硬脆性泥页岩微裂缝封堵可视化模拟试验与评价

石秉忠，胡旭辉，高书阳，徐 江，林永学

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2.中国石油冀东油田分公司井下作业公司，河北唐山063200）

据统计，油气钻井过程中，90%的井壁失稳发生在泥页岩地层，其中硬脆性泥页岩占了三分之二［1］。硬脆性泥页岩层理、微裂缝发育，钻井液滤液侵入后极易引起岩体的分散和剥落，导致严重的井壁失稳。因此，必须有效强化钻井液的封堵能力。由于缺乏有效的封堵评价方法，无法准确评价封堵剂对页岩微细孔缝的封堵效果，对封堵机理认识也不足。目前钻井液封堵技术仍以经验规律总结及定性判定相结合为主，封堵能力远远达不到要求，不能解决液相侵入导致的地层坍塌压力增大问题。专家学者先后提出了三分之二架桥规则［2－3］、屏蔽暂堵分形理论［4－5］、理想充填理论、D90暂堵新方法［6－11］和广谱暂堵技术［12－14］，但实际应用中未体现出显著效果。

目前，对于泥页岩微裂缝的封堵评价方法一直没有统一的标准，进行钻井液封堵剂和体系配方封堵效果评价试验的方法主要有劈裂岩样人造裂缝模拟法、劈裂岩样结合钢块套筒法、割裂钢块模拟裂缝法、钢片叠加岩心模拟法［15］等，都是对岩石裂缝的直接模拟，对评价封堵剂和钻井液封堵能力有一定的指导作用，但存在重复性差，无法从微观角度来深入分析研究封堵剂的封堵机理、评价优选适配的封堵剂和钻井液体系配方。因此，笔者改进了现有试验研究手段，研制了可视化微裂缝封堵能力模拟评价仪，实现了直观和量化研究的有机结合。

1 试验仪器

根据裂缝开度大小可分为大裂缝、小裂缝、微裂缝、毛细裂缝和隐缝。微裂缝和毛细裂缝在泥页岩地层中普遍存在。裂缝性岩体的井壁稳定性较差［16］，页岩地层井壁稳定性尺度效应明显，不同尺度条件下井壁围岩裂缝扩展机制各异［17］。

在前人研究的基础上，自主研制了可视化微裂缝封堵能力评价仪，主要由加压部分、盛液部分、裂缝模拟部分和仪表部分组成（见图1）。其中，裂缝模板是利用高精度激光刻蚀工艺技术，在长方形高强度、高透明、平整光滑的钢化玻璃面中间部位精密刻蚀出各种微米级裂缝宽度的模拟缝。裂缝表面微观上是粗糙不平的，可以很好地模拟真实泥页岩裂缝面的情况（见图2），制备得到高透明的模拟裂缝模块，并配备同样规格的无刻缝的玻璃作为盖板。

图1 微裂缝封堵可视化试验流程Fig.1 Test procedure of sealing evaluation of microfracture model

试验方法：1）根据试验目的，制定出试验的项目及条件参数；2）选择好封堵材料及试验模板；3）将配制好的封堵浆放入盛液器中，装入模板并连接好管线；4）施加一定的围压和驱替压力，确保围压大于驱替压力0.5～1.0MPa；5）记录最高承压，并观察封堵效果；6）改变驱替压力、模板、封堵材料、粒径及配制浓度等参数，重复试验；7）对试验结果进行对比分析。

图2 三维裂缝表面微观形貌Fig.2 3Dfracture surface morphology

功能特点：1）可视化模拟有利于宏观和微观分析研究钻井液封堵剂封堵效果和封堵机理；2）裂缝设计宽度在10～100μm，不同宽度的裂缝可任意组合，更符合不同宽度微裂缝并存的实际地层，便于系统性试验研究；3）刻蚀面具有一定的粗糙度，模拟的裂缝更为真实，克服了用地层岩心造缝的难度，清洗后可重复使用；4）采用高强度材料可避免因围压产生应变对模拟裂缝宽度的影响；5）模拟裂缝模板放于可施加环向压力的夹持器胶套内，试验结果重复性好，结构简单，操作方便、安全。

