許成元，張敬逸，康毅力，徐鋒，林沖，閆霄鵬，經(jīng)浩然，商翔宇

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，成都 610500；2. 中國石油國際勘探開發(fā)有限公司，北京 100034；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100086；4. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

0 引言

裂縫性儲(chǔ)集層工作液漏失控制是鉆井工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。井漏不僅會(huì)消耗大量工作液和堵漏材料，直接造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)增加非生產(chǎn)時(shí)間，延長鉆井周期，影響勘探開發(fā)進(jìn)程，甚至還會(huì)誘發(fā)卡鉆、井塌、井噴等事故，儲(chǔ)集層段漏失則嚴(yán)重妨礙油氣及時(shí)發(fā)現(xiàn)，大幅降低油氣產(chǎn)量[1-2]。深井超深井的高溫、高壓、高地應(yīng)力儲(chǔ)集層條件，進(jìn)一步增加了工作液漏失控制和漏失損害解除的難度[3-5]。

為了達(dá)到裂縫性儲(chǔ)集層工作液漏失控制與儲(chǔ)集層保護(hù)的要求，國內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論建模、數(shù)值模擬等手段做了大量研究。針對(duì)按成因分類的誘導(dǎo)破裂型、裂縫擴(kuò)延型和大中裂縫型漏失，提出了調(diào)控井周應(yīng)力、封堵漏失通道和提高巖體強(qiáng)度方法[6-9]。調(diào)控井周應(yīng)力方法通過提高井周切向應(yīng)力、裂縫閉合應(yīng)力和裂縫延伸壓力，來達(dá)到防止地層破裂和避免天然非致漏裂縫進(jìn)一步開啟的目標(biāo)，主要針對(duì)誘導(dǎo)破裂型和裂縫擴(kuò)延型漏失，堵漏材料粒度設(shè)計(jì)時(shí)更強(qiáng)調(diào)封堵層形成效率；封堵漏失通道方法依靠物理或化學(xué)材料形成致密高強(qiáng)度封堵層，封堵裂縫漏失通道，主要針對(duì)裂縫擴(kuò)延型和大中裂縫型漏失，堵漏材料粒度設(shè)計(jì)時(shí)更強(qiáng)調(diào)封堵層強(qiáng)度和承壓穩(wěn)定性；提高巖體強(qiáng)度方法通過使用化學(xué)材料形成高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)體，主要針對(duì)大中裂縫型漏失。這些工作液漏失控制方法的有效實(shí)施均需依靠裂縫封堵層來建立井筒液柱壓力與地應(yīng)力場(chǎng)、地層壓力場(chǎng)的平衡。通過使用可解除物理材料形成封堵層是裂縫性儲(chǔ)集層最常采用的堵漏方式，兼顧儲(chǔ)集層保護(hù)與漏失控制，要求裂縫封堵時(shí)滿足快速架橋、致密封堵、高強(qiáng)承壓[10-12]。否則，封堵層形成前過高的漏失量或低強(qiáng)度封堵導(dǎo)致的重復(fù)性漏失，均會(huì)加劇漏失損害程度、擴(kuò)大損害范圍，導(dǎo)致漏失損害難以解除[13-14]。因此，裂縫封堵效率與封堵強(qiáng)度是決定裂縫性儲(chǔ)集層工作液漏失控制和儲(chǔ)集層保護(hù)效果的關(guān)鍵。裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成與演化機(jī)制決定裂縫封堵效率與封堵強(qiáng)度，但是目前仍缺少對(duì)裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成與演化機(jī)制的系統(tǒng)研究。

本文采用耦合CFD-DEM（計(jì)算流體力學(xué)-離散元）方法，利用自主研制的封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)表征光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成與承壓演化過程，揭示裂縫封堵層幾何、力學(xué)結(jié)構(gòu)形成與演化機(jī)制，提出堵漏材料優(yōu)選與堵漏配方設(shè)計(jì)新方法。設(shè)計(jì)優(yōu)選新型高封堵強(qiáng)滯留堵漏材料，并優(yōu)化堵漏配方。研究成果可為提高裂縫性儲(chǔ)集層保護(hù)和漏失控制效果提供理論及技術(shù)依據(jù)。

1 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成機(jī)制模擬

1.1 物理模型與基本參數(shù)

