基于高效架桥和致密填充的深层裂缝性储层堵漏配方设计方法研究

时间：2024-07-28

许成元，阳洋，蒲时，康毅力，李大奇，张杜杰，闫霄鹏，杨斌

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 102206）

裂缝性储层工作液漏失控制是石油与天然气工程领域的热点和难点问题[1-3]。井漏不仅会消耗大量工作液和堵漏材料，直接造成重大经济损失，而且会增加非生产时间，延长钻井周期，影响勘探开发进程，甚至还会诱发卡钻、井塌、井喷等事故。储层段漏失则严重妨碍油气及时发现，大幅降低油气产量[4-5]。如何有效封堵储层裂缝，避免漏失导致的储层损害和井下事故，是亟待解决的问题。能否有效封堵储层裂缝，堵漏配方是关键。当前堵漏配方设计常采用经验或者半经验的方法，该方法缺乏科学依据，导致出现堵漏材料大量浪费、裂缝封堵质量不理想等问题，堵漏配方设计方法亟待完善。因此，根据储层裂缝特征，设计具有高封堵质量的堵漏配方具有重要意义。

为了达到有效封堵储层裂缝与储层保护的要求，国内外学者在堵漏配方设计与优化方面做了大量研究。堵漏配方优化理论方面，适用于石油工业的理想充填理论（Ideal Packing Theory）在20 世纪70年代被提出。ALBERTY[6]应用理想充填理论，对堵漏材料粒度进行优选，通过实验验证了“应力笼”方法的准确性。张金波等[7]基于理想充填理论，研发了对应的应用软件，并取得了理想的现场应用效果。张世锋等[8]基于改进的理想充填理论提出了堵漏颗粒粒度分布设计方法。堵漏材料加量设计研究方面，王书琪等[9]提出，当架桥材料含量保持在10%～20%，纤维材料保持在5%～15%，堵漏材料的总含量保持20 %～35 %时，能够有效封堵裂缝。刘金华等[10]通过实验结果发现，采用多种材料协同封堵具有较好的裂缝封堵效果，并且指出堵漏材料中颗粒材料、片状材料、纤维材料和聚合物的最佳配比为5∶2∶2∶1。康毅力等[11]针对毫米级宽度裂缝评价了刚性颗粒、弹性粒子以及纤维3种封堵材料协同堵漏效果，并结合实验结果分析了不同材料协同封堵的机理。许成元等[12-17]通过实验及模拟的手段，发现架桥材料加量与材料粒径缝宽比、裂缝摩擦系数之间的定量关系，并提出“临界架桥加量”与“绝对架桥加量”概念。

通过对目前国内外堵漏配方优化理论、堵漏配方加量优化原则等研究进展的调研总结发现，当前对堵漏配方设计方法的研究，仍存在以下不足：①由于裂缝性储层堵漏机理不明确，使得当前堵漏配方优化多依赖经验，科学指导性不强[18]；②配方设计方法对粒度分布不连续或重叠分布的各级填充材料适应性差；③缺少有效的堵漏材料加量的确定方法（表1）。

表1 堵漏配方设计理论与方法[7-17]Table 1 Design theory and method of plugging formula[7-17]

为解决上述问题，本研究取得了以下进展：①基于CFD-DEM 裂缝封堵层结构形成模拟结果，将裂缝封堵分为架桥滞留、堆积填充、承压封堵3 个关键阶段，进一步明确了裂缝性储层堵漏机理。在明确堵漏机理的基础上，基于“绝对架桥加量”概念和改进的紧密堆积理论，分别确定了堵漏配方中的架桥材料与填充材料加量，提出了基于高效架桥和致密填充的裂缝性储层堵漏配方设计方法。②通过上述方法设计的堵漏配方，相比于利用经验或者半经验确定的配方，具有更高的承压能力、更低的累计漏失量及更少的材料总用量。③改进了紧密堆积理论，提出了填充材料加量设计新方法—补差法。综上，提出基于高效架桥和致密填充的配方设计方法，为深层裂缝性储层堵漏配方设计提供了新思路和理论依据。

