深部裂縫性致密儲(chǔ)層隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)研究

張杜杰，金軍斌，陳 瑜，康毅力

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

深部油氣藏埋深大、地質(zhì)歷史時(shí)間長(zhǎng)，通常經(jīng)歷了多期次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多為基塊致密、天然裂縫發(fā)育的典型裂縫性致密油氣藏[1-2]。天然裂縫是裂縫性致密儲(chǔ)層油氣運(yùn)移的主要通道，但同時(shí)增加了鉆井液侵入儲(chǔ)層的風(fēng)險(xiǎn)，極易誘發(fā)嚴(yán)重的鉆井液漏失和儲(chǔ)層損害問(wèn)題[3-8]。向鉆井液中加入隨鉆堵漏材料是預(yù)防、控制鉆井液漏失及儲(chǔ)層損害的常用技術(shù)[9-13]。然而，由于隨鉆堵漏材料不斷封堵新鉆遇裂縫，堵漏材料持續(xù)消耗，導(dǎo)致鉆井液封堵能力不斷降低，加劇漏失風(fēng)險(xiǎn)[14]。目前隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)及補(bǔ)充量的確定經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，缺乏理論指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)施工中極易發(fā)生鉆井液封堵能力突然失效，誘發(fā)大型漏失[15-16]。以塔里木盆地某深部裂縫性致密氣藏為研究對(duì)象，通過(guò)開展加入不同比例隨鉆堵漏材料的鉆井液封堵承壓實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了不同隨鉆堵漏材料消耗率下油基鉆井液體系的封堵承壓能力?；诘貙恿芽p真實(shí)產(chǎn)狀，建立了隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，明確了隨鉆堵漏材料的補(bǔ)充時(shí)機(jī)。同時(shí)，基于計(jì)算模型開展了敏感性分析，明確了隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)的優(yōu)化策略。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

研究區(qū)目的層段為白堊系巴什基奇克組。巖石學(xué)分析顯示，儲(chǔ)層巖性主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖。巖心孔滲測(cè)試(圍壓為3.0 MPa)結(jié)果顯示：儲(chǔ)層孔隙度為1.0%～5.0%，平均值為3.1%；滲透率為0.005～0.035 mD，平均值為0.014 mD。成像測(cè)井結(jié)果顯示：儲(chǔ)層段天然裂縫發(fā)育，裂縫線密度為0.60～1.74 條/m，平均值為1.00 條/m；裂縫寬度為0.1～0.4 mm，以高角度、直立縫為主，裂縫傾角為70～80 °。

結(jié)合超深致密砂巖氣井目的層段鉆井施工現(xiàn)狀，綜合考慮儲(chǔ)層保護(hù)、安全鉆井要求(鉆井液柱正壓差為5～7 MPa)及現(xiàn)場(chǎng)可用的隨鉆堵漏材料，優(yōu)化鉆井液配方為低密度油基鉆井液(1.72～1.78 g/cm3)+1% 超細(xì)碳酸鈣(2 250目)+1% GD-1+3% GD-2+2% GD-3。低密度油基鉆井液性能如表1所示。GD系列堵漏材料為不等徑方解石顆粒?；诤Y分法分析，GD-1固相粒度d50為600.00 μm，d90為850.00 μm；GD-2固相粒度d50為850.00 μm，d90為1 180.00 μm；GD-3固相粒度d50為1 180.00 μm，d90為1 700.00 μm；GD系列堵漏材料固相粒度d50為710.00～850.00 μm，d90為1 400.00～1 700.00 μm。超細(xì)碳酸鈣粒度較細(xì)，因此，將其加入鉆井液中再對(duì)鉆井液固相粒度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鉆井液固相粒度分布d50由16.32 μm提高至22.91 μm，d90由60.26 μm提高至85.21 μm。

表1 油基鉆井液基礎(chǔ)性能

鉆井液封堵承壓能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)儀器為MFC-1型多功能動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)儀(圖1)。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠在模擬鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)不同縫寬裂縫的最大封堵承壓能力[17]。為了排除裂縫面粗糙度對(duì)鉆井液封堵承壓能力的影響，測(cè)試樣品選擇為平板裂縫鋼樣，裂縫寬度分別為50、100、150、200、300、400、500 μm，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為120 ℃。

