鉆井液冷卻對裂縫楔形封堵效應的影響研究

陳 軍， 李 巍， 范萬升， 黎澤寒， 張宗潭

(1中國石油塔里木油田分公司塔中油氣開發部 2油氣田應用化學四川省重點實驗室 3中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 4中石油川慶鉆探公司新疆分公司試修作業事業部)

目前對控制漏失的封堵理論從原有剛性封堵理論、柔性封堵理論以及減壓封堵理論的基礎上，新近發展出了以封堵微裂縫為對象的提高承壓能力理論、模糊封堵理論，并出現了相應封堵材料和技術[1-2]。

這些理論對封堵材料和應用技術研究較多，但考慮鉆井液冷卻井壁或井壁溫度變化對封堵效果的影響研究較少。本文根據封堵微裂縫的提高承壓能力理論，分析了有效封堵裂縫產生楔形效應的過程，建立了考慮溫度變化的井周應力數學模型，通過某井的實例計算，分析了溫度變化對封堵效果的影響，為指導堵漏工藝提供了理論依據。

一、有效封堵產生楔形效應的過程

根據提高承壓能力封堵理論，分析認為理想防漏堵漏過程中，堵漏材料在裂縫開口不遠處形成縫內封堵，且封堵層是低滲透或零滲透的，則井筒壓力和地層壓力連通的通道被封堵層阻隔，封堵層不僅能夠將井壁與地層連通的漏失通道全部封堵，還能夠抵抗抽吸壓力和激動壓力的破壞，同時形成的封堵層不易受到溫度變化、地層腐蝕、鉆井、完井和酸化液的影響[1-13]。

從力學上分析，如果封堵層是不滲透的、不能移動的、具有足夠承壓強度的裂縫支撐體，那么封堵層在正壓差條件下會對近井壁產生一個楔形效應，增加了井周應力(見圖1)，該效應就是增加井筒壓力完整性的原因。

圖1 楔形效應增加井周應力示意圖

在正壓差條件下，封堵層會很好的“楔”入裂縫，形成“人造井壁”。但若存在高壓差，可能誘導新的裂縫產生，新產生裂縫的方位可能與初始裂縫方位成15°夾角[9]。在二次裂縫形成過程中，堵漏材料形成封堵層抵抗裂縫閉合，再次楔形封堵。

二、考慮溫度變化的井周應力數學模型

由于溫度的影響，鉆井液循環冷卻對井筒井周應力改變較為明顯，將導致井筒破裂壓力、裂縫重啟壓力和裂縫延伸壓力發生變化[8-13]，從而影響封堵效果。假定地層為均質各向同性的、多孔的熱彈性介質，按照熱傳導理論和熱彈性力學基本原理，可以得到由于溫度變化而產生的井周應力。

井筒中，溫度擴散方程如下：

(1)

式中：KT—導溫系數，m2/h；t—時間，h；r—為徑向坐標，m；T—溫度，℃。

假設井壁表面被鉆井液冷卻到一個溫度TW，利用邊界條件求解式(1)得出：

(2)

式中：TW—井眼溫度，℃；rw—為井眼半徑，m。

利用邊界條件積分，溫度分布可用對數關系式表示如下：

T=TW-qTlnr/rw(r

T=0 (r≥rweTW/qT)

(3)

當井眼溫度分布確定后，根據平面應變理論切向應力為：

(4)

式中：rD=r/rw；α—砂巖的熱膨脹系數，1/℃；σθ—切向應力，MPa。

當地層溫度高于鉆井液溫度，地層受鉆井液冷卻作用時，隨著溫差的增大，井壁所受井周應力也隨之減小，井周應力和軸向應力由壓應力變為張應力[3]，得出井壁表面熱應力為：

(5)

ΔT=T-TW

在封堵裂縫過程中，裂縫在有限距離內閉合，會使井周應力得到持續增加。高的井周應力可使巖石增加抵抗張應力的破壞，根據此時裂縫開口處附近的井周應力[13]，得到考慮鉆井液循環冷卻對封堵裂縫產生的井周應力變化為：

(6)

式中：δH1—最大水平主應力；δH2—最小水平主應力；θ—最大水平主應力方位角，°；pp—孔隙壓力，MPa；pw—井底壓力，MPa；E—彈性模量；α—巖石熱膨脹系數；υ—巖石的泊松比；ΔT—地層溫度與鉆井液溫度差，℃。

由式(6)可見，封堵裂縫產生的井周應力除與鉆井液溫度直接有關外，還與地層參數(水平主應力、井眼半徑、巖石彈性模量、巖石泊松比等)相關。

三、模型應用分析

取某井地層參數：最大水平主應力σH1為55 MPa，最小水平σH2為40 MPa，最大水平主應力方位角45°，巖石彈性模量7 517 MPa，碳酸鹽巖的熱膨脹系數為0.000 000 44/℃，地層溫度為150℃，地層巖石的泊松比為0.225，井底壓力為56 MPa，地層壓力為49 MPa(當量密度為1.22 g/cm3)。

將參數代入式(6)，得出鉆井液冷卻對封堵裂縫產生的井周應力改變與井壁溫度變化的關系，如圖2所示。

圖2 某井鉆井液冷卻對封堵裂縫產生井周應力的影響

由圖2可以得出，封堵裂縫增加的井周應力隨著井壁溫差增大而減小。在實際封堵過程中，如果形成的封堵層滲透率較大，鉆井液會持續滲透冷卻裂縫和地層，并隨著溫差的增大，井壁的井周應力減小。如果井內鉆井液液柱壓力較大，這種因冷卻作用產生的拉伸熱應力會使井壁最小主應力降到低于井壁巖石的抗拉強度，抵消了裂縫楔形封堵增加的壓應力，從而導致井壁拉伸破壞，導致再次漏失。反之，如果封堵層滲透率較低，甚至為零，沒有持續的鉆井液或濾液進入縫內和地層，則裂縫壁面溫度不會持續降低，溫度變化小，封堵后井壁增加的井周應力最大，封堵效果也就最好，這也是大多數井在使用常規橋漿堵漏不成功，最后使用水泥堵漏成功的可能原因之一。

現場施工過程中，如果一次堵漏成功率低，則多次堵漏后將會造成井壁溫度顯著下降，從而導致井周應力降低，破壞了井筒壓力完整性；同時由于井壁巖石中各種礦物熱脹冷縮性質不一致，冷卻作用產生的拉伸熱應力還會導致井壁產生微裂紋，從而導致破裂壓力降低，更容易引起井漏。

四、結論

(1)理想封堵過程中，封堵材料能在裂縫中形成不滲透的、不能移動的、具有足夠承壓強度的封堵層，且該封堵層在正壓差條件下會對近井壁產生一個楔形效應，增加井周應力，該效應就是增加井筒壓力完整性的原因。

(2)通過建立考慮溫度變化的井周應力數學模型分析表明，裂縫壁面受到鉆井液的冷卻作用時，井周應力降低，可能產生微裂縫，導致封堵效果變差。

(3)為提高堵漏成功率或封堵效果，應考慮鉆井液冷卻對裂縫楔形封堵效應的影響，建議使用非滲透處理劑或膨脹性、固化堵漏材料，使之形成不滲透封堵層，降低鉆井液或濾液的冷卻作用。