在墨西哥灣和世界其他地區(qū)，當(dāng)鉆遇孔隙壓力枯竭的砂巖層時(shí)常遭遇井漏，這是因?yàn)?/span>井筒內(nèi)鉆井液的液柱壓力大于地層的孔隙壓力，除了因天然裂縫或溶洞地層可能導(dǎo)致鉆井液漏失外，巨大的上覆壓力也能誘發(fā)裂縫，使整個(gè)鉆井液漏入地層。傳統(tǒng)的解決方法是采用顆粒狀堵漏材料封堵漏層，大致的設(shè)想是在鉆井液中加入合適尺寸的固體顆粒，顆粒的大小與井下遭遇裂縫的寬度相吻合，堵漏漿泵入井下后讓鉆井液中的固體顆粒在裂縫入口形成搭橋或橋接，按設(shè)計(jì)要求在井壁形成較為堅(jiān)固的泥餅，驅(qū)使堵漏漿進(jìn)入裂縫入口的壓力會(huì)在某一時(shí)刻達(dá)到平衡，從而使固體顆粒承擔(dān)起支撐地層環(huán)向應(yīng)力的任務(wù)，環(huán)向應(yīng)力來(lái)自于鄰近井筒的地層，這種方法在該行業(yè)通常被稱(chēng)作“應(yīng)力籠框”，意思是隔離地層應(yīng)力，使其對(duì)井筒產(chǎn)生的負(fù)面影響降至最小。
堵漏需要的新材料
堵漏材料尺寸、形狀、取向和材料類(lèi)型各有不同，但仍具有相當(dāng)的共性， 確定井漏后進(jìn)行堵漏作業(yè)，這可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，具體取決于井的深度，即使是這樣，由于細(xì)顆粒的遷移和流失，顆粒堵漏法對(duì)產(chǎn)層來(lái)說(shuō)也不是沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，某種情況下，一些泵入井下的可治愈裂縫的顆粒藥劑可能會(huì)滯留于井底并保持在那兒，之后鉆井將其鉆穿帶出井眼。
該行業(yè)顯然需要一種應(yīng)對(duì)鉆井作業(yè)鉆遇壓力枯竭地層的新方法，最初的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種合成的反相乳液體系，通過(guò)有效增大鉆井壓力窗口來(lái)持續(xù)加固井筒，換句話(huà)說(shuō)，建造一種增強(qiáng)的泥餅，一種能從根本上增大破裂壓力的泥餅。最終，研發(fā)出一種合成基的鉆井液添加劑的共混液，它能增強(qiáng)并加固鉆井期間即將著床于井壁的泥餅，隨著開(kāi)發(fā)液的使用，因鉆井液侵入地層導(dǎo)致裂縫擴(kuò)散或傳播的壓力可能會(huì)增大，不需要額外的固體顆?；騻鹘y(tǒng)堵漏材料， 井壁就能不斷得到加固，安全的鉆井壓力窗口就能得到增大。
增強(qiáng)泥餅強(qiáng)度與彈性
隨著該項(xiàng)目與相應(yīng)添加劑包研發(fā)的開(kāi)展，人們發(fā)現(xiàn)需要一種潛在的瞬間即能產(chǎn)生作用的處治方法。一種能使泥餅強(qiáng)度增強(qiáng)的方法應(yīng)該是最佳的應(yīng)對(duì)方法，借助相應(yīng)添加劑包研發(fā)的智能泥餅必須能快速地著床在井壁表面，需比傳統(tǒng)的合成鉆井液形成的泥餅要更加堅(jiān)固，如果泥餅背后井壁表面的巖石出現(xiàn)開(kāi)裂的情況， 智能泥餅還需更具彈性。為了達(dá)到這一特性，整個(gè)泥漿必須快速地去液態(tài)化， 從而封堵住地層，隔離并阻止泥漿侵入地層，這種現(xiàn)象也可被認(rèn)為是一種相對(duì)壓平或完全隔離濾出液進(jìn)入地層的高初始噴射濾失現(xiàn)象。為了找到與基線(xiàn)相比較的添加劑濃度，經(jīng)過(guò)大量嘗試，為這一特性最初篩選出各種不同1.68g/cm 3 的候選液，作為簡(jiǎn)化的合成流體。
審查篩選
