石秉忠，胡旭輝，高書陽，徐 江，林永學(xué)

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國石油冀東油田分公司井下作業(yè)公司，河北唐山063200）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，油氣鉆井過程中，90%的井壁失穩(wěn)發(fā)生在泥頁巖地層，其中硬脆性泥頁巖占了三分之二［1］。硬脆性泥頁巖層理、微裂縫發(fā)育，鉆井液濾液侵入后極易引起巖體的分散和剝落，導(dǎo)致嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)。因此，必須有效強(qiáng)化鉆井液的封堵能力。由于缺乏有效的封堵評價方法，無法準(zhǔn)確評價封堵劑對頁巖微細(xì)孔縫的封堵效果，對封堵機(jī)理認(rèn)識也不足。目前鉆井液封堵技術(shù)仍以經(jīng)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)及定性判定相結(jié)合為主，封堵能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，不能解決液相侵入導(dǎo)致的地層坍塌壓力增大問題。專家學(xué)者先后提出了三分之二架橋規(guī)則［2－3］、屏蔽暫堵分形理論［4－5］、理想充填理論、D90暫堵新方法［6－11］和廣譜暫堵技術(shù)［12－14］，但實(shí)際應(yīng)用中未體現(xiàn)出顯著效果。

目前，對于泥頁巖微裂縫的封堵評價方法一直沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行鉆井液封堵劑和體系配方封堵效果評價試驗(yàn)的方法主要有劈裂巖樣人造裂縫模擬法、劈裂巖樣結(jié)合鋼塊套筒法、割裂鋼塊模擬裂縫法、鋼片疊加巖心模擬法［15］等，都是對巖石裂縫的直接模擬，對評價封堵劑和鉆井液封堵能力有一定的指導(dǎo)作用，但存在重復(fù)性差，無法從微觀角度來深入分析研究封堵劑的封堵機(jī)理、評價優(yōu)選適配的封堵劑和鉆井液體系配方。因此，筆者改進(jìn)了現(xiàn)有試驗(yàn)研究手段，研制了可視化微裂縫封堵能力模擬評價儀，實(shí)現(xiàn)了直觀和量化研究的有機(jī)結(jié)合。

1 試驗(yàn)儀器

根據(jù)裂縫開度大小可分為大裂縫、小裂縫、微裂縫、毛細(xì)裂縫和隱縫。微裂縫和毛細(xì)裂縫在泥頁巖地層中普遍存在。裂縫性巖體的井壁穩(wěn)定性較差［16］，頁巖地層井壁穩(wěn)定性尺度效應(yīng)明顯，不同尺度條件下井壁圍巖裂縫擴(kuò)展機(jī)制各異［17］。

在前人研究的基礎(chǔ)上，自主研制了可視化微裂縫封堵能力評價儀，主要由加壓部分、盛液部分、裂縫模擬部分和儀表部分組成（見圖1）。其中，裂縫模板是利用高精度激光刻蝕工藝技術(shù)，在長方形高強(qiáng)度、高透明、平整光滑的鋼化玻璃面中間部位精密刻蝕出各種微米級裂縫寬度的模擬縫。裂縫表面微觀上是粗糙不平的，可以很好地模擬真實(shí)泥頁巖裂縫面的情況（見圖2），制備得到高透明的模擬裂縫模塊，并配備同樣規(guī)格的無刻縫的玻璃作為蓋板。

圖1 微裂縫封堵可視化試驗(yàn)流程Fig.1 Test procedure of sealing evaluation of microfracture model

試驗(yàn)方法：1）根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模贫ǔ鲈囼?yàn)的項(xiàng)目及條件參數(shù)；2）選擇好封堵材料及試驗(yàn)?zāi)０澹?）將配制好的封堵漿放入盛液器中，裝入模板并連接好管線；4）施加一定的圍壓和驅(qū)替壓力，確保圍壓大于驅(qū)替壓力0.5～1.0MPa；5）記錄最高承壓，并觀察封堵效果；6）改變驅(qū)替壓力、模板、封堵材料、粒徑及配制濃度等參數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)；7）對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖2 三維裂縫表面微觀形貌Fig.2 3Dfracture surface morphology

功能特點(diǎn)：1）可視化模擬有利于宏觀和微觀分析研究鉆井液封堵劑封堵效果和封堵機(jī)理；2）裂縫設(shè)計(jì)寬度在10～100μm，不同寬度的裂縫可任意組合，更符合不同寬度微裂縫并存的實(shí)際地層，便于系統(tǒng)性試驗(yàn)研究；3）刻蝕面具有一定的粗糙度，模擬的裂縫更為真實(shí)，克服了用地層巖心造縫的難度，清洗后可重復(fù)使用；4）采用高強(qiáng)度材料可避免因圍壓產(chǎn)生應(yīng)變對模擬裂縫寬度的影響；5）模擬裂縫模板放于可施加環(huán)向壓力的夾持器膠套內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、安全。

