裂缝性地层堵漏材料承压性能及材料优选研究

何 龙， 史 堃， 杨 健， 贾光亮

(1中国石化西南油气分公司 2中石化华北石油工程有限公司技术服务公司)

井漏按漏失通道可分为渗透性地层井漏、裂缝性地层井漏及溶洞性地层井漏，其中溶洞性地层井漏可看做为裂缝性地层井漏的特殊情况。据统计[1-3]，国外公司井下复杂时效约占10%，井漏占复杂时效的45%左右，全球石油行业每年裂缝性地层的堵漏花费占到了井漏总花费的90%以上。

裂缝性地层井漏在钻井过程中是一个非常普遍的现象[4-6]，多数井眼都有不同程度的井漏。严重的井漏会增加处理井漏时间，影响钻井效率，导致钻井费用大幅增加。目前国内外通过机械、化学和物理等多学科开发新型的防漏堵漏材料[7-11]，研究有效的漏失压力计算方法和新型的井漏处理技术，从而最大限度的发挥钻井新技术的优势。

目前，桥塞堵漏材料的缺点主要集中在不能完全满足提高地层承压能力的要求、堵漏材料尺寸不合理、颗粒级配不合理、封堵层致密性差，弹性材料较少，沥青类软化点低等；堵漏方案及工艺有待改善[12-15]。材料耐温性差(160℃～200℃)，长时间浸泡后强度降低，导致封堵失效。

一、裂缝性地层堵漏材料性能评价

1. 高温热损伤对堵漏材料细观参数的影响

研究表明，高温热损伤对堵漏材料回弹性有直接影响，高温老化会降低堵漏材料回弹性；堵漏材料中弹性材料占比越大，回弹性降低趋势越明显。图1、图2分别为200℃、250℃热损伤48 h对堵漏材料细观影响。热损伤对堵漏材料粒径同样产生影响，相同闭合应力条件下，堵漏材料D90粒径降级率随老化温度的升高呈增大趋势；老化温度越高，堵漏材料D90粒径降级率对闭合应力的敏感性越弱。

图1 200℃热损伤48 h对堵漏材料细观参数影响

2. 堵漏材料粒径与承压能力关系

研究了堵漏材料粒径与承压能力的关系，图3为刚性暂堵粒径D90值对承压能力影响，当刚性粒子D90值与缝宽(1.250 mm)接近时，其承压值较大、承压时间较长；当D90值与缝宽相差越大，封堵效果越差,这是由于暂堵粒径与缝口受力不均衡造成的，粒径过小时颗粒难以形成有效的架桥，骨架支撑能力弱，呈现承压能力降低；粒径较大时产生封门效应，大部分刚性粒子不能在缝内架桥，承压能力降低；当暂堵材料D90值与缝宽接近，级配合理时刚性粒子架桥稳固，为柔性颗粒致密充填提供有利条件，因此具有较高的承压能力。

图2 250℃热损伤48 h对堵漏材料细观参数影响

图3 刚性暂堵粒径D90值对承压能力影响

3. 堵漏材料破碎率与承压能力关系

开展了堵漏材料粒径与闭合应力的关系实验，实验表明，随闭合应力的增大，刚性粒子发生破碎，D90值呈减小趋势，粒径分布曲线向左移动。图4、图5分别为暂堵材料承压20 MPa、40 MPa粒径分布曲线。

定义了堵漏材料破碎率评价方法—计算堵漏材料D90降级率。图6为承压值随D90降级率变化趋势，随着降级率的增大，承压值呈现减小的趋势。实验结果表明：随裂缝闭合压力增加，刚性粒子破碎率增大，D90值减小，堵漏材料架桥能力减弱，承压值能力与承压时间会减小。降级率从0增大到30%，承压值从4 MPa降低至0 MPa。

图4 堵材料承压20 MPa粒径分布曲线

图5 堵材料承压40 MPa粒径分布曲线

图6 承压值随D90降级率变化趋势

4. 堵漏材料回弹性与承压能力关系

定义了一种堵漏材料回弹性的评价方法，研究了堵漏材料回弹性影响承压能力的机理。图7为0.50 mm缝宽暂堵材料承压值随回弹率变化趋势，随着回弹率的增大，承压值呈现减小的趋势。回弹率从150%升至210%，承压值从6 MPa降至2 MPa。其机理为回弹性越大，流体挤压作用下越容易弯曲变形，导致架桥结构失稳。

但对于反复开启、闭合的裂缝，回弹性良好的材料更容易在裂缝中挺住。

图7 0.50 mm缝宽暂堵材料承压值随回弹率变化趋势

二、堵漏材料优选

堵漏材料优选的原则为：①封堵颗粒的架桥、填充等作用后，形成封堵层；②封堵层使得钻井流体进行过滤，堵漏颗粒在裂缝尖端或是裂缝喉道处开始收缩，直至井壁，最终形成致密填塞层；③填塞层阻止裂缝漏失，同时钻井流体通过封堵层小于流体通过缝面的滤失，减小了缝内流体压力，提高地层承压能力。表1列出了裂缝地层暂堵材料优选措施。

表1 裂缝地层暂堵材料优选措施

三、结论及建议

(1)当D90值与缝宽相差越大，封堵效果越差,呈现承压能力降低；粒径较大时产生封门效应，承压能力降低；当暂堵材料D90值与缝宽接近，级配合理时刚性粒子架桥稳固，具有较高的承压能力。

(2)随裂缝闭合压力增加，刚性粒子破碎率增大，D90值减小，堵漏材料架桥能力减弱，承压值能力与承压时间会减小。

(3)建议裂缝性地层堵漏材料的研发基于颗粒物质力学、结构稳定性理论开展封堵系统结构稳定机理研究的基础上，构建封堵系统承压能力预测模型。针对裂缝性地层承压失稳控制因素，开展针对性的材料优选、堵漏工艺技术研究。