在最初范圍的尋找和篩選中，我們配制出了新的實(shí)驗(yàn)室鉆井液，并在滾筒爐中進(jìn)行了 65℃的老化處理，下面從各種配方中挑選一個(gè)樣本簡(jiǎn)要介紹一下探索過(guò)程；當(dāng)然，我們關(guān)注的是對(duì)鉆井液流變學(xué)的影響，不過(guò)，這并不是我們主要的篩選工具，我們使用一種標(biāo)準(zhǔn)滲透率堵漏檢測(cè)儀，針對(duì)此次取樣，試驗(yàn)過(guò)程中溫度加熱至 121℃時(shí)施加了一個(gè)表壓為 17.2MPa 的壓差，并讓靜態(tài)泥餅著床在一個(gè)介質(zhì)盤(pán)上，同時(shí)監(jiān)測(cè)濾液收集，記錄濾液體積，觀察初始濾失量，此外，收集一小時(shí)的濾液總量。通常試驗(yàn)是通過(guò)一個(gè)鋁砂石或其它陶瓷來(lái)進(jìn)行的，選擇何種滲透率的石盤(pán)取決于實(shí)驗(yàn)者的要求。最初，我們采用了 40 微米的石盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)，但很快就變?yōu)橛?/span>實(shí)際砂巖地層中切割來(lái)石盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)，為了更能代表油田地下的巖石屬性，這些砂巖具有高、中、低不同的滲透率，圖 1 展示了這種噴射濾失及加固包和泥餅的封堵表現(xiàn)。基準(zhǔn)配方相當(dāng)于一種合成基鉆井液體系，這種鉆井液體系含有一些添加劑，它能起到增壓和壓平鉆井液、使其緊貼井壁、去除流變學(xué)的作用。如以上所述，其主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是獨(dú)特的失水特性及后續(xù)泥餅的增強(qiáng)特性，由于密度范圍約為1.44g~1.92g/cm 3 之間，大多數(shù)配方都配成了 1.68g/cm 3 的密度，合成水比在 75/25 和 80/20 之間，加入一些組分后水相會(huì)增加；為了使其余的配方與基準(zhǔn)相同，真正觀察到泥餅加固劑的效果，沒(méi)有對(duì)合成水比進(jìn)行調(diào)整。
地層壓裂試驗(yàn)
除了配方篩選外，還對(duì)不同形狀的各種砂巖巖心進(jìn)行了壓裂試驗(yàn)，最初的目標(biāo)是驗(yàn)證概念，在常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行了壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)了未加權(quán)的基準(zhǔn)配方和一種早期版本的提高井筒強(qiáng)度的加固包，所謂“未加權(quán)”是指所有數(shù)據(jù)的重要性一律平等對(duì)待，以確定加固包確實(shí)能提高裂縫延伸壓力和破裂壓力；這些設(shè)備能夠模擬上覆壓力，以及在矩形砂巖上模擬最大和最小水平圍壓應(yīng)力，或在圓柱形砂巖上模擬水平圍壓應(yīng)力。
這些實(shí)驗(yàn)是在室溫下做的，準(zhǔn)備好壓裂液樣品，將其注入進(jìn)一個(gè)預(yù)飽和的巖心中，所有的實(shí)驗(yàn)巖心都被飽和浸透， 但未施加孔隙壓力，為了方便起見(jiàn)，一般用水來(lái)使巖心飽和浸透，隨著巖心樣品在模擬井下壓力的作用下，接著，以一個(gè)恒定的流速將候選的壓裂液泵入巖心井筒中，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)包括井筒壓力在內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在概念實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證中，采用強(qiáng)化井筒的加固包，以更高的壓力將加固液壓入巖心樣品，從而使破裂壓力得到大的提高。根據(jù)井筒壓力導(dǎo)數(shù)變化的計(jì)算，裂縫起裂壓力與基線(xiàn)相似，因此，增強(qiáng)的添加劑包確實(shí)能夠加固井筒，而不需使用傳統(tǒng)的顆粒堵漏材料。
模擬裂縫口增大