因此，該評價試驗(yàn)儀能夠既真實(shí)地模擬泥頁巖微裂縫，又能實(shí)現(xiàn)封堵效果可視化評價試驗(yàn)研究，并可結(jié)合可視化成像分析技術(shù)和封堵劑粒度分布測量結(jié)果對各種鉆井液封堵劑的封堵機(jī)理、效果進(jìn)行深入研究，用于更好地研發(fā)和優(yōu)選鉆井液封堵劑，提高鉆井液對裂隙的封堵能力［18］，為解決裂縫性泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題提供技術(shù)支持。

2 模塊裂縫寬度的試驗(yàn)測定

刻蝕出來的裂縫表面是凹凸起伏的面。因此，首先應(yīng)準(zhǔn)確確定模塊的縫寬。為了提高測量精度，采用試驗(yàn)測定法。

假設(shè)模板的滲濾面積為A，模板裂縫長度為c，縫寬為b，縫深度即模板的長度為a，并且裂縫的寬度b和長度c不隨著深度a變化（見圖2），由布辛列克方程可知，流過單位長度裂縫流體的量為：

則通過長度為c裂縫的流量為：

引入裂縫巖石滲透率Kf：

由達(dá)西定理可得，巖石的滲透率為：

由Kf＝K，即：

得縫寬公式為：

式中：Q為單位時間內(nèi)的流量，m3／s；μ為液體黏度，Pa·s；Kf為裂縫巖石的滲透率，D；Δp為滲濾壓差，Pa；a為裂縫的深度，m；b為裂縫寬度，m；c為裂縫的長度，m。

用微裂縫封堵能力評價試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，流體從模板的一端泵入微裂縫中，測量5min內(nèi)清水通過各個微裂縫的濾失量。為減小試驗(yàn)誤差，設(shè)定1.0和1.5MPa兩個試驗(yàn)壓差，每個壓差下每個微裂縫模板重復(fù)做3次，求其平均值，通過上述公式可計(jì)算出2個壓差下的縫寬，然后求其平均值，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，模板上的裂縫均屬于微裂縫，表明裂縫模板能夠模擬微米級的裂縫。

表1 各模板的微裂縫寬度Table 1 The aperture of each microfracture models

3 微裂縫封堵評價試驗(yàn)材料

微裂縫封堵能力涉及因素眾多，試驗(yàn)重點(diǎn)分析了單一材料對微裂縫的封堵效果和封堵規(guī)律，然后，再評價不同材料復(fù)合對微裂縫的封堵效果。

剛性封堵顆粒選擇實(shí)際封堵作業(yè)中常用、且來源廣泛的超細(xì)碳酸鈣顆粒，5種不同粒徑分布的超細(xì)碳酸鈣顆粒分別編號為碳酸鈣顆粒A、B、C、D和E，用激光粒度分布測量儀測量碳酸鈣顆粒粒度分布（見圖3）。從圖3可以看出，碳酸鈣顆粒A、C和E的粒徑分布為單峰分布，B和D的粒徑分布為雙峰分布，粒徑分布范圍由窄到寬依次為A、B、C、E和D。

圖3 不同碳酸鈣顆粒粒徑分布Fig.3 The particle size distribution of calcium carbonate

可變形顆粒選擇自主研制的聚合物溶脹微粒，該微?？刹糠秩苡谒哂休^強(qiáng)的封堵降濾失作用。

通過試驗(yàn)優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的黃原膠溶液作為懸浮劑，黃原膠溶液可以很好地懸浮碳酸鈣顆粒，1h內(nèi)不發(fā)生沉降。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 剛性顆粒封堵試驗(yàn)

封堵液配方為清水＋0.1%XC＋1%（或2%，3%，4%）碳酸鈣顆粒A（或B，C，D，E）。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%黃原膠溶液，然后將稱量好的碳酸鈣顆粒加入溶液中，再攪拌20min。

將選好的裂縫模板裝到模塊夾持器中，將配制好的封堵液緩緩倒入盛液器中，然后將管線連接好。圍壓加至4.0MPa，封堵壓差0.5MPa，并保持0.5MPa的壓差，記錄10min內(nèi)的濾失量。然后將封堵壓差增至1.0MPa，并保持壓差，記錄10min內(nèi)的濾失量。重復(fù)以上步驟，直至封堵壓差增至2.5MPa，記錄10min內(nèi)的濾失量。然后將封堵壓差卸掉，將圍壓卸掉。取出封堵模板，觀察顆粒在裂縫中的分布情況并記錄。然后換一個微裂縫模板，重復(fù)以上操作。得到各個封堵膠溶液在各個微裂縫下的濾失量，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.1.1 壓差

將同一裂縫、同一封堵顆粒的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的濾失量相加為總的濾失量，得到濾失量和壓差的關(guān)系曲線（見圖4）。

圖4 不同壓差下不同碳酸鈣顆粒對微裂縫的封堵效果Fig.4 The sealing effect of calcium carbonate at different pressure differentials