因此，该评价试验仪能够既真实地模拟泥页岩微裂缝，又能实现封堵效果可视化评价试验研究，并可结合可视化成像分析技术和封堵剂粒度分布测量结果对各种钻井液封堵剂的封堵机理、效果进行深入研究，用于更好地研发和优选钻井液封堵剂，提高钻井液对裂隙的封堵能力［18］，为解决裂缝性泥页岩地层的井壁失稳问题提供技术支持。

2 模块裂缝宽度的试验测定

刻蚀出来的裂缝表面是凹凸起伏的面。因此，首先应准确确定模块的缝宽。为了提高测量精度，采用试验测定法。

假设模板的渗滤面积为A，模板裂缝长度为c，缝宽为b，缝深度即模板的长度为a，并且裂缝的宽度b和长度c不随着深度a变化（见图2），由布辛列克方程可知，流过单位长度裂缝流体的量为：

则通过长度为c裂缝的流量为：

引入裂缝岩石渗透率Kf：

由达西定理可得，岩石的渗透率为：

由Kf＝K，即：

得缝宽公式为：

式中：Q为单位时间内的流量，m3／s；μ为液体黏度，Pa·s；Kf为裂缝岩石的渗透率，D；Δp为渗滤压差，Pa；a为裂缝的深度，m；b为裂缝宽度，m；c为裂缝的长度，m。

用微裂缝封堵能力评价试验仪进行试验，流体从模板的一端泵入微裂缝中，测量5min内清水通过各个微裂缝的滤失量。为减小试验误差，设定1.0和1.5MPa两个试验压差，每个压差下每个微裂缝模板重复做3次，求其平均值，通过上述公式可计算出2个压差下的缝宽，然后求其平均值，结果如表1所示。由表1可以看出，模板上的裂缝均属于微裂缝，表明裂缝模板能够模拟微米级的裂缝。

表1 各模板的微裂缝宽度Table 1 The aperture of each microfracture models

3 微裂缝封堵评价试验材料

微裂缝封堵能力涉及因素众多，试验重点分析了单一材料对微裂缝的封堵效果和封堵规律，然后，再评价不同材料复合对微裂缝的封堵效果。

刚性封堵颗粒选择实际封堵作业中常用、且来源广泛的超细碳酸钙颗粒，5种不同粒径分布的超细碳酸钙颗粒分别编号为碳酸钙颗粒A、B、C、D和E，用激光粒度分布测量仪测量碳酸钙颗粒粒度分布（见图3）。从图3可以看出，碳酸钙颗粒A、C和E的粒径分布为单峰分布，B和D的粒径分布为双峰分布，粒径分布范围由窄到宽依次为A、B、C、E和D。

图3 不同碳酸钙颗粒粒径分布Fig.3 The particle size distribution of calcium carbonate

可变形颗粒选择自主研制的聚合物溶胀微粒，该微粒可部分溶于水，具有较强的封堵降滤失作用。

通过试验优选质量分数为0.1%的黄原胶溶液作为悬浮剂，黄原胶溶液可以很好地悬浮碳酸钙颗粒，1h内不发生沉降。

4 试验结果分析

4.1 刚性颗粒封堵试验

封堵液配方为清水＋0.1%XC＋1%（或2%，3%，4%）碳酸钙颗粒A（或B，C，D，E）。配制质量分数为0.1%黄原胶溶液，然后将称量好的碳酸钙颗粒加入溶液中，再搅拌20min。