1 裂缝性储层堵漏配方设计方法

1.1 裂缝封堵过程模拟与堵漏配方设计思路

耦合计算流体力学与离散元方法的CFD-DEM方法是模拟裂缝封堵层结构形成过程的有效手段。根据常见的裂缝性储层裂缝几何特征，选用楔形裂缝作为裂缝模型的几何形态，裂缝入口和出口宽度分别设定为3 mm 和1 mm，裂缝长度设定为50 mm，接近室内实验常用裂缝模块尺寸。CFD-DEM 模拟中，堵漏材料相关参数依据裂缝性储层最常用的方解石类堵漏材料进行设置，堵漏材料摩擦系数采用COF-1 型堵漏材料表面摩擦系数测量装置测得[19]，堵漏材料与钻井液基本参数见表2。模拟结果表明，架桥滞留、堆积填充、承压封堵是裂缝封堵层形成的3个关键环节（图1）。

图1 裂缝封堵过程CFD-DEM模拟结果Fig.1 CFD-DEM simulation results of fracture sealing process

表2 堵漏材料与钻井液基本参数Table 2 Basic parameters of plugging material and drilling fluid

堵漏浆固液两相沿缝长方向运移，初始阶段颗粒浓度较低，堵漏材料运移通过裂缝尖端，未能形成架桥。随着堵漏材料不断进入裂缝，裂缝内局部颗粒浓度升高，颗粒—颗粒、颗粒—裂缝间相互作用增加，与裂缝宽度匹配的堵漏材料发生架桥；后续堵漏材料在形成的架桥后不断堆积与填充，逐渐演变为稳定的封堵层，裂缝内沿缝长方向形成压力梯度。封堵层至缝尖处为低压区，封堵层至缝口处为高压区，封堵层起到了承压的作用。

认识到架桥滞留、堆积填充、承压封堵在裂缝封堵层形成过程中的关键作用。考虑堵漏材料在裂缝中的架桥滞留和堆积填充过程，基于“绝对架桥加量”概念和紧密堆积理论，设计堵漏配方中架桥材料与填充材料加量，形成完整的堵漏配方，提出堵漏配方设计新方法。以“绝对架桥加量”为优化参数，设计配方中架桥材料加量；紧密堆积理论指导填充材料加量设计，但传统紧密堆积理论对粒度分布不连续或重叠分布的各级填充材料适应性差。提出“补差法”改进传统紧密堆积理论，设计堵漏配方中填充材料加量。利用设计的配方开展室内承压堵漏实验，对比设计前后堵漏配方承压能力和累计漏失量。

1.2 考虑绝对架桥的架桥材料加量确定方法

考虑到架桥滞留过程在裂缝封堵层形成过程中的重要作用，以及对形成的封堵层强度、稳定性的影响，提高架桥材料在裂缝中的架桥概率很有必要。因此，优化设计架桥材料在堵漏配方中的加量具有重要意义。架桥材料加量确定的方法可参考许成元等[12]提出的“临界架桥加量”与“绝对架桥加量”概念：当材料加量较低时，无法发生架桥，即架桥概率为零；当材料加量增加到某一临界值后，开始有一定概率发生架桥，此加量即为临界架桥加量；随着材料加量继续增加，架桥概率也逐渐上升，当架桥概率达到100%时，对应的加量即为绝对架桥加量；当材料加量高于绝对架桥加量时，裂缝内一定发生架桥，即架桥概率为100%。参考上述理论，通过“绝对架桥加量”概念设计配方中架桥材料加量，架桥概率随架桥材料加量变化关系如图2所示，表明架桥概率与架桥材料加量及材料粒径与裂缝宽度比值有关。图2中材料粒径指材料的D90值，裂缝宽度指裂缝入口宽度值。此处加量均为体积百分比。

