裂缝性地层承压堵漏机理与现有技术
本文摘要：（由ai生成）
堵漏工作旨在消除漏失，确保钻井安全。学者们提出多种地层承压能力强化理论，如封尾、应力笼等，适用于不同地层。裂缝性地层承压堵漏技术中，堵漏材料设计是关键，包括1/3架桥理论等。相似模拟研究优化堵漏浆液配方和工艺，如DEA-13实验和GPRI JIP实验。这些理论和技术为油气井钻井漏失问题提供了解决方案。
一、承压能力强化理论
消除漏失、确保钻井安全是堵漏工作的目标，国内外学者在漏层封堵、强化井筒方面开展研究，形成了一系列地层承压能力强化理论。代表性的有封尾理论、应力笼理论、提高裂缝闭合应力、提高裂缝延伸应力、化学法强化井筒理论等。20世纪80年代，石油工程师协会（DEA）针对裂缝性漏失地层开展了针对漏失控制的基础性实验（DEA-13实验），Morita等对实验结果进行了解释，提出了“封尾”作用原理，即水基工作液在失水作用下在裂缝面和尖端形成滤饼，对细微裂缝和裂缝尖端实现封堵。Fuh等在DEA-13实验的基础上，通过现场与室内实验，深入研究了含堵漏材料钻井液在裂缝尖端的滤失特征与堵漏效果，研究发现钻井液中的堵漏材料能够有效抑制裂缝尖端的延伸，认为钻井液中的液相进入裂缝尖端的速度小于裂缝尖端向地层岩石流出的速度时，裂缝尖端停止延伸，并基于此提出了“封尾”理论的作用机理。该理论应用的前提条件是尖端堵塞的钻井液失水形成滤饼，若地层渗透率较低，封堵滤饼无法形成，“封尾”则无法实现，即该理论仅适用于岩石渗透率极高的地层。基于BP提高地层承压能力钻井液技术，Aston等提出了“应力笼”概念，其基本原理为：地层裂缝在压力作用下，井壁产生微小裂缝，裂缝开度发生变化，钻井液中的固相材料进入裂缝并在裂缝入口处形成封堵隔墙，封堵层渗透率足够小以阻止压力向裂缝尖端传递，同时材料可以支撑裂缝，进而改变井周应力状态，Alberty等利用有限元方法对“应力笼”理论做了数值模拟，结果表明诱导裂缝经过充填和密闭后，井周岩石应力有效增加，增加程度与地层强度、裂缝宽度、封堵层在裂缝内的位置、封堵材料抗压强度成函数关系，证明了“应力笼”效应的有效性。Mehdi等研究指出，在裂缝内部架桥可有效防止桥塞体失稳，液柱压力也可支撑裂缝稳定，补充和完善了“应力笼”理论。Whitfill、Sweatman、Wang等通过室内实验、数值模拟及现场应用研究，完善了井壁强化理论理论。通过应力笼效应，可有效提升井眼周向地层压力，强化井筒。“应力笼”效应的实现，基础在于支撑裂缝形成应力笼的桥塞体强度高，封堵过程中桥塞体处于稳定状态，一般应用于砂岩等渗透性地层，在泥页岩地层中成功运用的实例较少。Dupriest提出了通过提高裂缝闭合压力来强化地层承压能力的技术，基本原理为：1）有效隔离裂缝尖端，避免裂缝延伸；2）封堵隔墙支撑裂缝，压缩周向地层产生闭合压力。该理论与“应力笼”理论相似，一定程度上都是通过封堵体支撑裂缝，压缩周向地层，不同之处在于封堵体是堵漏材料在裂缝内部迅速失水堆积形成，不依靠裂缝内部架桥作用，从而一定程度降低了对颗粒材料强度的要求。Fuh等结合实验研究，提出钻井液中固相颗粒通过充填裂缝尖端阻止固相漏失进而形成致密封堵，通过阻止诱导裂缝和已有裂缝延伸，实现井眼强化。Oort等将“应力笼”理论和“提高裂缝闭合压力”理论统一归为井眼应力增加理论，并对两种理论的基本原理进行了分析和讨论，认为“应力笼”理论中关于裂缝长度、堵塞深度的相关假设缺乏理论基础，现场适用性不足，而“提高裂缝闭合压力”理论依赖于渗透性地层及高失水水基环境。两种理论的成功案例恰恰反映了裂缝延伸压力的提高。结合对井眼强化理论、方法、成功案例的分析，Oort等认为通过提高井眼应力来强化地层承压能力的本质在于提高裂缝的延伸压力，即通过固相材料在裂缝内部架桥封堵，隔离裂缝尖端，阻断压力向裂缝尖端传递，提高裂缝延伸压力，进而提高地层承压能力。除了进行理论研究，Oort等人还在固控系统中增设MPSRS装置（控制颗粒尺寸回收系统单元），可将固相材料从岩屑中分离、回收，再注入井中。Feng等基于断裂力学的理论分析与数值模拟，认为提高裂缝延伸压力能够有效强化井眼。Zhao等利用数值模拟方法，从井壁应力强化和抗断裂强化两方面研究了井眼强化机理，认为裂缝被有效封堵后，裂缝延伸压力显著提高。通过提高裂缝延伸压力方式提高地层承压能力，不足之处在于其主要应用于漏失发生后的堵漏。王贵将断裂力学理论引入到提高地层承压能力的研究中，基于断裂力学原理，建立了地层破裂压力模型，针对易漏失低承压地层提出了利用井壁滤饼封堵裂纹提高地层承压的“阻劈裂”理论，弥补了“应力笼”理论中对封堵位置的假设问题。