雷少飛，孫金聲,，白英睿，呂開河，張曙沛，許成元，程榮超，劉凡

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500）

0 引言

井漏是鉆井過程中鉆井液大量流入地層的現(xiàn)象。井漏不僅損耗大量鉆井液，延長鉆井周期，處理不當(dāng)還可能導(dǎo)致井塌、井噴、卡鉆等復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有 26%的油氣井存在井漏問題，每年用于堵漏的費(fèi)用高達(dá) 20億美元[2-3]。2017—2019年，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司年均井漏損失時(shí)間約占鉆井事故總損失時(shí)間的 70%，每年直接經(jīng)濟(jì)損失超40億元[4]。墨西哥灣鉆井作業(yè)中有12%的非生產(chǎn)時(shí)間由井漏導(dǎo)致；伊拉克 Rumaila油田在鉆井過程中至少有45%的井發(fā)生嚴(yán)重或失返性漏失[5-7]。隨著油氣勘探開發(fā)向深層、超深層、海洋深水等領(lǐng)域拓展，地質(zhì)條件更加苛刻，井漏問題更加突出。

為了有效控制和消除井漏問題，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了針對孔隙性和裂縫性地層的堵漏顆粒粒度優(yōu)選規(guī)則[8]。適用于孔隙性地層的封堵規(guī)則主要有1/3架橋規(guī)則[9]、理想充填理論[10-12]和Vickers準(zhǔn)則[13]等。適用于裂縫性地層的封堵規(guī)則主要有D50準(zhǔn)則[14]、Mortadha準(zhǔn)則[15]、Omid雙模準(zhǔn)則[16]等。這些規(guī)則皆從實(shí)驗(yàn)角度提出了堵漏顆粒粒徑與地層孔隙或裂縫之間的匹配關(guān)系，形成了堵漏顆粒粒徑分布優(yōu)選方法，但是仍存在封堵層形成機(jī)理不清、承壓能力不足和一次堵漏成功率較低等問題。

本文采用堵漏實(shí)驗(yàn)裝置和顆粒物質(zhì)力學(xué)方法研究裂縫性地層封堵層的形成過程，分析封堵層組成及顆粒配比，揭示封堵層形成的本質(zhì)及驅(qū)動(dòng)能量，形成堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則。依據(jù)新規(guī)則設(shè)計(jì)優(yōu)選新型堵漏材料，優(yōu)化堵漏體系。研究結(jié)果可為處理裂縫性地層漏失提供理論和技術(shù)支撐。

1 封堵層形成過程

采用可視化堵漏實(shí)驗(yàn)裝置和顆粒流（PFC）軟件，模擬了裂縫性地層封堵層的形成過程。可視化堵漏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 可視化堵漏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

封堵層形成時(shí)，堵漏體系顆粒間接觸力沿著鏈狀路徑（即力鏈）傳遞，經(jīng)歷顆粒—力鏈—封堵層的多尺度結(jié)構(gòu)變化過程[17]，宏觀上表現(xiàn)為從類流態(tài)到類固態(tài)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)封堵過程中堵漏顆粒之間的力鏈形成狀態(tài)，堵漏體系流態(tài)可以劃分為慣性流、彈性流和準(zhǔn)靜態(tài)流[18-19]。

慣性流處于封堵層形成的早期。當(dāng)堵漏顆粒進(jìn)入漏失地層裂縫時(shí)，堵漏體系在壓差的作用下以流體狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。如圖 2所示，隨著顆粒在裂縫內(nèi)不斷堆積，顆粒發(fā)生頻繁碰撞，顆粒間通過相互碰撞傳遞動(dòng)量。此時(shí)，堵漏顆粒間不能形成穩(wěn)定的力鏈，此狀態(tài)為慣性流。

圖2 慣性流可視化實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬圖

彈性流處于封堵層形成的中期。如圖 3所示，隨著顆粒繼續(xù)在裂縫內(nèi)不斷堆積，封堵層局部生成相對穩(wěn)定的力鏈，堵漏顆粒流態(tài)從慣性流轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥粤?。此時(shí)，封堵層局部雖然形成相對穩(wěn)定的力鏈，但是弱力鏈較多，仍然有許多顆粒未與其他顆粒接觸，且顆粒受到的剪切速率較高，碰撞較為劇烈。在弱力鏈中，顆粒輕微接觸，變形極小，微量切應(yīng)力就可以把弱力鏈打破（見圖4）。

