井壁強化機理與致密承壓封堵鉆井液技術(shù)新進展

邱正松， 暴丹， 李佳， 劉均一， 陳家旭

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油化工股份有限公司勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營 257064）

目前中國深層超深層、非常規(guī)、海洋深水油氣勘探開發(fā)中，普遍存在較為嚴(yán)重的鉆井液漏失問題，其中井漏最嚴(yán)重的川東北地區(qū)，單井鉆井液漏失量最高可達上萬立方米，每年因為井漏造成的經(jīng)濟損失目前中國深層超深層、非常規(guī)、海洋深水油氣勘探開發(fā)中，普遍存在較為嚴(yán)重的鉆井液漏失問題，其中井漏最嚴(yán)重的川東北地區(qū)，單井鉆井液漏失量最高可達上萬立方米，每年因為井漏造成的經(jīng)濟損失嚴(yán)重[1-2]。地層承壓能力低是發(fā)生鉆井液漏失問題的根本原因[3-4]，如何通過優(yōu)化鉆井液技術(shù)提高地層承壓能力，拓寬安全密度窗口，是實現(xiàn)“安全、快速、優(yōu)質(zhì)、高效”鉆井的技術(shù)關(guān)鍵。井壁強化原理是鉆井液提高地層承壓能力的重要理論依據(jù)[5-6]。康菲、埃克森美孚、雪佛龍等[7-11]國外技術(shù)服務(wù)公司相繼擁有了較為成熟的井壁強化專利技術(shù)，如MI-SWACO公司I-BOSS一體化井壁強化技術(shù)（Integrated Borehole Strengthening Solutions）。鉆井液井壁強化理論雖然取得了一系列成功的應(yīng)用，但其微觀作用機理、模擬評價實驗方法、有效地層適用性等方面缺乏深入研究。借鑒微觀顆粒物質(zhì)力學(xué)的“力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”原理，從井壁強化材料特性參數(shù)的精細(xì)化表征入手，揭示了基于微納米尺度的致密承壓封堵機理，給出了鉆井液強化致密承壓封堵優(yōu)化方法。利用研制的井壁強化封堵模擬實驗裝置，開展了井壁強化封堵過程模擬實驗研究。

1 井壁強化致密承壓封堵技術(shù)研究

1.1 合理架橋封堵支撐裂縫實現(xiàn)井壁強化機理

橋塞的不可滲透性使得裂縫后端壓力下降，在地應(yīng)力作用下，橋塞后端裂縫面趨于閉合。通過剛性的封堵材料來減緩裂縫后端由閉合拉應(yīng)力所產(chǎn)生的形變，并將該形變向井壁周圍傳遞，使架橋后裂縫附近的井壁周向應(yīng)力增加，從而增加井壁裂縫處承壓能力。封堵材料架橋封堵裂縫時，其距離裂縫端口越近，越有利于裂縫的閉合及抑制裂縫尖端的擴展。實際鉆井作業(yè)過程中，可通過對裂縫尺度進行預(yù)測來優(yōu)選封堵材料的粒徑。地應(yīng)力各向異性越小，漏失速度越小，封堵材料滲透性越差，井壁及裂縫所受周向壓應(yīng)力越大，井壁裂縫的閉合趨勢越大。在井壁強化過程中，可通過測量地應(yīng)力各向異性及漏失速度，并綜合各因素的影響，盡可能優(yōu)化提高封堵層致密性，有助于提高井壁承壓能力[12]。

井壁強化機理分析表明，通過優(yōu)選井壁強化材料強度和粒徑，在裂縫近開口端形成致密承壓封堵層，能夠有效提高易漏失地層的承壓能力，實現(xiàn)“井壁強化”作用。基于微觀顆粒物質(zhì)力學(xué)的“強力鏈結(jié)構(gòu)分析”基本原理，從井壁強化材料特性參數(shù)的精細(xì)化表征入手，探討了致密承壓封堵微觀機理，初步給出了鉆井液強化致密承壓封堵優(yōu)化方法，為井壁強化鉆井液優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1.2 基于強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密承壓封堵微觀機理

微觀上，裂縫中致密承壓封堵層可近似為封堵材料顆粒物質(zhì)體系。顆粒物質(zhì)體系是由大量離散顆粒組成的體系，顆粒體系的宏觀改變和強度特性等，主要取決于顆粒個體的空間排列及體系內(nèi)部力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。顆粒物質(zhì)組成的體系，在外載荷作用下顆粒物質(zhì)相互接觸擠壓形成接觸力，接觸力沿顆粒傳播形成接觸力網(wǎng)絡(luò)，接觸力傳遞路徑通常呈準(zhǔn)直線性的鏈狀結(jié)構(gòu)，稱為力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。

