泥頁巖微裂縫模擬新方法及封堵評價實驗

楊決算， 侯杰

泥頁巖微裂縫模擬新方法及封堵評價實驗

楊決算， 侯杰

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

楊決算，侯杰.泥頁巖微裂縫模擬新方法及封堵評價實驗[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）：45-49.

YANG Juesuan, HOU Jie.A new method of simulating micro fractures in shale and plugging evaluation experiment[J].Drilling Fluid&Completion Fluid，2017，34（1）：45-49.

目前泥頁巖微裂縫模擬方法較多，但都存在一定局限性，且不能真實模擬高溫高壓下泥巖與鉆井液接觸后水化分散過程。針對該難題，在對平滑鋼塊模擬法、砂床封堵實驗法、劈裂巖樣人造裂縫模擬法和透明鋼化玻璃模擬法進行分析的基礎上，采用干法鉆取取樣巖心以獲得標準巖心柱，對巖心柱進行造縫，并在巖心縫面墊上不同厚度的錫紙，模擬寬度為10～100 μm的微裂縫；將巖心柱放入夾持器中，與動態失水儀相連，可形成一套泥巖微裂縫封堵能力評價裝置。介紹了封堵評價實驗裝置的組裝和實驗操作步驟，及其功能和優點，給出了微裂縫縫寬的推導公式，并通過精確測量數據換算出了等效裂縫寬度。室內實驗表明，該微裂縫模擬方法有精度高、重復性好等優點。研究結果表明，該方法及評價裝置不僅能模擬泥頁巖與外來液相接觸后的水化分散、膨脹等過程，還能真實模擬井底高溫高壓條件下鉆井液對微裂縫的封堵情況，為深入研究微裂縫的封堵機理、封堵材料優選及鉆井液配方優選提供可靠的實驗方法和數據支撐。

硬脆性泥頁巖；微裂縫；井壁穩定；取樣巖心；封堵能力

在鉆井過程中，泥頁巖地層占所鉆總地層的70%，90%以上的井壁失穩問題都發生在泥頁巖地層，而其中大約三分之二的井壁失穩問題又發生在硬脆性泥頁巖地層。這是由于硬脆性泥頁巖微裂縫發育，黏土遇水后不僅發生水化膨脹，黏土顆粒還會隨流體發生運移，特別是受到鉆井液等外來流體侵入和外力作用后，微裂縫會發生“水力尖劈”作用，使裂縫延伸、縫寬變大，甚至會導致泥頁巖內部裂縫相互貫通，造成井塌、井漏和井眼報廢等嚴重事故。要解決此類技術難題，必須研制具有強封堵能力的鉆井液體系，這就要求有一套可靠的泥頁巖微裂縫模擬方法和封堵能力評價裝置。目前微裂縫模擬方法主要有砂床封堵實驗、平滑鋼塊模擬等方法，這些方法為強封堵性鉆井液的研制發揮了一定作用，但都存在著一定的局限性。筆者在對地層取樣巖心柱造縫后，在巖心縫面墊上不同厚度的錫紙可模擬不同縫寬的微裂縫；將巖心柱放入巖心夾持器，與動態失水儀相連可組成一套高溫高壓封堵評價裝置，該裝置不僅能實現泥頁巖與外來液相接觸后的水化分散、膨脹等過程，還能真實模擬井底高溫高壓條件下鉆井液對微裂縫的封堵情況[1-9]。

1 微裂縫模擬方法及制作過程

選用地層取樣的天然硬脆性泥頁巖巖心，通過干法鉆取獲得φ25 mm×30 mm（直徑×長度）標準巖心柱（如圖1a所示，因為該方法不涉及滲透率問題，同時硬脆性泥頁巖滲透率極低，所以不用經過地層水抽真空飽和等步驟）；對巖心柱人工造縫后，可獲得兩半截面為半圓的巖心（如圖1b所示）；對縫面經過除塵等特殊處理，在其中一半沿縫面縱向的兩側邊緣部位各墊上2 mm寬、不同厚度的鋁箔，再將2塊巖心貼合。在巖樣外部套上薄層橡膠套，對表面膠套經過高溫軟化后，膠套則可以緊緊包裹住巖心柱，防止鋁箔松動或脫落。經過以上步驟，則可以模擬10～100 μm不同寬度微裂縫（如圖1c所示）。

