毫米级宽度裂缝封堵层优化设计

康毅力 余海峰 许成元 唐龙

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

裂缝性地层是钻井过程中较为常见的地层之一。在钻井过程中遇到裂缝性地层容易发生井漏，导致损失大量钻井液、延长钻井时间、影响地质工作的正常进行、造成井下复杂情况或事故等一系列工程问题［1］，因此人们对钻井完井过程中的防漏堵漏技术进行了深入的探究［2－5］。桥接堵漏作为最常见的一种漏失控制方法，因此备受关注［6－8］。对裂缝地层进行封堵后，随着钻井深度的增加，钻井液的密度也在相应的提高，因此形成的封堵层需要具有一定的承压能力。许成元提出了增强封堵层承压能力的封堵策略［9］；在桥接堵漏材料的选择方面，Andrade提出了一种双重纤维堵漏剂，通过硬纤维架桥、软纤维充填，成功处理了墨西哥南部油田的井漏问题［10］；李家学提出加入随钻刚性颗粒在裂缝端面形成架桥，并且根据裂缝宽度计算刚性颗粒以及各级填充粒子粒径［11］；Kefi介绍了一种通过架桥纤维材料与填充颗粒进行封堵的方法，以及根据裂缝宽度及压差大小计算纤维刚度的方法［12］；另外贾丽莉、Friedheim、Whitfill及毛洪江等对不同堵漏材料进行了总结与展望［13－17］；闫丰明等提出了暂堵性堵漏的封堵思想，为了防止钻井完井液侵入过深而无法解除损害，通过酸溶性强的堵漏材料在裂缝端面形成致密的封堵层，生产时再进行酸溶解堵，在现场实践中取得了良好的效果［18］。可见针对微米级裂缝漏失的防漏堵漏技术已经有了较为成熟的发展。

原地有效应力下，裂缝宽度一般在几十到几百微米范围，在钻井过程中由于改变了裂缝周围的应力场而导致裂缝宽度发生变化，使宽度增加到毫米级。而当裂缝宽度达到毫米级别后井漏呈现出漏失量大、漏速快等特点［19］，加上由于应力扰动下裂缝宽度处于不断变化的动态过程，非常不利于封堵工作的开展。对于毫米级宽度裂缝封堵主要有以下难点：①漏失通道宽，漏失速率大，堵漏材料容易随工作液漏入深部地层，在裂缝入口处沉积困难；②大尺寸封堵材料形成的封堵层不够致密，结构极不稳定；③裂缝在压力作用下动态变化，堵漏材料对其适应性很差，对于已经形成的封堵层则容易失效。因此，笔者通过开展室内2mm裂缝室内封堵实验，优选出有效的封堵材料，形成封堵层优化配方，最终提出针对毫米级裂缝的堵漏材料优化组合。

图1 实验用纤维材料图

1 不同类型堵漏材料作用机理

1）纤维材料。纤维是常见的堵漏材料，在钻井液中加入纤维后均匀分散，进入漏失通道中，当纤维长度大于裂缝宽度时就容易形成架桥，并捕获经过的其他纤维，从而相互牵扯形成网架结构，增强封堵层的整体结构稳定性。不同纤维在封堵过程中所起到的作用也是不同的，刚度大的硬纤维可实现架桥，刚度小的软纤维通过相互牵扯，使网架结构更致密。但由于纤维材料本身的整体刚度不强，当压差达到一定值时容易发生失效，不能满足压差较大时的工程实际需要。本文实验选用软纤维（DTR［20］、QP－1）以及不同刚度的硬纤维（塑料纤维、动物毛发）作为纤维堵漏材料，如图1所示。

2）刚性颗粒。刚性颗粒在封堵层结构中起着骨架的作用，具有高硬度、不易变形的特点［21］。在实际作业中，石英、核桃壳、CaCO3或者破碎的岩屑常用来作为刚性颗粒。使用刚性颗粒进行封堵，颗粒在裂缝狭窄处架桥，后面的颗粒撞击前面架桥颗粒而停止运动，形成堆积。单独使用刚性颗粒进行封堵时，需要不同粒径的刚性颗粒逐级进行填充，但由于颗粒的尺寸及形状的限制，单一刚性颗粒形成的封堵层不够致密，需要加入弹性填充粒子。笔者选用核桃壳作为刚性堵漏材料，根据刚性颗粒粒径与裂缝宽度的比例关系［11］，架桥粒子的粒径范围设定为1.0 D≥d≥0.6 D。因此选择（8～12）目的核桃壳作为架桥粒子。

3）弹性粒子。将尺寸大于裂缝宽度的弹性粒子加入钻井液中，随着压力的增加，弹性粒子受力变形后进入裂缝内，在自身的弹性力作用下在裂缝面产生摩擦力，增强封堵层的稳定性，使封堵层难以向裂缝深处滑动。但由于弹性粒子受到尺寸的限制，以及具有可变形性，因此单独使用弹性颗粒时形成的封堵层不致密，且承压能力低。本文选用橡胶粒子作为弹性堵漏材料，考虑在钻井液中加入弹性粒子，增强封堵层稳定性的同时，通过加入其他不同材料，对所形成的封堵层特征进行分析，探究各材料的协同作用机理。

