应力敏感裂缝性地层漏失规律

王　岳（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

应力敏感裂缝性地层漏失规律

王岳
（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

井漏问题给石油工程界带来极大挑战，尤其是深井钻井作业过程中遇到应力敏感裂缝性地层时，由于地层压力变化异常，裂缝形态复杂多样，钻井液漏失问题更加突出。采用模拟地层条件下的岩心浸泡实验和常规岩石力学实验，测试了裂缝性碳酸盐岩地层经过堵漏浆浸泡作用后的岩石力学强度参数，分析了裂缝性碳酸盐岩岩心的强度弱化效应和封堵机理。在考虑裂缝和孔隙结构特征造成的应力敏感行为差异的基础上，通过对现场实例计算，定量分析和讨论了应力敏感裂缝性地层的漏失规律，为应力敏感裂缝性地层的堵漏机理研究提供了理论依据。

应力敏感性地层；裂缝性地层；漏失规律；堵漏效果

深井钻井作业过程中，由于泥浆密度选择不当往往会引起裂缝性地层严重的井漏问题，压力平衡极难调整，造成大量钻井液漏失到地层中[1-4]。裂缝性地层漏失复杂性强且难以解决，经常会造成严重的井下事故，导致钻井成本的增加[5-8]。

山前构造影响地质情况异常复杂，大多数井都存在钻井液密度选择不当的问题，在钻井过程中井漏和溢流频繁发生，压力平衡很难调整，表现为典型的应力敏感性地层钻探特征[9]。应力敏感裂缝性地层漏失的主要原因是高密度钻井液压裂地层中的微裂缝或弱结构面，形成诱导性裂缝造成漏失。高陡构造强挤压应力形成断层构造裂缝、微裂缝，同时当钻井液密度过大，形成的液柱压力高于地层压力时，在井底压差作用下造成天然裂缝纵、横向延伸（以垂直裂缝为多），形成诱导裂缝，进一步拓展了井漏分布区间[10]。

碳酸盐岩地层中的井漏原因通常有渗透性漏失、天然裂缝漏失和诱导裂缝漏失3种情况。文献［11］将碳酸盐岩地层漏失分为3种类型（压裂性漏失、裂缝扩展性漏失和大型裂缝溶洞性漏失），并提出了相应漏失类型的漏失压力模型。碳酸盐岩地层最显著的特征就是应力敏感性，因此关于这方面的研究也越来越多[12-15]。一般认为，当应力敏感裂缝性地层发生井漏时，需要采用堵漏剂封堵裂缝，降低裂缝处的渗透率，阻止钻井液的漏失。

本文通过模拟地层条件下堵漏材料封堵裂缝性碳酸盐岩的微观机理评价实验方法，分析了堵漏材料对裂缝性碳酸盐岩的弱化效应和封堵机理。在此基础上建立了钻井液漏失模型，计算了钻井液堵漏前后漏失量随井底压差的变化，认识了裂缝性地层钻井液漏失规律以及井漏的影响因素。

1　岩石力学强度参数对比

利用伺服控制器和隔离器来模拟井下堵漏作业时的环境。本文利用了一台滑套式隔离器（图1），在隔离器中间设置了一块隔离滑套，该隔离滑套可将隔离器分隔为液压油和堵漏浆2个腔体。隔离器总容积为700 mL，承压能力为60 MPa，能够满足模拟堵漏实验的要求。室验前先把岩心放入隔离器内的堵漏浆腔体中，注入实验用堵漏浆，并使岩心完全浸泡于堵漏浆中，封闭隔离器的出口使之成为一个密闭空间。实验过程中利用增压泵对隔离器中的液压油腔体施加50 MPa的恒压，通过压力传递作用，堵漏浆腔体中也产生了50 MPa的恒定压力。实验时，堵漏浆在50 MPa外部压力作用下会逐渐渗入到岩心的内部，导致岩心的力学参数随实验时间而发生变化。本项实验中，岩心在堵漏浆里浸泡时间分别是1 d和2 d.

图1　模拟井下环境的岩心浸泡实验系统

实验过程中采用的是堵漏浆CC-1，其中的颗粒材料、片状材料、纤维状材料和聚合物的最佳配比为4∶2∶2∶1.

对比实验前后的岩心（图2）发现，浸泡前的碳酸盐岩岩心表面可看见许多微裂缝（图2a），这种裂缝的宽度大多小于0.01 mm，有些具有分支现象。从堵漏浆浸泡后的岩心可以看出，堵漏浆已经通过岩心表面的微裂缝渗入进裂缝性碳酸盐岩的内部，而且堵漏浆中的颗粒状物质堆积在裂缝表面形成了一层厚厚的泥饼（图2b）。

通过岩石力学三轴实验方法对浸泡前、后的岩心进行弹性模量和抗压强度的测试（表1），实验岩样方向均为水平方向。由表1可知，裂缝性碳酸盐岩在经过堵漏浆1 d和2 d的浸泡处理后，岩石力学参数均有不同程度的变化。堵漏浆处理后岩石的弹性模量和抗压强度都呈现出下降趋势，同时存在浸泡时间越长，下降越多的趋势。其岩石力学性质发生变化是由于滤液与黏土矿物的作用，降低了岩石的弹性模量和抗拉强度。

