介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟

堵漏材料进入地层裂缝后,通常期望其能够在漏失通道内快速形成稳定的高强度封堵层,从而实现井筒与漏失层的有效隔离,这对控制漏失程度和强化井筒至关重要。当前,普遍从以封堵层为整体的宏观角度以及从单个堵漏颗粒性质的微观角度来分析研究封堵层的降低漏速能力和承压能力,而从介观尺度研究堵漏颗粒封堵层在裂缝内的演化过程较少。为进一步揭示裂缝内堵漏颗粒封堵层的形成与破坏机理,基于计算流体力学和离散元耦合模拟方法,研究了堵漏颗粒在楔形裂缝内滞留、架桥、封堵和失稳破坏过程,分析了介观尺度下堵漏材料性质及钻井液性能对裂缝封堵层形成影响机理。结果表明,堵漏颗粒进入裂缝后经过滞留、堆积、封堵过程形成封堵层,且封堵层前端是封堵层稳定的关键部位。堵漏颗粒尺寸越小,封堵层位置越接近裂缝出口。堵漏颗粒浓度增加会显著缩短封堵层形成时间,当浓度由2%增加至30%时,封堵层的初始形成时间由0.090 s降低至0.036 s,降低了60%,此外,堵漏颗粒几何和物理性质以及钻井液参数对封堵层形成及破坏均具有较为明显的影响。研究结果对进一步优化堵漏颗粒并快速形成高效封堵层具有一定的参考价值。     

桥塞封堵裂缝性漏失机理研究

采用新型裂缝封堵评价装置对桥塞封堵裂缝的动态过程进行了分析,探索了桥塞堵漏材料在裂缝中的封堵规律,揭示了粒度连续分布的桥塞材料在裂缝中将形成多级封堵层这一现象,同时裂缝封堵过程中,随封堵压力的增加各级封堵层都将经历形成-被破坏-再形成的过程,且最后一级封堵层的位置由最大粒度的桥塞材料所决定。     

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。     

裂缝封堵层形成机理及堵漏颗粒优选规则

针对裂缝性地层封堵层形成机理和封堵规则尚不明晰的问题,基于封堵实验和颗粒物质力学方法研究了裂缝性地层封堵层的形成过程,分析了封堵层组成及颗粒配比,揭示了封堵层形成的本质及破坏的驱动能量,提出了钻井液防漏堵漏颗粒优选规则。研究表明封堵层的形成过程经历了从惯性流、弹性流到准静态流的流态变化过程。封堵层由封端颗粒、架桥颗粒和填充颗粒组成,3种堵漏颗粒的配比是设计堵漏体系的重要依据。封堵层形成的本质是体系发生非平衡性Jamming相态转变,封堵层颗粒体系对压力的响应由熵力驱动,熵越大封堵层越稳定。根据提出的规则优选了堵漏材料、优化了堵漏体系,封堵效果优于其他常用规则,可有效提高封堵层承压能力,为解决裂缝性地层漏失提供了理论和技术依据。     

基于力链网络表征的裂缝封堵层结构失稳细观力学机制

裂缝封堵层细观结构稳定性控制着宏观结构承压能力,进而影响工作液漏失控制效果.由于缺少裂缝封堵层动态细观力学参数获取方法与细观结构演化的精细刻画方法,裂缝封堵层结构承压失稳细观力学机制尚不明确.利用自主研发的钻井防漏堵漏裂缝封堵层细观结构表征系统,模拟了承压过程中物理类颗粒材料构成的裂缝封堵层细观结构演化过程,明确了承压...     

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。     

裂缝性漏失的桥塞堵漏钻井液技术

利用新研制的模拟裂缝封堵装置,开展了裂缝桥塞堵漏的实验研究,对比了不同形态裂缝的堵漏效果,分析了裂缝性漏失的桥塞堵漏规律.结果表明:新研制的裂缝堵漏实验装置有更好的模拟裂缝堵漏的能力,该装置模拟的裂缝具有较长的深度,实验完成后可以打开裂缝模块,观察堵漏材料在裂缝内的封堵位置和形态,探索桥接堵漏材料封堵裂缝的机理和规律;堵漏材料在裂缝“喉部”和“腰部”形成封堵段塞是堵漏成功的标志;裂缝的长度与裂缝壁面的粗糙度对堵漏效果有较大的影响.     

