應(yīng)力敏感裂縫性地層漏失規(guī)律

王　岳（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

應(yīng)力敏感裂縫性地層漏失規(guī)律

王岳
（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

井漏問題給石油工程界帶來極大挑戰(zhàn)，尤其是深井鉆井作業(yè)過程中遇到應(yīng)力敏感裂縫性地層時，由于地層壓力變化異常，裂縫形態(tài)復(fù)雜多樣，鉆井液漏失問題更加突出。采用模擬地層條件下的巖心浸泡實驗和常規(guī)巖石力學(xué)實驗，測試了裂縫性碳酸鹽巖地層經(jīng)過堵漏漿浸泡作用后的巖石力學(xué)強度參數(shù)，分析了裂縫性碳酸鹽巖巖心的強度弱化效應(yīng)和封堵機理。在考慮裂縫和孔隙結(jié)構(gòu)特征造成的應(yīng)力敏感行為差異的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場實例計算，定量分析和討論了應(yīng)力敏感裂縫性地層的漏失規(guī)律，為應(yīng)力敏感裂縫性地層的堵漏機理研究提供了理論依據(jù)。

應(yīng)力敏感性地層；裂縫性地層；漏失規(guī)律；堵漏效果

深井鉆井作業(yè)過程中，由于泥漿密度選擇不當(dāng)往往會引起裂縫性地層嚴(yán)重的井漏問題，壓力平衡極難調(diào)整，造成大量鉆井液漏失到地層中[1-4]。裂縫性地層漏失復(fù)雜性強且難以解決，經(jīng)常會造成嚴(yán)重的井下事故，導(dǎo)致鉆井成本的增加[5-8]。

山前構(gòu)造影響地質(zhì)情況異常復(fù)雜，大多數(shù)井都存在鉆井液密度選擇不當(dāng)?shù)膯栴}，在鉆井過程中井漏和溢流頻繁發(fā)生，壓力平衡很難調(diào)整，表現(xiàn)為典型的應(yīng)力敏感性地層鉆探特征[9]。應(yīng)力敏感裂縫性地層漏失的主要原因是高密度鉆井液壓裂地層中的微裂縫或弱結(jié)構(gòu)面，形成誘導(dǎo)性裂縫造成漏失。高陡構(gòu)造強擠壓應(yīng)力形成斷層構(gòu)造裂縫、微裂縫，同時當(dāng)鉆井液密度過大，形成的液柱壓力高于地層壓力時，在井底壓差作用下造成天然裂縫縱、橫向延伸（以垂直裂縫為多），形成誘導(dǎo)裂縫，進一步拓展了井漏分布區(qū)間[10]。

碳酸鹽巖地層中的井漏原因通常有滲透性漏失、天然裂縫漏失和誘導(dǎo)裂縫漏失3種情況。文獻(xiàn)［11］將碳酸鹽巖地層漏失分為3種類型（壓裂性漏失、裂縫擴展性漏失和大型裂縫溶洞性漏失），并提出了相應(yīng)漏失類型的漏失壓力模型。碳酸鹽巖地層最顯著的特征就是應(yīng)力敏感性，因此關(guān)于這方面的研究也越來越多[12-15]。一般認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力敏感裂縫性地層發(fā)生井漏時，需要采用堵漏劑封堵裂縫，降低裂縫處的滲透率，阻止鉆井液的漏失。

本文通過模擬地層條件下堵漏材料封堵裂縫性碳酸鹽巖的微觀機理評價實驗方法，分析了堵漏材料對裂縫性碳酸鹽巖的弱化效應(yīng)和封堵機理。在此基礎(chǔ)上建立了鉆井液漏失模型，計算了鉆井液堵漏前后漏失量隨井底壓差的變化，認(rèn)識了裂縫性地層鉆井液漏失規(guī)律以及井漏的影響因素。