圖1 鉆井液承壓能力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將鋼樣置于巖心夾持器中，圍壓設(shè)定為12.0 MPa；②向鉆井液釜體中加入隨鉆堵漏油基鉆井液體系，密封釜體，將系統(tǒng)加溫至120 ℃保持穩(wěn)定；③向鉆井液釜體施加2.5 MPa驅(qū)替壓力，保證旋轉(zhuǎn)葉片持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至鋼樣出口端無(wú)流體流出，說(shuō)明裂縫內(nèi)致密封堵層已經(jīng)形成；④逐級(jí)提高鉆井液驅(qū)替壓差(鉆井液釜體壓力)至3.5、5.0、7.0、10.0 MPa，每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定20 min，若鋼樣出口端濾失量猛增，則終止實(shí)驗(yàn)，封堵層破壞前的壓力為對(duì)應(yīng)縫寬下的鉆井液封堵層最大承壓能力；⑤整理實(shí)驗(yàn)裝置，處理廢液。

為了反映隨鉆堵漏材料的消耗情況，按5%等差值逐級(jí)降低隨鉆堵漏油基鉆井液體系中的隨鉆堵漏材料添加量，分別評(píng)價(jià)隨鉆堵漏材料消耗率為0、5%、10%、15%、20%、25%6種情況下的隨鉆堵漏油基鉆井液體系的封堵承壓能力，詳細(xì)配方體系見表2。

表2 隨鉆堵漏油基鉆井液體系承壓能力實(shí)驗(yàn)體系配方

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

隨鉆堵漏油基鉆井液體系承壓能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知：①1～4號(hào)隨鉆堵漏油基鉆井液體系對(duì)縫寬為50～500 μm的鋼樣均具有良好的封堵承壓能力，最大承壓能力均超過(guò)10.0 MPa。然而，隨著隨鉆堵漏材料消耗率的增加，封堵層破壞前濾失量逐漸增大。②5號(hào)隨鉆堵漏油基鉆井液體系僅對(duì)縫寬不大于300 μm的裂縫具有較好的封堵能力；若縫寬增大至400 μm和500 μm，釜體內(nèi)鉆井液流體壓力大于5.0 MPa時(shí)鋼樣出口端濾失量顯著增大；當(dāng)鉆井液液柱壓力達(dá)到7.0 MPa后，出口端有大量流體噴出，表明鋼樣裂縫內(nèi)封堵層發(fā)生了嚴(yán)重破壞。③6號(hào)隨鉆堵漏油基鉆井液體系在封堵縫寬為300 μm的裂縫過(guò)程中，當(dāng)鉆井液流體壓力大于5.0 MPa時(shí)，出口端有大量流體噴出，證實(shí)封堵層發(fā)生破壞。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)隨鉆堵漏材料消耗率超過(guò)15%時(shí)，即隨鉆堵漏材料比例低于初始值的85%，隨鉆堵漏油基鉆井液體系封堵承壓能力顯著降低。因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充隨鉆堵漏材料。

表3 改性鉆井液封堵承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算模型

3.1 模型建立

隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算物理模型如圖2所示。模型假設(shè)條件為：①裂縫為橢圓形，裂縫在垂向上成組分布且線密度穩(wěn)定；②井筒中軸線與裂縫中心重疊；③裂縫寬度為定值，鉆井液固相侵入過(guò)程中裂縫寬度不變；④裂縫中鉆井液固相侵入不同方向速率相等，侵入帶法向投影為直徑為d的近圓形區(qū)域；⑤鉆井液固相侵入帶封堵材料以隨鉆堵漏材料為主。

圖2 隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算物理模型

基于上述假定，得到隨鉆堵漏油基鉆井液體系中隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算公式：

(1)

式中：CR為隨鉆堵漏材料消耗率，%；ρ為堵漏材料密度，kg/m3；ρL為裂縫線密度，條/m；F為鉆開儲(chǔ)層段長(zhǎng)度，m；w為裂縫寬度，m；α為裂縫面與水平方向夾角，°；d為鉆井液固相侵入帶深度，m；D為井筒直徑，m；V為參與循環(huán)的鉆井液總體積，m3；Gi為鉆井液中隨鉆堵漏材料質(zhì)量濃度，kg/m3。

