閆 晶

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

0 引言

自20世紀60年代，人們開始運用實驗室手段模擬地層的漏失情況。最初的評價手段以API堵漏評價儀為主，而后，人們考慮了裂縫表面的形態(tài)、粗糙度等漏失通道特征。國外防漏堵漏室內(nèi)評價模擬裝置較為先進，可以在模擬井底溫度及壓力等條件下，全尺寸動態(tài)模擬防漏堵漏作用效果。如N. Kaageson-Loe等報道了在兩塊平行帶孔金屬板之間填充不同粒徑的粒子來模擬不同滲透率的裂縫壁面，模塊的規(guī)格為250、500、1000 μm[1]。OFI公司使用過濾介質(zhì)為不同目數(shù)的砂盤或瓷片，最小模擬縫寬為14 μm，工作壓差最大28 MPa，需要配備高溫高壓滲透性封堵儀[2]。國內(nèi)80年代中期開始也相繼研制或參照國外經(jīng)驗改進了一批堵漏評價實驗裝置，常見的堵漏模擬實驗大多都是狹縫、彈子床或滾珠、砂床模擬的動態(tài)靜態(tài)堵漏實驗，除此之外，部分儀器還能夠進行夾持巖心進行堵漏實驗和堵漏過程模擬實驗，如西南石油大學的高溫高壓鉆井液漏失動態(tài)評價儀，模塊裂縫開度規(guī)格為1～10 mm[1]；石秉忠等采用高精度激光刻蝕工藝技術，在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，裂縫開度10～100 μm[3]；陳良制作了金屬縫板，通過尺規(guī)和螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)，鐵塊能夠模擬20～100 μm的微裂縫，深度為5 mm[4]；徐同臺等提出釆用高溫高壓濾失儀，通過砂床和泥餅模擬井壁內(nèi)外泥餅的封堵效果[5]；岳前升、向興金等利用低滲人造巖心和切片金屬巖心模擬硬脆性泥頁巖微裂縫；馮學榮設計了組合型裂縫漏床，采用不同配件的組合應用，模擬出不同張開度、橫截面形狀、孔喉錐度、粗糙度的漏層[6]；李春霞等利用現(xiàn)有的HTHP鉆井液濾失儀進行開發(fā)，采用石英砂粒的填集來模擬破碎性地層，代替專用進口儀器對鉆井液和完井液封堵效果進行評價實驗[7]。

N. Kaageson-Loe所述的模擬方法，以粒子填充在金屬板中的方式模擬裂縫，以及陳良設計的金屬縫板，均存在縫面光滑、裂縫開度規(guī)格少的不足；OFI公司使用的砂盤或瓷片進行模擬，解決了縫面粗糙度的問題，但模擬的是孔隙度和滲透率，不能較好的模擬孔縫，且需要額外配備價格高昂的高溫高壓滲透性封堵儀；西南石油大學進行了動態(tài)漏失模擬，然而裂縫開度僅為毫米級；石秉忠模擬了具有一定表面粗糙度的微米級裂縫，然而使用巖心夾持器具有誤差大、重復性差的缺點。上述方法在裂縫開度和模擬方法方面，存在模擬程度差、裂縫開度規(guī)格少、實驗誤差大、重復性差，而且一些儀器操作相對過于復雜等不足，尤其針對微裂縫模型有一定的局限，因此，室內(nèi)開展了封堵評價用微裂縫巖心的模擬實驗，對人造裂縫進行了有效開度測量和微觀觀察，并通過室內(nèi)實驗驗證了該人造微裂縫可以用于鉆井液封堵材料的封堵性能評價。

1 微裂縫封堵評價方法建立

根據(jù)高溫高壓失水儀的溫度壓力控制原理，結合OFI高溫高壓滲透性封堵儀，設計加工長度分別為5 cm和10 cm巖心套和可以承壓的泥漿杯，利用高溫高壓失水儀的內(nèi)六角螺絲固定巖心套，采用膠圈密封泥漿杯和巖心套。裝置工作溫度室溫～260 ℃，工作壓力0～10 MPa，評價裝置如圖1所示。通過監(jiān)測30 min內(nèi)漏失量來評價封堵劑對微裂縫的封堵效果。

2 微裂縫巖心模擬實驗

將水泥與水按一定比例混合，并進行充分攪拌，將長度為10～20cm，寬度為2～3cm，不同厚度和組合的造縫用軟質(zhì)鋁箔片固定在巖心套中，澆筑攪拌均勻的水泥，澆筑完成放入40 ℃恒溫恒濕條件下進行養(yǎng)護。利用水泥的堿性和鋁箔遇堿易腐蝕的性質(zhì)，在水泥固化的同時完成微裂縫的制作。表1為相同尺寸不同厚度的鋁箔在水泥堿性相當?shù)娜芤褐型耆g所需的時間，圖2為厚度20 μm的鋁箔在水泥堿性相當?shù)娜芤褐械母g情況。

圖1 微裂縫封堵評價裝置示意圖

表1 鋁箔完全腐蝕用時

圖2 鋁箔腐蝕前后對比圖

從表1和圖2可以看出，鋁箔在堿性溶液中會完全腐蝕，腐蝕時間隨著鋁箔片厚度的增加由16 min增長至79 min，小于水泥完全固化所需時間，可以制造出不同寬度的微裂縫。