将选好的裂缝模板装到模块夹持器中，将配制好的封堵液缓缓倒入盛液器中，然后将管线连接好。围压加至4.0MPa，封堵压差0.5MPa，并保持0.5MPa的压差，记录10min内的滤失量。然后将封堵压差增至1.0MPa，并保持压差，记录10min内的滤失量。重复以上步骤，直至封堵压差增至2.5MPa，记录10min内的滤失量。然后将封堵压差卸掉，将围压卸掉。取出封堵模板，观察颗粒在裂缝中的分布情况并记录。然后换一个微裂缝模板，重复以上操作。得到各个封堵胶溶液在各个微裂缝下的滤失量，根据试验数据进行统计分析。

4.1.1 压差

将同一裂缝、同一封堵颗粒的不同质量分数下的滤失量相加为总的滤失量，得到滤失量和压差的关系曲线（见图4）。

图4 不同压差下不同碳酸钙颗粒对微裂缝的封堵效果Fig.4 The sealing effect of calcium carbonate at different pressure differentials

从图4可以看出：滤失量与压差之间不是线性关系。大部分情况下，开始压差较小时，没有滤失或滤失量很小，当压差达到某一值后，滤失量突然增大。这是因为开始时封堵液在裂缝处形成封堵层，阻止滤失。随着压力的增大，形成的封堵层被部分破坏，滤失量突然增大。从图4也可以看出，部分情况下压差增大滤失量反而减小，这是由于在较小压差下没有形成完好的封堵层，随着封堵液进入裂缝，颗粒堆积增多，压差增大，封堵层被进一步压实，强度增大，能够抵抗更高的压力。

4.1.2 封堵颗粒质量分数

将同一裂缝、同一封堵颗粒的不同压差下的滤失量相加，得到总的滤失量，得到滤失量和颗粒质量分数的关系曲线（见图5）。

图5 不同质量分数下不同碳酸钙颗粒对微裂缝的封堵效果Fig.5 The sealing effect of calcium carbonate at different mass fractions

图5表明，当封堵液中没有封堵颗粒时，滤失量很大；向封堵液中加入封堵颗粒，可以显著减小滤失量；但随着质量分数的增大，有些情况滤失量降低，有些情况下滤失量先增大后降低，有些情况下滤失量基本不变，说明不同粒径的碳酸钙颗粒封堵效果差别较大。

4.1.3 粒径

将同一封堵颗粒、同一裂缝下，不同压差、不同质量分数的滤失量相加得滤失量总和，得到封堵颗粒对微裂缝的封堵效果（见表2），再找到各个微裂缝的宽度值在粒径累计分布曲线上的对应的值（见表3）。

由表2和表3可看出：对微裂缝封堵效果由好到差依此为D、E、B、A和C；与粒度分布范围由大到小顺序一致，由此可以看出，粒径范围分布广的封堵效果较好；整体来看，双峰分布碳酸钙颗粒D、B的封堵效果好于单峰分布的E、A和C；当微裂缝宽度值为颗粒粒径分布曲线上的D50～D58时，封堵效果较好。

表2 不同颗粒粒径下的总滤失量Table 2 The total amount of filtration with different particle sizes

4.1.4 封堵位置

分析微裂缝封堵层的位置发现，封堵层位置主要在裂缝端口处、微裂缝内部喉道处和微裂缝内部非喉道处（见图6）。微裂缝内部喉道处形成的封堵层稳定，非常致密，承压能力强，封堵效果较好。

表3 微裂缝宽度在颗粒粒径累计分布曲线上对应的值Table 3 The corresponding value of aperture of microfracture on the particle size distribution

图6 微裂缝封堵位置Fig.6 Sealing position in microfracture

4.2 可变形颗粒封堵试验

封堵液配方为清水＋0.1%（或0.3%，0.5%，0.7%）溶胀微粒，试验方法同上。

4.2.1 压差

将同一压差、同一裂缝在不同质量分数下的滤失量相加得到总滤失量，得到压差和总滤失量的关系曲线（见图7）。结果表明，随着压差增大，通过微裂缝的滤失量呈增大趋势。在压差小于2MPa时，滤失量与压差近似线性关系；当压差达到2.5MPa后，滤失量明显增大。

