提高裂缝性地层承压能力的实验研究及现场应用

鲁铁梅， 王战卫， 徐生江， 巩加芹， 王 贵， 曹 成

1中国石油新疆油田公司工程技术研究院 2西南石油大学石油与天然气工程学院

0 引言

钻井液漏失是石油工程长期存在的技术难题，会浪费大量生产时间并导致巨大的经济损失，强化井筒提高地层承压能力是解决此问题的重要措施[1- 5]。强化井筒的关键在于在钻井液中加入封堵材料从而弥补地层微裂缝等缺陷，进而提高地层承压能力。因此，钻井液提高地层承压能力的效果评价对于强化井筒钻井液设计至关重要。

国内外研究人员围绕钻井液井筒强化效果评价展开了研究，Contreras[6]、Aadnoy[7]、van Oort[8]等通过研究指出堵漏材料可以显著提高地层岩石的破裂压力。Savari[9]、Moazzeni[10]、Wang[11]等研究了堵漏材料对井筒强化效果的影响，指出了堵漏材料粒度、浓度等因素对于井筒强化的影响。这些研究虽然为钻井液强化井筒设计提供了参考，但是这些传统井筒强化评价普遍采用钢块模拟地层裂缝，无法反映岩石性质及其对地层承压能力的影响。

为科学定量评价钻井液的井筒强化效果，研制了采用人造岩心模拟地层岩石的压裂实验装置，可以直观反映钻井液对岩石破裂压力的影响。采用该压裂实验装置系统评价了沥青类封堵剂、刚性颗粒封堵剂等材料的井筒强化效果。制备了带裂纹的人造岩心，研究了裂纹对岩石破裂压力的影响，考察了封堵材料对带裂纹岩石承压能力的影响。研究成果对于指导井筒强化钻井液设计和评价具有重要的理论意义和工程实践意义。

1 实验仪器与材料

1.1 实验仪器与方法

目前国内外通常采用裂缝块堵漏装置开展钻井液井筒强化实验，不能反映岩石力学性质变化的影响。为了直观评价钻井液强化井筒提高地层承压的能力，研究团队设计了井筒强化岩心压裂实验装置。如图1所示，井筒强化岩心压裂实验装置由压力控制系统、油液转换系统以及岩心夹持系统三部分组成。实验用人造岩心采用水泥、石英砂以及水作为原料，按照国家行业标准《砌筑砂浆配比设计规程》(JGJ/T98—2010)[12]进行制备，其性质与地层岩石更为接近，并且通过配料组分调整可以获得不同强度和孔渗特性的人造岩心，从而模拟不同岩性的地层。压力控制系统通过配套软件控制压力泵为实验系统提供一定的压力，油液转换系统将压力泵提供的油压驱替钻井液，使其进入岩心夹持系统的人造岩心之中。实验过程中，记录岩心内孔之中的孔压随着时间的变化情况，即可反映出实验用钻井液强化井筒提高地层承压能力的效果。

图1 井筒强化岩心压裂实验装置

1.2 实验材料

常用的钻井液封堵剂主要包括沥青类封堵剂、刚性颗粒封堵剂以及其它封堵剂[13]。沥青类封堵剂主要包括磺化沥青、氧化沥青以及乳化沥青。刚性颗粒封堵剂包括超细碳酸钙、超细二氧化硅、纳米碳酸钙以及纳米二氧化硅。其它常用的封堵剂还有乳化石蜡和聚乙二醇。实验采用固相含量为4%的预水化膨润土浆+2%SMP- 2+0.8%CMC-LV为基浆，在基浆之中加入一定浓度的封堵剂作为封堵钻井液用于提高地层承压能力实验。