圖3 彈性流可視化實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬圖

圖4 彈性流封堵層中局部堵漏顆粒的移動(dòng)和力鏈的演變（圖中不同顏色圓代表不同粒徑的堵漏顆粒，不同粗細(xì)的黑色線條代表不同強(qiáng)度的力鏈）

準(zhǔn)靜態(tài)流處于封堵層形成的晚期。如圖 5所示，隨著顆粒在裂縫內(nèi)持續(xù)架橋堆積，顆粒被擠壓到一起形成整體穩(wěn)定的力鏈，繼而形成穩(wěn)定的封堵層。此時(shí)，整個(gè)封堵層可看作是連續(xù)的固體，顆粒間力鏈中的接觸應(yīng)力與剪切速率無關(guān)，稱為準(zhǔn)靜態(tài)流。準(zhǔn)靜態(tài)流中強(qiáng)力鏈占比較大，顆粒處于自鎖狀態(tài)，可承受一定的切向力。

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)流可視化實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬圖

封堵層形成過程中的慣性流、彈性流和準(zhǔn)靜態(tài)流3種流態(tài)的轉(zhuǎn)變，涉及顆粒的碰撞、黏結(jié)、流動(dòng)等物理過程，與堵漏顆粒的粒徑、物性（剛度、黏彈性）及地層應(yīng)力等有關(guān)。因此，在制備堵漏體系時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層裂縫特征，優(yōu)選具有合適的粒徑分布、物性的堵漏材料，以達(dá)到最佳的堵漏效果。

2 封堵層堵漏顆粒的組成及配比

2.1 封堵層的組成及其作用

國內(nèi)外學(xué)者針對不同粒徑堵漏顆粒在封堵層中的作用，相繼提出了不同的堵漏機(jī)理，包括：應(yīng)力籠理論、提高裂縫閉合應(yīng)力機(jī)理和提高裂縫延伸壓力機(jī)理[20-23]。這些機(jī)理分析了不同粒徑的堵漏顆粒在裂縫入口、裂縫中部和裂縫尾部形成封堵層、提高地層承壓能力的力學(xué)機(jī)理。按照粒徑及作用可將堵漏顆粒分為封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒（見圖 6）。封端顆粒用量較少，主要在裂縫入口附近形成堵塞隔層，調(diào)控井周應(yīng)力，保護(hù)縫內(nèi)封堵層免受壓力波動(dòng)的影響。架橋顆粒對封堵成功起決定性作用，主要在裂縫中部形成架橋堵塞隔層，提高裂縫閉合應(yīng)力。填充顆粒主要有兩方面作用：①架橋顆粒形成架橋封堵后，用以填充封堵層孔隙，提高封堵層致密性；②填充顆粒粒徑較小，可在裂縫尾部形成封堵，隔離裂縫尖端，防止產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫。

圖6 防漏堵漏顆粒組成

2.2 封堵層堵漏顆粒的配比

假設(shè)封堵層中封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒分別為大小相同的球形顆粒。參照文獻(xiàn)[24-26]的計(jì)算方法，可得到堵漏顆粒的 Z-φ相圖（見圖 7）。圖中，Z為力學(xué)配位數(shù)，φ為顆粒體積分?jǐn)?shù)，X為顆粒熵壓縮率。由圖 7可知，不同熵壓縮率的Z-φ曲線組成了一個(gè)三角形區(qū)域。若封堵層中堵漏顆粒的配位數(shù)和熵壓縮率在三角形區(qū)域內(nèi)，則堵漏顆粒可形成具有一定承壓能力的封堵層，堵漏成功，否則堵漏失敗。

圖7 堵漏顆粒的Z-φ相圖

當(dāng)封堵層中封端顆粒和架橋顆粒（統(tǒng)稱粗顆粒）處于最緊密堆積狀態(tài)時(shí)，即X=0時(shí)，封堵層中粗顆粒的體積分?jǐn)?shù)為：