2 堵漏材料协同堵漏效果评价

2.1 实验准备及评价方法

1）基浆的配制。基浆配方及性能如表1、2所示。

表1 封堵实验用基浆表

表2 基浆性能参数表

图2 缝宽2mm钢岩样图

2）实验方法。实验条件：室温，起始压力1MPa，2 mm缝宽的钢岩样（图2）。实验中选取承压能力、成封时间和累计漏失量3个指标来衡量堵漏材料的性能。实验标准：从加压稳定后打开出口端开始计时，到封堵形成无漏失结束这段时间，即为成封时间；当某一实验点压力下，漏失速度在10s内维持稳定且大于50 mL／s，则说明封堵失败，上一个实验点即为该封堵层承压能力值，总的流体漏失量即为累计漏失量。实验流程：①设定初始压力为1MPa，30s之后打开柱塞出液口；②记录打开柱塞时的漏失量，当漏失量为0时，保持当前压力10min。若在10min之内再次发生漏失，则记录漏失时间和漏失量，当漏失量再次为0后，再稳压10min；③稳压10min之后，加压0.5～1 MPa，重复步骤②，直到封堵失败，结束实验。

考虑单一堵漏材料在封堵方面的不足，探究不同堵漏材料之间协同作用的封堵能力，采用不同堵漏材料组合来实现毫米级裂缝的封堵。通过开展缝宽2mm的室内封堵实验，找出不同材料的最优浓度及组合。

2.2 纤维材料

为了明确纤维材料中软硬纤维的配比关系，在开展组合材料封堵实验之前首先进行纤维材料的优选实验。按照不同浓度配方对纤维材料进行复配（表3）。

表3 纤维材料封堵2mm裂缝实验配方表

首先对两种软纤维进行分析比较（表4）。

表4 DTR与QP－1封堵2mm裂缝实验结果表

通过对软纤维的堵漏实验评价，单独使用软纤维虽然能在较短的时间内形成封堵层，但由于软纤维自身强度不足，不能形成具有较高承压能力的封堵层（表5）。

表5 硬纤维与软纤维组合封堵2mm裂缝实验结果表

由实验结果可知，在软纤维的基础上添加一定浓度的硬纤维之后，形成封堵前的初始漏失量减少到了350mL，封堵层承压能力提高到了4.5MPa。可见，在软纤维体系中加入一定数量的硬纤维可提高堵漏剂的快速成封能力和封堵层承压能力。

2.3 刚性颗粒与弹性粒子组合

选取刚性颗粒与弹性粒子组合，评价不同浓度配方组合的封堵能力。实验结果如表6所示。

表6 刚性颗粒与弹性粒子组合封堵2mm裂缝实验结果表

实验结果表明，刚性颗粒与弹性粒子组合，刚性颗粒的浓度小于3.0%时基本无法形成有效的封堵层，承压能力低且漏失量大；当刚性颗粒的浓度达到7.0%时，封堵层的承压能力提高到9MPa，而漏失量仍然较大。通过9组不同浓度的对比实验可得，当刚性颗粒浓度为7.0%，弹性粒子浓度为9.0%时，封堵层的封堵效果最好。

2.4 弹性粒子与纤维材料组合

选取弹性粒子与纤维材料作为封堵实验堵漏材料，实验结果如表7所示。

实验结果表明，不同浓度的弹性粒子与纤维材料组合形成的封堵层效果差异大。4.0%的纤维材料成封时间和累计漏失量都要大于另外两组浓度；当纤维材料的浓度提高到5.0%时，封堵效果并没有得到显著地提高。因此，针对弹性粒子与纤维材料组合，7.0%的弹性粒子与4.5%的纤维材料能够得到最好的封堵效果，最大承压值达6MPa，累计漏失量175mL。

2.5 刚性颗粒、弹性粒子与纤维材料组合

把3种堵漏材料组合起来进行实验评价。利用正交实验，将3种堵漏材料分别选取3种加量进行复配后开展实验，得到裂缝中形成的封堵层试样（图3），封堵层实验结果如表8所示。

表7 弹性粒子与纤维材料组合封堵2mm裂缝实验结果表

图3 3种组合材料形成的封堵层图

表8 3种堵漏材料组合封堵2mm裂缝实验结果表

通过实验可知，将3种堵漏材料结合起来，使封堵层的承压能力提高到13MPa（图4），累计漏失量减小到30mL，这说明通过刚性颗粒、弹性粒子与纤维材料3种堵漏材料组合，各种材料“各司其职”，能够满足毫米级裂缝的封堵要求。因此，3种堵漏材料组合最优浓度配方是：基浆＋5%核桃壳＋4%软纤维＋0.5%硬纤维＋7%弹性粒子。