图7 不同压差下溶胀微粒对微裂缝的封堵效果Fig.7 The sealing effect of swelling particles at different pressures

4.2.2 封堵颗粒质量分数

将同一质量分数、同一裂缝在不同压差下的滤失量相加得到总滤失量，得到压差和总滤失量的关系曲线（见图8）。结果表明，当聚合物溶胀微粒质量分数为0.1%时，滤失量较大；当质量分数增加到0.3%时，滤失量明显减小；在质量分数为0.5%时，滤失量基本为零；当质量分数为0.7%时，所试验的1＃—7＃裂缝模板滤失量全部为零。因此，合理的聚合物溶胀微粒封堵质量分数为0.5%～0.7%。

图8 不同质量分数溶胀微粒对微裂缝的封堵效果Fig.8 The sealing effect of swelling particles at different mass fractions

5 结 论

1）滤失量与压差不呈线性关系，当压差达到某一值后，滤失量会突然增大。

2）粒径分布范围广的颗粒封堵效果比粒径分布范围窄的颗粒封堵效果好。

3）当微裂缝宽度值为颗粒粒径分布曲线上的D50～D58时，能取得较好的封堵效果，且微裂缝内部喉道处形成的封堵层封堵效果最好。

4）硬脆性泥页岩微裂缝封堵涉及到的影响因素较多，还需进一步深入研究。

［1］徐同台，崔茂荣，王允良，等.钻井工程井壁稳定新技术［M］.北京：石油工业出版社，1997：21－23.Xu Tongtai，Cui Maorong，Wang Yunliang，et al.New technology of borehole wall stability of drilling engineering［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1997：21－23.

［2］罗向东，罗平亚.屏蔽式暂堵技术及储层保护中的应用研究［J］.钻井液与完井液，1992，9（2）：19－27.Luo Xiangdong，Luo Pingya.Application of temperarily sealing shielding in reservoir protection［J］.Drilling Fluid ＆ Completion Fluid，1992，9（2）：19－27.

［3］罗平亚.钻井完井过程中保护油层的屏蔽式暂堵技术［M］.北京：中国大百科全书出版社，1997：68－98.Luo Pingya.Shielding temporary sealing technology of protecting reservoir in the process of drilling completion［M］.Beijing：Encyclopedia of China Publishing House，1997：68－98.

［4］崔迎春.屏蔽暂堵剂优选的新方法［J］.现代地质，2000，14（1）：91－94.Cui Yingchun.A new method for the optimal selection of temporary sealing particles［J］.Geoscience，2000，14（1）：91－94.

［5］吴彬，鄢捷年，徐显广.保护高渗砂岩储层的钻井液技术［J］.中国海上油气：地质，2002，16（1）：58－70.Wu Bin，Yan Jienian，Xu Xianguang.A drilling fluid technique to protect high－permeability sandstone reservoir［J］.China Offshore Oil and Gas：Geology，2002，16（1）：58－70.

［6］Hands Nick，Kowbel Kevin，Maikranz Sven，et al.Drill－in fluid reduces formation damage，increases production rates［J］.Oil＆ Gas Journal，1998，96（28）：65－68.

［7］张金波，鄢捷年.钻井液中暂堵剂颗粒尺寸分布优选的新理论和新方法［J］.石油学报，2004，25（6）：88－91，95.Zhang Jinbo，Yan Jienian.New theory and method for optimizing the particle size distribution of bridging agents in drilling fluids［J］.Acta Petrolei Sinica，2004，25（6）：88－91，95.

［8］张凤英，鄢捷年，周劲辉，等.苏丹六区低伤害防塌钻井液技术［J］.石油钻探技术，2010，38（2）：43－46.Zhang Fengying，Yan Jienian，Zhou Jinhui，et al.An anti－sloughing and low－damage drilling fluid used in Block 6，Sudan［J］.Petroleum Drilling Techniques，2010，38（2）：43－46.