1　巖石力學(xué)強度參數(shù)對比

利用伺服控制器和隔離器來模擬井下堵漏作業(yè)時的環(huán)境。本文利用了一臺滑套式隔離器（圖1），在隔離器中間設(shè)置了一塊隔離滑套，該隔離滑套可將隔離器分隔為液壓油和堵漏漿2個腔體。隔離器總?cè)莘e為700 mL，承壓能力為60 MPa，能夠滿足模擬堵漏實驗的要求。室驗前先把巖心放入隔離器內(nèi)的堵漏漿腔體中，注入實驗用堵漏漿，并使巖心完全浸泡于堵漏漿中，封閉隔離器的出口使之成為一個密閉空間。實驗過程中利用增壓泵對隔離器中的液壓油腔體施加50 MPa的恒壓，通過壓力傳遞作用，堵漏漿腔體中也產(chǎn)生了50 MPa的恒定壓力。實驗時，堵漏漿在50 MPa外部壓力作用下會逐漸滲入到巖心的內(nèi)部，導(dǎo)致巖心的力學(xué)參數(shù)隨實驗時間而發(fā)生變化。本項實驗中，巖心在堵漏漿里浸泡時間分別是1 d和2 d.

圖1　模擬井下環(huán)境的巖心浸泡實驗系統(tǒng)

實驗過程中采用的是堵漏漿CC-1，其中的顆粒材料、片狀材料、纖維狀材料和聚合物的最佳配比為4∶2∶2∶1.

對比實驗前后的巖心（圖2）發(fā)現(xiàn)，浸泡前的碳酸鹽巖巖心表面可看見許多微裂縫（圖2a），這種裂縫的寬度大多小于0.01 mm，有些具有分支現(xiàn)象。從堵漏漿浸泡后的巖心可以看出，堵漏漿已經(jīng)通過巖心表面的微裂縫滲入進裂縫性碳酸鹽巖的內(nèi)部，而且堵漏漿中的顆粒狀物質(zhì)堆積在裂縫表面形成了一層厚厚的泥餅（圖2b）。

通過巖石力學(xué)三軸實驗方法對浸泡前、后的巖心進行彈性模量和抗壓強度的測試（表1），實驗巖樣方向均為水平方向。由表1可知，裂縫性碳酸鹽巖在經(jīng)過堵漏漿1 d和2 d的浸泡處理后，巖石力學(xué)參數(shù)均有不同程度的變化。堵漏漿處理后巖石的彈性模量和抗壓強度都呈現(xiàn)出下降趨勢，同時存在浸泡時間越長，下降越多的趨勢。其巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化是由于濾液與黏土礦物的作用，降低了巖石的彈性模量和抗拉強度。

圖2　裂縫性碳酸鹽巖巖心堵漏漿浸泡前（a）后（b）對比

表1　模擬地層條件下（圍壓40MPa）樣品在堵漏漿處理前后的巖石力學(xué)參數(shù)

把堵漏漿浸泡前、后的巖心剖開，對巖心內(nèi)部進行掃描電鏡成像，對浸泡前的巖心放大500倍后的照片可以看到，巖心內(nèi)部分布著大量的裂隙和溶洞（圖3a）。從浸泡后的巖心放大500倍后的照片中可以看到，堵漏漿中的片狀、顆粒狀和纖維狀材料對裂隙和溶洞形成了有效的封堵（圖3b）。幾種材料在封堵裂縫性漏失的過程中的作用機理是，首先大顆粒材料在裂縫孔喉處架橋，將裂縫分割成大小不一的孔隙，小顆粒、纖維狀、片狀材料填充架橋形成的孔隙，使孔隙滲透率降低，在架橋和填充的基礎(chǔ)上，形成滲濾性很高的堵層（薄層），后續(xù)堵漏漿在通過堵層時，水分迅速濾失，堵漏漿中的可溶性顆粒狀物質(zhì)在堵層上形成濾餅，堵漏材料中的纖維狀物質(zhì)在濾餅中縱橫交錯，形成拉筋，加強了濾餅的強度，最終有效封堵裂縫。

