂缝封堵层承压能力最终取决于其摩擦强度和剪切强度中的较小值，即：

2.2 裂缝封堵层强度模型

2.2.1 裂缝封堵层摩擦强度模型

当井筒液柱压力、地层压力和裂缝面作用在封堵层上的摩擦力处于力学平衡时，裂缝封堵层保持摩擦稳定。裂缝封堵层发生摩擦失稳时对应的临界井筒液柱压力与地层压力的压差即为封堵层摩擦强度[23]：

2.2.2 裂缝封堵层剪切强度模型

裂缝封堵层多尺度结构框架下，细观力链强度决定宏观封堵层剪切强度，并受微观尺度堵漏材料性能参数影响。微观尺度堵漏材料主要包括颗粒材料和纤维材料。裂缝封堵层剪切强度等于颗粒封堵层剪切强度和纤维增强封堵层剪切强度之和：

对于完全由颗粒材料形成的封堵层，根据颗粒物质力学，其细观力链抗剪强度取决于颗粒间接触应力，因此，颗粒封堵层剪切强度表示为[23]：

纤维材料加入后，由于其拉筋作用，可进一步提高裂缝封堵层剪切强度，对应的剪切强度增量表示为[23]：

其中，纤维剪切位移角表示为：

3 堵漏材料关键性能参数提取

根据裂缝封堵层强度模型，影响封堵层强度和承压能力的堵漏材料几何参数包括颗粒粒度分布D90、纤维长径比、纤维初始倾斜角，力学参数包括抗压能力、摩擦系数、纤维弹性模量、纤维抗拉强度。通过开展模型参数敏感性分析，明确堵漏材料性能参数对封堵层强度的影响，结合深层裂缝性储集层高温、高压、高地应力条件，提取堵漏材料关键性能参数，为堵漏材料优选提供依据。模型基础参数如表2所示。

表2 模型基础参数

3.1 堵漏材料几何参数

3.1.1 粒度分布

粒度分布是颗粒堵漏材料关键几何参数，通过影响堵漏材料在裂缝中的架桥和填充效果影响裂缝封堵强度和封堵效率。粒度分布D90值是堵漏材料优选和堵漏配方优化的主要依据。此外，堵漏材料粒度分布影响封堵层孔隙度[33]。裂缝封堵层孔隙度反映封堵层致密性，强力链只有在致密颗粒体系中才能形成。图5表明，随着封堵层孔隙度增加，裂缝封堵层承压能力降低。通过优选堵漏材料类型、浓度和匹配，可调节粒度分布D90值，进而优化堵漏配方。

3.1.2 纤维长径比

纤维长径比为纤维材料长度和直径的比值。图6表明，裂缝封堵层承压能力随纤维长径比的增加而线性增加。纤维长径比主要影响纤维加入后的封堵层剪切强度增量，进而影响封堵层剪切强度。纤维长径比越大，纤维之间更易交织并形成网架结构，封堵层剪切变形过程中纤维内部形成的拉应力越高，在未达到纤维抗拉强度的条件下其导致的纤维剪切强度增量越大。

图5 封堵层孔隙度与承压能力关系

图6 纤维长径比与封堵层承压能力的关系

3.2 堵漏材料力学参数

3.2.1 抗压能力

由于深层裂缝性储集层的高压、高地应力条件，架桥材料必须具备较高的抗压能力，才能持续发挥刚性材料的架桥作用。裂缝闭合压力为裂缝面作用在封堵层上的压力。一方面，裂缝闭合压力通过影响裂缝面作用在封堵层上的摩擦力影响封堵层摩擦强度；另一方面，裂缝闭合压力通过影响作用在颗粒和纤维表面的摩擦力影响封堵层剪切强度。图7表明，封堵层摩擦强度和剪切强度均随裂缝闭合压力的升高而增加；在表2所示参数条件下，封堵层摩擦强度始终大于封堵层剪切强度。由于封堵层承压能力取决于封堵层摩擦强度和剪切强度中的较小值，表2所示参数条件下封堵层承压能力主要受其剪切强度控制，强化封堵层承压能力的重点应该为提高其剪切强度。裂缝闭合压力受封堵层对裂缝支撑作用的影响，封堵层对裂缝的支撑作用越强，支撑裂缝宽度越大，裂缝闭合压力越高[7]。因而需要选择具有高抗压强度的刚性颗粒堵漏材料，提高裂缝的闭合压力，进而提高封堵层承压能力。

