CN110147644B - 一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法 - Google Patents

一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，包括以下步骤：根据粒度大小将堵漏材料进行分级；根据裂缝宽度和粒度选择准则计算堵漏材料特征粒度值的期望范围；设定各级堵漏材料的相对百分含量；利用粒度分布函数拟合粒度分布曲线；再根据粒度分布曲线计算出堵漏材料的特征粒度值；判断计算出的特征粒度值是否符合所述步骤S20中计算出的特征粒度值的期望范围；最后生成符合粒度选择准则的堵漏材料粒度组成。本发明能够保证堵漏颗粒材料进入裂缝内形成稳定封堵隔层，且封堵隔层的致密性强，适用于裂缝性地层漏失的桥接堵漏技术，具有物理意义明确，便于工程化操作等特点。

Description

一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法
技术领域
本发明涉及一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，属于石油工程钻井领域。
背景技术
井漏是在钻井过程中常见的井下复杂问题之一。井漏的相关后果例如：损失昂贵的钻井液、非作业时间、井筒失稳，以及在某些情况下发生的井喷是比井漏本身更严重的事故。依据发生漏失地层的不同，一般把井漏分为渗透性漏失、裂缝性漏失和溶洞性漏失三类，其中裂缝性漏失最普遍、最难解决的漏失类型。裂缝性漏失不仅导致钻井液大量浪费，增加了钻井的成本，而且延长了油气井的建井周期，严重阻碍油气资源的勘探开发进程。
常用的堵漏方法主要可以分为桥接堵漏，水泥堵漏，化学凝胶类堵漏。其中，桥接堵漏由于其材料价格便宜，来源广，施工工艺简单而应用范围最为广泛。桥接堵漏工艺是将起架桥作用和起充填作用的材料混合入基浆中而形成堵漏浆，通过泥浆泵注入到漏层位置，并在压差的作用下进入漏层，若架桥颗粒材料与裂缝尺寸匹配，而在裂缝内“卡喉”，可变缝为孔，阻挡后续流入的架桥颗粒材料和充填材料，继而堆积形成堵塞段塞，阻止或减缓钻井液向地层深部的漏失。
桥接堵漏的核心是设计合理的堵漏材料粒度及其分布。国内外学者做了大量研究并提出了众多的堵漏颗粒材料的粒度设计理论和方法，常见的设计理论和方法有：三分之一架桥理论(Abrams，1977)，理想充填理论(Andreasen和Anderson，1930)，屏蔽暂堵(罗平亚，罗向东等，1992)，D90方法(Hands等，1998)，Vickers方法(Vickers等，2006)，D50方法(Whitfill等，2008)等。然而，现有的堵漏材料粒度设计准则在实际应用过程中，对裂缝性漏失的堵漏效果并不理想。究其原因，一方面，现有裂缝性漏失堵漏材料粒度分布设计方法大多直接套用了孔隙性漏失堵漏材料的粒度设计方法，对裂缝性漏失的适应性很差；另一方面，针对裂缝性漏失的堵漏材料粒度设计方法，都是建立在传统的短裂缝板实验基础之上的，且设计方法内涵差异巨大，最终导致裂缝性漏失的桥接堵漏效果不理想。
为了提高裂缝性漏失桥接堵漏作业科学性和成功率，便于裂缝性漏失的桥接堵漏材料配方的配制，亟需提出一种针对裂缝性漏失的桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，该方法能够保证堵漏颗粒材料进入裂缝内形成稳定封堵隔层，且封堵隔层的致密性强。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，包括以下步骤：
步骤S10、根据粒度大小将堵漏材料进行分级；
步骤S20、根据裂缝宽度和粒度选择准则计算堵漏材料特征粒度值的期望范围；所述粒度选择准则为：
Figure BDA0002091941440000021
D10＝0.1～0.2
Figure BDA0002091941440000022
式中：R为特征粒度缝宽比；Wi为裂缝宽度；S为粒度分布相对跨度；D10为堵漏材料累计分布曲线上10％对应的筛分粒径；D50为堵漏材料累计分布曲线上50％对应的筛分粒径；D90为堵漏材料累计分布曲线上90％对应的筛分粒径；
步骤S30、根据步骤S10中分级后的各级堵漏材料，设定各级堵漏材料的相对百分含量；ω1～ωn
步骤S40、利用粒度分布函数拟合粒度分布曲线；
步骤S50、再根据粒度分布曲线计算出堵漏材料的特征粒度值；
步骤S60、判断计算出的特征粒度值是否符合所述步骤S20中计算出的特征粒度值的期望范围，若符合则继续下一步；若不符合则重新设定堵漏材料中各个粒度大小的相对百分含量，并重复步骤S20～S60，直到符合；
步骤S70、最后生成符合粒度选择准则的堵漏材料粒度组成。
进一步的技术方案是，所述步骤S10中分级过程为：
当堵漏材料的粒度小于0.1，目数大于150时，分为A级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.1～0.2，目数为80～150时，分为B级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.2～0.45，目数为40～80时，分为C级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.45～0.9，目数为20～40时，分为D级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.9～1.4，目数为14～20时，分为E级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为1.4～1.6，目数为12～14时，分为F级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为1.6～2.0，目数为10～12时，分为G级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为2.0～2.5，目数为8～10时，分为H级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度大于2.5，目数小于8时，分为I级堵漏材料。