2 完整岩心井筒强化实验

2.1 单一封堵剂完整岩心井筒强化实验

2.1.1 沥青类封堵剂

沥青类封堵剂在压差的作用下，容易被驱替进入地层的微裂缝之中，从而形成封堵带。由于沥青具有疏水性质，可以减少钻井液中的水相进入地层岩石，从而保持井壁稳定性[14]。在基浆中分别加入浓度为3%的磺化沥青、氧化沥青和乳化沥青，用于钻井液强化井筒实验，岩心内孔压力随着时间的变化情况如图2所示。图2可以看出，随着加压至600 s左右，岩心内容压力开始升高，初始阶段压力上升较为缓慢，随后呈线性急剧升高。当压力达到岩心破裂压力之后，岩心被压裂，岩心内孔压力急剧降低。基浆对应的岩心在实验进行到924 s时被压裂，而加入沥青的钻井液被压裂所需时间更长，加入氧化沥青、磺化沥青和乳化沥青的钻井液对应的压裂时间分别为1 029 s、1 282 s、1 150 s，体现出了沥青延缓地层岩石破坏的能力。基浆对应的岩石破裂压力为12.98 MPa，加入氧化沥青、磺化沥青和乳化沥青的钻井液对应的岩石破裂压力分别为13.6 MPa、14.23 MPa、15.51 MPa，对应提高的地层承压能力分别为1.25 MPa、0.62 MPa、2.53 MPa，显示出了明显提高地层承压能力的效果。根据地层承压能力的提高值，可以得到在沥青类封堵剂中乳化沥青具有最好的强化井筒效果。

图2 沥青类封堵剂井筒强化实验结果

2.1.2 刚性颗粒封堵剂

刚性颗粒封堵材料在钻井液液柱压力与地层孔隙压力的压差作用下会被挤入井壁岩石孔隙之中，并形成具有一定强度的封堵层，从而阻缓钻井液液相侵入，提高井壁承压能力[15- 18]。在基浆中分别加入浓度为3%的超细二氧化硅、超细碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙，然后开展钻井液井筒强化实验，结果如图3所示。可以看出，加入刚性颗粒材料的钻井液对应的井筒压力曲线在压裂之前的变化趋势与基浆相似，即先缓慢升高后呈线性递增直至岩石被压裂，对应的压力曲线出现急剧降低。具体地，加入超细二氧化硅、超细碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙的钻井液对应的岩石破裂压力分别为18.79 MPa、19.76 MPa、16.25 MPa、15.43 MPa，与基浆相比它们提高的地层承压能力分别为5.81 MPa、6.78 MPa、3.27 MPa、2.45 MPa，超细碳酸钙提高岩石承压能力效果最好。与基浆不同的是，加入刚性颗粒材料的钻井液在岩心破裂之后井筒压力呈锯齿状，表明对应岩心仍具有一定的承压能力。这是因为压裂之后，刚性颗粒材料进入裂缝形成的封堵层具有承压能力。

图3 刚性颗粒封堵剂井筒强化实验结果

2.1.3 其它封堵剂

将乳化石蜡加入钻井液之中可以提高滤饼质量，在井壁岩石形成低渗透屏蔽带，阻止钻井液中渗入地层深部，从而提高地层承压能力。聚合醇的防塌作用机理为当温度低于其浊点时会分散于水中。当温度高于聚合醇的浊点时会发生相分离，阻止钻井液液相侵入地层，从而起到稳定井壁的作用[16]。在基浆中加入浓度为3%的乳化石蜡和聚乙二醇，评价其井筒强化效果，结果如图4所示。可以看到，加入乳化石蜡和聚乙二醇的钻井液对应的井筒压力曲线与基浆类似，达到破裂压力之后急剧降低，并且岩石破裂后的承压能力较低。具体地，加入乳化石蜡的钻井液对应的岩石破裂压力为14.44 MPa，加入聚乙二醇的钻井液对应的岩石破裂压力为13.86 MPa，其对应的地层承压能力提高值分别为1.46 MPa和0.88 MPa，二者相比乳化石蜡提高地层承压能力的效果更好。