毫米级宽度裂缝封堵层优化设计

毫米级裂缝漏失一直是钻井堵漏的一大难题,封堵层的低承压问题不仅增大了堵漏材料的消耗量,而且还延长了钻井时间。为此,以封堵承压能力、累计漏失量、成封时间为指标,开展了2mm宽的裂缝封堵室内实验,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。结果表明,刚性颗粒与弹性粒子组合形成的封堵层累计漏失量普遍大于400mL;弹性粒子与纤维材料组合形成的封堵层承压能力普遍小于6 MPa。3种材料协同组合封堵后承压能力提高到13 MPa,累计漏失量降为75mL。协同封堵过程中,刚性颗粒在裂缝狭窄处形成具有较高承压能力的骨架;弹性粒子在裂缝内发生弹性变形,弹性力作用于裂缝面并增强了裂缝面与封堵层之间的摩擦力,使封堵层更加稳定;纤维材料充填于颗粒之间并形成网络,增强了封堵层的致密性及整体强度。该成果为生产现场堵漏浆配方的优化提供了依据。     

提高地层承压能力技术

地层承压能力的影响因素主要有地层岩性、地层裂缝发育程度、温差、黏土矿物水化和钻井液漏失量、钻井液侵入时间、堵漏材料的类型和粒度组成、钻井和堵漏工艺水平.用改进的DL型堵漏实验仪对一系列浓度的刚性封堵剂、核桃壳以及它们复配的堵漏浆封堵模拟裂缝后的承压能力进行了评价,得出了刚性封堵剂由于强度高、不易被压碎、不水化,在裂缝中能架桥,填充,堵死裂缝,提高裂缝填塞层的承压能力.在DN2-4井和莫深1井上的现场实验也证实了,复配使用刚性封堵剂与核桃壳的堵漏浆能很好地封堵裂缝,提高封堵层的承压能力,且封堵层不容易再次发生漏失,可增加一次成功提高地层承压能力的几率.     

钻井液致密承压封堵裂缝机理与优化设计

针对钻井液防漏堵漏技术难题,借鉴微观颗粒物质力学“强力链”基本原理,提出了评价防漏堵漏材料的颗粒强度、颗粒弹性、颗粒表面摩擦等主要精细化技术指标,建立了相应的实验表征方法,揭示了基于微纳米尺度的钻井液致密承压封堵机理,给出了钻井液强化致密承压封堵优化设计方法,即通过合理的颗粒类型、粒度级配与浓度控制,刚性颗粒、弹性颗粒、纤维材料等协同封堵裂缝,可形成具有“强力链网络”的致密承压封堵层,显著提高地层承压能力。研制了钻井液封堵特性评价动态模拟实验装置,可模拟不同地层温度、压力条件下不同开度裂缝的漏失与封堵过程,为致密承压封堵机理及钻井液防漏堵漏效果评价提供了实验方法。采用所研制的封堵动态模拟实验装置,优化了不同开度楔形裂缝的强化致密承压封堵钻井液配方。实验结果表明,其具有良好的自适应裂缝开度致密封堵特性,承压能力达8 MPa以上,可显著提高地层承压能力。     

毫米级宽度裂缝性漏失封堵实验研究

论文采用不同抗弯强度的纤维和可变形橡胶粒子配合使用,在3块裂缝宽度均为1mm而裂缝面形态不同的人造钢岩样上开展了多组模拟堵漏实验。实验结果表明,以软硬纤维联合架桥、固相颗粒依次填充的堵漏方式能够有效封堵裂缝宽度为1mm的刚岩样,形成的封堵层承压能力达到了10MPa以上。对封堵层进行分析发现,封堵层中的硬纤维具有恢复弹性形变的趋势,而使封堵层能够适应动态变化裂缝的能力;封堵层中的软纤维与硬纤维形成网架结构,使封堵层具备较强的整体稳定性。最终,实验优选出适用于封堵毫米级宽度裂缝堵漏配方:基浆+2.5%QP-1+0.3%动物毛发+2.0%橡胶粒。     

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.     