耦合計(jì)算流體力學(xué)與離散元方法的 CFD-DEM 方法是模擬裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成過程的有效手段。根據(jù)塔里木盆地深層裂縫性儲(chǔ)集層裂縫幾何特征，選用楔形裂縫作為裂縫模型的幾何形態(tài)，裂縫入口和出口寬度分別設(shè)定為3 mm和1 mm，裂縫長度設(shè)定為50 mm，接近室內(nèi)實(shí)驗(yàn)常用裂縫模塊尺寸。裂縫幾何模型如圖1所示。

圖1 裂縫幾何模型

本文 CFD-DEM 模擬中，堵漏材料相關(guān)參數(shù)依據(jù)裂縫性儲(chǔ)集層最常用的方解石類堵漏材料進(jìn)行設(shè)置，堵漏材料摩擦系數(shù)采用COF-1型堵漏材料表面摩擦系數(shù)測(cè)量裝置[5]測(cè)得。流體相關(guān)參數(shù)依據(jù)塔里木盆地深井鉆井液性能參數(shù)和深井裂縫性地層鉆井液漏失速率確定。堵漏材料和鉆井液基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 堵漏材料和鉆井液基礎(chǔ)參數(shù)

1.2 CFD-DEM耦合模擬方法與模型驗(yàn)證

耦合 CFD-DEM 模擬方法分為解析方法和非解析方法，解析方法的顆粒尺寸明顯大于流體計(jì)算單元（見圖2），運(yùn)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格使局部網(wǎng)格細(xì)化（見圖2），進(jìn)而可對(duì)顆粒周圍流場(chǎng)和顆粒受力進(jìn)行更詳細(xì)的求解，精確計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)行為[15]。本文研究裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，需特別關(guān)注堵漏材料的微觀架橋和封堵行為，因此采用解析方法開展模擬。解析 CFD-DEM 方法的計(jì)算域由流體域和顆粒域組成[16]。

圖2 解析CFD-DEM方法顆粒及流體網(wǎng)格示意圖

對(duì)于流體域部分，解析 CFD-DEM 模擬方法的流體控制方程（Navier-Stokes方程）、邊界條件、初始條件以及流體-顆粒耦合條件如下[17]。

流體連續(xù)性方程：

流體運(yùn)動(dòng)方程：

流體域邊界條件：

流體域初始條件：

流體-顆粒界面耦合條件：

對(duì)于顆粒域部分，在考慮每個(gè)顆粒與周圍其他顆粒及固體邊界間的相互作用力的條件下計(jì)算每個(gè)顆粒的軌跡。顆粒的運(yùn)動(dòng)包括平移和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，顆粒的平移加速度和角加速度基于相應(yīng)的動(dòng)量平衡計(jì)算得到。根據(jù)牛頓第二定律，顆粒i的平移控制方程為：

顆粒j作用于顆粒i的轉(zhuǎn)矩由切向力矩和滾動(dòng)摩擦力矩兩部分組成。根據(jù)歐拉第二運(yùn)動(dòng)定律，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ii的顆粒i的轉(zhuǎn)動(dòng)控制方程表示為：

耦合計(jì)算過程中，顆粒所占據(jù)的流體計(jì)算域需要細(xì)致的網(wǎng)格分辨率，為取得較精確的模擬結(jié)果，流體計(jì)算單元特征長度與顆粒直徑之比需不超過 1/10[18]。為提高計(jì)算效率，應(yīng)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格對(duì)顆粒所占據(jù)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。當(dāng)顆粒移動(dòng)后，之前所占據(jù)的網(wǎng)格又恢復(fù)粗化。CFD和 DEM的耦合通過流體和顆粒之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換來完成。CFD-DEM耦合的具體流程如圖3所示。

圖3 CFD-DEM耦合流程

為了驗(yàn)證 CFD-DEM 耦合模型的可靠性，利用所建立的模擬方法進(jìn)行了一系列顆粒沉降問題模擬，沉降區(qū)域的大小是25dp×25dp×250dp。球體初始位置位于頂面幾何中心，高度約240dp，共模擬了 10種不同粒徑的顆粒。將顆粒沉降數(shù)值模擬結(jié)果與Concha[19]推導(dǎo)出的顆粒沉降速度方程計(jì)算結(jié)果及Lapple和Shepherd[20]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了本文模擬方法的可靠性（見圖4）。