接觸力網(wǎng)絡(luò)上局部顆粒受到的力大小不同，使得接觸顆粒間接觸有強弱之分，其中一些顆粒之間接觸應(yīng)力較大，同時顆粒之間的連接為準(zhǔn)直線狀，傳遞和承載了較大份額的外載荷，即形成強力鏈；相反則形成弱力鏈（圖1）。強力鏈支撐體系絕大部分外載荷，決定了體系結(jié)構(gòu)強度；而弱力鏈銜接著強力鏈，對強力鏈起到了輔助和穩(wěn)定的作用[14]。強、弱力鏈在顆粒物質(zhì)體系中相輔相成，不可或缺。

圖1 光彈實驗中力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[15]

以下3個因素影響力鏈結(jié)構(gòu)的強弱[16]：①顆粒平均配位數(shù)＜Z＞。定義為每個顆粒平均與＜Z＞個顆粒接觸，＜Z＞越大，可供尋找的顆粒數(shù)目增加，連接成強力鏈的概率增加，體系結(jié)構(gòu)強度越大。②顆粒平均接觸力＜F＞。定義為顆粒之間相互擠壓時在接觸區(qū)及其附近產(chǎn)生的平均應(yīng)力，當(dāng)顆粒之間的接觸力大于平均接觸力＜F＞時，則連接形成強力鏈。③顆粒間的剪切應(yīng)力。顆粒在外載荷作用下發(fā)生擠壓變形產(chǎn)生力鏈，但若無法承受剪切力，在非常小的外載荷作用下，力鏈都很容易沿剪切面發(fā)生斷裂，從而影響體系的整體結(jié)構(gòu)強度。

井壁強化材料經(jīng)鉆井液攜帶進入地層裂縫后，經(jīng)架橋、堆積、填充作用形成封堵層，微觀上是從細(xì)小結(jié)構(gòu)單元（單顆粒）逐漸形成整體的、具有一定強度結(jié)構(gòu)的過程；細(xì)觀上是顆粒之間擠壓產(chǎn)生接觸應(yīng)力形成力鏈結(jié)構(gòu)的過程；宏觀上是顆粒逐漸堆積、擠壓形成封堵層的過程。形成封堵層后，顆粒之間緊密堆積、相互擠壓，產(chǎn)生不同的接觸應(yīng)力，從而形成不同強度的力鏈，這些力鏈相互交錯構(gòu)成力鏈網(wǎng)絡(luò)，并且非均勻地貫穿在封堵層內(nèi)部，影響封堵層穩(wěn)定性[17]。當(dāng)封堵層內(nèi)部形成的強力鏈越多時，形成的封堵層穩(wěn)定性越強，越容易達到致密承壓的效果。裂縫封堵層內(nèi)部力鏈強弱與井壁強化材料顆粒粒徑、表面特征、彈性特征、彈性模量和泊松比、摩擦系數(shù)、材料組合類型等因素有關(guān)。

1）顆粒粒徑。顆粒粒徑影響力鏈網(wǎng)格發(fā)展分布，光彈實驗結(jié)果見圖2。由圖2可知[18]，顆粒粒徑越小，體系可壓縮的空間越大，促使小顆粒在外載荷作用下移動鍥緊，顆粒平均配位數(shù)＜Z＞增大，體系中強力鏈數(shù)目分布更多，封堵層更加致密承壓。考慮到工程實際情況，在堵漏顆粒粒徑與裂縫尺寸匹配的前提下，優(yōu)化粒徑級配，粗、中、細(xì)粒徑顆粒復(fù)配使用，增加顆粒堆積體積分?jǐn)?shù)，降低封堵層滲透率，提高封堵層致密承壓能力。

圖2 光彈實驗中不同顆粒粒徑體系內(nèi)部力鏈分布圖[19]