进一步的技术方案是，所述步骤S30中各级堵漏材料的相对百分含量之和为100。
本发明的有益效果：本发明能够保证堵漏颗粒材料进入裂缝内形成稳定封堵隔层，且封堵隔层的致密性强，适用于裂缝性地层漏失的桥接堵漏技术，具有物理意义明确，便于工程化操作等特点。
附图说明
图1是实施例1的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图2是实施例2的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图3是实施例3的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图4是实施例4的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图5是实施例5的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图6是实施例6的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图7是对比例1的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图8是对比例2的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图9是对比例3的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图10是对比例4的颗粒粒度组成分布及累计分布图；
图11是本发明的流程框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图11所示，本发明的一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，包括以下步骤：
步骤S10、采用方孔分样筛筛分粒径表示颗粒堵漏材料的粒度，将颗粒堵漏材料按照筛分粒度大小分级，如表1所示。
表1颗粒堵漏材料筛分粒度分级
Figure BDA0002091941440000051
步骤S20、根据裂缝宽度和粒度选择准则计算堵漏材料特征粒度值D10、D50、D90的期望范围；所述粒度选择准则为：
(1)
Figure BDA0002091941440000052
(2)D10＝0.1～0.2
(3)
Figure BDA0002091941440000053
式中：R为特征粒度缝宽比；Wi为裂缝宽度；S为粒度分布相对跨度；D10为堵漏材料累计分布曲线上10％对应的筛分粒径；D50为堵漏材料累计分布曲线上50％对应的筛分粒径；D90为堵漏材料累计分布曲线上90％对应的筛分粒径；
条件(1)表示堵漏材料中粒度较大的颗粒不能太多，以保证大多数堵漏材料能够顺利进入裂缝内部，避免堵漏颗粒材料在裂缝入口外封堵(常称为“封门”)，从而避免由于钻井液的冲刷及钻具的振动和碰撞对缝口外堵层的破坏而产生堵漏成功的假象；
条件(2)表示堵漏材料中必须含有足够数量粒径小于0.2mm的细颗粒，以保证裂缝内架桥后变缝为孔后的堵塞层的孔隙能够有足够的细颗粒充填。
条件(3)表示堵漏材料的粒度分布相对范围必须足够宽，以保证堵漏材料中的大小颗粒匹配合理，避免堵塞层的孔隙度过大，保证堵漏材料能够在缝内形成致密的封堵隔层，降低漏失液量，提高堵漏成功率。
步骤S30、根据步骤S10中分级后的各级堵漏材料，设定各级堵漏材料的相对百分含量ω1～ωn；其中ω1+ω2+ω3+Lωn＝100；
步骤S40、利用粒度分布函数拟合上述设定后各级堵漏材料的粒度分布曲线；
采用粒度分布函数拟合粒度组成累积分布曲线时，采用以下函数：
(1)Rosin-Rammler分布函数
Figure BDA0002091941440000061
(2)正态分布函数
Figure BDA0002091941440000062
(3)对数正态分布函数
Figure BDA0002091941440000063
式中：Dg为几何平均直径，σg为几何标准差。
步骤S50、再根据粒度分布曲线计算出堵漏材料的特征粒度值D10、D50、D90；
步骤S60、判断计算出的特征粒度值是否符合所述步骤S20中计算出的特征粒度值的期望范围，若符合则继续下一步；若不符合则重新设定堵漏材料中各个粒度大小的相对百分含量，并重复步骤S20～S60，直到符合；
步骤S70、最后生成符合粒度选择准则的堵漏材料粒度组成。
实施例1
获得裂缝宽度Wi＝3、Wo＝2；根据裂缝宽度和上述的粒度选择准则计算得到D10、D50、D90的期望范围；再以100重量份堵漏材料为基准，设定A～G级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F:G＝5:10:25:18:22:10:10，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S1，堵漏材料S1的粒度组成分布及累计分布图如图1所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.15、0.69、1.59，该三个值均为期望范围内。
以100重量份堵漏基浆为基准，取200重量份桥接堵漏材料，采用高温高压动静态堵漏仪测试其对裂缝的封堵效果，测试结果如表2所示。
实施例2
根据实施例1所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～H级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F:G:H＝5:5:33:20:13:6:10:8，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S2，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图2所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.2、0.53、1.89，该三个值均为期望范围内。