圖1 模擬微裂縫制作過程

2 封堵評價實驗裝置

2.1 實驗裝置及操作步驟

封堵能力評價裝置如圖2所示。

圖2 封堵評價裝置示意圖

1）將制作好的不同縫寬巖樣放入巖心夾持器中，再將環壓泵通過高壓管線與巖心夾持器相連，待圍壓值穩定以后，將巖心夾持器連接到高溫高壓動態驅替裝置上（螺紋上要涂上一些潤滑脂）。

2）打開驅替裝置上的釜體，注入實驗液，連接好氣源和各管線，打開測速電源開關，將轉速調至適當范圍。

3）打開壓力數顯開關，將壓力值調至儀器額定壓力范圍之內。

4）打開溫控開關，將溫度設置在模擬地層對應的溫度值（儀器可模擬室溫～180 ℃的溫度）。

5）安裝好出液接收裝置，當溫度升至所需溫度以后，將轉速調至實驗所需要的值，記錄下出液接收裝置4的液面高度，打開進氣閥給釜體加壓至實驗所需要的壓力，打開出液接收裝置的開關開始計時，分別在不同時間點讀取液面高度。

6）實驗結束后，關閉溫控電源和氣源開關，降低轉子轉速。當溫度冷卻至常溫后，對釜體卸壓，取下巖心夾持器，并進行清洗。

7）對巖心夾持器的圍壓進行卸載，取出巖樣，剪開巖樣外包裹的膠套，可通過縫面上內泥餅的堆積情況以及侵入深度對封堵能力的強弱進行判斷。

2.2 評價裝置的功能和優點

1）相比其他鋼材、有機玻璃等材料，選用的天然硬脆性泥頁巖巖心柱， 具有遇水水化分散、膨脹等特點，鋼材、有機玻璃等材料不具備該特點，只能簡單地模擬封堵過程，并不能模擬泥頁巖水化分散全過程。

2）選用硬脆性泥頁巖巖心造縫，與鋼柱平滑縫面相比，縫面彎曲度和粗糙度與地層微裂縫相匹配，能模擬封堵材料在裂縫表面停留、堆積、封堵的全過程。

3）模擬的微裂縫寬度是鋁箔的厚度，在10～100 μm之間，與地層硬脆性泥頁巖微裂縫寬度相匹配，可對微裂縫進行系統性實驗研究。

4）評價裝置可模擬不同地層溫度、不同轉速、不同壓力和不同時間等各種實驗條件下，不同濃度封堵材料或者鉆井液對不同寬度微裂縫進行封堵的全過程。

5）測試過程結束以后，以時間（min）為橫坐標，累計出液量（mL）為縱坐標作曲線圖，根據曲線曲率變化可判斷封堵材料或鉆井液對裂縫的封堵情況；同時，還可通過觀察封堵后巖心縫面封堵材料或鉆井液的侵入深度和堆積形成的內泥餅，進一步判斷封堵能力的強弱。

3 泥頁巖微裂縫縫寬計算與驗證

3.1 微裂縫縫寬計算公式推導

根據流體流動滿足運動方程、質量守恒方程、邊界條件和達西定律，結合裂縫的表面特征，當將流體在單縫中的流動理想地看作在一對光滑的平行板間流動時，其流動遵循N—S方程和質量守恒方程。

假設裂縫中的流動是穩定的，可以推導出通過裂縫的氣體或液體總量。

對于液體，▽P=-（P2-P1）/L；對于氣體，

式中，Q液為通過微裂縫的液體流量，m3/s；Q氣為通過微裂縫的氣體流量，m3/s；w為巖心柱直徑；h為微裂縫縫寬，m；P2為巖心柱上游壓力，MPa；P1為巖心柱下游壓力，MPa；μ為流體黏度，mPa·s；L為巖心柱長度，m。