基于形状记忆聚合物的温敏型堵漏材料制备与评价

传统堵漏材料对裂缝性漏失的封堵存在不足,针对该问题,将形状记忆聚合物材料引入封堵作业,利用其“温控形变”特性,制备出温敏型堵漏材料;采用热机械动力分析仪和形状恢复试验,评价了其玻璃态转变温度和形状记忆性能;通过裂缝封堵模拟试验,评价了温敏型堵漏材料的裂缝封堵效果,并探索了其裂缝封堵机理。研究结果表明:温敏型堵漏材料的形变温度（即玻璃态转变温度）可根据漏失层段位置需求在温度80～120 ℃范围内进行调控,形状记忆性能优异（形状恢复率大于95%）,且耐温性能良好,初始热解温度230～258 ℃,可适用于温度80～120 ℃的地层,与传统堵漏材料复配后可封堵3～5 mm裂缝。研究结果可为研制和应用新型材料封堵裂缝提供参考。      

深层裂缝性储集层封堵层结构失稳机理与强化方法

针对深层裂缝性储集层工作液漏失控制问题,以颗粒物质力学为基础,明确了裂缝封堵层多尺度结构,构建了深层裂缝性储集层高温、高压、高地应力环境下裂缝封堵层失稳模式,揭示了封堵层结构失稳机理。基于裂缝封堵层强度模型,提取了堵漏材料关键性能参数,选用新型堵漏材料开展室内实验,评价了材料关键性能参数对裂缝封堵效果的影响,最终形成了深层裂缝性储集层堵漏材料选择原则。研究表明,裂缝封堵层承压过程中,堵漏材料相互接触形成力链网络,决定宏观封堵层承压稳定性。摩擦失稳和剪切失稳为裂缝封堵层结构主要失稳模式。细观力链强度取决于微观尺度堵漏材料性能,粒度分布、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、抗高温能力、可溶蚀能力为堵漏材料关键性能参数。室内实验和现场试验结果表明,根据所提取的关键性能参数优选堵漏材料,可有效提高深层裂缝性储集层漏失控制效果。图13表5参37     

考虑地应力及缝宽/粒径比的钻井堵漏材料抗压能力评价

井漏是钻完井过程中的复杂工程问题之一,而裂缝性储层段的井漏又会严重损害储层并降低建井综合效益.采用堵漏材料封堵漏失通道是裂缝性地层工作液漏失控制的主要方式,其关键在于形成结构稳定且高承压的裂缝封堵层.具架桥功能刚性堵漏材料的抗压能力主导着裂缝封堵层的结构稳定性及承压能力,然而当前尚缺乏可操作性的刚性堵漏材料抗压能力的实...     

HMXW 网状纤维承压堵漏实验

为提高复杂漏失地层的承压堵漏成功率,研究了HMXW 网状纤维的承压堵漏性能与堵漏机理。使用尺寸为3～6 mm 的滚珠和割缝钢块模拟大孔道和裂缝性漏失地层,研究了HMXW 在裂缝性漏失地层中的堵漏性能。实验结果表明:① HMXW 网状纤维加入现有承压堵漏体系后,能够在体系中形成独特的弹性网状结构,帮助承压堵漏剂快速失水,形成高强度的封堵层,阻断堵漏施工中的压力传递作用,加固漏失层近井带,提高承压强度;② 0.8% 的HMXW 网状纤维加入承压堵漏体系后,能够封堵3 mm 以下的裂缝性漏失地层;③ 1.6%HMXW 网状纤维加入承压堵漏体系后,能够封堵4～5 mm 的裂缝性漏失地层。HMXW 网状纤维堵漏技术的研究为承压堵漏技术提供了一个新的技术手段,有利于改进和提高现有承压堵漏体系在复杂漏失层中的承压堵漏强度和堵漏成功率。      