從圖4可以看出：濾失量與壓差之間不是線性關(guān)系。大部分情況下，開始壓差較小時，沒有濾失或?yàn)V失量很小，當(dāng)壓差達(dá)到某一值后，濾失量突然增大。這是因?yàn)殚_始時封堵液在裂縫處形成封堵層，阻止濾失。隨著壓力的增大，形成的封堵層被部分破壞，濾失量突然增大。從圖4也可以看出，部分情況下壓差增大濾失量反而減小，這是由于在較小壓差下沒有形成完好的封堵層，隨著封堵液進(jìn)入裂縫，顆粒堆積增多，壓差增大，封堵層被進(jìn)一步壓實(shí)，強(qiáng)度增大，能夠抵抗更高的壓力。

4.1.2 封堵顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將同一裂縫、同一封堵顆粒的不同壓差下的濾失量相加，得到總的濾失量，得到濾失量和顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線（見圖5）。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同碳酸鈣顆粒對微裂縫的封堵效果Fig.5 The sealing effect of calcium carbonate at different mass fractions

圖5表明，當(dāng)封堵液中沒有封堵顆粒時，濾失量很大；向封堵液中加入封堵顆粒，可以顯著減小濾失量；但隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，有些情況濾失量降低，有些情況下濾失量先增大后降低，有些情況下濾失量基本不變，說明不同粒徑的碳酸鈣顆粒封堵效果差別較大。

4.1.3 粒徑

將同一封堵顆粒、同一裂縫下，不同壓差、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的濾失量相加得濾失量總和，得到封堵顆粒對微裂縫的封堵效果（見表2），再找到各個微裂縫的寬度值在粒徑累計(jì)分布曲線上的對應(yīng)的值（見表3）。

由表2和表3可看出：對微裂縫封堵效果由好到差依此為D、E、B、A和C；與粒度分布范圍由大到小順序一致，由此可以看出，粒徑范圍分布廣的封堵效果較好；整體來看，雙峰分布碳酸鈣顆粒D、B的封堵效果好于單峰分布的E、A和C；當(dāng)微裂縫寬度值為顆粒粒徑分布曲線上的D50～D58時，封堵效果較好。

表2 不同顆粒粒徑下的總濾失量Table 2 The total amount of filtration with different particle sizes

4.1.4 封堵位置

分析微裂縫封堵層的位置發(fā)現(xiàn)，封堵層位置主要在裂縫端口處、微裂縫內(nèi)部喉道處和微裂縫內(nèi)部非喉道處（見圖6）。微裂縫內(nèi)部喉道處形成的封堵層穩(wěn)定，非常致密，承壓能力強(qiáng)，封堵效果較好。

表3 微裂縫寬度在顆粒粒徑累計(jì)分布曲線上對應(yīng)的值Table 3 The corresponding value of aperture of microfracture on the particle size distribution

圖6 微裂縫封堵位置Fig.6 Sealing position in microfracture

4.2 可變形顆粒封堵試驗(yàn)

封堵液配方為清水＋0.1%（或0.3%，0.5%，0.7%）溶脹微粒，試驗(yàn)方法同上。

4.2.1 壓差

將同一壓差、同一裂縫在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的濾失量相加得到總濾失量，得到壓差和總濾失量的關(guān)系曲線（見圖7）。結(jié)果表明，隨著壓差增大，通過微裂縫的濾失量呈增大趨勢。在壓差小于2MPa時，濾失量與壓差近似線性關(guān)系；當(dāng)壓差達(dá)到2.5MPa后，濾失量明顯增大。

圖7 不同壓差下溶脹微粒對微裂縫的封堵效果Fig.7 The sealing effect of swelling particles at different pressures

4.2.2 封堵顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)、同一裂縫在不同壓差下的濾失量相加得到總濾失量，得到壓差和總濾失量的關(guān)系曲線（見圖8）。結(jié)果表明，當(dāng)聚合物溶脹微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，濾失量較大；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.3%時，濾失量明顯減??；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，濾失量基本為零；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時，所試驗(yàn)的1＃—7＃裂縫模板濾失量全部為零。因此，合理的聚合物溶脹微粒封堵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.7%。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶脹微粒對微裂縫的封堵效果Fig.8 The sealing effect of swelling particles at different mass fractions

5 結(jié) 論

1）濾失量與壓差不呈線性關(guān)系，當(dāng)壓差達(dá)到某一值后，濾失量會突然增大。

2）粒徑分布范圍廣的顆粒封堵效果比粒徑分布范圍窄的顆粒封堵效果好。

3）當(dāng)微裂縫寬度值為顆粒粒徑分布曲線上的D50～D58時，能取得較好的封堵效果，且微裂縫內(nèi)部喉道處形成的封堵層封堵效果最好。

4）硬脆性泥頁巖微裂縫封堵涉及到的影響因素較多，還需進(jìn)一步深入研究。

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