图4 乳化石蜡和聚乙二醇井筒强化实验结果

2.2 复配封堵剂完整岩心井筒强化实验

选择沥青类封堵剂、刚性颗粒封堵剂和其他封堵剂中具有较好井筒强化效果的处理剂进行二元复配，分别在基浆中加入3%超细碳酸钙+3%乳化沥青、3%乳化沥青+3%乳化石蜡、3%超细碳酸钙+3%乳化石蜡，考察其提高地层承压能力效果，结果如图5所示。与单剂相比，复配封堵剂的井筒强化效果有明显提高，加入超细碳酸钙和乳化沥青的钻井液对应的岩石破裂压力达23.71 MPa，与基浆相比提高了10.73 MPa，显示出良好的提高地层承压能力效果；加入超细碳酸钙和乳化石蜡的钻井液对应的岩石破裂压力为20.76 MPa，与基浆相比地层承压能力提高了7.78 MPa；加入乳化沥青和乳化石蜡的钻井液提高岩石承压能力较低，对应的岩石破裂压力为17.33 MPa。由图6可见，加入超细碳酸钙和乳化沥青的钻井液在岩石破裂之后承压能力下降并不显著，这是因为岩石被压裂之后碳酸钙进入裂缝形成致密封堵带，具有较高的承压能力。

图5 复配封堵剂井筒强化实验结果

为了进一步考察加入超细碳酸钙和乳化沥青的钻井液的提高地层承压能力作用机制，分别测试了干岩样以及该钻井液和基浆驱替之后岩石的接触角，结果如图6所示。由图6可以看到，干岩样的接触角θ为14.25°，基浆驱替之后其亲水性略有增强，接触角降低至12.58°。加入乳化沥青的钻井液驱替之后，岩石的接触角θ增加至24.35°，疏水性能有所增强。这说明乳化沥青可以改变岩石的润湿性能，使其疏水性质增强，阻缓钻井液水相侵入，降低钻井液滤失，起到提高地层承压能力的作用。

图6 钻井液对岩石润湿性的影响

3 带微裂纹岩心井筒强化实验

钻井过程中常钻遇发育有微裂纹的地层，其破裂机制与完整岩心存在差异，为此，开展了有微裂纹岩心的井筒强化实验。首先制作带微裂纹的岩心，然后采用不同的钻井液加压对其实施压裂，考察钻井液对带裂纹地层承压能力的影响。

3.1 微裂纹制备

首先，按照水泥∶砂子∶水=1∶1.8∶0.7制备更为致密的人造岩心，避免注入液体沿着岩心的孔隙渗流，使其易于被压裂形成微裂纹。然后，以清水作为工作液，采用岩心压裂实验装置将岩心压出微裂缝。当岩心内孔压力出现降低时停止泵入，即可得到带微裂纹的人造岩心。实验过程中的岩心内孔压力曲线如图7所示，岩心内孔压力先缓慢上升然后急剧升高，这是由于岩心较为致密导致的。实验表明，岩心被清水压出裂缝对应的压力为6 MPa。

图7 微裂纹制备过程中的压力变化曲线

3.2 微裂纹对岩心破裂压力的影响

为考察微裂纹对岩心破裂压力的影响，采用基浆分别对完整岩心和带微裂纹岩心开展了井筒强化实验，结果如图8所示。由图8可以看到，完整岩心对应的井筒压力曲线初始阶段斜率更大，对应的井筒压力上升更快，到4 651 s时岩心被压破，对应的岩石破裂压力为22.2 MPa，之后压力急剧降低。带微裂纹的岩心在驱替进行到590 s时岩石被压裂，岩心内孔压力出现急剧降低，对应的裂缝破裂压力为13.95 MPa。由此可见，微裂纹的存在会显著降低岩石破裂压力，减小地层岩石的承压能力。

图8 微裂纹对岩心破裂压力的影响

3.3 单一封堵剂对带裂纹岩心的井筒强化实验

根据前期实验研究结果，选择具有较好井筒强化效果的乳化沥青、超细碳酸钙和乳化石蜡，开展单一封堵剂对带裂纹岩心的井筒强化实验，结果如图9所示。与基浆压裂相比(图7)，岩心被压裂的时间从2 739 s延缓至3 049～3 370 s，体现出了一定的维持井壁稳定的能力。加入超细碳酸钙的钻井液对应的岩石破裂压力最高为16.06 MPa，与基浆相比地层承压能力提高了2.11 MPa。加入乳化沥青和乳化石蜡的钻井液对应的岩石破裂压力为14.46 MPa和14.3 MPa，与基浆相比地层承压能力分别提高了0.51 MPa和0.35 MPa。实验表明，岩石被含单一封堵剂的钻井液压裂之后，不再具有稳定的承压能力。