填充顆粒充滿粗顆粒間的孔隙，處于疏松堆積狀態(tài)，即X→∞，此時(shí)可得粗顆粒間孔隙中填充顆粒的體積分?jǐn)?shù)為：

假設(shè)封堵層的體積為 V，則粗顆粒間孔隙體積和粗顆粒體積分別為：

則填充顆粒體積為：

填充顆粒的配比，即填充顆粒體積與堵漏顆?？傮w積之比為：

將（1）—（5）式代入（6）式可得，堵漏體系中填充顆粒的配比約為 25%，則封端顆粒和架橋顆粒的總配比約為75%。

3 封堵層形成機(jī)理及破壞驅(qū)動(dòng)能量

3.1 封堵層形成機(jī)理

封堵層的形成是堵漏材料由無相互作用的無剛性類液體體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢嗷プ饔玫膭傂苑蔷?Jammed固態(tài)的過程，同時(shí)保持液態(tài)的無序結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是一種非平衡的Jamming相態(tài)轉(zhuǎn)變。

如果只考慮相互作用中純排斥部分，在一定的地層壓力下，封堵層Jamming態(tài)顆粒體積分?jǐn)?shù)存在一個(gè)特殊的狀態(tài)點(diǎn)，通常被稱作 J點(diǎn)，此時(shí)所有的顆粒都剛好接觸，如圖 8所示。當(dāng)堵漏顆粒體積分?jǐn)?shù)小于 J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)時(shí)，堵漏顆粒之間沒有形成穩(wěn)定的接觸。當(dāng)堵漏顆粒體積分?jǐn)?shù)增大至 J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)時(shí)，堵漏材料剛好完全接觸，封堵層形成；隨著漏失過程的進(jìn)行，堵漏顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，堵漏顆粒之間相互交疊形成貫穿系統(tǒng)的力鏈網(wǎng)，從而形成具有一定力學(xué)剛度的致密固體封堵層。J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)可由下式計(jì)算得到：

圖8 堵漏顆粒Jamming相態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖

對于三維純排斥無摩擦相互作用的球形顆粒封堵層，堵漏顆粒體系Jamming相圖如圖9a所示。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于 J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)時(shí)，堵漏顆粒體系呈類流體狀態(tài)。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)大于 J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)時(shí)，堵漏顆粒體系像非晶固體一樣，所有顆粒都自鎖在力鏈中無法自由移動(dòng)。

實(shí)際上，堵漏顆粒有剛性顆粒、彈性顆粒、纖維顆粒等多種類型，顆粒物性（摩擦系數(shù)、黏彈性等）也各不相同。因此，在封堵層形成過程中，堵漏顆粒間除了純排斥力，還有摩擦力、黏結(jié)力等相互作用力。堵漏顆粒間摩擦力、黏結(jié)力等相互作用力會(huì)降低 J點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)[25]，促使堵漏顆粒在漏失通道內(nèi)迅速形成封堵層，J點(diǎn)會(huì)變成一個(gè)由J線包圍的區(qū)域，如圖9b所示。隨著摩擦力和黏結(jié)力的增加，堵漏顆粒由非Jamming態(tài)轉(zhuǎn)化為 Jamming態(tài)所需的顆粒體積分?jǐn)?shù)隨之下降，封堵層形成的時(shí)間也會(huì)隨之縮短。因此，在進(jìn)行防漏堵漏作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇摩擦系數(shù)較大和具有黏結(jié)特性的凝膠或樹脂顆粒，加快封堵層的形成，有效減少鉆井液漏失。

圖9 堵漏顆粒體系Jamming相圖

3.2 封堵層破壞驅(qū)動(dòng)能量

相對于固體物質(zhì)，堵漏顆粒組成的封堵層在較小的擾動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生較大的非線性響應(yīng)。在熱平衡態(tài)下，固體物質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)能對自由能的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熵，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能主要由內(nèi)能的極小值決定。但是，堵漏顆粒的內(nèi)能比溫度與熵的乘積小很多，平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)由熵的極大值決定[27]。堵漏顆粒體系熵偏離極大值時(shí)所產(chǎn)生的力為熵力，堵漏顆粒對外界微擾的響應(yīng)由這種熵力驅(qū)動(dòng)[28]。堵漏顆粒間以接觸力相互作用，組成一個(gè)系統(tǒng)，在封堵層形成過程中，堵漏顆粒流態(tài)由慣性流、彈性流轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)流，進(jìn)入由顆粒熵表征的無序狀態(tài)[29]。