图2 架桥材料加量确定图（摩擦系数为0.8）[12]Fig.2 Bridge material quantity determination plate（The coefficient of friction is 0.8）[12]

为了便于实验过程中材料称取，根据式（1）将体积百分比换算为堵漏配方材料加量Cam（质量体积比）：

式中：Cam为用材料质量与原浆体积之比表示的绝对架桥加量，g/mL；Cav为用材料体积与堵漏浆体积之比表示的绝对架桥加量，%；ρp为架桥材料密度，g/mL。

通过“绝对架桥加量”概念确定的架桥材料加量，其数值能得到该研究的理论支撑；此外，该加量在能有效架桥的基础上，能保证更多的填充材料进入裂缝内部形成有效的封堵层，封堵层结构的稳定性以及致密性将得到理论的保障。

1.3 考虑紧密堆积的填充材料加量确定方法

1.3.1 连续粒度分布的紧密堆积理论

堆积填充过程是裂缝封堵层形成过程中的关键环节，其本质为堵漏材料颗粒在裂缝内的堆积填充，颗粒的高效堆积、致密填充是裂缝封堵的一大追求。因此，合理设计堵漏配方中填充材料的加量对裂缝封堵层的形成、封堵层结构致密性具有至关重要的作用。为了达到最大的颗粒堆积效率，国内外学者做了大量的研究，并提出了一系列的颗粒紧密堆积理论和模型，并在水泥浆、耐火材料、陶瓷、公路沥青等领域得到广泛应用[20-23]。目前最为典型的颗粒紧密堆积模型之一为Dinger-Funk 模型。该模型的理论基础是：体系中最大颗粒的间隙恰能为次大的第二粒级所充满，第二粒级的间隙又恰能为第三粒级所充满，并以此类推，便可取得最高的堆积效率[24]。DINGER 和FUNK 给出了颗粒在紧密堆状态下的数学表达式：

式中：CD为小于Di的颗粒累积分数，%；Di为颗粒的粒径，mm；DL为颗粒的最大粒径，mm；DS为颗粒的最小粒径，mm；η为分布模数。

1.3.2 改进的紧密堆积理论

关于式（2）中分布模数η的取值，国外学者OQUENDO-PATIÑO 等[25]对此做了较为深入的研究：考虑材料粒径与裂缝宽度比值条件下，研究CD值与分布模数η的关系，笔者基于此研究结果，探索了材料堆积密度与分布模数η的关系，结果见图3。图3中η为分布模数，λ为裂缝宽度与材料粒径之比，封堵层孔隙度表征CD值，封堵层孔隙度越低，材料堆积越紧密，CD值越大。本实验中，在满足最大堆积效率的前提下，并考虑裂缝封堵层形成过程中大颗粒材料对架桥效率的影响，取分布模数η=0.5。

图3 不同缝宽粒径比条件下封堵层孔隙度与分布模数关系Fig.3 Relationbetweenporosityofsealinglayersanddistribution modulus of different seam width to particle size ratio（λ）

利用式（2）紧密堆积理论模型计算出堵漏材料的具体粒径分布范围；将堵漏材料在区间内具体粒径分布范围相减，则为材料的体积占比：

式中：φ为材料体积占比，%；Di90为区间内最大粒径，mm；Di10为区间内最小粒径，mm。

再确定最大粒径材料（即架桥材料）的质量体积比，从而确定其余材料（即填充材料）的质量体积比。

当堵漏材料密度相同，堵漏材料质量体积比为：

式中：Ci为材料质量体积占比，%；Cm为最大粒径材料质量占比，%；φi为材料i的体积占比，%；φm为最大粒径材料的体积占比，%。

当堵漏材料密度不同时，堵漏材料质量体积比为：

式中：ρi为材料i的密度，g/cm3；ρm为材料m的密度，g/cm3。

需要指出的是，紧密堆积理论适用于体系中各材料粒度分布连续的情况，当体系中各材料粒度分布不连续或重叠分布，该方法有一定局限。考虑到绝大多数情况下堵漏材料粒度分布不连续、重叠，在利用紧密堆积理论对配方填充材料加量设计前，需对堵漏材料粒度分布进行优化，使体系中所有材料粒度连续分布，因此，提出“补差法”以解决该问题。