對式（2）、式（3）經過換算后，可以得到不同流體介質下的微裂縫縫寬計算公式：

因此，可以根據式（4）和式（5），通過測量后的氣體總流量和液體總流量，換算出微裂縫的等效寬度。

3.2 微裂縫精確度測量

選用大慶油田徐深氣田登婁庫組（3 735.25～3 736.81 m）巖心對其造縫，在造完縫的巖心柱縫面墊上不同厚度的鋁箔，分別模擬10、20、50、100 μm 4個不同級別的縫寬。采用孔-滲測定儀，以空氣和自來水為流體介質，分別測量微裂縫的等效寬度，以檢驗該泥頁巖微裂縫模擬方法的準確度。實驗結果如表1和表2所示。

表1 氣測滲透率等效縫寬換算數據

表2 液測滲透率等效縫寬換算數據

從表1和表2可知，在2個半圓形巖心縫面墊上不同厚度錫紙來模擬不同寬度微裂縫的方法，與以氣體和自來水為介質測量的等效縫寬基本一致，誤差范圍可以忽略，說明該方法模擬的微裂縫寬度精確，能夠滿足封堵實驗對不同縫寬微裂縫的高精度要求。

4 封堵評價實驗

4.1 不同縫寬的封堵實驗

分別制作模擬裂縫寬度為10、30、60 μm的巖樣，室內配制3份水基鉆井液，加入3%封堵材料磺化瀝青。按操作步驟分別進行10、30、60 μm巖樣的封堵評價實驗，記錄不同時間點的累計出液量，曲線如圖3所示。實驗用鉆井液配方如下。

4%膨潤土漿+2%銨鹽降濾失劑+0.2%乳液包被劑+0.1%PAC-HV+3%磺化瀝青。

圖3 不同縫寬封堵實驗曲線（加有3%封堵材料）

從圖3可知，相同配方的鉆井液對不同寬度微裂縫的封堵效果不一樣，縫寬越大，初始出液量和累計出液量越大，在初始階段出液量都較大，但在80 min以后，曲線圖都趨于平穩，說明該鉆井液對3個級別的微裂縫都進行了有效封堵。

實驗結束后，割開包裹在巖心柱外的膠套，觀察裂縫表面內泥餅的侵入深度和堆積情況，在60、30、10 μm的巖樣中，鉆井液侵入深度分別為16.8、12.5、8.60 mm，與裂縫越寬、出液量越大、內泥餅侵入深度越長的預期結果相吻合，如圖4所示。

圖4 不同縫寬條件下內泥餅侵入深度對比

4.2 不同封堵材料加量的封堵實驗

制作3個裂縫寬度為50 μm的巖樣，室內配制3份水基鉆井液，分別在其中加入1%、3%、5%濃度的封堵材料。用裝置評價不同封堵劑加量的鉆井液的封堵能力，記錄累計出液量，如圖5所示。從圖5可以看出，不同封堵劑濃度的鉆井液對相同寬度裂縫的封堵效果相差較大，封堵材料濃度在1%時，初始出液量和累計出液量都較大，在80 min以后累計出液量才趨于平穩，3%濃度時，累計出液量在70 min趨于平穩，而在5%濃度時，在60 min累計出液量就趨于平穩，說明封堵材料濃度越高，對微裂縫的封堵能力越強。內泥餅的侵入深度也相差較大，封堵材料濃度在1%、3%、5%時，侵入深度分別為19.3、9.3、4.5 mm，見圖6。

圖5 不同封堵劑加量封堵實驗曲線（縫寬為50 μm）

圖6 不同封堵劑加量下內泥餅侵入深度對比圖

以上2個實驗結果表明，研究的封堵評價裝置能夠滿足不同寬度微裂縫的模擬需要，也能對不同鉆井液體系的封堵效果進行評價，為封堵材料優選和強封堵性鉆井液體系研發提供了新的評價方法。