配位數(shù)是堵漏顆粒體系內(nèi)中每個(gè)顆粒周圍與其接觸的平均顆粒數(shù)。配位數(shù)小于 2的顆粒對封堵層承壓能力基本無貢獻(xiàn)。在一定的孔隙度條件下，配位數(shù)主要受堵漏顆粒間摩擦系數(shù)、地層裂縫維度等影響。堵漏顆粒的摩擦系數(shù)一般為0.1～1.0，在此區(qū)間內(nèi)堵漏顆粒的配位數(shù)隨摩擦系數(shù)增大出現(xiàn)顯著下降趨勢[26]。圖10為堵漏顆粒熵隨配位數(shù)的變化關(guān)系，可以看出，堵漏顆粒熵與配位數(shù)呈負(fù)相關(guān)。因此，進(jìn)行防漏堵漏作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇摩擦系數(shù)較大的堵漏材料，使堵漏顆粒體系熵達(dá)到極大值，從而使封堵層呈現(xiàn)最穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 堵漏顆粒熵隨配位數(shù)的變化關(guān)系

圖11為堵漏顆粒熵隨熵壓縮率和顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。由圖 11a可知，熵壓縮率越大，顆粒堆積越疏松，堵漏顆粒熵越小，封堵層越不穩(wěn)定。由圖11b可知，堵漏顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，封堵層越致密，堵漏顆粒熵越大，封堵層越穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)堵漏材料時(shí)應(yīng)選擇合理的封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒粒徑級配，添加適量橡膠、凝膠等彈性顆粒，使堵漏顆粒處于最密實(shí)狀態(tài)，堵漏顆粒熵極大化，從而使封堵層呈現(xiàn)最穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 堵漏顆粒熵隨熵壓縮率（a）和顆粒體積分?jǐn)?shù)（b）的變化關(guān)系

4 堵漏材料優(yōu)選及配方優(yōu)化

4.1 堵漏顆粒粒徑、加量與裂縫的匹配關(guān)系

通過大量剛性顆粒優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選核桃殼顆粒，采用金屬模擬巖樣和真實(shí)裂縫巖樣（直徑25 mm，長50 mm），進(jìn)行承壓堵漏實(shí)驗(yàn)，以揭示顆粒粒徑、鉆井液中堵漏顆粒加量與裂縫寬度的匹配關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)所用儀器為青島同春 TCP-2高溫高壓堵漏儀。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將巖心放置于巖心夾持器中，加圍壓1～2 MPa。②將準(zhǔn)備好的堵漏顆粒體系加入中間容器。③設(shè)置上下游壓力，調(diào)整初始壓差為 1 MPa，30 s之后打開巖心夾持器下游出液口。④記錄出液口的漏失量，當(dāng)漏失量為零時(shí)，保持當(dāng)前壓力10 min。若在10 min之內(nèi)再次發(fā)生漏失，則記錄漏失時(shí)間和漏失量，當(dāng)漏失量為零后，再穩(wěn)壓10 min。⑤穩(wěn)壓10 min之后，加壓 0.5～1.0 MPa。⑥重復(fù)步驟①—⑤，直至封堵失敗，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

表 1為顆粒加量（顆粒質(zhì)量與鉆井液質(zhì)量之比）為8%時(shí)不同粒徑堵漏顆粒承壓堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯侣╊w粒在模擬巖樣和裂縫巖樣中的承壓能力基本吻合，但由于裂縫巖樣表面粗糙，存在一定的迂曲度，堵漏顆粒在裂縫巖樣中的承壓能力比在模擬巖樣中稍大。圖12為不同粒徑堵漏顆粒封堵效果圖。圖13為不同粒徑、不同加量下堵漏顆粒在模擬巖樣中的承壓能力。由表1、圖12、圖13可知，當(dāng)核桃殼顆粒粒徑滿足0.7 W＞d≥0.6 W時(shí)，容易在裂縫端口架橋封端，裂縫內(nèi)基本無封堵層，在裂縫端口承壓能力可達(dá)11.1 MPa；當(dāng)核桃殼顆粒粒徑滿足 0.6 W＞d≥0.3 W時(shí)，顆?？梢员３州^高的濃度進(jìn)入裂縫內(nèi)，形成較為致密的封堵層，承壓能力最高可達(dá)9.88 MPa；當(dāng)核桃殼顆粒粒徑滿足0.3 W＞d≥0.2 W時(shí)，顆粒在裂縫內(nèi)不易形成架橋堆積，封堵層基本不承壓。因此，堵漏顆粒粒徑滿足2/3 W≥d≥1/3 W時(shí)，封堵效果較好，可作為封堵層的架橋顆粒；堵漏顆粒粒徑滿足d＜1/3 W時(shí)，基本無承壓能力，可作為封堵層的填充顆粒；堵漏顆粒粒徑滿足W≥d＞2/3 W時(shí)，在裂縫端口承壓能力較高，可作為封端顆?！，F(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鉆井液防漏堵漏體系中添加少量的封端顆?？梢员Ｗo(hù)封堵層，提高封堵層承壓能力[15,30]。