圖4 顆粒沉降模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中方程計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.3 裂縫封堵過程模擬結(jié)果及討論

1.3.1 材料粒徑及加量對(duì)裂縫封堵效率的影響

堵漏材料架橋是裂縫封堵的關(guān)鍵，架橋發(fā)生后后續(xù)材料逐漸填充堆積，進(jìn)而形成裂縫封堵層。架橋材料加量和粒度分布是決定裂縫內(nèi)架橋和堵漏配方設(shè)計(jì)的重要因素。圖 5表明，堵漏材料加量一定時(shí)，材料粒徑與裂縫寬度的比值（R值）直接決定了裂縫封堵效率。在堵漏材料加量為 5%（體積分?jǐn)?shù)），摩擦系數(shù)為0.8的條件下，R值取0.5，0.6和0.7時(shí)，模擬過程中裂縫出口不斷有顆粒流出，裂縫內(nèi)未能形成有效封堵；隨著R值提高到0.8，一段時(shí)間后裂縫出口端無顆粒流出，裂縫內(nèi)形成封堵層。R值越大，形成封堵需要的時(shí)間越短，裂縫封堵效率越高。

圖5 材料粒徑對(duì)裂縫封堵效率的影響（堵漏材料加量為5%，摩擦系數(shù)為0.8）

堵漏材料加量是堵漏配方設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，模擬中用體積分?jǐn)?shù)表示，即材料體積與堵漏漿體積之比。加量主要影響顆粒之間相互作用，隨著材料加量增加，顆粒之間相互作用增強(qiáng)，架橋發(fā)生的可能性增加。顆粒的架橋行為是一個(gè)概率性事件，由粒徑與裂縫寬度比值、加量等因素共同決定[21-22]。裂縫封堵效率體現(xiàn)為顆粒形成架橋所需的時(shí)間，本質(zhì)上取決于架橋發(fā)生的概率，即架橋概率。圖6表明，在R值為0.7、摩擦系數(shù)為0.8的條件下，當(dāng)材料加量為5%時(shí)，裂縫出口不斷有顆粒流出，裂縫內(nèi)無法發(fā)生架橋；當(dāng)材料加量增加到 10%及以上時(shí)，顆粒之間相互作用增強(qiáng)，架橋概率增加。材料加量越大，形成封堵需要的時(shí)間越短，裂縫封堵效率越高。

圖6 材料加量對(duì)裂縫封堵效率的影響（堵漏材料粒徑與裂縫寬度的比值為0.7，摩擦系數(shù)為0.8）

1.3.2 臨界與絕對(duì)架橋加量

堵漏材料在裂縫內(nèi)的架橋行為具有隨機(jī)性，架橋概率用于表征裂縫封堵過程中堵漏材料在裂縫中發(fā)生架橋封堵的難易程度?；?CFD-DEM 模擬方法，架橋概率定義為：

基于架橋概率與材料加量的關(guān)系提出了臨界架橋加量與絕對(duì)架橋加量概念（見圖 7）。當(dāng)材料加量較低時(shí)，無法發(fā)生架橋，即架橋概率為零；當(dāng)材料加量增加到某一臨界值后，開始有一定概率發(fā)生架橋，此加量即為臨界架橋加量；隨著材料加量繼續(xù)增加，架橋概率也逐漸上升，當(dāng)架橋概率達(dá)到100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的加量即為絕對(duì)架橋加量；當(dāng)材料加量高于絕對(duì)架橋加量時(shí)，裂縫內(nèi)一定發(fā)生架橋，即架橋概率為100%。

圖7 堵漏材料臨界和絕對(duì)架橋加量示意圖

R值是影響臨界與絕對(duì)架橋加量的關(guān)鍵因素。圖8表明，在摩擦系數(shù)為0.8的條件下，隨著R值的增加，臨界與絕對(duì)架橋加量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?；谂R界架橋加量和絕對(duì)架橋加量可將圖8分成3個(gè)區(qū)域。當(dāng)材料加量和R值位于紅色區(qū)域時(shí)，Pb=0，架橋不會(huì)發(fā)生；當(dāng)材料加量和R值位于黃色區(qū)域時(shí)，0＜Pb＜100%，有一定概率發(fā)生架橋；當(dāng)材料加量和R值位于藍(lán)色區(qū)域時(shí)，Pb=100%，架橋必然發(fā)生。臨界和絕對(duì)架橋加量指標(biāo)為架橋材料加量設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，綜合考慮裂縫封堵效率和堵漏材料經(jīng)濟(jì)性，架橋材料加量下限應(yīng)大于臨界架橋加量，上限應(yīng)略大于絕對(duì)架橋加量（考慮到架橋材料粒度降級(jí)等額外消耗）。

