承压封堵裂缝止裂条件影响因素分析

对于裂缝性地层中发生的井漏问题,通常采用堵漏材料承压封堵阻止裂缝扩大,但到目前为止对裂缝止裂条件的影响因素缺乏深入分析,为此,通过分析承压封堵后缝内的压力变化,应用叠加原理推导了缝内压力引起的缝尖应力强度因子分量公式,并在此基础上分析了其随不同影响因素的变化规律。分析表明,随着封堵长度增长、钻井液黏度增大或封堵渗透率降低,应力强度因子分量减小,裂缝逐渐满足止裂条件;裂缝长度越长或井内压力越高,应力强度因子分量越大,裂缝越不容易止裂;封堵位置越靠近缝尖处,应力强度因子分量越大,越不利于裂缝止裂。缝内压力引起的缝尖应力强度因子分量与封堵长度、封堵位置均近似满足三次函数关系,与钻井液黏度、井内压力均满足线性函数关系,与封堵渗透率近似满足对数函数关系,与裂缝长度满足幂函数关系。研究认为,承压堵漏过程中,在裂缝长度和井内压力不变或无法控制时,通过优化调整堵漏液配方和钻井液性能可实现裂缝止裂。      

裂缝性储层漏失机理及控制技术进展

裂缝性漏失及其引起的储层损害问题严重制约着裂缝性油气藏和深层油气藏钻探及开发进程。讨论了当前以封堵为主的桥接材料堵漏、化学堵漏和无机胶凝物质堵漏等漏失控制技术的特点，概述了漏失机理研究、计算机预测及诊断等方面的重要进展及现场应用情况。强调漏失控制必须以预防为主，防治结合。分析表明，实现近平衡或欠平衡钻进、采用暂堵一堵漏原理大幅度提高储层承压能力、改进工艺措施减少激动压力、建立压力屏障阻止裂缝延伸是漏失控制的关键。指出，亟待发展岩石裂缝参数变化动力学理论、油气层压力及漏层位置预测技术、新材料及新型工作液体系、漏失处理系统应用软件。     

诱导裂缝性井漏止裂封堵机理分析

承压堵漏过程中,堵漏材料进入缝内形成致密的封堵体,封隔井内压力与缝内压力之间的压力传播.利用达西定律和泊肃叶方程分别分析了缝内封堵体区域和缝内其他区域的压力分布;给出了堵漏材料承压封堵过程中诱导裂缝止裂的必要条件.通过缝宽与颗粒粒径比值和颗粒体积百分比雷诺数2个无量纲参数,可以建立堵漏材料封堵裂缝的封堵条件,堵漏材料的粒径和浓度需满足封堵条件曲线的下方区域才会形成稳定封堵体.承压堵漏效果不仅取决于堵漏材料的特性,还受到诱导裂缝性质的影响.因此,控制诱导裂缝性漏失中堵漏材料的优选需紧密结合诱导裂缝的特征.     

提高裂缝性地层承压能力机理研究进展

地层承压能力是钻开井眼后地层不发生钻井液漏失时所能承受的井筒压力极限。由于天然裂缝发育，裂缝性地层通常表现出较低的承压能力，在固井和多压力系统钻井过程中频发井漏复杂。为了顺利完成固井和窄(负)安全密度窗口钻井施工，通常需要进行提高裂缝性地层承压能力作业，以扩大钻井液安全密度窗口上限。文章首先分析了不同地层的承压能力模型，然后从地层表观破裂压力、周向应力、裂缝闭合压力、裂缝延伸阻力和温度效应五个方面综述了提高地层承压能力的力学机理、适用条件和关键技术。现有提高地层承压能力技术得到了广泛的应用，但其背后的力学机理还尚存争议，应用成功率也有待提升。建议继续开展提高地层承压能力力学机理研究，研制更加符合力学机理要求的堵漏材料，进一步强化提高地层承压能力作业效果。     

基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究

近年来,井壁强化技术已成为国外钻井工程中提高地层承压能力的重要手段。以ABAQUS软件为平台,建立二维井壁强化模型,通过数值模拟方法探讨了井壁强化作用机理及影响因素。结果表明,封堵材料在裂缝中架桥后,挤压两侧地层,使井周应力增加,且在低角度（0～30°）范围内,周应力增量最大;周应力重新分布后,地层破裂压力提高,且易破裂点的位置发生偏移;在一定裂缝开度范围内,裂缝开度越大,表明对裂缝两侧地层挤压越严重,强化井壁的效果越明显。地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力对周应力影响较大,应力各向异性越严重,井眼压力越大,架桥后周应力增量越大;封堵材料在距离井壁越近的位置架桥,在一定范围内强化井壁的效果越明显,随着架桥位置逐渐靠近缝尖,强化井壁的作用逐渐减弱。      