圖12 不同粒徑堵漏顆粒封堵效果圖（左邊為金屬模擬巖樣，右邊為真實(shí)裂縫巖樣）

圖13 不同粒徑、不同加量下堵漏顆粒在模擬巖樣中的承壓能力

表1 顆粒加量8%時(shí)不同粒徑堵漏顆粒的承壓堵漏能力

圖14為不同配方、不同加量下堵漏顆粒在模擬巖樣中的承壓能力，具體配方如表2所示。由圖14、表2可知，當(dāng)堵漏體系中全部為填充顆粒時(shí)，大部分鉆井液漏失，基本無承壓封堵能力。當(dāng)堵漏體系中全部為架橋顆粒時(shí)，可在裂縫中形成穩(wěn)定架橋，但是封堵層不致密，承壓能力可達(dá)10.02 MPa。當(dāng)堵漏體系中架橋顆粒、填充顆粒的配比為 75%，25%時(shí)，可形成較為致密的封堵層，承壓能力可達(dá)12.61 MPa。當(dāng)堵漏體系中添加封端顆粒時(shí)，承壓能力顯著提高。當(dāng)封端顆粒配比較低時(shí)，其保護(hù)封堵層效果有限；當(dāng)封端顆粒配比較高時(shí)，封端顆粒在裂縫端口堵塞，影響架橋顆粒進(jìn)入裂縫形成封堵層；當(dāng)封端顆粒配比為10%時(shí)，封堵層承壓能力最高，可達(dá)18.53 MPa。因此，對于模擬巖樣，當(dāng)架橋顆粒、填充顆粒、封端顆粒的配比約為65%，25%，10%時(shí)，堵漏顆粒體系的承壓封堵能力最佳。

圖14 不同配方、不同加量下堵漏顆粒在模擬巖樣中的承壓能力

表2 顆?？偧恿繛?%時(shí)不同類型堵漏顆粒復(fù)配的承壓堵漏能力

4.2 堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則

根據(jù)封堵層形成過程、堵漏顆粒組成及配比、封堵層形成機(jī)理及破壞驅(qū)動(dòng)能量、承壓堵漏實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，提出如下裂縫性地層堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則。

①堵漏顆粒的粒徑和配比。應(yīng)選擇 10%封端顆粒（W≥d＞2/3 W）、65%架橋顆粒（2/3 W≥d≥1/3 W）和25%填充顆粒（d＜1/3 W），即當(dāng)顆粒粒度分布滿足W≥D90≥2/3 W，D25≥1/3 W時(shí)，可形成具有較高承壓能力的封堵層。

②堵漏顆粒物性。架橋顆粒應(yīng)選擇表面摩擦系數(shù)較大、形狀不規(guī)則的材料，封端顆粒和填充顆粒應(yīng)選擇具有一定黏彈特性的材料（橡膠或凝膠等）。

4.3 本文規(guī)則與其他規(guī)則的承壓堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)本文提出的裂縫性地層堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則，優(yōu)選了架橋顆粒LCM-A，制備了封端顆粒和填充顆粒LCM-B。LCM-A具有較大的不規(guī)則性、高摩擦系數(shù)、高抗溫抗壓能力。LCM-B在地層高溫激活下具有較強(qiáng)的黏彈特性，既可以作為填充材料提高封堵層致密性，又可自適應(yīng)封堵裂縫端口或黏結(jié)架橋顆粒。采用高溫高壓裂縫巖心堵漏儀，基于不同堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則配制顆?？偧恿繛?%的鉆井液堵漏體系（見表3），開展承壓堵漏實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