圖8 不同材料粒徑與裂縫寬度之比、不同加量下架橋概率圖版（摩擦系數(shù)為0.8）

1.3.3 材料形狀、粒徑與絕對(duì)架橋加量的關(guān)系

形狀是表征材料外形的重要參數(shù)，裂縫封堵過程中形狀影響材料摩擦系數(shù)從而影響裂縫封堵效率[23]。Xie等[24]通過改變材料摩擦系數(shù)來分析非球形顆粒在狹小通道處的架橋行為。圖9表明，在不同R值條件下，絕對(duì)架橋加量均隨材料摩擦系數(shù)的增加而降低；當(dāng)R值大于 0.8時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)絕對(duì)架橋加量和材料架橋行為的影響較?。浑S著R值的降低，摩擦系數(shù)的影響越來越顯著。通過增加材料的不規(guī)則程度和滑動(dòng)/滾動(dòng)摩擦系數(shù)，可有效降低絕對(duì)架橋加量，提高裂縫封堵效率。

圖9 不同摩擦系數(shù)下絕對(duì)架橋加量隨材料粒徑與裂縫寬度之比的變化關(guān)系

1.3.4 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成機(jī)制

架橋是裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成的第一步，也是關(guān)鍵的一步，架橋形成后，材料在架橋的基礎(chǔ)上進(jìn)一步堆積填充，封堵層致密性和強(qiáng)度逐漸提高。本文通過分析材料加量、R值、形狀/摩擦系數(shù)等因素的影響，揭示了楔形裂縫內(nèi)材料架橋機(jī)理，如圖10所示。當(dāng)R≥1時(shí)，發(fā)生單粒架橋。當(dāng)0.7≤R＜1時(shí)，靠前的兩顆粒首先呈一定角度在裂縫內(nèi)架橋，后續(xù)顆粒又進(jìn)一步滯留形成穩(wěn)定架橋，即順序雙粒架橋。單粒架橋和順序雙粒架橋的發(fā)生主要受材料粒徑主導(dǎo)。隨著粒徑進(jìn)一步減小，當(dāng)0.5≤R＜0.7時(shí)，架橋以平行雙粒架橋和多粒架橋?yàn)橹?。?dāng)R＜0.5時(shí)，裂縫內(nèi)只發(fā)生多粒架橋。平行雙粒架橋和多粒架橋均受材料粒徑和摩擦力共同主導(dǎo)。隨著R值的降低，材料絕對(duì)架橋加量升高，架橋由粒徑主導(dǎo)向粒徑-摩擦力共同主導(dǎo)轉(zhuǎn)化。在設(shè)計(jì)堵漏配方時(shí)，優(yōu)先選取能夠發(fā)生單粒架橋和順序雙粒架橋的R值。但是在應(yīng)對(duì)毫米—厘米級(jí)的裂縫寬度時(shí)，架橋材料粒徑過大往往會(huì)造成堵漏漿泵送困難或井下工具無法使用的問題。在這種情況下，只能首先確定可滿足堵漏漿泵送要求和井下工具正常使用的R值，然后根據(jù)R值確定絕對(duì)架橋加量，通過增加材料加量或提高材料摩擦系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)高效封堵。

圖10 楔形裂縫內(nèi)材料架橋機(jī)理

堵漏材料進(jìn)入裂縫后，經(jīng)歷運(yùn)移、架橋、填充而形成裂縫封堵層，封堵層幾何結(jié)構(gòu)形成的快慢由架橋主導(dǎo)的裂縫封堵效率決定。而裂縫封堵層形成后的強(qiáng)度與承壓演化機(jī)制則由封堵層力學(xué)結(jié)構(gòu)，即細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)所決定（見圖11）。本文將通過開展光彈實(shí)驗(yàn)來分析裂縫封堵層結(jié)構(gòu)演化機(jī)制。

圖11 裂縫封堵層幾何結(jié)構(gòu)與力學(xué)結(jié)構(gòu)

