微裂缝模拟新方法及承压封堵能力评价实验研究及应用

2024-04-10乔东宇陈帅刘伟白杨王伟罡柳新国

当代化工研究 2024年5期

＊乔东宇陈帅刘伟白杨王伟罡柳新国

（1.西部钻探有限公司工程技术研究院新疆 834000 2.西南石油大学石油与天然气工程学院四川 615000 3.西部钻探录井工程分公司新疆 834000 4.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川 615000）

引言

由于同一井段内存在多个压力系统或受致漏裂缝性地层的影响，导致地层承压能力低、安全密度窗口窄，在钻井过程中易发生井漏或井漏引起的井下复杂事故。不同的地层情况对承压封堵材料提出了更高的要求。

Alberty等首次提出了“应力笼”理论，完成了物理模型的建立，认为承压封堵材料能在裂缝中形成封堵层，封堵层受裂缝压力而支撑裂缝，同时诱导井周应力，从而提高地层承压能力。王贵等[1]认为在封堵诱导缝时，封堵材料建立封堵层的最佳位置是距离裂缝入口较短的位置，并通过实验和弹性力学的结合研究，提出了提高地层承压能力的机理，并建立了数学模型描述井壁应力。孙金声等[2]研究了钻井液在超低渗透时对地层承压能力的影响，并明确了机理。认为当钻井液在井壁形成封堵层并且该封堵层渗透率极低时，可以有效阻隔钻井液进入地层而提高地层承压能力。

基于地层裂缝展布情况和“应力笼”理论设计3D打印岩心能更为准确地模拟实际裂缝，从而优选出适合的承压封堵材料。

1.微裂缝模拟方法及建立过程

(1)裂缝宽度统计

选取玛湖401区块白碱滩组地层天然岩心，利用电镜扫描对其裂缝展布情况，以及裂缝宽度情况进行了分析，如图1所示。通过裂缝宽度的标示及统计得到10个裂缝宽度分别为：11.32μm、9.50μm、27.04μm、27.50μm、30.30μm、20.83μm、30.03μm、13.75μm、27.40μm和9.10μm，平均裂缝缝宽为20.60μm；根据该裂缝情况设计3D打印岩心的裂缝宽度。

图1 3D打印岩心设计图

(2)3D打印模拟介质建立

选取TPU90为3D打印模拟介质的原材料（TPU具有橡胶高弹性和塑料高强度的合成高分子材料）。采用F-T251P打印机，实现微米裂缝岩心的精准打印。设计3D打印岩心为中空结构，底部为实心结构，呈“杯子”状，同时岩心四周有两条长裂缝，裂缝宽度为20μm，用来模拟井底。

(3)封堵承压能力评价实验装置

钻井液恒流泵入岩心，在恒流泵的作用下，钻井液将沿着裂缝流动，此时钻井液中提高地层承压材料将进入裂缝，并在裂缝开口处附近形成封堵层，阻止钻井液泵入所产生的压力向裂缝尖端传递，岩心围压将发生改变，以此模拟提高地层承压能力过程。通过模拟钻井液在井眼条件下对井筒裂缝封堵前后压力变化情况，从而实现提高地层承压能力，评价装置如图2。

图2 承压能力评价装置

图3 封堵层失稳形式示意图

2.封堵层失稳机理研究

(1)封堵层失稳方式

如果封堵层整体结构强度较低，井筒压力增大时首先导致封堵层的结构破坏，从而导致封堵层不再是一个完整的结构，发生结构破坏失稳。具体表现为渗透性失稳、挤压破碎失稳、摩擦滑移失稳、剪切失稳四种封堵层失稳形式，如图4所示。工程上，四种失稳形式中摩擦滑移失稳和剪切失稳发生概率最大，分别受封堵层摩擦失稳强度与剪切失稳强度控制。故将这两种封堵层失稳形式作为重点进行影响因素分析。

图4 加入1.5%XNCY-A XNCY-B岩心围压变化图

(2)影响封堵层稳定的因素

关于摩擦滑移失稳，影响较大的因素有：封堵层与裂缝壁面的静摩擦力，封堵层与裂缝壁面的接触面积，缝内压力。缝内压力越大，封堵层在水平方向上承受的推力差越小，此时封堵层不容易发生横向的位移，从而更加稳定。因此从工程意义上讲，通过封堵层的作用，缝内压力应该越低越好，即等于地层孔隙压力。

对于封堵层与裂缝壁面的静摩擦力，由于封堵层与裂缝壁面的静摩擦系数和作用在颗粒上的闭合应力为地层的自身属性无法改变，因此只能通过增大封堵层与裂缝壁面的接触面积来提高封堵层承受的最大推力。因此设计刚性封堵材料颗粒的最优硬度应该是尽量大于地层岩石的硬度，使之在法向力的作用下，微小的嵌入地层内部而增大接触面积。

3.承压能力评价实验

(1)室内钻井液配制

以4.0%土浆（清水+4.0%钙基膨润土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH）为原浆。取适量基浆，按照体系配方：2.5%降滤失剂SMP-Ⅲ+1.5%悬浮剂CMC-HV+1.0%降黏剂SMC+API重晶石，加重至1.25g/cm3。

(2)封堵承压材料加量实验

通常导致地层承压能力低的原因是微裂缝发育，根据电镜扫描微裂缝宽度主要集中在10～30μm。根据机理研究和“三分之一封堵理论”优选的封堵材料粒径要求在3～15μm之间。封堵材料需要使用匹配裂缝宽度、粗糙程度高、颗粒体积分数合理以形成低渗透率的封堵层，能有效防止发生封堵层失稳。同时封堵材料的物性需要满足耐高温、强度高，考虑到通用性，封堵材料最好是水油两亲的酸溶性材料且硬度略大于地层岩石硬度。

(3)刚性封堵剂优选

以承压能力评价装置为基础，进行封堵优选。优选实验用刚性封堵剂包括XNCY-A（800目）、XNCY-B（1000目）、XNCY-C（2500目），复配性能评价实验见表1。

表1 刚性封堵XNCY-A、XNCY-B最优加量实验表

当XNCY-A、XNCY-B加量均为1.5%时效果最佳，HTHP失水量及泥饼厚度均为最小。进一步对3#钻井液进行承压能力实验，结果如图4所示。

从图4可以看出，加入1.5%承压堵漏材料XNCY-A、XNCY-B后，10min以前，3D打印岩心裂缝两端处于联通状态，岩心围压没有变化，承压堵漏材料尚未形成封堵层。10min以后，岩心围压开始变化，呈现为快速上升，说明承压堵漏材料已经开始在裂缝中形成了封堵层，由最初围压与围压极限之间的差值可得到该承压堵漏材料能提供的最大承压值，加入1.5%承压堵漏材料XNCY-A、XNCY-B时该承压值为5MPa。

编号3#的钻井液性能效果最佳，高温高压滤失量下降最为明显，结合图4得出结论，选取1.5%为XNCY-A、XNCY-B的最优加量。

在明确了XNCY-A、XNCY-B的最优加量后，为进一步加强微裂缝封堵，提高地层承压能力，对XNCY-C的最优加量进行优选。XNCY-A、XNCY-B加量为1.5%，不同加量的XNCY-C钻井液性能，如表2所示。