图2　裂缝性碳酸盐岩岩心堵漏浆浸泡前（a）后（b）对比

表1　模拟地层条件下（围压40MPa）样品在堵漏浆处理前后的岩石力学参数

把堵漏浆浸泡前、后的岩心剖开，对岩心内部进行扫描电镜成像，对浸泡前的岩心放大500倍后的照片可以看到，岩心内部分布着大量的裂隙和溶洞（图3a）。从浸泡后的岩心放大500倍后的照片中可以看到，堵漏浆中的片状、颗粒状和纤维状材料对裂隙和溶洞形成了有效的封堵（图3b）。几种材料在封堵裂缝性漏失的过程中的作用机理是，首先大颗粒材料在裂缝孔喉处架桥，将裂缝分割成大小不一的孔隙，小颗粒、纤维状、片状材料填充架桥形成的孔隙，使孔隙渗透率降低，在架桥和填充的基础上，形成渗滤性很高的堵层（薄层），后续堵漏浆在通过堵层时，水分迅速滤失，堵漏浆中的可溶性颗粒状物质在堵层上形成滤饼，堵漏材料中的纤维状物质在滤饼中纵横交错，形成拉筋，加强了滤饼的强度，最终有效封堵裂缝。

图3　堵漏浆浸泡前（a）后（b）岩心内部扫描电镜成像

2　现场实例分析

2.1漏失规律研究

为了使裂缝性地层堵漏成功、维持井眼稳定，首先需要掌握地层的漏失规律。存在大量诱导性裂缝地层，钻井液的漏失情况要比常规无裂缝的地层复杂得多。为了更好地研究漏失的影响，根据上述建立的模型和实际数据，分析了X2井的漏失规律，结果如图4所示。

图4　 X2井钻井液漏失速度与时间的关系

X2井钻井液漏失段为4 791.0~4 796.1 m，钻井液密度为1.23 g/m3，地层压力梯度为1.03 MPa/hm，钻井液漏失速度约为3.50 m3/h，钻井液柱压力与地层压力差为9.05 MPa，水平最小地应力80 MPa，水平最大地应力120 MPa.地层孔隙度2.5%~5.8%，裂缝孔隙度0.043%~0.100%，中洞发育，裂缝密度为1条/4 m.

由图4可以看出，漏失速度随着时间的变化可以分为以下2个阶段。

第1阶段，漏失速度随着时间逐渐增加，过了临界时间（10 s）之后，漏失量迅速增加，说明这个临界压力对应天然裂缝的突然开启，缝宽增加后，漏失量剧烈增加，在15 s左右达到最大值。在这一阶段，钻井液压力大于地层压力，由于压差作用和泥饼的形成，钻井液向地层缓慢渗流，使得井筒附近的局部地层压力逐渐升高，从而引起地层裂缝面的开度发生变化，进而引起渗透性的大幅度提高。

第2阶段，漏失速度急剧降低后，缓慢减小，直至达到稳定漏速。这是由于地层中的裂缝面开度发生微小变化后，井内钻井液压力和缝内压力很快达到稳定，从而漏失速度也趋于稳定。从图4可看出，稳定的漏失速度约为3.15 m3/h，与实际统计的平均漏失3.50 m3/h具有较好的吻合度。

2.2堵漏效果分析

通过计算得到了堵漏前后漏失量随井底压差变化的曲线（图5），分析模拟计算结果发现，堵漏前后漏失量随井底压差的变化关系明显不同。在井底压差为13 MPa时，堵漏前钻井液漏失速度为4.20 m3/h，堵漏后的钻井液漏失速度大大减小，降低到1.00 m3/h以下。由此可以看出，建立的裂缝性地层的漏失模型可以定量的分析和讨论，有助于对漏失规律的认识和研究，为更有效地处理井漏问题提供了帮助。

3　结论

（1）通过测试堵漏浆浸泡后的岩心发现，堵漏浆对裂缝性碳酸盐岩会产生强度弱化效应，随着时间的增加，弱化强度会逐渐下降。但是堵漏材料会对碳酸盐岩的裂缝和溶洞形成有效封堵，增强井壁的强度，提高裂缝性地层的承压能力。

图5　堵漏前后漏失量和井底压差的关系

（2）尽管影响井漏的因素很多，但归根到底是漏失通道的性质和作用于漏失层的压差对井漏的影响。针对应力敏感裂缝性地层的井漏问题，漏失通道的性质是内因，在一定条件下是相对不变的因素，作用于漏失层的压差是外因，是可变因素，凡是影响漏失压差的因素均会对井漏产生影响。

（3）在裂缝性地层钻井过程中，堵漏材料添加前后地层裂缝的状态发生变化，主要来自两个方面：一是裂缝的张开闭合状态；二是堵漏材料对裂缝的填充效果。

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Lost Circulation Law in Fractured Strata with Stress Sensitivity

WANG Yue
(College of Petroleum and Natural Gas Engineering,LiaoningUniversity of Petroleum&Chemical Technology, Fushun,Liaoning113001,China)

The lost circulation problem often brings about great challenges to petroleum engineering sector,especially in the case of en⁃countering fractured strata with stress⁃sensitivity while drilling deep wells.By means of core soaking experiment and conventional rock me⁃chanics experiment under simulated formation conditions,this paper tests the rock mechanics parameters of fractured carbonate rocks after soaked by plugging slurry,and analyzes the samples’mechanics strength weakening effect and plugging mechanism.Considering the stress⁃sensitivity differences caused by the fracture and pore structure characteristics,this paper quantitatively analyzes and discusses the lost circulation law of such aformation,providingatheoretical basis for the pluggingmechanism study of stress⁃sensitivity fractured strata.

stress⁃sensitivity formation;fractured formation;lost circulation law;pluggingeffect

TE135

A

1001-3873（2015）04-0450-04

10.7657/XJPG20150412

2014-09-18

2015-04-18

国家自然科学基金（71373003）

王岳（1962-），男，辽宁大连人，教授，石油天然气工程，（Tel）13050197188（E-mail）wangyuefs@126.com.