补差法：当体系中各材料粒度分布不连续、重叠，通过适当放大或缩小体系中部分材料粒径边界值，形成新的粒度分布，使整个体系中各材料粒度分布连续、无重叠。具体方法如下：

①假设堵漏浆配方中存在n种组分的堵漏材料，各组分粒径分布范围分别为：[x1，x2]，[x3，x4]，[x5，x6]，…，[xn-1，xn]。其中，x1和xn分别为体系中最大颗粒粒径和最小颗粒粒径。

“补差法”实际上是通过适当放大或缩小体系中部分材料粒径边界值，将原本存在离散分布或者交叉分布的颗粒变成连续分布体系。

综上，以紧密堆积理论及Dinger-Funk 模型为基础，通过确定该理论模型中分布模数η的值、优化体系中所有材料的粒度分布，可实现对紧密堆积理论的改进。

改进的紧密堆积理论一方面优化了堵漏配方中各级材料的粒度分布，另一方面指导堵漏配方中填充材料的加量，该加量符合颗粒的紧密堆积模型，堆积率高，空隙率低。配方中材料进入裂缝内部以后，一定程度上按照紧密堆积模型进行堆积，形成的裂缝封堵层，其结构致密性将得到保障。

1.4 裂缝性漏失堵漏配方设计实例

选取不同粒径的GYD 及LCC100-8（7～10 目）、SDL、BYD、NTS-M（细）等为实验所用堵漏材料。粒度分布是堵漏材料关键几何参数，决定堵漏材料作用原理与堵漏效果，是堵漏配方设计与优选的基础；堵漏材料密度在配方设计时对材料加量起决定作用。对实验所用材料粒度及密度进行分析，材料种类、粒度及密度分析结果如表3所示。材料粒度分布为D10—D90。

将表3的7种材料组合为A、B两个体系。体系A包括：GYD（中）、GYD（细）、SDL、BYD四种材料，其中GYD（中）为架桥材料，其余材料为填充材料；体系B包括：GYD（粗）、LCC100-8（7～10 目）、GYD（中）、NTS-M（细）、GYD（细）、SDL，其中GYD（粗）为架桥材料，其余材料为填充材料。体系A 匹配的裂缝模块为入口端3 mm、出口端1 mm 的楔形模块，体系B匹配的裂缝模块为入口端5 mm、出口端3 mm的楔形模块。通过体系A、B，设计出2种不同的堵漏配方。

1.4.1 架桥材料加量设计

据图2，结合表3 中材料粒度、密度参数及裂缝模块宽度参数，可确定体系A 中架桥材料GYD（中）绝对架桥加量为1%，体系B中架桥材料GYD（粗）绝对架桥加量为1%，此加量为通过式（1）换算之后的质量体积比。加量设计结果见表4。

表3 堵漏材料粒度及密度分析结果Table 3 Particle size and density analysis results of plugging material

表4 两体系架桥材料加量设计结果Table 4 Design results of material loading for two systems

1.4.2 填充材料加量设计

首先通过“补差法”优化两体系中所有材料的粒度分布，体系A、B优化结果分别见表5、表6。

之后通过改进的紧密堆积理论设计体系A、B 中填充材料的加量，对于体系A：优化后的材料粒度分布情况见表5，通过式（3）计算BYD 材料在体系A 中的体积百分比。

将Di10=0.001 及Di90=0.11、DS=0.001、DL=4.21 代入式（3），其中分布模数η取0.5，可得其体积百分比φ=14.9%。同理可得SDL、GYD（细）、GYD（中）在体系A中的体积百分比分别为24.4%、37.0%、23.7%。