4.3 不同種類封堵材料的封堵實驗

制作3個裂縫寬度為50 μm的巖樣，室內配制3份水基鉆井液（配方：4%膨潤土漿+2%銨鹽降濾失劑+0.2%乳液包被劑+0.1%PAC-HV），選用磺化瀝青、聚合醇（濁點為80℃）、NANOSHIELD（微納米可變形封堵劑，貝克休斯公司生產），按2%濃度的加量加入鉆井液中，在120 ℃、3.5 MPa驅替壓力條件下，評價不同種類封堵劑對相同縫寬的封堵能力，記錄累計出液量，并繪制曲線圖。如圖7和圖8所示，不同種類封堵劑對相同寬度微裂縫的封堵效果不一樣，聚合醇和磺化瀝青封堵效果較差，累計出液量大，貝克休斯公司的微納米可變形封堵劑封堵效果最好，累計出液量僅為7.2 mL，內泥餅侵入深度差別也很明顯。Fluid，2009，26（2）60-62.

圖7 不同種類封堵劑的封堵實驗曲線

圖8 不同種類封堵劑的內泥餅侵入深度對比

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A New Method of Simulating Micro Fractures in Shale and Plugging Evaluation Experiment

YANG Juesuan, HOU Jie
(Research Institute of Drilling Engineering Technology, Daqing Drilling Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163413)

There are many methods available presently for the simulation of micro fractures in Shale. All these methods have limitations, and are unable to trulysimulate the hydration and dispersion processes of shales in contact with water at HTHP conditions. To solve this problem, several simulation methods, such as the smooth steel block simulation method, sand bed plugging experiment method, simulation with artif i cial fracture (on split rocks) method and transparent tampered glass simulation method etc. were analyzed, and based on the analysis, a new method has been developed. In thenew method, a standard core plug is obtained by dry drilling samples,and artif i cial fractures are then made in it.The surface of the artif i cial fractures is covered with tinfoil of different thickness to simulate micro fractures of 10-100 μm in width. The core plug is put into a core holder that is connected with dynamic fi lter press, and a device for evaluating the capacity of plugging micro fractures in shale is formed. The assembly of the device, the experimental procedure, the function and the advantages of the device are introduced in this paper. An equation for the calculation of the width of micro facture is presented, and the equivalent widths of micro fractures are calculated through conversion of accurately measured data. Laboratory experiment has shown that this simulation method has high precision and good repeatability. This method can be used not only to simulate the hydration, dispersion and swelling of shale in contact with liquids, but also to simulate the plugging of micro fractures by drilling fl uid on bottom hole at high temperature and high pressure. The simulation can be used to extensively study the plugging mechanism of micro fractures to provide reliable experiment method and datasupport for the selection of plugging agent and optimization of drilling fl uid formulation.

Hard and brittle shale; Micro fracture; Borehole stabilization; Rock sample; Plugging capacity

TE282

A

1001-5620（2017）01-0045-05

2016-11-7；HGF=1603F4；編輯 付玥穎）

5 結論

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.008

中石油集團公司“十三五”重大科技專項“大慶油氣持續有效發展關鍵技術研究與應用”。

楊決算，1985年畢業于長江大學鉆井工程專業，現在主要從事石油鉆井技術研究工作。E-mail：yangjuesuan@cnpc.com.cn。

1.與目前常用的模擬方法相比，研制的泥頁巖微裂縫模擬方法具有易操作、寬度精確、重復性好等特點，能滿足不同寬度微裂縫的模擬需要，并能夠真實模擬泥頁巖遇水后的水化分散與膨脹過程，為硬脆性泥頁巖微裂縫封堵機理的進一步研究提供了新的實驗方法。

2.封堵評價裝置可以在模擬井底高溫和高壓條件下，評價工作液對不同寬度微裂縫的封堵效果，為封堵材料優選和強封堵性鉆井液研發提供一定的指導作用，是一種新型的硬脆性泥頁巖井壁穩定評價方法。