堵漏封堵层对裂缝稳定性影响模拟研究

钻井过程中井筒液柱压力波动致使地层裂缝扩展变形,钻井液中的固相颗粒及堵漏材料随钻井液漏失进入裂缝并在缝内沉积逐渐形成封堵层。封堵层形成后会影响裂缝变形、井周切向应力及裂缝尖端应力强度因子的重新分布,并且这些裂缝变形因素的变化又影响着封堵层的稳定性,导致井漏反复发生。应用有限元法模拟了封堵层对裂缝变形、井周切向应力及裂缝尖端应力强度因子等裂缝变形因素的影响,探索了封堵层存在下的裂缝变形行为,深化了裂缝变形研究。封堵层阻止液柱压力传递进裂缝,降低裂缝变形程度、井周切向应力及裂缝尖端应力强度因子,增强了裂缝力学稳定性。模拟研究量化了封堵层对裂缝变形程度的影响,为优选堵漏材料、科学开展防漏堵漏提供了理论依据。     

提高地层承压能力研究新进展

地层承压能力是地层结构完整性和强度、工作液性质及其二者相互作用的综合反映.分析了影响地层承压能力的地质和工程因素,并从物理、化学、力学的角度讨论了提高地层承压能力的方法,评述了各种方法在不同作业中的适用性,举例说明了典型方法的成功应用.研究指出,强化井周应力和提高裂缝延伸压力是强化地层承压能力的主要途径,维持裂缝系统稳定性是地层强化后承压能力持续有效的必要保证.建议开展多尺度结构地层承压能力评价方法及预测理论研究,研制高性能封堵材料,大幅度提高岩体结构强度.     

致密储层同步压裂井间裂缝形态判别模型

在同步压裂过程中,随着地应力条件的改变,裂缝形态也会随之变化.针对这一现象,假设致密储层岩石为均质、各向同性材料,依据断裂力学理论,推导出同步压裂井间裂缝诱导应力计算模型;考虑水力压裂过程中,诱导应力差值对水平应力差异系数的影响,结合复杂裂缝和转向裂缝形成的力学条件,建立同步压裂井间裂缝形态判别模型.计算结果表明:压开裂缝附近水平应力差异系数场呈椭圆形分布,距离压开裂缝越近,水平应力差异系数越小,越易形成复杂或转向裂缝;初始地应力条件对同步压裂井间裂缝形态影响显著,文中压裂条件下,初始水平应力差异系数0＜Kho≤0.033时形成转向裂缝,0.033＜Kho＜0.361时形成复杂裂缝,Kho≥0.361时只能形成单一主裂缝.     

裂缝封堵失稳微观机理及致密承压封堵实验

裂缝性地层堵漏过程中,桥接堵漏材料形成的封堵层受力学因素影响易发生失稳破坏,导致封堵层承压能力较低,产生重复性漏失。基于裂缝封堵层微观结构受力分析,探讨了挤压破碎失稳、摩擦滑动失稳、剪切错位失稳、渗透漏失失稳等4种封堵失稳破坏形式,提出了粒度降级率、表面摩擦系数、剪切强度、堆积孔隙比等评价封堵失稳的特征参数;给出了裂缝致密承压封堵物理模型,即通过合理的堵漏材料类型和粒径级配优化控制,有利于在裂缝入口端附近形成致密承压封堵层。研制了长裂缝封堵模拟实验装置,开展了致密承压封堵模拟实验研究。实验表明,不同类型堵漏材料优化协同作用,可增大封堵层抗压强度、表面摩擦系数和抗剪切强度,形成紧密堆积结构,易在裂缝入口端附近形成致密承压封堵层,提高裂缝封堵突破压力,预防井漏。     

考虑高应力差的承压堵漏施工参数研究

承压堵漏作为低承压地层漏失防治的常用技术，理论体系和堵漏材料取得长足进步的同时，重要的施工参数却未获得足够的关注。为此，根据井下地应力环境，优选了高强度的堵漏材料，确立了不同施工参数和随钻堵漏的承压堵漏实验方案，使用自研的大型真三轴承压堵漏实验设备，在致密砂岩试样（尺寸为300 mm×297 mm×297 mm）上产生诱导裂缝，观测了裂缝扩展规律，基于诱导裂缝开展了承压堵漏实验。研究表明：针对承压能力弱的地层，施工参数会导致井内压力变化，从而影响封堵效果；反复在同一地层开展堵漏作业会造成裂缝扩展，导致封堵效果降低；堵漏浆进入裂缝的先后顺序以及封堵层的结构均与裂缝的几何参数密切相关。本文取得的规律性认识可为承压堵漏方案制定提供参考。     

