深层裂缝性储层物理类堵漏材料定量评价优选方法

许成元 张洪琳 康毅力 游利军 方俊伟张敬逸 闫霄鹏 谢智超 周贺翔

1. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2. 中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院

0 引言

井漏是制约深层超深层钻井的重要工程技术难题，储层段井漏更会严重妨碍油气层及时发现、准确评价和高效开发，大幅降低油气井产量。钻井液漏失是深层裂缝性储层钻完井阶段最严重的储层损害方式，漏失导致工作液中固相和液相大量侵入储层，极易诱发固相堵塞损害、流体敏感损害、应力敏感损害和液相圈闭损害[1-8]。而且随着工作液漏失量增加，损害带范围急剧增大，并与后续作业损害相叠加。高温、高压、高地应力等深层（埋深大于4 500 m）储层条件，进一步增加了工作液漏失控制难度，且通过增产改造等措施解除或缓解漏失损害的成本和难度也随之增加[9-14]。

深层裂缝性储层井漏控制不仅要做到漏失时高效封堵裂缝[15-18]，还应兼顾生产前解堵和储层保护[9,19-26]。物理类桥接堵漏材料是储层段井漏控制最常用的材料类型，具有来源广、施工便利等优点，但桥接堵漏材料种类繁多、性能各异。按几何形状可分为圆球状、片状、纤维状和不规则形状材料，按力学性质可分为刚性、弹性和弹塑性材料，按化学可解除性质可分为酸溶、自降解和惰性材料等。桥接堵漏材料的作用效果，取决于其对钻井液漏失层条件和漏失类型的适用性[27]，针对堵漏材料评价与优选问题，国内外学者开展了大量研究，设计并开展实验探讨了堵漏材料几何、物理和力学性能对封堵效率的影响，形成了堵漏材料性能评价方法[28-35]。然而，现有的评价方法多针对堵漏材料单一性能参数的评价，堵漏材料作用效果受几何、物理和力学性能的综合影响，目前仍缺少物理类桥接堵漏材料系统评价方法，堵漏材料选择仍以经验为主，尚未形成针对裂缝性储层井漏控制的堵漏材料定量评分优选方法。

笔者以塔里木盆地深层裂缝性致密储层为例，考虑储层高温、高压、高地应力条件和生产前解堵需求，基于堵漏材料关键性能参数提取结果，设计并开展室内实验，对材料关键性能参数进行了系统评价，基于层次分析法计算了堵漏材料关键性能参数权重，建立了堵漏材料定量评分模型，最终形成了深层裂缝性储层桥接堵漏材料定量评分优选方法。研究成果可为深层裂缝性储层堵漏材料优选与堵漏配方设计提供新思路和理论依据。

1 堵漏材料优选方法设计思路

1.1 深层裂缝性储层堵漏材料关键性能参数

堵漏材料对钻井液漏失层条件和漏失类型的适用性决定其作用效果，井漏特征决定堵漏材料关键性能参数类型，根据井漏特征确定堵漏材料关键性能参数，为堵漏材料优选的首要步骤。本文以塔里木盆地深层裂缝性致密储层为例，研究区储层深度大于6 500 m，地层温度介于150～180 ℃，储层基块致密，基块平均孔隙度为2.22%，基块平均渗透率为0.070 mD，储层天然构造裂缝发育，成为改善致密储层物性和提高油气井产能的关键[36-37]。但是，天然裂缝在钻开储层过程中也成为主要的工作液漏失通道，采用桥接堵漏材料对裂缝进行有效封堵，是深层裂缝性致密储层井漏控制的重要方式。

研究区储层井漏成因类型以大中裂缝型漏失和裂缝扩延型漏失为主，裂缝—封堵层系统稳定性是决定该深层裂缝性储层井漏控制效果的关键。裂缝封堵层承压过程中主要失稳模式包括摩擦失稳和剪切失稳，其中摩擦失稳可进一步分为材料粒度降级致摩擦失稳和裂缝扩展致摩擦失稳（图1）[14]。根据裂缝—封堵层系统稳定性要求，结合研究区深层裂缝性储层高温、高压、高地应力条件和生产前解堵要求，提取了6种堵漏材料关键性能参数：粒度分布、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、可溶蚀能力、抗高温能力[10]。

