裂縫性地層堵漏材料承壓性能及材料優(yōu)選研究

何 龍， 史 堃， 楊 健， 賈光亮

(1中國石化西南油氣分公司 2中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務公司)

井漏按漏失通道可分為滲透性地層井漏、裂縫性地層井漏及溶洞性地層井漏，其中溶洞性地層井漏可看做為裂縫性地層井漏的特殊情況。據(jù)統(tǒng)計[1-3]，國外公司井下復雜時效約占10%，井漏占復雜時效的45%左右，全球石油行業(yè)每年裂縫性地層的堵漏花費占到了井漏總花費的90%以上。

裂縫性地層井漏在鉆井過程中是一個非常普遍的現(xiàn)象[4-6]，多數(shù)井眼都有不同程度的井漏。嚴重的井漏會增加處理井漏時間，影響鉆井效率，導致鉆井費用大幅增加。目前國內(nèi)外通過機械、化學和物理等多學科開發(fā)新型的防漏堵漏材料[7-11]，研究有效的漏失壓力計算方法和新型的井漏處理技術(shù)，從而最大限度的發(fā)揮鉆井新技術(shù)的優(yōu)勢。

目前，橋塞堵漏材料的缺點主要集中在不能完全滿足提高地層承壓能力的要求、堵漏材料尺寸不合理、顆粒級配不合理、封堵層致密性差，彈性材料較少，瀝青類軟化點低等；堵漏方案及工藝有待改善[12-15]。材料耐溫性差(160℃～200℃)，長時間浸泡后強度降低，導致封堵失效。

一、裂縫性地層堵漏材料性能評價

1. 高溫熱損傷對堵漏材料細觀參數(shù)的影響

研究表明，高溫熱損傷對堵漏材料回彈性有直接影響，高溫老化會降低堵漏材料回彈性；堵漏材料中彈性材料占比越大，回彈性降低趨勢越明顯。圖1、圖2分別為200℃、250℃熱損傷48 h對堵漏材料細觀影響。熱損傷對堵漏材料粒徑同樣產(chǎn)生影響，相同閉合應力條件下，堵漏材料D90粒徑降級率隨老化溫度的升高呈增大趨勢；老化溫度越高，堵漏材料D90粒徑降級率對閉合應力的敏感性越弱。

圖1 200℃熱損傷48 h對堵漏材料細觀參數(shù)影響

2. 堵漏材料粒徑與承壓能力關(guān)系

研究了堵漏材料粒徑與承壓能力的關(guān)系，圖3為剛性暫堵粒徑D90值對承壓能力影響，當剛性粒子D90值與縫寬(1.250 mm)接近時，其承壓值較大、承壓時間較長；當D90值與縫寬相差越大，封堵效果越差,這是由于暫堵粒徑與縫口受力不均衡造成的，粒徑過小時顆粒難以形成有效的架橋，骨架支撐能力弱，呈現(xiàn)承壓能力降低；粒徑較大時產(chǎn)生封門效應，大部分剛性粒子不能在縫內(nèi)架橋，承壓能力降低；當暫堵材料D90值與縫寬接近，級配合理時剛性粒子架橋穩(wěn)固，為柔性顆粒致密充填提供有利條件，因此具有較高的承壓能力。

圖2 250℃熱損傷48 h對堵漏材料細觀參數(shù)影響

圖3 剛性暫堵粒徑D90值對承壓能力影響

3. 堵漏材料破碎率與承壓能力關(guān)系

開展了堵漏材料粒徑與閉合應力的關(guān)系實驗，實驗表明，隨閉合應力的增大，剛性粒子發(fā)生破碎，D90值呈減小趨勢，粒徑分布曲線向左移動。圖4、圖5分別為暫堵材料承壓20 MPa、40 MPa粒徑分布曲線。

定義了堵漏材料破碎率評價方法—計算堵漏材料D90降級率。圖6為承壓值隨D90降級率變化趨勢，隨著降級率的增大，承壓值呈現(xiàn)減小的趨勢。實驗結(jié)果表明：隨裂縫閉合壓力增加，剛性粒子破碎率增大，D90值減小，堵漏材料架橋能力減弱，承壓值能力與承壓時間會減小。降級率從0增大到30%，承壓值從4 MPa降低至0 MPa。

圖4 堵材料承壓20 MPa粒徑分布曲線

圖5 堵材料承壓40 MPa粒徑分布曲線

圖6 承壓值隨D90降級率變化趨勢

4. 堵漏材料回彈性與承壓能力關(guān)系

定義了一種堵漏材料回彈性的評價方法，研究了堵漏材料回彈性影響承壓能力的機理。圖7為0.50 mm縫寬暫堵材料承壓值隨回彈率變化趨勢，隨著回彈率的增大，承壓值呈現(xiàn)減小的趨勢。回彈率從150%升至210%，承壓值從6 MPa降至2 MPa。其機理為回彈性越大，流體擠壓作用下越容易彎曲變形，導致架橋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

但對于反復開啟、閉合的裂縫，回彈性良好的材料更容易在裂縫中挺住。

圖7 0.50 mm縫寬暫堵材料承壓值隨回彈率變化趨勢

二、堵漏材料優(yōu)選

堵漏材料優(yōu)選的原則為：①封堵顆粒的架橋、填充等作用后，形成封堵層；②封堵層使得鉆井流體進行過濾，堵漏顆粒在裂縫尖端或是裂縫喉道處開始收縮，直至井壁，最終形成致密填塞層；③填塞層阻止裂縫漏失，同時鉆井流體通過封堵層小于流體通過縫面的濾失，減小了縫內(nèi)流體壓力，提高地層承壓能力。表1列出了裂縫地層暫堵材料優(yōu)選措施。

表1 裂縫地層暫堵材料優(yōu)選措施

三、結(jié)論及建議

(1)當D90值與縫寬相差越大，封堵效果越差,呈現(xiàn)承壓能力降低；粒徑較大時產(chǎn)生封門效應，承壓能力降低；當暫堵材料D90值與縫寬接近，級配合理時剛性粒子架橋穩(wěn)固，具有較高的承壓能力。

(2)隨裂縫閉合壓力增加，剛性粒子破碎率增大，D90值減小，堵漏材料架橋能力減弱，承壓值能力與承壓時間會減小。

(3)建議裂縫性地層堵漏材料的研發(fā)基于顆粒物質(zhì)力學、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論開展封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機理研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建封堵系統(tǒng)承壓能力預測模型。針對裂縫性地層承壓失穩(wěn)控制因素，開展針對性的材料優(yōu)選、堵漏工藝技術(shù)研究。