另一個(gè)主要的開(kāi)發(fā)工具是一種定制的高壓裂縫測(cè)試儀，這種設(shè)備能模擬一個(gè)固定寬度或開(kāi)口變大的裂縫，圖 2 給出了這種設(shè)備的原理圖；整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，為了保持連續(xù)性，采用了定制的固定滲透率的鋁硅石盤(pán)片，制備好候選的配方制劑，然后，注入進(jìn)測(cè)試器具；在裝置內(nèi)部，兩個(gè)鋁硅石盤(pán)，一個(gè)帶有一個(gè)井筒孔，在承壓下產(chǎn)生一個(gè)閉合的裂縫，然后，樣本制劑以恒定的流量被注入進(jìn)井筒孔，同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井筒壓力、圍壓，以及它們之間的壓差。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)閉石盤(pán)的壓力被緩慢去除，于是裂縫寬度或模擬的裂縫口慢慢地張開(kāi)，通過(guò)使用該設(shè)備的線(xiàn)性垂直位置傳感器，記錄下由傳感器測(cè)量的因井筒壓力損失導(dǎo)致泥餅失效或強(qiáng)度不足所致的裂縫寬度，并與改進(jìn)后的井筒加固包的效果相比較，更為成功的井筒加固包能夠封堵較大寬度（以微米測(cè)量）的裂縫，裂縫寬度可以是從完全閉合或零微米開(kāi)始張開(kāi)、逐漸增大、直至出現(xiàn)漏失時(shí)的裂縫寬度；隨著開(kāi)發(fā)工作的繼續(xù)，成功的加固包被重新試驗(yàn)，借助滲透率封堵儀測(cè)試液體流失，并檢查流變學(xué)性能。
大塊砂巖壓裂
我 們 在 壓 裂 方 面 所 做 的 工 作確實(shí)找到了將大塊砂巖樣本移動(dòng)所需 的 條 件， 幸 運(yùn) 的 是， 斯 倫 貝 謝旗下的 M-I SWACO 公司有機(jī)會(huì)在 TerraTek 服務(wù)公司授權(quán)使用這種試驗(yàn)設(shè)備，他們?cè)谝慌_(tái)大型壓裂試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，所用的樣本石盤(pán)和巖心非常接近真實(shí)的巖石特性，大部分開(kāi)發(fā)工作都是在TerraTek 服務(wù)公司完成的，場(chǎng)地試驗(yàn)為項(xiàng)目的技術(shù)研發(fā)提供了最佳條件，在休斯頓配制好基準(zhǔn)配方和以基準(zhǔn)配方開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)井筒強(qiáng)度的加固包（配方 B），并將這些制劑運(yùn)抵 TerraTek 公司的試驗(yàn)場(chǎng)地，在那兒對(duì)制劑再進(jìn)行均勻調(diào)制和檢查，以確保制劑的基本屬性，例如流變學(xué)性能。大塊砂巖樣本的制備是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程，包括：對(duì)巖石塊進(jìn)行飽和處理、在試驗(yàn)孔中鑲嵌一個(gè)模擬襯砌并將其固定好，以及將砂巖塊體裝入應(yīng)力試驗(yàn)架中，砂巖樣本的測(cè)量尺寸為 27.25″ ×27.25″ ×32”，模擬井眼的孔徑為 1”，一旦做完這些工作就可將砂巖塊放置在試驗(yàn)架中， 安裝液壓千斤頂和試驗(yàn)艙蓋，接著，對(duì)砂巖樣本施加適當(dāng)?shù)纳细?/span>壓力，以模擬井下地層的壓力條件；為了獲得實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中井眼兩側(cè)壓裂模擬可能存在的應(yīng)力差，以 1.5:1的比例施加最大和最小水平圍壓應(yīng)力，兩次試驗(yàn)每次均以 5 毫升 / 分鐘的恒定流速注入液體，下面對(duì)場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果做一下闡述。
性能表現(xiàn)