粒度分布影响裂缝中堵漏材料架桥和填充效果，进而影响裂缝封堵强度和封堵效率[38]；纤维长径比和堵漏材料摩擦系数影响封堵层的摩擦和剪切失稳强度，进而影响裂缝封堵效果；研究区深层裂缝性致密储层温度达150 ℃以上，高温老化可导致堵漏材料粒径和强度降级，影响裂缝封堵效果，因而堵漏材料需具有抗高温能力[30]；抗压能力影响储层高裂缝闭合应力或高流体压差作用下，堵漏材料破碎降级程度，进而影响裂缝封堵效果；考虑到裂缝性储层生产前解堵的需要，堵漏材料需具备一定的可溶蚀能力。酸溶解堵是裂缝封堵层最常用的解除方式，因此多采用酸溶率来表示可溶蚀能力。

1.2 深层裂缝性储层堵漏材料优选方法设计流程

针对裂缝性储层桥接堵漏材料优选问题，形成了堵漏材料定量评分优选流程，如图2所示。

首先，提取深层裂缝性储层堵漏材料关键性能参数；然后，开展堵漏材料关键性能参数评价实验，根据参数评价标准与评分标准确定参数得分；采用层次分析法[39-40]，计算堵漏材料性能参数权重；进而根据堵漏材料参数得分和参数权重，对堵漏材料进行定量评分；最后，选用高得分堵漏材料形成堵漏配方，开展现场应用。本文提出的堵漏材料定量评分优选方法主要针对物理类桥接堵漏材料。堵漏材料关键性能参数提取和相对重要程度，应根据漏失层工程地质条件、漏失成因类型和漏失特征进行动态调整。本文以塔里木盆地深层裂缝性致密储层为例，介绍堵漏材料定量评分优选方法。

2 堵漏材料关键性能参数评价

2.1 堵漏材料

选用塔里木盆地深层裂缝性致密储层常用堵漏材料开展分析（表1），材料分为架桥材料、填充材料、拉筋材料3类。

表1 实验评估堵漏材料分类表

架桥材料中，N1和N2为有机果壳类堵漏材料；D6为高强度颗粒状堵漏材料；C1、F2和C7为无机矿物类刚性堵漏材料，主要成分为碳酸钙。填充材料中，E1为复合状堵漏材料；C4、C9为较小粒径的无机矿物类堵漏材料，主要成分为碳酸钙。D12、D13、G8为拉筋材料。

2.2 堵漏材料性能参数评价方法

对堵漏材料关键性能参数进行实验测试，包括粒度D90、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、酸溶率、抗高温能力。通过加压前后堵漏材料的粒度降级率反映堵漏材料抗压能力强度；由酸溶实验结果评价堵漏材料的酸溶率高低；架桥材料和填充材料的抗高温能力由高温前后堵漏材料的粒度降级率表示，拉筋材料的抗高温能力则通过质量损失率评价。

D90降级率（R90）的计算公式为：

式中D90i表示初始堵漏材料的粒度D90，μm；D90d表示实验处理后堵漏材料的粒度D90，μm。

酸溶率（RA）计算公式为：

式中W表示酸溶后重量，g；Wo表示用于滤抽的滤纸重量，g；W1表示酸溶前材料质量，g。

2.2.1 堵漏材料粒度分布测试

采用激光粒度仪和图像分析法两种实验方法，对粒径小于1 mm的堵漏材料采用激光粒度仪进行粒度测量。图像分析法则用于粒径1 mm以上的堵漏材料粒度分布测试，该方法的操作流程为：①利用高清照相机对均匀分布的堵漏材料进行拍照，成像颗粒之间应避免相互接触；②对高清图像进行成像处理，包括图像去噪、图像增强、阈值选择、图像二值化、边缘检测等手段[41]（图3）；③得到实验材料的粒度分布结果。

图3 图像分析法

2.2.2 堵漏材料抗高温能力测试

采用滚子加热炉对堵漏材料进行高温老化，实验流程：①测定初始堵漏材料粒度分布；②配制钻井液作为堵漏材料分散液；③在老化罐中加入一定量的堵漏材料与不超过老化罐容积2/3体积的分散液，在180 ℃的高温环境下老化8 h；④将老化后的堵漏材料烘干，重新测量粒度分布，计算堵漏材料的D90降级率。

2.2.3 堵漏材料抗压能力测试

使用液压机对堵漏材料加压，实验装置如图4所示。

图4 堵漏材料抗压能力测试装置示意图

实验流程：①测定初始堵漏材料粒度分布；②将一定质量的堵漏材料平铺于破碎室内，启动液压机加载模块，使钢板面均匀作用于钢质活塞面，并以恒定速率加压；③加压至30 MPa，稳压5 min后卸压；④取出实验样品，重新测量粒度分布，计算堵漏材料的D90降级率。