页岩油钻井漏失机理及防漏堵漏技术

针对页岩油钻井过程中漏失频发的问题,以济阳坳陷页岩油开发为例,分析了页岩油钻井油基钻井液的漏失机理。分析发现,页岩油藏天然断裂系统发育,容易发生漏失;页岩脆性强,表面油润湿,长水平段压耗大,易产生诱导裂缝漏失;油基钻井液使堵漏材料摩擦系数降低,防漏堵漏难度大。基于页岩油油基钻井液的漏失机理,对弹性孔网材料进行了表面改性处理,优选了填充材料,研制了一袋式堵漏剂,并开展了室内长裂缝封堵评价实验和现场试验。结果表明,研制的一袋式堵漏剂封堵效果好,2 mm×1 mm长裂缝承压强度达10 MPa,现场堵漏一次成功,较好地解决了页岩油油基钻井液漏失难题,为保障页岩油藏的优质快速钻井提供了技术支持。      

井眼强化随钻防漏技术研究与应用

长段裸眼孔隙-裂缝发育带来的漏失问题,严重影响钻井提速,并造成相当大的经济损失。在孔隙-微裂缝地层或诱导性裂缝地层中作业,钻井液密度较低时会出现井壁不稳定现象,而钻井液密度较高时又出现井漏、安全密度窗口较窄等问题,文章研究了解决这一问题的井眼强化随钻防漏体系。体系中的微米级和纳米级高强度刚性颗粒随钻头破岩时迅速嵌入到井周孔隙和微裂缝中,产生沿井眼切线方向的挤压,微米级纤维材料快速充填,形成致密的网络封堵结构,在井壁形成“桶箍效应”,大大提高了井眼承压能力和井壁稳定性。室内评价实验表明,清水封堵体系承压 ５ＭＰａ以上,井浆封堵体系承压 ７ＭＰａ以上。在实际现场应用中,井眼强化随钻防漏体系在解决安全密度窗口较窄问题方面取得了满意的效果。     

顺北油田二叠系火成岩防漏堵漏技术

井漏是影响顺北油田安全、快速、高效钻井的重大技术难题之一。通过对现场漏失资料的统计分析,明确了顺北油田二叠系地层具有非均质性强、多尺度裂缝发育和裂缝易扩展的特点,且整体上北部漏失程度较轻,南部漏失程度较严重;二叠系漏失机理为压差性漏失和裂缝扩展性漏失,并以压差性漏失为主。优选了高效随钻封堵剂SMGF-1,钻井液中加入3%的SMGF-1,可使得0.45～0.90 mm砂床承压达8.5 MPa,具备良好的防漏效果;研发了高效承压堵漏剂SMKZD-1,1～3 mm裂缝承压均大于5.0 MPa,具有良好的广谱封堵效果。现场应用表明,该防漏堵漏技术可以提高二叠系火成岩地层的防漏与堵漏效果。      

裂缝性和基质性碳酸盐岩在堵漏前后的应力敏感性研究

塔中奥陶系碳酸盐岩储层裂缝和孔隙发育,钻进过程中极易发生漏失,当采用堵漏浆进行封堵时,堵漏材料会充填裂缝和孔隙,此时不同类型碳酸盐岩的渗透率会产生不同的变化。通过试验,对比研究了裂缝性和基质性碳酸盐岩在堵漏浆浸泡处理前后的应力敏感性,同时对比分析了二者的渗透率恢复率与有效应力的关系,并从作用机理上探讨了二者应力敏感行为的差异性。研究表明,裂缝性碳酸盐岩在堵漏浆处理前后的应力敏感性都要远高于基质性碳酸盐岩。堵漏材料对孔隙和裂缝空间造成影响程度的不同,是二者渗透率随有效应力加载和卸载过程中产生明显差异的主要原因。      

深层脆性页岩井钻井液漏失机理及主控因素

四川长宁区块页岩气资源丰富,但在水平井钻井中钻井液漏失问题突出,制约了长宁区块页岩气资源勘探开发进程。基于单井测井数据与地震解释数据,建立了长宁区块页岩气地层裂缝、地应力及地层压力展布模型,研究了三者与钻井液漏失情况的响应关系。结果表明：长宁区块构造背斜高部位裂缝密度大,地层埋藏浅地应力小,闭合裂缝的开启临界压力与裂缝延伸临界压力都较小,地层孔隙压力低,钻井液漏失情况严重;构造向斜低部位裂缝密度相对于构造高部位小,地层埋藏较深地应力大,闭合裂缝的开启临界压力与裂缝延伸临界压力都较大,地层孔隙压力高,钻井液漏失情况不突出。长宁区块断层裂缝发育,钻井液漏失主要为压差性漏失和闭合裂缝扩展性漏失。研究结果揭示了长宁区块深层页岩钻井液漏失机理,明确了其主要影响因素,可为长宁区块页岩储层防漏及效益化开发提供科学依据。     