［9］邱正松，张世锋，黄维安，等.“等级孔隙最优充填”暂堵方法与现场试验［J］.石油钻探技术，2012，40（5）：17－21.Qin Zhengsong，Zhang Shifeng，Huang Weian，et al.Temporary plugging and field testing with"optimum filling for multi－stage pores"method［J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（5）：17－21.

［10］李怀科，鄢捷年，叶艳，等.保护裂缝性气藏的超低渗透钻井液体系［J］.石油钻探技术，2008，36（4）：34－36.Li Huaike，Yan Jienian，Ye Yan，et al.Ultra low filtration drilling fluid for protecting fractured reservoirs［J］.Petroleum Drilling Techniques，2008，36（4）：34－36.

［11］舒勇，鄢捷年，宋付英，等.暂堵剂图解优化新方法在钻井液设计中的应用［J］.石油钻探技术，2008，36（6）：48－51.Shu Yong，Yan Jienian，Song Fuying，et al.The application of newgraphical optimizing method of temporary plugging particle size distribution in drilling fluids design［J］.Petroleum Drilling Techniques，2008，36（6）：48－51.

［12］蒋官澄，马先平，纪朝凤，等.广谱“油膜”暂堵剂在油层保护技术中的应用［J］.应用化学，2007，24（6）：665－669.Jiang Guancheng，Ma Xianping，Ji Chaofeng，et al.Application of a broad－spectrum oil－film temporary sealing agent to reservoir protection［J］.Chinese Journal of Applied Chemistry，2007，24（6）：665－669.

［13］蒋官澄，胡成亮，熊英，等.广谱“油膜”暂堵钻井液体系研究［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2006，30（4）：53－57.Jiang Guancheng，Hu Chengliang，Xiong Ying，et al.Study on system of broad－spectrum oil－film temporary sealing drilling fluid［J］.Journal of China University of Petroleum：Edition of Natural Science，2006，30（4）：53－57.

［14］蒋官澄，胡成亮，熊英，等.广谱暂堵保护油气层钻井完井液体系研究［J］.钻采工艺，2005，28（5）：101－104.Jiang Guancheng，Hu Chengliang，Xiong Ying，et al.Study on system of broad－spectrum tempo－rary blocking drilling and completion fluid for reservoir protection［J］.Drilling ＆ Production Technology，2005，28（5）：101－104.

［15］王建华，鄢捷年，苏山林.硬脆性泥页岩井壁稳定评价新方法［J］.石油钻采工艺，2006，28（2）：28－30.Wang Jianhua，Yan Jienian，Su Shanlin.New method for evaluating borehole stability in brittle shale［J］.Oil Drilling ＆Production Technology，2006，28（2）：28－30.

［16］李士斌，高铭泽.水平层状裂缝性岩体的井壁稳定性分析［J］.石油钻探技术，2009，37（2）：35－37.Li Shibin，Gao Mingze.Wellbore stability analysis for horizontal stratified fractured rock［J］.Petroleum Drilling Techniques，2009，37（2）：35－37.

［17］卢运虎，陈勉，安生.页岩气井脆性页岩井壁裂缝扩展机理［J］.石油钻探技术，2012，40（4）：13－16.Lu Yunhu，Chen Mian，An Sheng.Brittle shale wellbore fracture propagation mechanism［J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（4）：13－16.

［18］高莉，张弘，蒋官澄，等.鄂尔多斯盆地延长组页岩气井壁稳定钻井液［J］.断块油气田，2013，20（4）：508－512.Gao Li，Zhang Hong，Jiang Guancheng，et al.Drilling fluid for wellbore stability of shale gas in Yanchang Formation，Ordos Basin［J］.Fault－Block Oil ＆ Gas Field，2013，20（4）：508－512.