实施例3
根据实施例1所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～H级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F:G:H＝10:5:5:10:25:15:17:13，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S3，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图3所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.1、1.33、2.1，该三个值均为期望范围内。
实施例4
根据实施例1所述的测试方法，所不同的是裂缝宽度Wi＝2、Wo＝1，根据裂缝宽度和粒度选择准则计算得到D10、D50、D90的期望范围，按A～E级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E＝5:10:47:25:13，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S4，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图4所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.15、0.35、1，该三个值均为期望范围内。
实施例5
根据实施例4所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～E级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E＝5:5:20:40:30，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S5，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图5所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.2、0.62、1.22，该三个值均为期望范围内。
实施例6
根据实施例4所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～F级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F＝10:10:10:35:28:7，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料S6，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图6所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.1、0.70、1.36，该三个值均为期望范围内。
对比例1
根据实施例4所述的裂缝宽度、堵漏材料配制及测试方法，所不同的是，按A～E级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E＝10:20:20:40:10，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料D1，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图7所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.1、0.44、0.9，不在期望范围内。
对比例2
根据实施例4所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～F级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F＝10:10:10:10:53:7，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料D2，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图8所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.1、1.05、1.36，不在期望范围内。
对比例3
根据实施例4所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按B～E级颗粒材料的重量份配比关系B:C:D:E＝5:20:70:5，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料D3，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图9所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.3、0.59、1.36，不在期望范围内。
对比例4
根据实施例4所述的裂缝宽度及测试方法，所不同的是，按A～G级颗粒材料的重量份配比关系A:B:C:D:E:F:G＝10:10:10:15:20:10:15:10，取各粒级颗粒混合形成桥接堵漏材料D4，其颗粒粒度组成分布及累计分布图如图10所示。根据堵漏材料的累计分布曲线，利用粒度分布函数，得到堵漏材料的特征粒度值D10、D50及D90分别为0.1、1.06、2，不在期望范围内。
具体测试测试方法：