2.2.4 堵漏材料摩擦系数测试

采用COF-1型摩擦系数测量仪测量堵漏材料的表面摩擦系数[42]，该装置通过上部滑块在覆盖有堵漏材料的摩擦板上滑动来实现堵漏材料摩擦系数的测量，根据实验得到的摩擦曲线可计算出堵漏材料的平均滑动摩擦系数。

3 堵漏材料性能参数权重确定

3.1 构建判断矩阵

根据桥接堵漏材料实际作用方式，将其划分为架桥材料、填充材料和拉筋材料[14]。结合现场试验数据、室内实验结果及专家和工程师的经验，确定深层裂缝性储层堵漏材料关键性能参数相对重要程度（表2），进而以参数相对重要程度为基础，根据“1～9”标度法，构建架桥材料、填充材料、拉筋材料性能参数判断矩阵（表3～5）。

表2 堵漏材料性能参数相对重要程度表

表3 架桥材料性能参数判断矩阵表

3.2 判断矩阵的一致性检验

当判断矩阵一致性检验结果CR＜0.1时，则认为所构建的判断矩阵满足一致性要求[43]。CR的计算公式为：

式中RI表示平均随机一致性指标；CI表示一致性系数，与矩阵的阶数n及最大特征根有关；λmax表示判断矩阵最大特征值；n表示判断矩阵的阶数。

表4 填充材料性能参数判断矩阵表

表5 拉筋材料性能参数判断矩阵表

根据平均随机一致性指标（RI）值与判断矩阵的阶数（n）的关系（表6），计算构建的架桥材料、填充材料、拉筋材料性能参数，判断矩阵一致性检验结果满足标准（表7）。

表6 平均随机一致性指标与判断矩阵的阶数的关系表

表7 判断矩阵一致性检验结果表

3.3 计算堵漏材料性能参数权重

求解判断矩阵常用的近似计算方法：根法、和法及幂法。本文采用和法计算堵漏材料性能参数相对权重[43-44]，将判断矩阵(aij)n×n的每一列归一化，得到矩阵(bij)n×n，即

依据式（5）～（9），计算架桥材料、填充材料和拉筋材料的性能参数相对权重（表8）。

表8 堵漏材料性能相对权重计算结果表

4 堵漏材料定量评分模型

将堵漏材料的性能参数进行标量化处理。堵漏材料性能参数评分标准如表9～11所示。根据计算得到的堵漏材料性能参数的相对权重，给出堵漏材料优选模型：

表9 堵漏材料性能参数评价标准表[14]

表10 堵漏材料性能评分标准表[14]

式中S表示堵漏材料的最终得分；φi(x)表示堵漏材料性能参数权重；ϕi(x)表示性能对应的量化值。

材料的最终得分是在综合考虑材料的各性能参数的条件下计算获得的，反映了材料的综合封堵能力。得分越高，则材料的适用性越强。

表11 堵漏材料粒度D90评分标准表[14]

5 结果与讨论

5.1 堵漏材料性能参数评价结果

5.1.1 堵漏材料粒度分布、抗高温与抗压能力测试

图5所示为架桥材料的粒度D10、D50、D90值分布情况，分别是指累积百分率曲线上10%、50%和90%点对应的颗粒粒径，材料粒径越大，对应的粒度D10、D50、D90值越大。图6为填充材料的粒度分布情况和拉筋材料的纤维长径比，纤维长径比是指纤维长度与直径的比值。

图5 架桥材料粒度值分布图

图6 填充材料粒度D10、D50、D90值分布和拉筋材料的纤维长径比图

高温条件下，堵漏材料的强度和粒度分布会发生变化，影响堵漏材料形成封堵层的稳定性[12]。实验测试的堵漏材料的抗高温能力结果如图7、8所示。架桥材料中，C1、F2和C7为无机矿物类刚性堵漏材料，高温老化后，粒度D90降级率低，则抗高温能力强，但30 MPa加压处理后，3种堵漏材料的D90降级率偏高，抗压能力偏低，分析认为以碳酸钙为主要成分的无机矿物类刚性堵漏材料在高压力下发生脆性变形，颗粒破碎，导致堵漏材料粒度D90变化较大。填充材料中，C4的粒度D90降级率最小，为0.94%，抗高温能力强。拉筋材料中，D12质量损失率最低，为8.1%，抗高温能力最强。