由于体系A 中各材料密度不同，最后通过式（5）计算BYD材料在体系A中的质量体积比。

将φ=14.9%代入式（5），结合表3中BYD、体系A中最大粒径材料GYD（中）的密度分别为ρi=3.00 g/cm3，ρm=1.05 g/cm3，以及由1.3.1 节中确定的GYD（中）质量体积比为1%，上面确定的体系A 中最大粒径材料GYD（中）体积百分比为23.7 %，可得BYD 材料在体系A 中的质量体积比Ci=1.8 %。同理可得体系A 中其他填充材料SDL、GYD（细）在体系A中的质量体积比分别为1.1%、1.5%。故体系A经“绝对架桥加量”概念、改进的紧密堆积理论设计出的配方如表5所示。

同理，体系B 经“绝对架桥加量”概念、改进的紧密堆积理论设计出的配方见表6。

表6 根据体系B设计出的堵漏配方Table 6 Plugging formula design for system B

2 室内实验

现开展室内承压堵漏实验，从岩心尺度方面对该方法的可行性进行验证。室内实验通过不同规格的裂缝模块进行评价，分别为入口端3 mm、出口端1 mm 的柱塞样1（直径25.0 mm，长度50.0 mm），及入口端5 mm、出口端3 mm 的柱塞样2（直径38.0 mm，长度380.0 mm），如图4所示。

图4 实验用楔形钢质柱塞Fig.4 Wedge steel plunger for experiment

实验配方见表7。其中：配方#1-2、#2-2 分别为1.3节中A、B体系经“绝对架桥加量”概念、改进的紧密堆积理论设计的配方；配方#1-1、#2-1分别为包含A、B体系所有材料的室内经验配方。配方#1-1、#1-2以柱塞样1为裂缝模块，以高温高压小岩心裂缝堵漏仪进行评价；配方#2-1、#2-2 以柱塞样2 为裂缝模块，以高温高压全直径岩心裂缝堵漏仪进行评价，通过累计漏失量与封堵层承压能力表征裂缝承压堵漏效果，实验结果见表7和图5。

表7 室内承压堵漏实验配方及结果Table 7 Formula and results of indoor pressurized plugging experiment

图5 室内承压堵漏实验结果Fig.5 Indoor pressurized plugging test results

3 现场应用

室内承压堵漏实验结果验证了基于高效架桥和致密填充的裂缝性储层堵漏配方设计方法在岩心尺度方面的可行性，现通过在新疆塔里木盆地库车山前某区块A 井的实际应用，进一步验证该方法在地层尺度方面的可行性。

新疆塔里木盆地库车山前某区块A 井，四开钻进至井深6 846.9 m 发生漏失（排量20 L/s，漏速7.2 m3/h，降排量至8 L/s，漏速10.8 m3/h），后吊灌起钻至套管内（井口液面不可见），配置浓度为16%堵漏浆，出口一直未返，需进行专项堵漏作业。对漏失原因进行分析，结果表明，钻遇库姆格列木群组膏泥岩段，岩性以中厚层—厚层状褐色、灰褐色含膏泥岩、膏质泥岩、泥岩为主，夹薄层—中厚层状泥质粉砂岩、膏质细砂岩，地层裂缝、微裂缝发育，地层承压能力低，在高激动压力下容易发生压裂性漏失。以高承压桥堵材料设计室内堵漏配方#A-1：基浆+4 %NTS-M（中粗）+3.5 %NTS-S（Ⅱ型，中粗）+2.5 %NTS-S（Ⅰ型，粗）+2 %GYD（粗）+3 %GYD（中粗）+2.8%GYD（细）+8%GT-MF+0.8%NT-2（1/8″），使用高温高压多功能水平井损害评价仪进行裂缝封堵层承压能力与累计漏失量测试实验，结果见图6。