取200g配制好的堵漏材料，倒入2000mL基浆中配制成堵漏试验浆，搅拌10分钟后，将试验浆倒入堵漏仪罐体中，旋紧堵漏仪盖密封罐体，经过空压机加压，控制加压速度，每5分钟增加1MPa，增压至7MPa，继续稳压30分钟，期间观察并记录裂缝出口累计漏失液量。实验结束后，关闭空压机，泄压，拆开组合缝板观察堵漏材料对裂缝的堵塞深度，测量堵塞段长度。测试结果见表2。
表2
Figure BDA0002091941440000091
Figure BDA0002091941440000101
由上述实施例1-6和对比例1-4以及表2中数据可知：
按照本发明所述的裂缝性桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，设计的桥接堵漏材料S1-S6，能够顺利进入裂缝内部架桥并充填，漏失液量小，封堵桥塞隔层致密，对不同宽度裂缝的堵漏效果较好。
特别地，对开度为3mm的裂缝，只要堵漏材料特征粒度值D90小于2.1mm，就可以进入裂缝，有效避免堵漏材料对裂缝“封门”现象的发生；粒度分布相对跨度S均大于1.5，且随着跨度S的增大，堵漏过程的漏失液量明显降低。类似地，对于开口度为2mm的裂缝，只要堵漏材料粒度分布满足本发明所述设计方法规定的范围，堵漏材料材料即可在裂缝内形成稳定致密的堵塞隔层。
对于对比例1，桥接堵漏材料D1不能在实验裂缝内形成堵塞隔层，主要是因为该堵漏材料粒度分布特征粒度值D90过小，导致堵漏颗粒材料虽然能够进入裂缝，但是将会侵入很深，导致漏失较多的堵漏液量，实验裂缝长度范围内无法形成堵塞隔层。
对于对比例2，桥接堵漏材料D2的粒度分布特征粒度D90与裂缝宽度之比为0.68，满足小于0.71的条件，但是，粒度分布相对跨度值过小，仅为1.2。该堵漏材料虽然能够进入裂缝内架桥，但是由于堵漏材料配方中相对细小的颗粒材料含量较低，不能很好地起到充填的作用，造成堵漏过程中的漏失液量体积较大。
对于对比例3，堵漏材料D3可在裂缝内架桥堵塞，但堵漏过程中的漏失液量较大。这是因为堵漏材料D3的粒度分布特征粒度值D10大约0.2mm，堵漏材料配方中缺乏细小颗粒，不能在裂缝内较好地形成致密的封堵层。
对于对比例4，堵漏材料D4不能进入裂缝，而在裂缝入口外堆积，形成“封门”。这是因为粒度缝宽比过大(大于0.71)，不符合本发明所述的范围，堵漏材料中的大颗粒无法顺利进入裂缝内部。
因此，本发明的颗粒材料粒度分布设计方法适用于裂缝性漏失地层桥接堵漏过程，可以同时满足材料进入裂缝并在裂缝形成致密封堵层的要求。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、根据粒度大小将堵漏材料进行分级；
步骤S20、根据裂缝宽度和粒度选择准则计算堵漏材料特征粒度值的期望范围；所述粒度选择准则为：
Figure FDA0002227945270000011
D10＝0.1～0.2
Figure FDA0002227945270000012
式中：R为特征粒度缝宽比；Wi为裂缝宽度；S为粒度分布相对跨度；D10为堵漏材料累计分布曲线上10％对应的筛分粒径；D50为堵漏材料累计分布曲线上50％对应的筛分粒径；D90为堵漏材料累计分布曲线上90％对应的筛分粒径；
步骤S30、根据步骤S10中分级后的各级堵漏材料，设定各级堵漏材料的相对百分含量；
步骤S40、利用粒度分布函数拟合粒度分布曲线；
采用粒度分布函数拟合粒度组成累积分布曲线时，采用以下函数：
(1)Rosin-Rammler分布函数
Figure FDA0002227945270000013
(2)正态分布函数
Figure FDA0002227945270000014
(3)对数正态分布函数
Figure FDA0002227945270000021
式中：Dg为几何平均直径，σg为几何标准差；
步骤S50、再根据粒度分布曲线计算出堵漏材料的特征粒度值D10、D50、D90；
步骤S60、判断计算出的特征粒度值是否符合所述步骤S20中计算出的特征粒度值的期望范围，若符合则继续下一步；若不符合则重新设定堵漏材料中各个粒度大小的相对百分含量，并重复步骤S20～S60，直到符合；
步骤S70、最后生成符合粒度选择准则的堵漏材料粒度组成。
2.根据权利要求1所述的一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，其特征在于，所述步骤S10中分级过程为：
当堵漏材料的粒度小于0.1，目数大于150时，分为A级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.1～0.2，目数为80～150时，分为B级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.2～0.45，目数为40～80时，分为C级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.45～0.9，目数为20～40时，分为D级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为0.9～1.4，目数为14～20时，分为E级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为1.4～1.6，目数为12～14时，分为F级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为1.6～2.0，目数为10～12时，分为G级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度为2.0～2.5，目数为8～10时，分为H级堵漏材料；
当堵漏材料的粒度大于2.5，目数小于8时，分为I级堵漏材料。
3.根据权利要求1所述的一种裂缝性漏失桥接堵漏颗粒材料粒度分布的设计方法，其特征在于，所述步骤S30中各级堵漏材料的相对百分含量之和为100。
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