图7 架桥材料高温老化、30 MPa加压处理后粒度D90变化图

图8 填充材料高温老化后粒度D90变化和拉筋材料高温老化后质量损失率

5.1.2 堵漏材料摩擦系数测试结果

平均滑动摩擦系数是表征堵漏材料摩擦性能的一个主要值，各堵漏材料的平均摩擦系数如图9所示。

图9 堵漏材料平均摩擦系数图

架桥材料中，N1和D2的摩擦系数较高。

5.1.3 堵漏材料酸溶率测试结果

堵漏材料酸溶率测试实验结果如表12所示，有机果壳类堵漏材料N1、N2酸溶率分别为33.89%、31.11%，酸溶率偏低；高强度颗粒状堵漏材料D6酸溶率最低（10.93%）；以碳酸钙为组分的堵漏材料酸溶率大于95%，酸溶率高，且能在酸液中迅速发生溶解；拉筋材料中D12酸溶率最高（67.09%）。

表12 堵漏材料酸溶率测试结果表

5.2 堵漏材料定量评分

根据建立的堵漏材料评分模型，计算了各堵漏材料的最终得分（图10～12）。

图10 架桥材料各性能参数最终得分图

架桥材料中，D6得分最高（7.607 4），N2得分最低（5.572 8）；填充材料中，C9得分最低（8.135 1）；拉筋材料中，D12得分最高（7.646 6），D13得分最低（4.531 2）。

5.3 堵漏材料定量评分优选方法室内实验验证

为了验证堵漏材料最终评价结果的有效性，根据堵漏材料最终得分形成堵漏配方，开展裂缝封堵实验。以裂缝封堵层最大承压能力为实验指标，评价堵漏材料的裂缝封堵效果。共设计6组配方（表13）。

表13 堵漏配方承压能力评价表

配方1-0#和1-1#改变了架桥材料，分别选用得分最高的架桥材料D6和得分最低的架桥材料N2；配方2-0#和2-1#分别选用了不同得分的填充材料和拉筋材料；配方3-0#由综合得分较高的架桥材料、填充材料和拉筋材料组成，3-1#由综合得分较低的架桥材料、填充材料和拉筋材料组成。根据实验得到的各配方最大承压能力，比较配方1-0#和1-1#，配方1-0#最大承压为10 MPa，高于配方1-1#；配方2-0#最大承压为13.6 MPa，高于配方2-1#；由综合得分最高优选出的堵漏材料组成的配方3-0#最大承压高于15 MPa，效果明显。实验结果表明，高得分的堵漏材料形成的堵漏配方承压能力高，封堵效果好，同时说明了该方法的可行性。

图11 填充材料各性能参数最终得分图

5.4 现场实例

根据现场实际要求，可对多种堵漏材料进行优选，调整各参数之间的相对权重，优选出最佳的堵漏材料，在塔里木盆地W12、N3井进行堵漏现场试验。W12井钻井液漏失成因机理以诱导裂缝型、裂缝扩展延伸型为主。N3井钻井液漏失成因机理以大中裂缝型为主，裂缝扩展延伸型为辅。两口井的漏失层位对堵漏材料性能有不同要求。明确不同层位堵漏材料关键性能参数，依据权重优选堵漏配方。以诱导破裂型漏失为主，扩展延伸型漏失为辅的漏失层，裂缝宽度范围大，则采用预防为主，防治结合的原则，合理的粒度分布，低D90降级率、高抗温能力等是堵漏材料选择的要求；以大中裂缝型漏失为主的漏失层，裂缝封堵层强度是堵漏的关键，因此需要优化钻井液封堵能力。基于定量评分方法优选堵漏配方，试验结果如表14所示。

图12 拉筋材料各性能参数最终得分图

表14 堵漏现场试验结果表

6 结论

1）堵漏材料对钻井液漏失层条件和漏失类型的适用性决定其作用效果，井漏特征决定堵漏材料关键性能参数类型，根据井漏特征确定堵漏材料关键性能参数，为堵漏材料优选的首要步骤。

2）基于堵漏材料关键性能参数提取结果，设计并开展室内实验，对材料关键性能参数进行了系统评价，基于层次分析法计算了堵漏材料关键性能参数权重，建立了堵漏材料定量评分模型，最终形成了深层裂缝性储层桥接堵漏材料定量评分优选方法。

3）选取高分的堵漏材料形成堵漏配方开展裂缝封堵实验，室内实验及现场应用验证了本文堵漏材料定量评分优选方法的可靠性，为堵漏材料评价优选与堵漏配方设计提供了理论依据。

4）提出的堵漏材料定量评分优选方法主要适用于物理类桥接堵漏材料，其中堵漏材料关键性能参数类型、相对重要程度和权重，应根据漏失层工程地质条件、漏失成因类型等漏失特征进行动态调整。