CN111060401B - 一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油钻井材料技术领域，尤其是一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，本发明选用光弹材料模拟刚性堵漏材料，获取堵漏材料封堵层加载过程中的光弹图像和载荷曲线，以封堵层结构稳定性为判定依据选择堵漏材料。本方法以“结构与性能的关系”与颗粒物质力学理论为依据，可靠性强；可实时观察封堵层承压过程中内部受力分布与演化，揭示封堵层失稳机理，进而有针对性优选堵漏材料；本方法提供了一种基于封堵层细观结构表征的堵漏材料选择方法，为深层漏失性地层堵漏材料选择提供新思路；具有良好的可重复性，操作简便，经济成本低。

Description

一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法
技术领域
本发明属于石油钻井材料技术领域，特别涉及一种基于光弹实验法的裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法。
背景技术
裂缝性油气藏分布广泛，资源量巨大，在世界油气勘探开发中占有极其重要的地位。发育的裂缝为裂缝性油气藏提供主要的渗流通道，但裂缝的存在会导致工作液的漏失。工作液漏失是最严重的储层损害方式，更是长期影响安全高效钻井的复杂工程问题之一。随着勘探开发走向深部，高温、高压、高地应力等储层条件，进一步增加了工作液漏失控制难度，有效控制工作液漏失更显得尤为重要。
国内外研究学者对漏失控制机理开展了大量的研究。目前，裂缝性地层工作液漏失控制主要方法包括调控井周应力、封堵漏失通道和提高岩体强度，其核心是形成高质量的封堵层。对于裂缝性储层而言，采用可溶颗粒材料体系封堵裂缝形成封堵层是最常用的漏失控制方法。其中，封堵层的承压能力不仅与封堵材料本身的组成成分有关，还和堵漏材料的大小、形状、组合方式、流体润滑等因素有关，如康毅力等在《刚性堵漏材料几何形态对其在裂缝中滞留行为的影响》一文中指出了，刚性堵漏材料的形状是堵漏材料在裂缝中滞留的影响因素之一，同时也是影响封堵层强度的因素之一。但当前堵漏材料的选择多依据室内的试错法，其内在的理论依据的研究仍有待深入，堵漏材料的选择方法尚不明确。裂缝封堵层在高温、高压、高地应力环境下的结构稳定性，是决定裂缝漏失性储层漏失控制效果的关键因素，大多数的封堵失效和重复漏失都与封堵层结构失稳有关。封堵层结构分析及性能调控已成为防漏堵漏理论与技术发展的重要方向，急需形成堵漏材料选择的新方法。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，用于优选出堵漏材料具有最佳承压能力的大小和形状等与堵漏材料组分无关的其他因素。
本发明提出的基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，具体步骤如下：
(1)选用光弹材料模拟刚性堵漏材料，并制备成与刚性堵漏材料相同的尺寸；
(2)确定光弹实验用堵漏材料的形状、粒度分布、加量、类型和排列方式，开展一定加载方式下的光弹实验；
(3)记录光弹图像，并监测光弹实验加载过程中施加载荷与时间关系曲线；
(4)根据步骤(3)中的载荷与时间关系曲线获取堵漏材料封堵层的承压能力，根据承压能力大小选择堵漏材料；
上述的基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，所述的光弹实验用材料的粒度分布、材料类型与比例关系根据深层漏失性地层常用堵漏材料的粒度分布、材料加量、材料类型情况确定，光弹材料的粒度分布、材料加量与堵漏配方中刚性堵漏材料的粒度分布和加量相同，光弹实验用其他类型材料与堵漏配方中其他类型堵漏材料相同；
上述的基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，所述的光弹实验的加载方式根据深层漏失性地层的受力失稳方式确定，从当前已有文献可知，封堵层剪切失稳和摩擦失稳是封堵层结构失稳的两种基本形式，以剪切失稳为主的地层裂缝，对模拟封堵层施加垂向载荷，水平方向的剪载荷，模拟封堵层剪切失稳过程。摩擦失稳也可以看成剪切失稳的一种情况，通过将剪切块高度调为最大，其余加载方式和剪切失稳的加载方式相同，即为摩擦失稳时的加载方式。
上述的基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，所述的光弹实验用材料的排列方式根据目标裂缝的典型封堵层结构确定，可以根据室内封堵模拟实验与离散元颗粒流模拟来确定目标裂缝的典型封堵层结构。具体的，当确定了目标裂缝的典型封堵层结构后，按照该封堵层结构对光弹实验材料进行排列即可。
本发明一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法的有益效果是：
(1)本发明可通过光弹实验优选出堵漏材料的最佳大小、形状、组合方式和流体润滑，同时相对于试错法数天到数十天的实验时间，本发明实验时间短，操作方便；
(2)可实时观察封堵层承压过程中内部受力分布与演化，揭示封堵层失稳机理，进而有针对性优选堵漏材料。