将不同组合室内封堵实验的结果进行对比分析。从图4中可以看出，3种封堵材料组合所形成的封堵层封堵效果最好；刚性颗粒与弹性粒子组合累计漏失量大；而弹性粒子与纤维材料组合的承压能力低。因此，将刚性颗粒、弹性粒子和纤维材料组合起来，形成的封堵层效果最好。为了进一步探究不同堵漏材料组合协同作用效果的差异性，下面对各种组合的封堵机理进行了分析。

图4 不同堵漏材料组合在钢岩样中封堵效果对比图

3 堵漏材料协同封堵机理

3.1 软硬纤维材料的封堵机理

纤维作为柔弹性材料，在封堵层中起着提高封堵层整体结构稳定性的作用。首先，工作液中抗弯强度相对较大的硬纤维随钻井液流向裂缝，由于其长度大于裂缝宽度，部分硬纤维可以横向架于裂缝端面处；其次，抗弯强度较小的软纤维被横架于裂缝端面处的硬纤维捕获，柔软的软纤维相互牵扯，组成更加致密的网状体，形成纤维网架结构，此时，该网架结构相当于减小了裂缝的横截面积，使漏失逐步转变为滤失，减弱了压力向裂缝深处的传播；随着压差的不断增大，当压力大于硬纤维的屈服强度时，纤维网架结构整体进入裂缝中，形成更加致密的网架结构，也使得其他堵漏材料更加容易架桥和填充（图5）。

图5 纤维材料形成封堵层图

3.2 刚性颗粒与弹性粒子封堵机理

在钻井液中加入一定浓度的刚性颗粒和弹性粒子后，弹性粒子首先在裂缝狭窄处停留，促使刚性颗粒停在此处并形成架桥。刚性颗粒完成架桥后，后面的弹性粒子更加容易捕获，发生变形后充填于刚性颗粒的空隙中（图6）。这样通过不断的桥架、填充来形成封堵层。因为刚性颗粒强度大、不易发生变形，所以形成的封堵层具有较高的承压能力。由于缺少纤维材料形成的网架结构，封堵层整体性不强，容易发生“间断性漏失”，成封时间长，与加入纤维材料相比，漏失量明显增加。

图6 刚性颗粒与弹性粒子形成封堵层图

3.3 弹性粒子与纤维材料封堵机理

弹性粒子与纤维材料都具有较好的可变形性，漏失发生后，材料随着钻井液进入裂缝中，纤维材料快速形成网架结构，弹性粒子充填于网架结构的空隙中（图7）。因此两者组合后能够迅速地形成封堵，此时形成的封堵层较为致密，整体性较强。但由于缺少强度大的架桥颗粒，随着压差的不断增大，弹性粒子作用与裂缝面所提供的摩擦力不足以支持整个封堵层受到的压力，使封堵层被挤压到裂缝深处，降低了封堵层的承压能力。

图7 纤维粒子与弹性粒子形成封堵层图

3.4 刚性粒子、弹性粒子与纤维材料封堵机理

3种堵漏材料组合协同作用下，能够快速形成承压能力高的封堵层，这是各堵漏材料之间相互影响、共同作用的结果。按照一定的浓度关系在钻井液中加入3种堵漏材料之后，纤维材料形成提高封堵层整体性的网架结构，同时捕获刚性颗粒与弹性颗粒（图8）；刚性颗粒在裂缝狭窄处进行架桥，使整个封堵层停止向裂缝深处移动，起到封堵层骨架的作用，封堵层能够承受多大的压差，取决于刚性颗粒的强度；另外弹性粒子受挤压变形，自身的弹性力作用于裂缝面，增强封堵层与裂缝面的摩擦力，进一步阻止封堵层在裂缝中移动。随着封堵材料的增加，裂缝横截面减小，钻井液逐渐从漏失变为滤失，越来越多的软纤维停留在封堵层中，使其变得更加致密。这样3种材料共同作用，使封堵层逐渐形成一个完善的整体。

图8 刚性颗粒、弹性粒子与纤维材料形成封堵层图

通过对不同材料组合协同作用的封堵实验评价以及机理分析可知，将3种封堵材料结合起来，克服各自的不足，通过实验评价，取得了良好的封堵效果。因此，优选出的针对毫米级裂缝的封堵层堵漏材料组合为：刚性颗粒＋弹性粒子＋纤维材料。

通过分析，可以总结出不同堵漏材料对封堵层的影响程度，如表9所示。

4 结论

1）针对2mm裂缝，提出优化封堵层配方的设计为：基浆＋5%刚性颗粒＋4%软纤维＋0.5%硬纤维＋7%弹性粒子。

2）对毫米级裂缝进行架桥封堵的最优材料组合为刚性颗粒、弹性粒子与纤维材料。

3）刚性颗粒对于封堵层的承压能力影响大；弹性颗粒增加封堵层的稳定性，增强封堵层与裂缝面的摩擦力；纤维材料对于封堵层结构的整体性以及累计漏失量的减少具有重要作用。

4）桥接材料类型、组合以及浓度配比的优选，对于能够成功封堵毫米级裂缝具有重要的作用。

表9 不同类型堵漏材料对封堵层的影响表

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