图9 单一封堵剂对有裂纹岩心的井筒强化实验结果

3.4 复配封堵剂对带裂纹岩心的井筒强化实验

为考察二元复配封堵剂对提高带裂纹岩心承压能力的效果，分别在基浆中加入3%超细碳酸钙+3%乳化沥青、3%乳化沥青+3%乳化石蜡、3%超细碳酸钙+3%乳化石蜡，考察其井筒强化效果，结果见图10。加入超细碳酸钙和乳化沥青的钻井液对应的岩石破裂压力最高达18.8 MPa,加入超细碳酸钙和乳化石蜡的钻井液为16.29 MPa，加入乳化沥青和乳化石蜡的钻井液对应的岩石破裂压力仅为15.88 MPa，与基浆相比它们对带裂纹岩心承压能力的提高值分别为4.85 MPa、2.34 MPa、1.93 MPa。可以看出，这三种复配封堵剂对带裂纹岩心的井筒强化效果远低于完整岩心。因此，在钻遇带裂纹的地层时，应着重考虑其较低的承压能力，采用封堵型钻井液避免地层被压裂进而导致钻井复杂事故。

图10 复配封堵剂对有裂纹岩心的井筒强化实验结果

4 现场应用及效果分析

新疆某区块侏罗系八道湾组煤层发育，每口井平均钻遇17段煤层，煤层平均深度2 854.5 m，平均厚度2.48 m。由于煤层割理发育，因此在钻井过程中易发生诱导性漏失。对该区块2019～2020年完钻的117口井的漏失资料整理分析结果显示，平均每口井漏失2.87次，最多漏15次；平均漏速18.46 m3/h，最高漏速210 m3/h；平均累计漏失量101.24 m3，最高1 579.8 m3；单井平均损失时间91.56 h，最高损失时间1 962 h。2021年部分井采用了提高地层承压能力的钻井液技术，在原来的钾钙基聚胺有机盐钻井液中加入了超细碳酸钙和乳化沥青，钻井漏失情况得到了明显改善，对5口完钻井的漏失情况进行统计，并与先前完钻井漏失情况进行比较，结果如图11所示。

图11 提高地层承压能力的钻井液应用效果

由图11可以看出，提高地层承压能力的钻井液对应的完钻井平均漏失次数为1.73次，平均漏速为12.65 m3/h，单井平均损失时间53.56 h，分别降低了39.7%、31.5%、41.5%，表现出了良好的防漏效果。这是因为在强效封堵剂作用下，煤岩割理等裂纹得以被修复，地层破裂压力得到了提高，在相同密度的钻井液作用下，原本会被压裂的部分薄弱地层得以安全钻进，证实了室内研究结果的正确性和有效性。

5 结论与建议

(1)研制的岩心压裂实验装置可直接测试钻井液作用下岩石的承压能力，科学定量地评价钻井液的井筒强化效果，弥补了传统评价装置采用裂缝钢块模拟地层裂缝无法反映岩石真实性质的不足。

(2)超细碳酸钙和乳化沥青复配使用时钻井液的井筒强化效果最好，这是因为岩石被压裂之后碳酸钙进入裂缝形成致密封堵带，而乳化沥青可以增强岩石的疏水性质，阻缓钻井液水相侵入，因而可以显著提高岩石承压能力。

(3)微裂纹的存在会显著降低岩石破裂压力，减小地层岩石的承压能力。在钻遇带裂纹的地层如割理发育的煤层时，应采用封堵型钻井液提高地层承压能力，避免地层被压裂进而导致井下复杂事故。