表3 基于不同堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則的堵漏體系顆粒粒徑

Vickers準(zhǔn)則和Mortadha準(zhǔn)則均選擇了封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒作為堵漏配方，但是 3種顆粒之間配比不合理。1/3架橋規(guī)則和理想充填理論沒有明確封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒的配比和作用，更適合用于孔隙封堵。D50準(zhǔn)則主要選擇封端顆粒作為封堵材料，容易在裂縫端口架橋聚集，顆粒不易進(jìn)入裂縫形成有效的封堵層。而本文提出的堵漏顆粒優(yōu)選規(guī)則明確了封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒的配比和作用，優(yōu)選了堵漏顆粒的加量和粒徑級配，配制的堵漏體系封堵效果和封堵層承壓能力明顯優(yōu)于其他規(guī)則，累計(jì)漏失量可減少至80 mL，承壓能力高達(dá)18.6 MPa（見圖15），有效提高了裂縫封堵效果。

圖15 基于不同堵漏顆粒規(guī)則的承壓堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

鉆井液漏失通道中封堵層的形成過程經(jīng)歷顆?！︽湣w系的多尺度結(jié)構(gòu)變化過程，宏觀上表現(xiàn)為從慣性流、彈性流到準(zhǔn)靜態(tài)流的流態(tài)變化過程。Jamming相態(tài)轉(zhuǎn)變是堵漏顆粒從無相互作用的無剛性類液體體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛袆傂缘姆蔷amming固態(tài)的非平衡轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，是封堵層形成的本質(zhì)特征。封堵層中顆粒對地層壓力的響應(yīng)由熵力驅(qū)動(dòng)，熵的極大值取決于堵漏材料的摩擦系數(shù)、配位數(shù)以及熵壓縮率等。

設(shè)計(jì)鉆井液堵漏體系時(shí)，應(yīng)優(yōu)選封端顆粒、架橋顆粒和填充顆粒的粒徑和配比，建議顆粒粒度分布滿足W≥D90≥2/3 W，D25≥1/3 W。還應(yīng)考慮堵漏顆粒物性。架橋顆粒應(yīng)選擇表面摩擦系數(shù)較大、形狀不規(guī)則的材料，封端顆粒和填充顆粒應(yīng)選擇具有一定黏彈特性的材料，以實(shí)現(xiàn)快速致密封堵。

符號(hào)注釋：

d——顆粒粒徑，m；D10，D25，D50，D75，D90——粒度分布曲線上累計(jì)概率 10%，25%，50%，75%，90%對應(yīng)的粒徑，m；R——孔隙直徑，m；Rave——平均孔隙直徑，m；Rmax——最大孔隙直徑，m；Rmin——最小孔隙直徑，m；S——堵漏顆粒熵，J/K；V——封堵層體積，m3；Vcs——封堵層中封端顆粒和架橋顆粒的總體積，m3；Vcs,J——J點(diǎn)對應(yīng)的封堵層中封端顆粒和架橋顆粒的總體積，m3；Vcv——封堵層中粗顆粒（封端顆粒和架橋顆粒）間的孔隙體積，m3；Vfs——封堵層中填充顆粒的體積，m3；Vfs,J——J點(diǎn)對應(yīng)的封堵層中填充顆粒的體積，m3；W——裂縫寬度，m；X——堵漏顆粒熵壓縮率，無因次；Z——力學(xué)配位數(shù)，無因次；φ——封堵層中堵漏顆粒體積分?jǐn)?shù)，%；φ0——堵漏顆粒剛進(jìn)入漏失通道時(shí)的體積分?jǐn)?shù)，%；φc——封堵層中封端顆粒和架橋顆粒的總體積分?jǐn)?shù)，%；φf——粗顆粒（封端顆粒和架橋顆粒）間孔隙中填充顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%；φJ(rèn)——J點(diǎn)對應(yīng)的封堵層顆粒體積分?jǐn)?shù)，%；φp——堵漏體系中填充顆粒的配比，%。