图7 裂缝闭合压力与封堵层承压能力的关系

3.2.2 摩擦系数

摩擦角用于表征形成封堵层的颗粒材料间表面摩擦系数，摩擦系数等于摩擦角的正切值。图8a表明，封堵层承压能力与颗粒-颗粒摩擦角成正相关。颗粒-颗粒摩擦角主要影响封堵层剪切强度，增加颗粒-颗粒摩擦角有利于提高封堵层剪切强度。图8b表明，裂缝封堵层承压能力随颗粒-纤维摩擦角增加而增加。颗粒-纤维摩擦角主要影响封堵层剪切强度，通过增加颗粒-纤维摩擦角可提高封堵层剪切强度。封堵层-裂缝面摩擦角用于综合表征封堵层中堵漏材料与裂缝面间摩擦系数。图8c表明，封堵层-裂缝面摩擦角增加引起封堵层摩擦强度增加，进而提高封堵层承压能力。

图8 颗粒-颗粒摩擦角（a）、颗粒-纤维摩擦角（b）、封堵层-裂缝面摩擦角（c）与封堵层承压能力的关系

3.3 堵漏材料化学参数

为保证深层裂缝性储集层正常生产，堵漏过程中在裂缝中形成的封堵层必须能够在后期酸化等解堵作业中有效解除。因此，储集层段堵漏材料需要具有一定的可溶蚀率（酸溶/氧化溶蚀）。

核桃壳、棉籽壳等有机刚性堵漏材料仍广泛应用于深井的漏失控制。然而，深井井底温度高，高温环境会使有机类堵漏材料发生老化反应，弱化堵漏材料强度[34-36]。一方面，高温老化作用使堵漏颗粒边缘更易磨蚀，进而降低堵漏材料颗粒间力链强度，封堵层更易失稳；另一方面，高温老化作用下裂缝中的堵漏材料在裂缝闭合压力的作用下更易发生压缩破坏，易诱发重复性漏失。因此，对于深层裂缝性储集层漏失控制材料，抗高温能力也是其关键性能参数之一。

3.4 堵漏材料关键性能参数

由于纤维初始角度难以控制，堵漏用纤维弹性模量均较低，在此不进行讨论。纤维抗拉强度仅在一定条件下发挥影响。因此，综合模型参数敏感性分析结果，结合深层裂缝性储集层高温、高压、高地应力条件，最终确定粒度分布D90、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、可溶蚀率、抗高温能力等 6种堵漏材料关键性能参数。

4 堵漏材料关键性能参数实验验证

4.1 实验方法

为验证模型提取堵漏材料关键性能参数的准确性，选用深层裂缝性储集层新型堵漏材料开展裂缝封堵实验。材料分为架桥材料、填充材料、变形拉筋材料 3类，其中架桥材料包括高强度合成高分子材料和超不规则形状材料，填充材料包括刚性颗粒和弹性颗粒，变形拉筋材料以纤维为主，部分材料的性能参数如表 3所示。通过对比累计漏失量和承压能力来评价不同配方堵漏材料的封堵效果，实验配方如表4所示。采用自主研发高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪[37]开展堵漏实验。仪器工作温度为室温至200 ℃，钻井液驱替压力为0～30 MPa。裂缝模块长度300 mm，缝高110 mm。采用入口缝宽3 mm、出口缝宽1 mm和入口缝宽8 mm、出口缝宽5 mm这两种裂缝模块开展堵漏实验。

表3 裂缝封堵实验用部分堵漏材料的性能参数

表4 裂缝封堵评价实验样品配方及实验结果

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 堵漏材料粒度分布

配方 1-0#在裂缝封堵实验过程中，累计漏失量随驱替压力增大而持续增加，当驱替压力达到 7.9 MPa时，漏失量快速增大，封堵层发生破坏。从配方 1-0#粒度分布曲线（见图9）可以看出配方 1-0#粒度分布D90为 5 356 μm，粒径集中分布在 2 400～5 400 μm。对于入口缝宽8 mm、出口缝宽5 mm裂缝模块而言，配方 1-0#的粒径偏小，虽然可以在裂缝中形成封堵，但封堵层承压能力不足。在配方1-0#基础上补充2%的新型超不规则形状架桥材料K3后形成配方1-1#，配方1-1#的粒度分布D90为 7 814 μm，粒径集中分布在2 700～7 800 μm（见图9）。改进后的配方颗粒级配更合理，在入口缝宽8 mm、出口缝宽5 mm裂缝模块内形成了致密封堵层，裂缝封堵层承压能力增加到 20.0 MPa以上，累计漏失量降至77 mL。