顺北5-8井志留系破裂性地层提高承压能力技术

新疆顺北区块古生界志留系地层由于地质构造运动强烈,断裂带附近缝网发育,且深层存在高压盐水层,钻井液安全密度窗口窄,井漏严重且高发。针对志留系防漏堵漏技术难点,深入分析了志留系破裂性地层漏失特性,通过地质、测井、岩屑等资料分析漏层岩性及孔渗特征,根据实钻数据、测井和水力学等方法分析漏层通道的大小和连通情况,对地层承压能力影响因素进行了细致分析,针对主要裂缝地层开发了抗高温致密承压堵漏配方,并根据不同的漏失类型制定了"随钻封堵、逐步强化、分段承压、稳步推进"的防漏堵漏技术思路,在顺北5-8井进行防漏堵漏作业13次,均获成功,有效提高了地层承压能力,井漏复杂处理时间同比大幅度减少60%。      

毫米缝洞承压堵漏浆配方优化及现场试验

井漏是钻井作业中最为严重的复杂情况之一,导致钻井周期长,钻探成本高。文章以黄骅坳陷王官屯油田钻井过程中井漏为研究对象,开展了地质特征及井漏复杂情况分析,探讨了王官屯油田井漏原因：馆陶组以上地层发育胶结疏松的砂砾岩,易发生孔隙渗透性漏失;沙河街组发育生物灰岩,裂缝开度为1～4mm,易发生裂缝性漏失;现场堵漏材料类型少,封堵层结构稳定性及致密性差。针对馆陶组等渗透性严重漏失,研制了胶结固化堵漏剂,其由红泥废渣、石膏废料和高炉矿渣等工业废料组成,实现对工业废弃物料资源合理利用的同时,降低成本并保护环境,胶结固化堵漏剂与传统桥接堵漏剂复配,可形成高强度固结体,封堵2～4mm开度裂缝及直径为2mm孔隙模块,承压能力达到8MPa。针对沙河街组裂缝性漏失,优选了刚性颗粒、柔弹性颗粒和有机纤维材料等不同类型的堵漏材料,优化了1～4mm不同开度的裂缝堵漏配方,承压能力达8MPa。现场应用表明,胶结固化体系和裂缝堵漏体系提高了现场堵漏成功率和地层承压能力,为解决现场井漏复杂事故提供了技术支撑。     

环空响应段流体流动特性数值模拟

基于物理法进行随钻防漏堵漏，其技术核心是利用侧向射流的水力能量在漏失层快速形成薄而高强度的“人造井壁”。钻遇漏层时，部分流体从专门设计的井下工具中喷出，直接射向井壁，给新形成的井壁一个合适有效的作用力，将混入钻井液中的堵漏材料推进漏失层岩石的孔、洞和裂缝，在漏失层井壁迅速形成一层致密的、可以承受一定压差的滤饼屏蔽环，从而增大井壁的承压能力或钻井液密度窗口，达到随钻防漏堵漏目的。由于环空响应段的侧向射流与上返流体具有一定的干扰，采用流体力学软件（CFD）对环空响应段的流体流动特性进行分析，弄清了上返流体对侧向射流的干扰。模拟结果表明，在现有应用的环空返速下，对侧向射流干扰很弱，基本没有影响。     

地层裂缝动态变形对堵漏效果的影响研究

钻井过程中井筒压力的波动易导致地层裂缝动态变形，影响堵漏效果。为了找到消除该影响的技术措施，模拟分析了裂缝闭合变形的特征，通过室内试验评价了裂缝动态变形对堵漏效果的具体影响。模拟发现，裂缝闭合分为初始阶段、局部变形阶段和最后阶段3个阶段，随着闭合裂缝面的接触应力不断增大，接触面积与位移呈幂函数关系；在裂缝动态变形情况下，使用非弹性堵漏剂堵漏会出现反复漏失的情况，使用弹性堵漏剂则能使之趋于稳定，不再发生漏失。研究结果表明，裂缝变形会对封堵层产生破坏，裂缝变形程度越大对封堵层的破坏越强，弹性堵漏剂能够更好地适应裂缝变形。因此，在裂缝性地层堵漏时，建议在堵漏浆中加入一定比例的弹性堵漏材料，在堵漏的后续作业中尽量降低井筒压力波动，以减小裂缝动态变形带来的不利影响。