由图6可看出，室内配方形成的裂缝封堵层承压能力为7 MPa，累计漏失量为35.8 mL。现场应用时通过基于高效架桥和致密填充的裂缝性储层堵漏配方设计方法对室内堵漏配方进行了优化设计，设计后堵漏配方#A-2：基浆+1.5 %NTS-M（中粗）+2 %NTS-S（II 型，中粗）+4.4%NTS-S（I 型，粗）+1%GYD（粗）+1.8 %GYD（中粗）+2.2 %GYD（细）+5.6 %GTMF+0.7%NT-2（1/8″），在井深6 848 m 进行了专项堵漏一次，堵漏成功，注堵漏浆循环基本不漏（泵压23 MPa，漏失当量24.7 mL），满足下步施工工艺需求。实例分析表明，架桥材料及填充材料的加量严重影响着裂缝封堵层的结构稳定性及承压能力。通过基于高效架桥和致密填充的裂缝性储层堵漏配方设计方法设计出的堵漏配方，可大幅提高地层承压能力和堵漏成功率。

图6 室内配方封堵层承压能力与累计漏失量结果Fig.6 Pressure bearing capacity and cumulative leakage of sealing layer by indoor formula

4 讨论

基于理论研究和CFD-DEM 模拟，通过2 组室内实验和1组现场试验验证，提出的裂缝性储层堵漏配方设计方法相比于常规经验法/半经验法，设计的堵漏配方在承压能力、累计漏失量、材料总用量3 个方面具有明显优势（图7）。

图7 不同配方承压能力、累计漏失量、材料总用量结果对比Fig.7 Comparison of pressure bearing capacity,cumulative loss and total material consumption of different formulations

1）承压能力

封堵层承压能力强弱是裂缝封堵层结构稳定性的综合反映，封堵层承压能力越大，裂缝封堵层抵抗外力的能力越强，结构越稳定。图7a表明，相比于常规经验配方，优化配方的承压能力得到极大提升，同比增加101 %、100 %、229 %。一方面，优化配方中架桥材料的加量在能有效架桥的基础上，保证更多的填充材料进入裂缝内部形成有效的封堵层，封堵层结构更加稳定、致密，封堵层承压能力更高，验证了“绝对架桥加量”的可行性。另一方面，架桥材料加量过多可能导致架桥材料在裂缝入口端大量堆积，即使是较小的材料也无法再进入裂缝内部，不能形成有效、致密的封堵层，甚至出现“封门”现象。

2）累计漏失量

累计漏失量指从堵漏材料进入裂缝到裂缝封堵层被破坏时的钻井液漏失量。累计漏失量的大小是裂缝封堵层结构致密性的综合反映。累计漏失量越小，裂缝封堵层结构越致密。图7b表明，相比于常规经验配方，优化配方的累计漏失量明显降低，累计漏失量同比减少32%、38%、31%。优化配方中，填充材料由改进的紧密堆积理论进行确定，其加量符合颗粒的紧密堆积模型，配方中，材料进入裂缝内部以后，一定程度上按照紧密堆积模型进行堆积，形成的裂缝封堵层堆积率更高，空隙率更小，封堵层结构更加致密，故优化配方累计漏失量更低。

3）材料总用量

材料用量是配方选择时需考虑的重要因素。图7c 表明，相比于常规经验配方，优化配方的材料总用量显著减少，同比减少61%、76%、28%。优化配方设计方法中架桥材料的加量参考“绝对架桥加量”概念，即架桥概率达到100%时的最低材料加量。通过该理论确定架桥材料加量，进一步确定填充材料加量，最终形成完整堵漏配方，保障了材料的低用量。

基于高效架桥和致密填充的深层裂缝性储层堵漏配方设计方法设计的配方，实现了快速高效设计裂缝性储层堵漏配方，有效保证了裂缝性储层堵漏配方封堵裂缝的效果，相比于常规经验配方，其材料总用量更低，承压能力更高，累计漏失量更低，裂缝封堵效果更好。