張杜杰，金軍斌，陳 瑜，康毅力

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國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)歷史時間長，通常經(jīng)歷了多期次地質(zhì)構(gòu)造運動，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層油氣運移的主要通道，但同時增加了鉆井液侵入儲層的風險，極易誘發(fā)嚴重的鉆井液漏失和儲層損害問題[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，加劇漏失風險[14]。目前隨鉆堵漏材料補充時機及補充量的確定經(jīng)驗性強，缺乏理論指導(dǎo)，現(xiàn)場施工中極易發(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象，通過開展加入不同比例隨鉆堵漏材料的鉆井液封堵承壓實驗，評價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。基于地層裂縫真實產(chǎn)狀，建立了隨鉆堵漏材料消耗率計算模型，結(jié)合實驗?zāi)M結(jié)果，明確了隨鉆堵漏材料的補充時機。同時，基于計算模型開展了敏感性分析，明確了隨鉆堵漏材料補充時機的優(yōu)化策略。

1 實驗樣品及方法

1.1 實驗樣品

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，儲層巖性主要為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖。巖心孔滲測試(圍壓為3.0 MPa)結(jié)果顯示：儲層孔隙度為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。成像測井結(jié)果顯示：儲層段天然裂縫發(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，綜合考慮儲層保護、安全鉆井要求(鉆井液柱正壓差為5～7 MPa)及現(xiàn)場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。超細碳酸鈣粒度較細，因此，將其加入鉆井液中再對鉆井液固相粒度進行分析，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價實驗儀器為MFC-1型多功能動態(tài)損害評價儀(圖1)。該實驗裝置能夠在模擬鉆柱轉(zhuǎn)動的條件下，評價鉆井液對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鉆井液封堵承壓能力的影響，測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，實驗溫度設(shè)定為120 ℃。

圖1 鉆井液承壓能力實驗系統(tǒng)

1.2 實驗步驟

實驗步驟如下：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，直至鋼樣出口端無流體流出，說明裂縫內(nèi)致密封堵層已經(jīng)形成；④逐級提高鉆井液驅(qū)替壓差(鉆井液釜體壓力)至3.5、5.0、7.0、10.0 MPa，每個壓力點穩(wěn)定20 min，若鋼樣出口端濾失量猛增，則終止實驗，封堵層破壞前的壓力為對應(yīng)縫寬下的鉆井液封堵層最大承壓能力；⑤整理實驗裝置，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，分別評價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驗體系配方

2 實驗結(jié)果分析

隨鉆堵漏油基鉆井液體系承壓能力實驗結(jié)果見表3。由表3可知：①1～4號隨鉆堵漏油基鉆井液體系對縫寬為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號隨鉆堵漏油基鉆井液體系僅對縫寬不大于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時鋼樣出口端濾失量顯著增大；當鉆井液液柱壓力達到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)生了嚴重破壞。③6號隨鉆堵漏油基鉆井液體系在封堵縫寬為300 μm的裂縫過程中，當鉆井液流體壓力大于5.0 MPa時，出口端有大量流體噴出，證實封堵層發(fā)生破壞。由實驗結(jié)果可知，當隨鉆堵漏材料消耗率超過15%時，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)場應(yīng)用時，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%時應(yīng)及時補充隨鉆堵漏材料。

表3 改性鉆井液封堵承壓實驗結(jié)果

3 隨鉆堵漏材料消耗率計算模型

3.1 模型建立

隨鉆堵漏材料消耗率計算物理模型如圖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為鉆開儲層段長度，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 隨鉆堵漏材料補充時機分析

隨鉆堵漏材料的補充時機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驗結(jié)果可知：當隨鉆堵漏材料消耗率超過15%時，隨鉆堵漏油基鉆井液體系的封堵能力出現(xiàn)失效，此時需要及時補充隨鉆堵漏材料。礦場實施過程中，很難實時監(jiān)測鉆井液中隨鉆堵漏材料的濃度變化。為了提高礦場實踐可操作性，構(gòu)建了隨鉆堵漏材料計算模型，可以用于不同裂縫地質(zhì)特征條件下，計算隨鉆堵漏材料消耗率達到15%時鉆開儲層段長度，以此明確隨鉆堵漏材料的補充時機。由隨鉆堵漏材料消耗率計算公式轉(zhuǎn)化可得隨鉆堵漏材料補充時機，即需要補充隨鉆堵漏材料時的鉆開儲層段的長度計算模型：