2）顆粒表面特征。采用圖像顆粒分析儀，分析方解石、果殼、石墨等典型井壁強化材料的顆粒表面特征及堆積孔隙比[19]，見表1。由表1可以看出，對于同一類型的井壁強化材料，顆粒球形度越大、棱角度越小，顆粒堆積越緊密，顆粒平均配位數(shù)＜Z＞越大，顆粒之間連接成強力鏈的概率增加，封堵層更致密承壓。石墨顆粒由于彈性變形特征受壓后具有低的堆積孔隙比。考慮到工程實際情況，大粒徑井壁強化材料應(yīng)具有低球形度、高棱角度，保證在裂縫中成功架橋，小粒徑井壁強化材料應(yīng)具有高球形度、低棱角度，使堆積填充更加致密，增加顆粒堆積體積分?jǐn)?shù)，提高封堵層致密承壓能力。

表1 典型井壁強化材料顆粒表面特征參數(shù)及堆積孔隙比

3）顆粒彈性特征。在鉆井作業(yè)中，由于鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度ECD的變化，裂縫開度是動態(tài)變化的，且難以準(zhǔn)確預(yù)測裂縫開度，這就要求裂縫承壓封堵層具有較好的彈性變形性能，自適應(yīng)裂縫開度的變化。另外，彈性顆粒由于彈性變形特征充填于微小孔隙之間，降低封堵層滲透率，增加顆粒平均配位數(shù)＜Z＞，從而增加封堵層強力鏈數(shù)目，提高封堵層致密承壓能力。

4）顆粒彈性模量和泊松比。封堵層在外界載荷的共同作用下，顆粒與顆粒之間相互擠壓，在接觸點附近，顆粒發(fā)生局部變形，產(chǎn)生接觸法向力，符合Hertz接觸理論[20]。將堵漏顆粒近似為球型，則可建立兩球型顆粒發(fā)生接觸時的受力模型（見圖3）。顆粒之間接觸中心法向應(yīng)力公式見式（1）。

圖3 井壁強化材料之間受力模型圖

式中，F(xiàn)為顆粒所受壓力，MPa；a為接觸區(qū)域橢圓半徑，m；R1，R2為球體半徑，m；E1，E2為2種材料彈性模量，MPa；μ1，μ2為2種材料泊松比。

由式（1）可知，顆粒相互接觸產(chǎn)生的中心法向力受外部載荷、顆粒物性參數(shù)（彈性模量、泊松比、粒徑）的影響，相同變形條件下，井壁強化材料彈性模量越大、泊松比越小，顆粒接觸力越大，越容易形成強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，封堵體系中剛性顆粒越多，體系抗壓強度越大，越容易形成強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，封堵層承壓能力越高。

5）顆粒摩擦系數(shù)。顆粒摩擦系數(shù)影響力鏈的強弱。通過離散元模擬不同摩擦系數(shù)顆粒體系內(nèi)部力鏈分布見圖4。由圖4可知[21]，當(dāng)摩擦系數(shù)為0時，顆粒體系中絕大部分都是弱力鏈，存在極少量的強力鏈，力鏈主要來自相鄰顆粒之間的擠壓；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.75時，強力鏈數(shù)量增多，且長度變長，弱力鏈仍然貫穿于整個體系內(nèi)部。因此當(dāng)井壁強化材料表面粗糙時，有助于形成強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，封堵層具有較強的抗剪切能力。另外，當(dāng)井壁強化材料具有較高摩擦系數(shù)時，有助于增加封堵層與裂縫壁面之間的摩擦力，從而有利于在裂縫端口形成封堵層，越有利于裂縫的閉合及抑制裂縫尖端的擴展。

圖4 離散元模擬不同摩擦系數(shù)顆粒體系內(nèi)部力鏈分布圖[21]

6）井壁強化材料組合類型。力鏈中顆粒之間的應(yīng)力與材料類型有關(guān)。當(dāng)單獨使用顆粒狀、片狀封堵材料時，顆粒之間往往形成弱力鏈結(jié)構(gòu)，在剪切應(yīng)力作用下力鏈容易發(fā)生斷裂。借鑒混凝土領(lǐng)域研究，纖維加筋技術(shù)能有效彌補傳統(tǒng)混凝土剪切強度的不足[22]。由此可知，井壁強化作業(yè)中纖維材料能增加封堵層剪切強度，加入纖維后通過離散界面作用和密集成網(wǎng)作用提高封堵層剪切強度，有助于形成強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高封堵層致密承壓能力。