在 TerraTek 公司對(duì)大塊砂巖所做的場(chǎng)地壓裂試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)有趣，通過(guò)所觀察到的更高的破裂壓力，不僅證實(shí)并確定了井筒加固包，而且，還證實(shí)了斯倫貝謝古爾德研究中心 John Cook 提出的持續(xù)井筒加固的壓裂模型，該模型能計(jì)算模擬的裂縫開(kāi)口，通過(guò)計(jì)算出的泥餅背后較大的裂縫寬度和長(zhǎng)度來(lái)看，裂縫模型計(jì)算驗(yàn)證了加固效果，見(jiàn)圖 3。場(chǎng)地試驗(yàn)的另一個(gè)效果是自治愈性觀察，泥餅失效被認(rèn)為始于一種針狀孔，針狀孔一旦張開(kāi)，就會(huì)使整個(gè)鉆井液進(jìn)入裂縫，并使裂縫延伸擴(kuò)散。如下圖場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果所 示， 井 筒 加 固 劑 不 僅 能 使 砂 巖的 破 裂 壓 力 提 高 近 600psi（4.14MPa），壓力對(duì)時(shí)間的曲線(xiàn)中較大的鋸齒形突顯了加固后的泥餅不僅具有再封堵能力，還能使井筒承壓能力再提高 600~700psi（4.14~4.8MPa）。
另 外， 試 驗(yàn) 還 顯 示， 通 過(guò) 地層損害、滲透率恢復(fù)試驗(yàn)證實(shí)，地層的封堵效果還得到了增強(qiáng)；滲透率恢復(fù)不僅提高了 6~7%，更重要的是，流動(dòng)初始?jí)毫档土艘粋€(gè)數(shù)量 級(jí)， 從 25psi（0.17MPa） 降 至2psi（0.014MPa）。
力枯竭的地層提高 0.5 磅 / 桶，這一技術(shù)還能在一種情況下使用，當(dāng)遭遇井漏時(shí)，只需通過(guò)降低泵速?gòu)亩?/span>降低井下壓力和當(dāng)量循環(huán)密度 ECD的方法，鉆井作業(yè)可以繼續(xù)進(jìn)行，不需要上提鉆具，向壓力枯竭的漏層泵入大顆粒堵漏材料。
加固能力
圖 4 是兩個(gè)大塊砂巖樣本的場(chǎng)地試驗(yàn)，它們都是以側(cè)面剖心進(jìn)行分析的，砂巖樣本沒(méi)有被水平圍壓完全壓裂。通過(guò)提高破裂壓力近 4.14MPa，井筒強(qiáng)度得到了提高，場(chǎng)地試驗(yàn)獲得了成功。隨著井下溫度的升高，這種強(qiáng)度提高的潛力甚至?xí)螅?/span>這種方法可以使鉆井壓力窗口在壓。
自治愈泥餅
下面給出兩塊巖心基準(zhǔn)配方和B 配方試驗(yàn)解析的 CT 掃描圖像，結(jié)果表明，泥餅在破裂時(shí)所具有的自我愈合能力，盡管樣本液與水平圍壓已建立起液流連通，但泥餅仍能重新愈合封住漏層，允許泥餅后面的裂縫在繼續(xù)傳播，注意配方 B試驗(yàn)的巖心裂縫是如何通過(guò)砂巖樣本繼續(xù)傳播的見(jiàn)圖 5。
未來(lái)的開(kāi)發(fā)工作包括繼續(xù)采用
井筒加固包處理現(xiàn)場(chǎng)鉆井液，雖然這方面的工作已經(jīng)開(kāi)始，但還需優(yōu)化，以往所做的大量開(kāi)發(fā)工作是在清潔的實(shí)驗(yàn)室建造的樣本上進(jìn)行的；另外，還需對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行大量研究，場(chǎng)地試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了概念的正確性，但試驗(yàn)必須在環(huán)境溫度下進(jìn)行；另外，用高壓裂縫測(cè)試儀測(cè)試裂縫開(kāi)口增大的試驗(yàn)要在常溫下進(jìn)行；未來(lái)的工作還包括改進(jìn)設(shè)備，使其能在高溫下進(jìn)行試驗(yàn)，初步跡象表明，隨著溫度效應(yīng)的顯現(xiàn)，試驗(yàn)效果將會(huì)得到改善。
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