图9 配方1-0#与1-1#粒度分布曲线

4.2.2 纤维长径比

为进一步分析纤维长径比对裂缝封堵效果的影响，选取含有不同长径比纤维的配方开展裂缝封堵实验。将配方2-0#中纤维材料G8（长径比159）替换为长径比更大的纤维材料 G9（长径比 635），形成配方2-1#，堵漏材料总加量不变。由于两种纤维为同种材料，其抗拉强度相同。对于配方 2-0#，其形成的裂缝封堵层承压能力为 9.4 MPa，累计漏失量为 19 mL（见图10a）。而对于配方 2-1#，其形成的裂缝封堵层承压能力达到11.2 MPa，累计漏失量为9 mL（见图10b）。因此，通过优选纤维材料长径比可以降低漏失量，提高封堵层承压能力。

4.2.3 堵漏材料摩擦系数

为分析堵漏材料摩擦系数对裂缝封堵效果的影响，选取具有不同摩擦系数的架桥材料形成堵漏配方，开展裂缝封堵实验。将配方 3-0#中主要架桥材料 G7部分替换为新型超不规则形状架桥材料K3，形成配方3-1#，堵漏材料总加量不变。利用 COF-1型摩擦系数测试仪测量堵漏材料摩擦系数[37]。架桥材料G7表面光滑，平均滑动摩擦系数为0.89，而架桥材料K3表面粗糙，平均滑动摩擦系数为 1.23（见图11）。对于配方3-0#，其形成的裂缝封堵层承压能力仅为5.0 MPa，累计漏失量达130 mL。而对于配方3-1#，其形成的裂缝封堵层承压能力达到20.0 MPa以上，累计漏失量降至20 mL。因此，通过提高堵漏材料摩擦系数可有效提高裂缝封堵效果。

图10 不同纤维长径比配方裂缝封堵实验曲线

图11 超不规则形状架桥材料K3与常规架桥材料G7摩擦系数曲线

4.2.4 堵漏材料抗压能力

为进一步分析堵漏材料抗压能力对裂缝封堵效果的影响，选取具有不同抗压能力的架桥材料形成配方开展裂缝封堵实验。将配方4-0#中主要架桥材料K4部分替换为高强度架桥材料D2，形成配方4-1#，堵漏材料总加量不变。利用液压机在 25 MPa下对两种材料加压，获取了加压前后材料的粒度分布曲线（见图12），并通过粒度分布D90变化率来反映堵漏材料抗压能力。承压后堵漏材料 K4的粒度分布曲线右移，粒度分布D90变大，表明受压后材料被压扁，发生了塑性变形，导致平面视角下颗粒的粒径变大，但其纵向视角下粒径会相应变小。堵漏材料K4承压后粒度分布D90变化率高达17.7%。高强度材料D2为高分子复合材料，强度高，承压后粒度分布D90变化率仅为 4.5%。对于配方4-0#，其形成的封堵层承压能力为18.0 MPa。对于配方4-1#，其形成的封堵层承压能力大于20.0 MPa。