1.3 井壁強化材料特性的精細(xì)化表征

基于井壁強化機理及微觀顆粒物質(zhì)力學(xué)“力鏈”基本原理，提出了評價井壁強化材料的顆粒強度、彈性、表面摩擦及封堵層剪切強度等主要精細(xì)化技術(shù)指標(biāo)，建立了相應(yīng)的實驗表征方法，結(jié)果見表2[23-27]。由表2可看出，通過剛性顆粒、彈性顆粒、纖維等不同類型井壁強化材料的合理協(xié)同，可顯著增大顆粒的抗壓強度、堆積體積分?jǐn)?shù)、彈性變形率、表面摩擦系數(shù)和黏聚力。剛性顆粒棱角分明，適合作架橋顆粒，復(fù)配彈性顆粒與纖維材料進一步增大了顆粒表面摩擦系數(shù)，封堵層有利于形成“強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，有助于在裂縫入口端不遠處形成致密承壓封堵層，增強裂縫承壓封堵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表2 井壁強化材料的主要技術(shù)參數(shù)精細(xì)化表征實驗結(jié)果

2 井壁強化鉆井液封堵模擬實驗優(yōu)化

基于井壁強化機理及微觀顆粒物質(zhì)力學(xué)“力鏈”基本原理，研制了新型井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置[28]，該裝置能夠模擬不同地層溫度、壓差條件下，可變或固定開度裂縫的動態(tài)漏失與封堵過程，實時監(jiān)測鉆井液漏失速率、封堵帶承壓能力、裂縫開度變化量等重要參數(shù)，為致密承壓封堵機理及鉆井液防漏堵漏效果評價提供了實驗新方法。

利用研制的井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置，按照鉆井液致密承壓封堵優(yōu)化方法，將不同類型封堵材料按照合理比例與粒度級配的組合使用，開展井壁強化鉆井液模擬實驗優(yōu)化研究。對新自制的井壁強化封堵材料OPTI-WSM-1、OPTIWSM-2、OPTI-WSM-3特性進行評價，結(jié)果見表3。由表3可以看出，OPTI-WSM-1、OPTI-WSM-2、OPTI-WSM-3的D90降級率較小，表面摩擦系數(shù)、彈性變形率、顆粒堆積體積分?jǐn)?shù)、黏聚力均較大，基本滿足井壁強化材料的技術(shù)指標(biāo)要求，可形成承壓能力高、具有一定彈性的“強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”致密承壓裂縫封堵層，提高鉆井液封堵承壓能力。

表3 自制井壁強化封堵材料的特性評價結(jié)果

井壁強化材料的封堵裂縫模擬曲線見圖5。由圖5可知，隨著井壁強化鉆井液（10%OPTI-WSM-3）不斷注入裂縫模擬釜體，當(dāng)時間為126 s時，鉆井液注入壓力開始逐漸增大，形成了封堵層，此時裂縫承壓能力可達5.73 MPa；當(dāng)時間為234 s時，鉆井液注入壓力迅速降低，而裂縫尖端壓力與閉合壓力瞬時升高，裂縫發(fā)生“擴展”，井壁強化材料被“擠入”裂縫內(nèi)部，重新封堵并支撐裂縫，裂縫開度增至640.3 μm；此后鉆井液注入壓力再次升高，時間為328 s時裂縫承壓能力達8.92 MPa，此時井壁強化材料再次被“擠入”裂縫內(nèi)部，重新封堵并支撐裂縫，裂縫開度進一步增至801.3 μm，與井壁強化材料的D90粒徑相當(dāng)，裂縫承壓最高達10.93 MPa，裂縫漏失量為26.2 mL。綜合分析可知，井壁強化材料通過有效封堵支撐裂縫提高了地層承壓能力，該結(jié)果與井壁強化提高地層承壓能力作用機理分析結(jié)果基本一致。

圖5 井壁強化封堵材料封堵裂縫動態(tài)模擬實驗曲線

3 結(jié)論與認(rèn)識

1.提出并闡明了基于強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密承壓封堵裂縫微觀機理；建立了井壁強化封堵材料特性參數(shù)的精細(xì)化表征方法。通過顆粒類型、粒度級配與濃度優(yōu)化，基于剛性顆粒、彈性顆粒與纖維材料等協(xié)同作用，可形成具有“強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”的致密承壓封堵層，顯著提高裂縫地層承壓能力。

2.利用自行研制的井壁強化鉆井液封堵模擬實驗裝置，開展了井壁強化鉆井液封堵動態(tài)模擬實驗研究。模擬實驗表明，自制的新型井壁強化封堵材料可發(fā)揮致密承壓封堵裂縫作用，而且當(dāng)支撐裂縫至合理開度時，可明顯提升地層承壓能力。