提高屏蔽環承壓能力實驗研究

劉加杰 ，鐘穎,，張浩

（1.四川鹽業地質鉆井大隊，四川 自貢 643000；2.成都理工大學能源學院，成都 610000）

1 屏蔽暫堵技術

1.1 簡介

屏蔽暫堵技術是根據儲層孔喉尺寸及其分布規律，在鉆至目的層前20～50m將鉆井液中的固相顆粒調整到與之相匹配，即加入高純度、超細目、多級配的剛性架橋、充填粒子和變形粒子等固相顆粒，有意識地在很短時間內在地層距井壁很小的距離內產生高強度的暫時堵塞，使滲透率急劇下降，從而有效地阻止鉆井液繼續侵入地層[1]。屏蔽暫堵技術最初是用于石油天然氣鉆井中對油氣儲層進行保護，防止儲層傷害，近年這一技術也被廣泛應用于鉆井施工中防漏堵漏。由于屏蔽暫堵技術對鉆井施工過程中設備要求較低，且成本便宜堵漏效果好，被廣泛使用。

1.2 暫堵劑

屏蔽暫堵技術的物理模型示意圖見圖1。圖1為一個理想孔喉中的顆粒堵塞情況。顆粒在孔喉中的堵塞在一定的條件下遵循“選擇性架橋,逐級填充”的過程。

1）架橋粒子的架橋

圖中最大的顆粒為架橋粒子，單個架橋粒子隨鉆井液相進入油層，在流經孔喉時：若r粒r孔，則沉積在孔喉外；r粒/r孔若為1/3～2/3，則在孔喉處卡住，成為架橋。

2）填充粒子的填充

圖1 屏蔽暫堵物理模型

架橋粒子架橋后，孔喉孔隙大量減小，鉆井液中更小一級粒子卡在更小喉道處，這一過程不斷重復，這一過程叫單粒逐級填充。這時堵塞帶的滲透率取決于鉆井液中最小一級粒子的粒級，但滲透率不會為零。

3）變形粒子的作用

如果鉆井液中僅有剛性顆粒作為架橋和填充粒子，仍會留下形狀不規則的微間隙（如圖中的黑色部分），暫堵帶的滲透率不會為零。這就需要引入屏蔽暫堵最關鍵的顆粒外形在一定的溫度條件下可變的軟化變形顆粒。當最小粒級的粒子是可變形時，就會嵌入不規則的微間隙，則堵塞帶的滲透率可接進于零。

2 實驗研究

通過對比普通堵漏鉆井完井液（簡稱普通鉆井液）和改進后堵漏鉆井完井液（加強鉆井液）在實驗裝置堵漏模擬試驗裝置儀（CWCTAcid-Ⅰ型）所形成屏蔽環的承壓能力，完成此次實驗研究[2]。

2.1 普通鉆井液實驗研究

2.1.1 巖芯及普通鉆井液參數

選取實驗用致密砂巖巖心造縫后抽真空，飽和水48h待用，巖心基本參數見表1。

表1 普通鉆井液實驗巖樣清單

表2 普通鉆井液屏蔽環強度實驗結果表

2.1.2 實驗程序

1）屏蔽環形成：①巖樣人工造縫后抽真空，飽和地層水48h；②測巖樣的正向地層水滲透率Kw；③在高溫高壓酸溶解堵評價儀上，用非滲透鉆井液對巖樣進行反向損害作用 60min（鉆井液溫度 80℃，壓差為3.5MPa，圍壓7.5MPa），并計量單位時間內的濾液體積；④在較低流壓下，正向地層水驅（返排）。找出突破壓力 Pd，記錄返排壓力 Pi及巖樣滲透率 Kwi；⑤增大流壓返排，計算其滲透率恢復值Kf=Kwi/Kw×100%；

2）屏蔽環的強度：①同（1）中①～③；②在流壓分別為 4MPa，5MPa、7MPa、10MPa、12MPa、15MPa，用地層水反向測定巖樣濾失量。并計量出各流壓點上10min的鉆井完井液累積濾失體積；計算此時的巖樣滲透率Ki及屏蔽環暫堵率Zd=（Kw-Ki）/Kw×100%。

2.1.3 實驗結果及分析

實驗對6塊巖樣進行了屏蔽環強度實驗（測試屏蔽環所能承受的鉆井正壓差）。實驗結果如下表2、圖2所示。

圖2 不同裂縫寬度下巖樣屏蔽環強度曲線

從以上實驗結果可看出：原漿對于縫寬在W=1μm～600μm之間所形成的屏蔽環強度有高有低。整體上看當縫寬W＜50μm時，屏蔽環的強度能夠達到15MPa以上，從而滿足現場鉆井施工作業要求。但是，當縫寬W＞50μm時，所形成的屏蔽環的強度不足10MPa，明顯強度不夠，不能滿足現場的施工作業要求。分析其原因如下：

表3 加強鉆井液實驗巖樣清單

表4 加強后屏蔽環強度實驗評價表

由于原漿本身所形成的屏蔽環是由聚合物處理劑在巖樣的裂縫端面處聚集形成膠束或膠團等軟性粒子來封堵架橋，形成的屏蔽環很薄。這就造成在巖樣的端面裂縫口處很容易被破壞，因而強度不夠。這為后期的鉆井液的性能改造提供了依據，因此在普通液中加入了CaCO3和纖維來提高屏蔽環強度。

2.2 加強泥漿實驗研究

2.2.1 實驗材料（表3）

2.2.2 實驗結果及分析

屏蔽環強度實驗（測試屏蔽環所能承受的鉆井正壓差）。實驗結果如表4所示。

從表4實驗結果可看出：改性后的鉆井液對于縫寬在W=1μm～600μm之間所形成的屏蔽環強度有顯著的提高。整體上看，進行1h的屏蔽環形成之后，屏蔽環的強度均能夠達到15MPa以上，從而滿足現場鉆井施工作業要求。顯而易見，是由于通過加入的CaCO3和0.3%纖維提高了屏蔽環的強度，從而使實驗達到了預期效果。

圖3 不同裂縫寬度下巖樣屏蔽環強度曲線

3 結論與建議

本文借助屏蔽暫堵原理，通過對普通鉆井液進行改良，利用巖芯造縫技術在實驗室內進行承壓實驗，得出如下結論和建議：

1）普通鉆井完井液能夠快速有效地對縫寬在1～600μm之間的巖樣形成致密的屏蔽環，但裂縫高于100μm時，強度低于10MPa。

2）通過改造后的鉆井液，對不同寬度的巖樣多次實驗后，強度值均大于15MPa，強度得到了大大的提高。

3）在常規地層鉆井施工過程中，通過對裂縫寬度的預測，可以隨鉆加入CaCO3等架橋粒子、填充粒子和變形粒子來加強鉆井液的封堵能力，有效防漏堵漏并減低施工風險。

[1] 徐同臺, 趙敏，熊友明，等. 護油氣層技術（第二版）[M]. 石油工業出版社, 2009.

[2] 劉大偉. 鉆井液完井液屏蔽環重復形成的實驗模擬[J]. 鉆井液與完井液, 2005(06): 26～29.