赵正国在“阻劈裂”理论的基础上，建立了井壁滤饼力学模型，探讨了滤饼防漏机理，并通过实验进行了验证。通过化学方法强化井筒、预防井漏在油气井钻井中应用较多，一方面可控制钻井液与孔隙流体的矿化度差异强化井筒，另一方面可利用封堵材料的化学反应形成封堵隔墙，实现井筒强化和漏层封堵。化学堵漏具有浆液密度低、凝固时间调整范围大、固化强度高、稳定性好等诸多优点，在裂缝性漏失通道封堵中，应用较为广泛。康毅力等通过分析低承压地层漏失机理，将目前漏失性地层强化理论概括为：应力笼、阻渗带和强固环理论，建立了不同理论指导下的地层承压能力强化模型，并通过现场实例分析了各理论的应用效果。分析认为“应力笼”理论侧重于调控井周应力场，适用于裂缝欠发育的低渗-致密固结地层；“阻渗带”理论侧重于封堵漏失通道，适用于孔隙型和裂缝性地层；“强固环”理论侧重于胶结岩体软弱结构面或形成高强度结构体，适用于裂缝/孔洞性地层。二、裂缝性地层承压堵漏技术
漏失层的封堵是通过堵漏浆液来实现，堵漏浆液的设计是漏层封堵的关键。目前，关于堵漏材料架桥粒径设计理论、规则较多，不同理论有各自适用范围。常用的堵漏材料架桥设计的理论、规则有：“1/3架桥理论”、“D50规则”、“D90规则”、“理想充填”理论等。“1/3架桥理论”由Abrams提出，是指当钻井液中的颗粒材料粒度中值等于或略大于地层平均孔喉尺寸的1/3时，在裂缝表面或尖端可以形成致密泥饼，阻止钻井液中的固相和滤液进入地层。国内学者对“1/3架桥理论”进一步发展，提出了“屏蔽暂堵”理论，指出当架桥粒径与孔隙平均孔径的1/2～2/3匹配时，地层孔喉处的桥堵最稳定。“架桥理论”及“屏蔽暂堵”理论均是基于孔隙性地层提出，对裂缝性地层适用性有待验证。国内外学者应用颗粒堆积效率最大值原理，并依据大量试验结果，提出了对暂堵剂颗粒尺寸进行优选的“理想充填”理论。该理论认为，当颗粒累计体积分数与粒径的平方根即成正比时，颗粒的堆积效率达到最高，可实现颗粒的理想充填，形成滤失量极低的致密泥饼。张金波、鄢捷年等丰富了“理想充填”理论，研制了应用软件，并取得了较理想的应用效果。“D50规则”、“D90规则”是针对裂缝性地层堵漏提出来的，“D50规则”是指颗粒混合物的特征粒径D50值应接近裂缝的原始宽度，“D90规则”是指当颗粒混合物的特征粒径D90值与地层的最大孔隙直径或裂缝的最大开度相等时，封堵效果良好。由于堵漏材料粒径标示方法较多，且差异往往较大，依据“D50规则”、“D90规则”等设计的堵漏材料粒径级配区别较大。目前，对于裂缝性地层，堵漏材料粒径设计具体理论仍存在争议。分形理论在堵漏材料粒径选择中得到一定应用，但由于钻井工程中裂缝张开度大都是通过数值模拟或经验确定，其分布分形维数无法精确计算，导致分形几何理论在优化设计堵漏材料的应用受到了极大的限制。李家学研究认为，广谱的颗粒尺寸分布，有利于获得较多颗粒尺寸组合，且易封堵较大范围内的裂缝宽度，但只有合适尺寸的颗粒才能产生稳定的架桥。现有的堵漏材料粒度级配设计理论与方法，依赖于关键参数——缝宽的获取，而实际施工中，缝宽难以直接获取，导致目前堵漏材料粒度级配设计理论与方法存在应用适应性差等问题。利用堵漏实验装置，对封堵过程进行相似模拟，可以优化堵漏浆液配方，优选堵漏工艺，减少堵漏工作的盲目性。George等研制了模拟诱导裂缝的堵漏实验装置，并对纤维状、片状和颗粒状堵漏材料堵漏效果作了评价。结果表明：诱导裂缝是频繁漏失的原因；在钻井泵的可泵性允许下，有效浓度最大且具有合理级配的颗粒状堵漏材料，能有效封堵裂缝且能承受较高压差。著名的DEA-13实验即通过对30×30×30英寸砂岩上钻一个φ1.5英寸的钻孔，钻孔与与最大主应力方向平行，在不同围压状态下，通过增加钻孔内液柱压力，观察裂缝重启与延伸行为。Morita等基于上述实验结果分析，得出了水基钻井液尖端封堵效应是其封堵效果强于油基钻井液的原因，并进一步分析认为漏失压力取决于地层杨氏模量、裂缝尺寸、闭合裂缝宽度及钻井液类型等。GPRI JIP实验是在直径4英寸、高6英寸的岩样上钻取直径5/8英寸的钻孔，岩样预选造缝，研究了裂缝重启压力和不同类型封堵材料的漏失控制效果，但受限于岩样尺寸，未能评价裂缝延伸压力。
图1 MI-SWACO 裂缝封堵实验裂缝单元示意图MI-SWACO公司利用一套可控制并测量裂缝宽度变化的装置，装置形态如图1所示，进行了堵漏材料形态、级配、配比、浓度的优选及封堵墙宽度研究，认为合理级配是封堵成功的关键，高浓度堵漏材料能够封堵大漏。