图12 架桥材料K4、D2承压前后粒度分布曲线

5 裂缝封堵层结构稳定性强化方法

形成高质量封堵层是深层裂缝性储集层漏失控制的关键，而强化封堵层结构稳定性的关键在于堵漏材料的选择。根据裂缝封堵层结构失稳机理，形成堵漏材料选择原则（见图13）。

图13 裂缝性储集层堵漏材料选择原则

一级原则为堵漏材料类型优选，利用可溶蚀架桥材料、填充材料、变形拉筋材料协同作用，形成高承压能力的封堵层；二级原则为堵漏材料关键性能参数优化，分别对架桥材料、填充材料、变形拉筋材料的关键性能参数进行优化，进一步提高封堵层的结构稳定性。二级原则中堵漏材料关键性能参数分为几何、力学、化学参数 3类。其中，几何参数优化主要通过优化堵漏材料的粒度分布和几何形状来实现。几何参数优化的关键是提高堵漏材料对裂缝的封堵效率，这就要求颗粒堵漏材料架桥快速、稳定，填充高效、致密。架桥材料构成了裂缝封堵层的主要框架，粒度分布D90优化原则是毫米级别宽度裂缝选择架桥材料的主要方法[21]，即堵漏材料的粒度分布D90大于等于5/6倍裂缝宽度。由于深井刚性堵漏在井筒循环过程中会发生粒度降级，可将粒度分布D90适度放大。为了提高架桥材料在裂缝内的滞留效率，可优选低圆球度的架桥材料。除了粒度分布外，堵漏材料关键性能参数还包括纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、可溶蚀率、抗高温能力，其对应的评价指标如表 5所示。摩擦系数测试可将堵漏材料制成摩擦板实现。材料抗压能力和强度抗温能力均采用25 MPa下粒度分布D90降级率评价，粒度抗温能力采用高温老化后粒度分布D90降级率评价。最终抗温能力取粒度抗温能力和强度抗温能力中的较低值。

表5 堵漏材料关键性能参数评价指标

D1201井是一口部署在塔里木盆地库车坳陷的评价井，5 500～5 510 m井段为盐膏层，盐膏层厚度数百至上千米。夹层岩性为泥岩和白云岩，发育层间裂缝。盐下地层为泥岩、砂砾岩，微裂缝发育。盐膏层钻进时，漏失频繁。前期随钻堵漏20次，专项堵漏4次，漏失均未得到有效控制。根据本文堵漏材料选择原则，对所应用堵漏材料分别从粒度分布、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、抗高温能力、可溶蚀能力等方面进行系统评价，优选出了适用于库车山前盐膏层的堵漏材料系列，形成了强滞留高承压堵漏配方，成功实现了对D1201井裂缝性漏失的有效控制，施工后钻井液密度从1.71 g/cm3提高到1.76 g/cm3，正常循环不漏。

6 结论

堵漏材料（颗粒、纤维等）、传递力链的颗粒群或颗粒团簇、裂缝漏失通道中封堵层 3个尺度构成了裂缝封堵层的多尺度结构。裂缝封堵层承压过程中，堵漏材料相互接触形成力链网络。细观尺度力链强度取决于微观尺度堵漏材料性能参数，并决定宏观封堵层承压稳定性。

摩擦失稳和剪切失稳为裂缝封堵层结构主要失稳模式。其中，摩擦失稳又可细分为整体滑移致摩擦失稳、粒度降级致摩擦失稳与裂缝扩展致摩擦失稳3种形式。裂缝封堵层形成后，在地层高温、高压、高地应力和流体环境中，裂缝面作用在封堵层上的摩擦力与封堵层自身剪切强度是保持封堵层结构稳定的主要因素。

形成高质量封堵层是深层裂缝性储集层漏失控制的关键，而强化封堵层结构稳定性的关键在于堵漏材料的选择。粒度分布、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、抗高温能力、可溶蚀能力为深层裂缝性储集层堵漏材料的关键性能参数。

符号注释：

a——封堵层长度，m；A——封堵层横截面面积，m2；Af——封堵层横截面上纤维所占面积，m2；df——纤维直径，m；dp——颗粒平均直径，m；D50，D90——累计粒度分布曲线上累计频率达到50%和90%时所对应的粒径，m；Ef——纤维弹性模量，Pa；kp——颗粒材料刚度，N/m；lf——纤维长度，m；pc——裂缝闭合压力，Pa；pz——封堵层承压能力，Pa；pzf——封堵层摩擦强度，Pa；pzs——封堵层剪切强度，Pa；pzsf——纤维引起的封堵层剪切强度增量，Pa；pzsp——颗粒封堵层剪切强度，Pa；Wf——裂缝宽度，m；δ1——颗粒表面摩擦角，（°）；δ2——纤维表面摩擦角，（°）；δ3——封堵层-裂缝面间摩擦角，（°）；ΔH——裂缝封堵层剪切破坏部分高度，m；εp——颗粒接触形变，m；θ——纤维剪切位移角，（°）；θi——纤维初始倾斜角，（°）；φ——封堵层孔隙度，%。