自适应防漏堵漏钻井液技术研究

针对钻井液漏失地层非均质性强及漏失通道尺寸难以准确预知等问题,提出了自适应防漏堵漏钻井液技术。该技术无须明确预知漏失地层孔喉直径,能自适应封堵岩石表面较大范围的孔喉,对较宽孔径分布的漏层具有很好的封堵作用,封堵速度快,封堵层浅,适合于油层防漏、堵漏。室内评价表明,自适应防漏堵漏钻井液能在一定范围内对不同孔径分布的漏层产生良好的封堵作用。封堵率达到90%以上,封堵带压力强度大于9MPa,封堵厚度小于1cm,切片后渗透率恢复率达90%以上。现场应用证明,自适应防漏堵漏钻井液能有效提高地层的承压能力,并且有良好的防漏及堵漏效果。     

堵漏用高强度抗盐吸水树脂的性能评价

采用丙烯酰胺、阳离子单体、抗温单体等制备了油田堵漏用吸水树脂,考察了该吸水树脂的吸水性能。采用VVDB-2000A型拉力试验机和CL-Ⅱ泥浆堵漏试验仪对吸水树脂的强度和形成封堵层的承压强度进行了评价。吸水实验结果表明,吸水树脂在纯水、饱和盐水和复合盐水中的吸水倍率分别为6.2、6.5和5.6 g/g,表明其具有较高的抗盐性,吸水饱和的时间为10 h,可满足现场堵漏浆的配制过程。可反应性实验结果表明,吸水树脂在一定的温度下可进一步反应,强度逐渐增大。实验室模拟堵漏实验结果表明,采用吸水树脂、基浆和骨架材料等配制的堵漏浆,可形成致密的封堵层,其封堵强度可达26 MPa,具有较高的承压强度。     

刚性颗粒封堵裂缝地层漏失机制数值模拟

漏失裂缝封堵机理至今未得到全面地认识,以致于漏失裂缝封堵问题一直困扰着钻井工程界。为了提高对漏失裂缝堵漏的效率,基于CFD-DEM数值理论,利用Fluent-EDEM软件建立了漏失裂缝封堵模型,研究了堵漏颗粒粒径、浓度、粒度级配以及裂缝形态等参数对漏失裂缝封堵效率的影响规律,揭示了漏失裂缝封堵机理。研究结果表明:(1)"桥堵"效率是决定漏失裂缝封堵效率的根本因素,恰当地利用堵漏颗粒摩擦系数、尺寸及级配关系有助于提高漏失裂缝封堵效率,摩擦系数越大越有利于颗粒在漏失裂缝中形成桥堵,裂缝中弯折角会增加颗粒在漏失裂缝中搭桥的概率;(2)在一定程度上,漏失裂缝的弯曲度会影响堵漏颗粒在漏失裂缝中的运移特征及"桥堵效率";(3)封堵漏失裂缝的堵漏颗粒浓度存在着一个"桥堵窗口",低于"桥堵窗口"下限,堵漏颗粒不能在裂缝内形成有效的桥堵,而高于"桥堵窗口"上限则堵漏颗粒浓度对桥堵效率影响不大。结论认为,除了颗粒浓度和颗粒级配外,裂缝和颗粒特征参数对颗粒在漏失裂缝中建立高效桥堵的过程是不可忽略的影响因素。     

一种新型堵漏模拟装置

介绍了一种新型的堵漏模拟试验装置。该堵漏模拟试验装置通过高压气体．使试验堵漏液在加压下通过模拟漏层的试验模块．在尽可能模拟现场井下工作条件的情况下产生漏失．然后依据试验记录和观察到的模拟漏层的封堵状态．来评价研究堵漏剂的组分配比、堵漏钻井液的封堵效能以及确定合理的施工工艺条件．它采用整体结构设计，试验参数监控数显仪表及有关控制旋钮和调节键都分布在面板上．布局合理．操作方便．该装置不仅具有API堵漏试验装置的全部功能，还具有多种特殊功能：加热功能，可加热到150℃；加压功能，最高压力达7MPa，而且可以根据需要选择恒定压差，也可以按一定速率增加或降低压力；具备多种模拟漏层试验模块；横向断层分析试验结构及试验方法；纵向剖切分析试验结构及试验方法；渗透性模拟漏层防扰动试验结构及试验方法．经过测试及试验应用，该堵漏模拟试验装置控制准确．工作稳定可靠，操作方便．