3.2 隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)分析

隨鉆堵漏材料的補(bǔ)充時(shí)機(jī)與隨鉆堵漏油基鉆井液體系承壓能力和隨鉆堵漏材料的消耗率是緊密相關(guān)的。由隨鉆堵漏油基鉆井液體系的承壓能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)隨鉆堵漏材料消耗率超過(guò)15%時(shí)，隨鉆堵漏油基鉆井液體系的封堵能力出現(xiàn)失效，此時(shí)需要及時(shí)補(bǔ)充隨鉆堵漏材料。礦場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液中隨鉆堵漏材料的濃度變化。為了提高礦場(chǎng)實(shí)踐可操作性，構(gòu)建了隨鉆堵漏材料計(jì)算模型，可以用于不同裂縫地質(zhì)特征條件下，計(jì)算隨鉆堵漏材料消耗率達(dá)到15%時(shí)鉆開儲(chǔ)層段長(zhǎng)度，以此明確隨鉆堵漏材料的補(bǔ)充時(shí)機(jī)。由隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算公式轉(zhuǎn)化可得隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)，即需要補(bǔ)充隨鉆堵漏材料時(shí)的鉆開儲(chǔ)層段的長(zhǎng)度計(jì)算模型：

(2)

式中：F為鉆開儲(chǔ)層段的長(zhǎng)度，m。

以研究區(qū)典型地層特征為例，選取儲(chǔ)層段上部地層參數(shù)：ρ=2 800 kg/m3，ρL=15 條/m，w=1.0 mm，α=75 °，d=0.5 m，D=0.168 3 m，V=200 m3，Gi=60 kg/m3。基于模型計(jì)算可知，鉆開儲(chǔ)層段30 m時(shí)，隨鉆堵漏鉆井液體系封堵能力將失效，與礦場(chǎng)實(shí)際相符。

通過(guò)計(jì)算隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)，可以及時(shí)根據(jù)鉆井液總循環(huán)量，計(jì)算每次需要補(bǔ)充的隨鉆堵漏材料用量，從而維持隨鉆堵漏油基鉆井液體系的強(qiáng)封堵能力。此外，加入材料時(shí)需要及時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整鉆井液密度，防止鉆井液密度超過(guò)設(shè)計(jì)范圍。

3.3 隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)敏感性分析

由于研究區(qū)儲(chǔ)層段厚度約為200～300 m，且處于背斜構(gòu)造位置，儲(chǔ)層天然裂縫具有明顯垂向分層特征，從上至下依次劃分為張性裂縫段、張性—網(wǎng)狀裂縫過(guò)渡段和網(wǎng)狀裂縫段。張性裂縫段，張性裂縫非常發(fā)育，裂縫寬度較大、延伸長(zhǎng)、分布密度低；張性—網(wǎng)狀裂縫過(guò)渡段，儲(chǔ)層裂縫以張性直劈縫為主，剪性網(wǎng)狀縫也有發(fā)育；網(wǎng)狀裂縫段，剪性網(wǎng)狀縫發(fā)育，裂縫寬度小、延伸短、分布密度高。因此，對(duì)裂縫寬度、裂縫線密度及裂縫傾角等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 隨鉆堵漏材料消耗率敏感性分析結(jié)果

由圖3中總體曲線形態(tài)可知，隨著儲(chǔ)層段鉆開深度的增大，隨鉆堵漏材料的消耗率均具有持續(xù)增加的趨勢(shì)，但裂縫密度、裂縫傾角及裂縫寬度對(duì)堵漏材料消耗量的影響存在差異。由圖3a可知：鉆開同樣深度的地層時(shí)，隨著裂縫線密度的增加，隨鉆堵漏材料消耗率持續(xù)增大，但增加幅度均勻。由圖3b可知：鉆開同樣深度的地層時(shí)，隨著裂縫傾角的增大，隨鉆堵漏材料消耗率同樣持續(xù)增大，且隨著裂縫傾角越接近90 °，材料消耗率增長(zhǎng)速率越大。由圖3c可知：曲線變化趨勢(shì)與圖3a相似，隨著裂縫寬度的增加，隨鉆堵漏材料消耗率持續(xù)增大，其增加幅度較為均勻，但比圖3a所示的增加幅度大。

對(duì)比裂縫線密度、裂縫傾角及裂縫寬度對(duì)隨鉆堵漏材料的消耗率的影響可知：裂縫寬度對(duì)堵漏材料消耗率的影響較裂縫傾角和裂縫線密度更大，而裂縫傾角對(duì)隨鉆堵漏材料消耗率的影響較裂縫線密度和裂縫寬度具有突變性，尤其是當(dāng)裂縫傾角接近90 °時(shí)，隨鉆堵漏材料消耗率將出現(xiàn)顯著增大。因此，在確定隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)及補(bǔ)充量時(shí)，需要注意地層裂縫寬度及裂縫傾角的變化，兼顧裂縫線密度。以研究區(qū)超深致密砂巖氣藏為例，在鉆開儲(chǔ)層過(guò)渡段時(shí)，由于平均裂縫寬度顯著增大，高角度縫比例提高，需要適當(dāng)縮短隨鉆堵漏材料補(bǔ)充間隔，并增大補(bǔ)充量。