2 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)演化光彈實(shí)驗(yàn)

裂縫封堵層具有多尺度結(jié)構(gòu)，封堵承壓過程中材料相互接觸形成接觸力網(wǎng)絡(luò)，即細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成封堵層細(xì)觀尺度[25]。細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性受微觀尺度堵漏材料性能參數(shù)影響，并決定宏觀封堵層強(qiáng)度。細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)是分析裂縫封堵層結(jié)構(gòu)承壓演化機(jī)制的最佳切入點(diǎn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

光彈實(shí)驗(yàn)法通過光學(xué)干涉原理反映顆粒體系中接觸力的分布，在顆粒物質(zhì)力學(xué)、巖土力學(xué)、巖石力學(xué)等領(lǐng)域用于研究材料體系內(nèi)部應(yīng)力分布問題，是表征裂縫封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)的有效方法[26]。剪切失穩(wěn)是裂縫封堵層最普遍的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)方式[27]。

基于光彈實(shí)驗(yàn)原理，采用自主研制的表征裂縫封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)的光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見圖12），研究裂縫封堵層形成后在垂向和剪切載荷作用下裂縫封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化行為。該系統(tǒng)裂縫面為透明有機(jī)玻璃板，裂縫開度為5 mm，縫面尺寸為260 mm×260 mm，水平剪切帶寬度為 20 mm，最大剪切深度為 10 mm。該系統(tǒng)能施加垂向載荷、水平剪切載荷，可模擬封堵層剪切失穩(wěn)模式。實(shí)驗(yàn)材料為聚碳酸酯，其具有光學(xué)靈敏度和透明度高、室溫下蠕變小等優(yōu)勢(shì)[28]。

圖12 表征封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)的光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[28]

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.2.1 裂縫封堵層結(jié)構(gòu)承壓演化機(jī)制

裂縫封堵層剪切過程中壓力變化如圖13所示，選取A、B、C、D這4個(gè)加壓點(diǎn)進(jìn)行分析，各壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)光彈圖像如圖14所示。圖14中越亮部分表示接觸力越大，可以看出，力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化是宏觀封堵層受力變化的細(xì)觀響應(yīng)。根據(jù)光彈圖像像素點(diǎn)的平均平方灰度梯度可計(jì)算各顆粒之間接觸力大小[29]。將大于平均接觸力的力鏈定義為強(qiáng)力鏈。光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)力鏈占比與封堵層受力大小呈現(xiàn)很好的正相關(guān)性（見圖13）。因此，強(qiáng)力鏈占比是評(píng)價(jià)細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

圖13 裂縫封堵層剪切過程中壓力變化

圖14 4個(gè)壓力點(diǎn)下封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)光彈圖像

2.2.2 裂縫封堵層細(xì)觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化

進(jìn)一步對(duì)比了裂縫封堵層剪切過程中不同材料形狀、摩擦與流體環(huán)境、材料類型、封堵層孔隙度對(duì)應(yīng)的細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)力鏈占比與封堵層最高承壓能力（見表 2）。結(jié)果表明，不同參數(shù)條件下較高的強(qiáng)力鏈占比均對(duì)應(yīng)較高的封堵層承壓能力。通過降低材料圓球度，增加摩擦系數(shù)，加入彈性材料，提高封堵層致密性，可有效優(yōu)化裂縫封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高封堵層強(qiáng)度與承壓穩(wěn)定性。采用該光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以強(qiáng)力鏈占比為指標(biāo)，可形成堵漏材料評(píng)價(jià)新方法。

表2 不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的裂縫封堵層細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 新型堵漏材料優(yōu)選與配方優(yōu)化

采用本文提出的CFD-DEM模擬與光彈實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合堵漏材料性能參數(shù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法[30]，可形成堵漏材料優(yōu)選與堵漏配方優(yōu)化新方法，有效指導(dǎo)堵漏材料設(shè)計(jì)、優(yōu)選與堵漏配方優(yōu)化。根據(jù)裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成與演化機(jī)制，設(shè)計(jì)優(yōu)選了新型高封堵強(qiáng)滯留堵漏材料 LCM-K3，該材料具有低圓球度、高摩擦系數(shù)（達(dá)1.45）、高抗溫抗壓能力（200 ℃、30 MPa下D90降級(jí)率小于10%）。采用高溫高壓全直徑巖心裂縫堵漏儀開展堵漏實(shí)驗(yàn)，裂縫模塊入口寬度8 mm、出口寬度5 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與使用常規(guī)方解石類架橋材料LCM-D4相比，使用LCM-K3最大承壓能力明顯增加，有效提高了裂縫封堵強(qiáng)度（見表3、圖15）。需要說明的是，表 3各配方中的材料加量為用材料質(zhì)量與原漿體積之比表示的加量，其單位為 g/mL，例如，5%表示 0.05 g/mL。