3 微裂縫巖心有效縫寬驗證

由于膠凝材料的固化時間大于金屬箔片的腐蝕時間，金屬箔片腐蝕過程中，膠凝材料會繼續(xù)流動并占據(jù)一定的金屬箔片的空間，因此，模擬的巖心裂縫開度小于所用金屬箔片的厚度，需要對巖心的有效縫寬進行驗證。

求取裂縫巖心的寬度時，一種是薄片分析法，沒有考慮裂縫內(nèi)流體的流動，另一種是利用高爾夫-拉特經(jīng)驗公式，沒有考慮裂縫表面的微觀特性、機械寬度和水力學開度，難以準確反映裂縫的真實流動特性。論文采用了微觀觀察法和流量計算法。流量計算法考慮裂縫表面是凹凸不平的，用傳統(tǒng)的幾何方法難以準確地反映出本質(zhì)特征，因此使用分形幾何法描述巖石裂縫表面[8-16]。

3.1 微觀觀察法

應用金相顯微鏡對論文制作的巖心裂縫有效開度進行微觀觀察，見圖3。模擬的巖心裂縫表面具有一定的粗糙度，裂縫開度處于微米級別，與設計相符。

圖3 微裂縫顯微照片

3.2 流量計算法

巖石斷面具有分形特征，考慮裂縫中流體的流動，根據(jù)Navier-Stokes(N-S)方程、質(zhì)量守恒方程和達西定律，推導出裂縫流動的有效開度模型[8]，見公式(1)。

(1)

式中：h——裂縫有效開度，μm；Q——縫內(nèi)流體單位時間的流量，mL/s；μ——流體的粘度，mPa·s；L——裂縫行程，mm；ω——裂縫寬度，mm；ε——裂縫粗糙度校正系數(shù)，無量綱；ΔP——流體流動方向的壓力梯度，MPa。

根據(jù)以上數(shù)學模型，通過設計組裝的封堵評價裝置(圖1)，計算出微裂縫的有效開度h。室內(nèi)模擬制作了20 μm內(nèi)開度的微裂縫，數(shù)據(jù)見表2。

表2 流量計算法驗證微裂縫開度實驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，模擬的巖心裂縫開度小于所用金屬箔片的厚度，微裂縫的開度重復率較高，可以模擬出20 μm內(nèi)開度的微裂縫。

通過以上方法驗證了微裂縫巖心的開度和形態(tài)與地層裂縫巖心相近，表明文中所述的制作方法是可行有效的。

4 鉆井液封堵劑對微裂縫的封堵性能評價實驗

采用圖1的封堵評價裝置，將儀器預熱至所需實驗溫度，檢查并更換老化的密封件，擰緊與泥漿杯連接的閥桿，將加入封堵劑的鉆井液倒入泥漿杯中，放入帶有微裂縫的巖心套，使用密封圈密封，并用內(nèi)六角頂絲固定，倒置在高溫高壓失水儀套筒上，插入溫度計，連接并調(diào)節(jié)好氣源至所需壓差，待溫度升至所需溫度，開通氣源，進行封堵性能評價實驗，時長30 min，記錄1 min及每5～10 min漏失量，對各數(shù)據(jù)點畫圖并進行回歸，可得瞬時漏失量，利用公式(2)計算出總漏失量，用來評價鉆井液封堵劑對不同寬度裂縫的封堵性能。

V=Vsp+2V30

(2)

式中：V——總漏失量，mL；Vsp——瞬時濾失量，mL；V30——30 min漏失量，mL。

室內(nèi)對裂縫有效開度為0～100 μm的人造微裂縫巖心進行了封堵實驗，實驗數(shù)據(jù)見表3和圖4。

表3 鉆井液封堵劑對微裂縫的封堵性能評價實驗

圖4 鉆井液封堵劑對微裂縫的封堵效果

從表3和圖4可以看出，室內(nèi)實驗和線性回歸的瞬時漏失量相差較大，30 min漏失量數(shù)據(jù)相近，通過線性回歸可以計算出最終的總漏失量，小于封堵實驗用鉆井液體積，說明加入封堵劑后的鉆井液對微裂縫具有一定的封堵作用，評價鉆井液封堵性能的方法是可行有效的。

5 結論

(1)設計加工了加長巖心套，配合高溫高壓濾失儀建立了一套微裂縫封堵評價方法，裝置工作溫度室溫～260 ℃，工作壓力0～10 MPa。

(2)使用膠凝材料和固化劑制備出了裂縫開度0～100 μm、裂縫行程5～10 cm的微裂縫，通過微觀觀察和流量計算兩種方法表明制作的微裂縫開度、粗糙度和縫面形態(tài)與設計相符。

(3)該方法適用于100 μm內(nèi)裂縫的人工模擬，由于厚度>100 μm的鋁箔在膠凝材料介質(zhì)中腐蝕用時較長，在膠凝材料固化后鋁箔仍未完全腐蝕，目前采用的是插拔方式，人為誤差較大，大于100 μm的微裂縫模擬仍需要摸索。

(4)利用微裂縫封堵評價裝置，通過監(jiān)測30 min內(nèi)漏失量可評價鉆井液封堵劑對微裂縫的封堵效果。

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