4 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

選取塔里木盆地南麓TD-1井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井目的層埋深為7 500～8 000 m，儲(chǔ)層平均孔隙度為2.8%，平均滲透率為0.020 mD，鄰井成像測(cè)井資料顯示儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，為典型的深部裂縫性致密儲(chǔ)層。儲(chǔ)層段從上至下劃分為張性裂縫段(75 m)、張性—網(wǎng)狀裂縫過(guò)渡段(100 m)和網(wǎng)狀裂縫段(115 m)。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)鉆開儲(chǔ)層深度達(dá)到30 m，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%。因此，試驗(yàn)井TD-1在鉆開張性裂縫段儲(chǔ)層30 m后便開始補(bǔ)充堵漏材料，單次補(bǔ)充量配方為：0.2% GD-1+0.6% GD-2+0.4% GD-3。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，參與循環(huán)的油基鉆井液體積為200～250 m3，因此，隨鉆堵漏材料補(bǔ)充量為：400 kg GD-1+1 200 kg GD-2+800 kg GD-3。加入隨鉆堵漏材料時(shí)需要及時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整鉆井液密度，防止鉆井液密度超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定范圍。在鉆開張性—網(wǎng)狀裂縫過(guò)渡段時(shí)，由于裂縫寬度略小于張性段，平均裂縫寬度約為0.6 mm，但裂縫線密度提高至19 條/m。由模型計(jì)算可知，當(dāng)鉆開儲(chǔ)層段達(dá)到39 m時(shí)，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%。因此，試驗(yàn)井TD-1在鉆開張性—網(wǎng)狀裂縫過(guò)渡段39 m后便開始補(bǔ)充堵漏材料，隨鉆堵漏材料補(bǔ)充量為：400 kg GD-1+1 200 kg GD-2+800 kg GD-3。在鉆開網(wǎng)狀裂縫段時(shí)，由于裂縫寬度進(jìn)一步縮小，平均裂縫寬度僅約為0.3 mm，但裂縫線密度提高至25 條/m，且裂縫平均傾角接近70 °。由模型計(jì)算可知，當(dāng)鉆開儲(chǔ)層段達(dá)到65 m時(shí)，隨鉆堵漏材料消耗率達(dá)到15%。因此，試驗(yàn)井TD-1在鉆開網(wǎng)狀裂縫段65 m儲(chǔ)層后便開始補(bǔ)充堵漏材料，隨鉆堵漏材料補(bǔ)充量為：400 kg GD-1+1 200 kg GD-2+800 kg GD-3。

基于上述隨鉆堵漏材料的補(bǔ)充作業(yè)流程，試驗(yàn)井TD-1井的漏失量?jī)H為13.9 m3，遠(yuǎn)低于研究區(qū)塊的平均漏失量261.7 m3，試驗(yàn)井取得了良好應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

(1) 鉆井過(guò)程中隨鉆堵漏材料由于不斷封堵新鉆開地層裂縫導(dǎo)致其在鉆井液體系中含量持續(xù)降低，實(shí)驗(yàn)證實(shí)當(dāng)隨鉆堵漏材料消耗率超過(guò)15%，隨鉆堵漏油基鉆井液體系對(duì)400 μm及以上縫寬裂縫承壓能力不足7 MPa，說(shuō)明此時(shí)隨鉆堵漏油基鉆井液對(duì)地層裂縫的封堵性能基本失效。

(2) 基于地層裂縫產(chǎn)狀，建立了隨鉆堵漏材料消耗率計(jì)算模型，并開展了裂縫線密度、裂縫寬度和裂縫傾角等3種因素的敏感性分析，結(jié)果顯示：隨著裂縫傾角越接近90 °、裂縫寬度越大、裂縫線密度越大，隨鉆堵漏材料消耗率增長(zhǎng)越快。計(jì)算隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)及補(bǔ)充量時(shí)，尤其需要注意儲(chǔ)層裂縫寬度及傾角變化。

(3) 應(yīng)用實(shí)例表明，按照該文計(jì)算模型結(jié)果設(shè)計(jì)隨鉆堵漏材料補(bǔ)充時(shí)機(jī)和補(bǔ)充量，可有效降低鉆井液的漏失量，提高鉆井效率。