表3 裂縫封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖15 不同配方最大承壓能力[30]

在新型堵漏材料優(yōu)選的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依據(jù)絕對(duì)架橋加量指標(biāo)優(yōu)化架橋材料加量，提高裂縫封堵效率。針對(duì) 1-1#配方進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)材料和裂縫參數(shù)開展模擬，確定Cav為 3.1%，并根據(jù)（9）式換算得對(duì)應(yīng)的Cam為 0.052 g/mL，在配方中用 5.2%表示。設(shè)置梯度加量配方2-0#—2-3#，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，配方中架橋材料加量過低時(shí)，無法高效形成封堵層，堵漏漿持續(xù)漏失，當(dāng)材料加量為0.055 g/mL，即超過Cam時(shí)，累計(jì)漏失量顯著降低，裂縫封堵效率明顯提高（見表3、圖16）。

圖16 不同配方累計(jì)漏失量

4 結(jié)論

顆粒架橋是裂縫封堵層結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵，架橋概率是影響裂縫封堵效率的本質(zhì)因素。臨界架橋加量與絕對(duì)架橋加量指標(biāo)可作為架橋材料加量設(shè)計(jì)的依據(jù)，隨著絕對(duì)架橋加量的增加，顆粒架橋模式由粒徑主導(dǎo)向粒徑-摩擦力共同主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

細(xì)觀力鏈網(wǎng)絡(luò)是裂縫封堵層結(jié)構(gòu)承壓演化的內(nèi)在機(jī)制，并決定宏觀封堵層強(qiáng)度，堵漏材料幾何、力學(xué)參數(shù)通過影響強(qiáng)力鏈占比影響封堵層承壓穩(wěn)定性。

室內(nèi)裂縫封堵實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)本文研究結(jié)果優(yōu)選新型高封堵強(qiáng)滯留堵漏材料，優(yōu)化堵漏配方，可有效改善裂縫封堵效率與封堵強(qiáng)度，提高深層裂縫性儲(chǔ)集層工作液漏失控制效果。

符號(hào)注釋：

Cam——用材料質(zhì)量與原漿體積之比表示的絕對(duì)架橋加量，g/mL；Cav——用材料體積與堵漏漿體積之比表示的絕對(duì)架橋加量，%；dp——顆粒直徑，m；D90——累計(jì)粒度分布曲線上累計(jì)頻率達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，m；fpf,i——顆粒i與流體間相互作用力矢量，N；fpp,ij——顆粒i與顆粒j間相互作用力矢量，N；g——重力加速度矢量，m/s2；i——顆粒編號(hào)；Ii——顆粒i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；j——所有與顆粒i存在相互作用力的顆粒編號(hào)；mi——顆粒i的質(zhì)量，kg；Mpf,i——流體作用于顆粒i的力矩，N·m；Mr,ij——顆粒j作用于顆粒i的滾動(dòng)摩擦力矩，N·m；Mt,ij——顆粒j作用于顆粒i的切向力矩，N·m；n——與顆粒i有相互作用力的顆粒的總數(shù)；?n——顆粒的外法向向量；N——總算例（事件）數(shù)；Nb——發(fā)生架橋的算例（事件）數(shù)；p——壓力，Pa；Pb——架橋概率，%；R——材料粒徑與縫寬之比；t——時(shí)間，s；tp——作用于顆粒表面的流體的牽引矢量；u0——流體初始速度矢量，m/s；uf——流體速度矢量，m/s；up——顆粒速度矢量，m/s；ub——邊界速度矢量，m/s；vi——平移速度矢量，m/s；x——位置坐標(biāo)，m；μf——流體黏度，Pa·s；ρf——流體密度，kg/m ；ρp——架橋材料密度，g/mL；σ——流體內(nèi)的應(yīng)力張量；ωi——顆粒i的角速度，rad/s。