圖3　堵漏漿浸泡前（a）后（b）巖心內(nèi)部掃描電鏡成像

2　現(xiàn)場實例分析

2.1漏失規(guī)律研究

為了使裂縫性地層堵漏成功、維持井眼穩(wěn)定，首先需要掌握地層的漏失規(guī)律。存在大量誘導(dǎo)性裂縫地層，鉆井液的漏失情況要比常規(guī)無裂縫的地層復(fù)雜得多。為了更好地研究漏失的影響，根據(jù)上述建立的模型和實際數(shù)據(jù)，分析了X2井的漏失規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4　 X2井鉆井液漏失速度與時間的關(guān)系

X2井鉆井液漏失段為4 791.0~4 796.1 m，鉆井液密度為1.23 g/m3，地層壓力梯度為1.03 MPa/hm，鉆井液漏失速度約為3.50 m3/h，鉆井液柱壓力與地層壓力差為9.05 MPa，水平最小地應(yīng)力80 MPa，水平最大地應(yīng)力120 MPa.地層孔隙度2.5%~5.8%，裂縫孔隙度0.043%~0.100%，中洞發(fā)育，裂縫密度為1條/4 m.

由圖4可以看出，漏失速度隨著時間的變化可以分為以下2個階段。

第1階段，漏失速度隨著時間逐漸增加，過了臨界時間（10 s）之后，漏失量迅速增加，說明這個臨界壓力對應(yīng)天然裂縫的突然開啟，縫寬增加后，漏失量劇烈增加，在15 s左右達(dá)到最大值。在這一階段，鉆井液壓力大于地層壓力，由于壓差作用和泥餅的形成，鉆井液向地層緩慢滲流，使得井筒附近的局部地層壓力逐漸升高，從而引起地層裂縫面的開度發(fā)生變化，進而引起滲透性的大幅度提高。

第2階段，漏失速度急劇降低后，緩慢減小，直至達(dá)到穩(wěn)定漏速。這是由于地層中的裂縫面開度發(fā)生微小變化后，井內(nèi)鉆井液壓力和縫內(nèi)壓力很快達(dá)到穩(wěn)定，從而漏失速度也趨于穩(wěn)定。從圖4可看出，穩(wěn)定的漏失速度約為3.15 m3/h，與實際統(tǒng)計的平均漏失3.50 m3/h具有較好的吻合度。

2.2堵漏效果分析

通過計算得到了堵漏前后漏失量隨井底壓差變化的曲線（圖5），分析模擬計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堵漏前后漏失量隨井底壓差的變化關(guān)系明顯不同。在井底壓差為13 MPa時，堵漏前鉆井液漏失速度為4.20 m3/h，堵漏后的鉆井液漏失速度大大減小，降低到1.00 m3/h以下。由此可以看出，建立的裂縫性地層的漏失模型可以定量的分析和討論，有助于對漏失規(guī)律的認(rèn)識和研究，為更有效地處理井漏問題提供了幫助。

3　結(jié)論

（1）通過測試堵漏漿浸泡后的巖心發(fā)現(xiàn)，堵漏漿對裂縫性碳酸鹽巖會產(chǎn)生強度弱化效應(yīng)，隨著時間的增加，弱化強度會逐漸下降。但是堵漏材料會對碳酸鹽巖的裂縫和溶洞形成有效封堵，增強井壁的強度，提高裂縫性地層的承壓能力。

圖5　堵漏前后漏失量和井底壓差的關(guān)系

（2）盡管影響井漏的因素很多，但歸根到底是漏失通道的性質(zhì)和作用于漏失層的壓差對井漏的影響。針對應(yīng)力敏感裂縫性地層的井漏問題，漏失通道的性質(zhì)是內(nèi)因，在一定條件下是相對不變的因素，作用于漏失層的壓差是外因，是可變因素，凡是影響漏失壓差的因素均會對井漏產(chǎn)生影響。

（3）在裂縫性地層鉆井過程中，堵漏材料添加前后地層裂縫的狀態(tài)發(fā)生變化，主要來自兩個方面：一是裂縫的張開閉合狀態(tài)；二是堵漏材料對裂縫的填充效果。

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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

國家自然科學(xué)基金（71373003）

王岳（1962-），男，遼寧大連人，教授，石油天然氣工程，（Tel）13050197188（E-mail）wangyuefs@126.com.