(3)具有良好的可重复性，操作简便，经济成本低。
附图说明
图1为基于光弹实验法的封堵层加载曲线；
图2为模拟堵漏材料1形成的封堵层施加剪切作用前光弹图像；
图3为模拟堵漏材料1形成的封堵层施加剪切作用下的光弹图像；
图4为模拟堵漏材料1形成的封堵层剪切破坏后光弹图像；
图5为堵漏材料1形貌图；
图6为堵漏材料2形貌图；
图7为堵漏材料1、堵漏材料2类型材料形成的堵漏配方承压能力测试曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述。实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。
光弹性描述了光弹性材料在机械形变下的光学性质变化，能够很好的测量光弹性材料的应力分布。本发明通过光弹材料来模拟刚性堵漏材料，是考虑到两者在机械压力下，其应力分布较为一致，通过研究光弹性材料在不同的大小、形状、组合方式和流体润滑条件下其内应力的分布和承压能力，能够得出刚性堵漏材料最优的大小、形状、组合方式和流体润滑等因素，为裂缝堵漏材料的优选提供一种方法。下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
为验证本发明的可靠性，以塔里木盆地库车山前某油气区为例，该区储层段高角度裂缝发育，漏失问题突出。现场多用碳酸钙颗粒为堵漏材料，由于现场用碳酸钙颗颗粒生产厂家众多，其形状各异，难以选择。选用聚碳酸酯为实验材料，其具有光学灵敏度和透明度都较高、室温下蠕变小等优势。将聚碳酸酯光弹材料制成两种形状，其圆度分别为0.75、0.90。分别记为模拟堵漏材料1、模拟堵漏材料2，由于光弹实验中光弹材料粒径过小会影响观察效果，制取的两种光弹材料平均半径均为10mm，记为模拟堵漏材料1和模拟堵漏材料2。具体操作步骤如下：
(1)根据室内封堵模拟实验与离散元颗粒流模拟实验，典型封堵层结构材料的排列方式主要包括随机排列、三角排列、正方形排列等。本实例中选用随机排列方式，施加载荷为剪切载荷；
(2)记录光弹图像，并监测光弹实验加载过程中施加载荷与时间关系曲线，该曲线见附图1。由附图1可知，堵漏材料1的承压能力为0.24MPa，堵漏材料2的承压能力大于0.45MPa，表明堵漏材料2形成的封堵层具有更好的承压能力。
如图2所示，堵漏材料1承压剪切作用前，仅有沿水平方向的少数力链传递着最大的载荷。随着水平载荷的不断增大，沿水平方向的力链条数越来越多(图3)。水平载荷增大为0.24MPa时，封堵层发生第一次破坏，整个颗粒体系力链的亮度降低，局部力链出现了断裂(图4)，说明该封堵层被破坏。
(3)根据步骤(2)中的载荷与时间关系曲线获取模拟堵漏材料封堵层的承压能力，根据承压能力大小选择模拟堵漏材料，根据上述实验结果以及附图1，说明了圆度为0.90的堵漏材料在相同条件下，其承压能力优于圆度为0.75的堵漏材料。
(4)为了进一步的验证本实施例筛选出的堵漏材料确实为优选材料，对两种类型(圆度分别为0.75、0.90)的碳酸钙颗粒堵漏材料进行封堵承压能力实验，2中堵漏材料的形貌如图5、图6所示，其中，图5是圆度为0.90的碳酸钙颗粒的形貌图，图6是圆度为0.75的碳酸钙颗粒的形貌图，最终的封堵承压实验结果如图7所示，优选出的堵漏材料即圆度为0.9的碳酸钙颗粒的承压能力达到了20MPa以上，而圆度为0.75的碳酸钙颗粒的承压能力为5.0MPa，符合本发明的实验结果，证明了本方法的可靠性。
以上实施例仅是本发明的其中一个实施例，还可以通过调整堵漏材料和其余辅助材料的组合方式来对堵漏材料的组合方式，还可以通过调整流体的润滑条件来确定优选堵漏材料的最佳润滑方式。因此，以上实施例仅是对本发明的说明，并不能作为对本发明的限制，本领域技术人员在未改变本发明的实质特征的情况下，仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选用光弹材料模拟刚性堵漏材料；
(2)确定光弹实验用堵漏材料的形状、粒度分布、加量、类型和排列方式，开展一定加载方式下的光弹实验；
(3)记录光弹图像，并监测光弹实验加载过程中施加载荷与时间关系曲线；
(4)根据步骤(3)中的载荷与时间关系曲线获取堵漏材料封堵层的承压能力，根据承压能力大小选择堵漏材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，其特征在于：所述的光弹实验用材料的粒度分布、材料类型与比例关系根据深层漏失性地层常用堵漏材料的粒度分布、材料加量、材料类型情况确定。
3.根据权利要求1所述的一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，其特征在于：所述的光弹实验的加载方式根据漏失地层的受力失稳方式确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于光弹实验法的裂缝性地层堵漏材料选择方法，其特征在于：所述的光弹实验用材料的排列方式按照裂缝的典型封堵层结构进行排列。
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