(2)

式中：F為鉆開儲層段的長度，m。

以研究區(qū)典型地層特征為例，選取儲層段上部地層參數(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?；谀Ｐ陀嬎憧芍@開儲層段30 m時，隨鉆堵漏鉆井液體系封堵能力將失效，與礦場實際相符。

通過計算隨鉆堵漏材料補充時機，可以及時根據(jù)鉆井液總循環(huán)量，計算每次需要補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封堵能力。此外，加入材料時需要及時監(jiān)測并調(diào)整鉆井液密度，防止鉆井液密度超過設(shè)計范圍。

3.3 隨鉆堵漏材料補充時機敏感性分析

由于研究區(qū)儲層段厚度約為200～300 m，且處于背斜構(gòu)造位置，儲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、分布密度低；張性—網(wǎng)狀裂縫過渡段，儲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，對裂縫寬度、裂縫線密度及裂縫傾角等參數(shù)進行敏感性分析，計算結(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，但裂縫密度、裂縫傾角及裂縫寬度對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，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，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 °，材料消耗率增長速率越大。由圖3c可知：曲線變化趨勢與圖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。

對比裂縫線密度、裂縫傾角及裂縫寬度對隨鉆堵漏材料的消耗率的影響可知：裂縫寬度對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，尤其是當裂縫傾角接近90 °時，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充時機及補充量時，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，在鉆開儲層過渡段時，由于平均裂縫寬度顯著增大，高角度縫比例提高，需要適當縮短隨鉆堵漏材料補充間隔，并增大補充量。

4 礦場應(yīng)用實例

選取塔里木盆地南麓TD-1井進行現(xiàn)場試驗。該井目的層埋深為7 500～8 000 m，儲層平均孔隙度為2.8%，平均滲透率為0.020 mD，鄰井成像測井資料顯示儲層天然裂縫發(fā)育，為典型的深部裂縫性致密儲層。儲層段從上至下劃分為張性裂縫段(75 m)、張性—網(wǎng)狀裂縫過渡段(100 m)和網(wǎng)狀裂縫段(115 m)。由計算結(jié)果可知，當鉆開儲層深度達到30 m，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%。因此，試驗井TD-1在鉆開張性裂縫段儲層30 m后便開始補充堵漏材料，單次補充量配方為：0.2% GD-1+0.6% GD-2+0.4% GD-3?，F(xiàn)場數(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需要及時監(jiān)測并調(diào)整鉆井液密度，防止鉆井液密度超過設(shè)計規(guī)定范圍。在鉆開張性—網(wǎng)狀裂縫過渡段時，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。由模型計算可知，當鉆開儲層段達到39 m時，隨鉆堵漏材料消耗率接近15%。因此，試驗井TD-1在鉆開張性—網(wǎng)狀裂縫過渡段39 m后便開始補充堵漏材料，隨鉆堵漏材料補充量為：400 kg GD-1+1 200 kg GD-2+800 kg GD-3。在鉆開網(wǎng)狀裂縫段時，由于裂縫寬度進一步縮小，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 °。由模型計算可知，當鉆開儲層段達到65 m時，隨鉆堵漏材料消耗率達到15%。因此，試驗井TD-1在鉆開網(wǎng)狀裂縫段65 m儲層后便開始補充堵漏材料，隨鉆堵漏材料補充量為：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充作業(yè)流程，試驗井TD-1井的漏失量僅為13.9 m3，遠低于研究區(qū)塊的平均漏失量261.7 m3，試驗井取得了良好應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

(1) 鉆井過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，實驗證實當隨鉆堵漏材料消耗率超過15%，隨鉆堵漏油基鉆井液體系對400 μm及以上縫寬裂縫承壓能力不足7 MPa，說明此時隨鉆堵漏油基鉆井液對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越快。計算隨鉆堵漏材料補充時機及補充量時，尤其需要注意儲層裂縫寬度及傾角變化。

(3) 應(yīng)用實例表明，按照該文計算模型結(jié)果設(shè)計隨鉆堵漏材料補充時機和補充量，可有效降低鉆井液的漏失量，提高鉆井效率。