CN116451612B - 一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法 - Google Patents

一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，包括：依据目标区封堵层参数建立目标区裂缝封堵层物理模型；对裂缝封堵层物理模型施加压力，分别获取正压差与负压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力；以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，优选长效稳定堵漏材料。本发明将离散密集颗粒物质体系接触能量耗散与深层裂缝性地层堵漏材料选择结合，充分考虑深层裂缝性地层特点，形成适用于深层封堵层双向长期承压稳定性的堵漏材料选择方法；以接触力分布F90处的能量耗散率为优选指标，可以有效优选堵漏材料。

Description

一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法
技术领域
本发明涉及石油钻井材料优选技术领域，尤其涉及一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法。
背景技术
深层油气资源是我国当前及今后油气增储上产的最重要领域之一，钻井是建立地面与油气藏连通通道的唯一途径，深部地层裂缝发育，钻井过程中井漏频发。井漏控制一直是石油工程界努力解决而又尚未较好解决的重大工程难题。究其原因，其中堵漏机理不清是其关键挑战。采用物理颗粒封堵裂缝形成封堵层是深层裂缝性地层常用的堵漏方法，封堵层形成后受到井筒压力、缝内压力、裂缝闭合应力、封堵层-裂缝面摩擦应力等共同作用。深层裂缝性储层频繁的井筒压力波动、较大的压力波动幅度、长钻开周期等工程地质条件对封堵层承压的长效稳定提出了更高的要求。堵漏现场实践中遇到的重复漏失、封堵反复失效与封堵层长效稳定紧密相关，如何有效提高封堵层长效稳定成为深层裂缝性储层堵漏所面临的难题。
当前堵漏材料选择主要参照行业标准SY/T 5840-2007(钻井液用桥接堵漏材料室内实验方法)，是通过在钻井液中加入堵漏材料配成堵漏浆，选择裂缝型裂缝模块，均匀向实验容器加压，以封堵层最大承压能力为评价指标。但当前堵漏材料选择方法未考虑深层裂缝性地层长效稳定堵漏机理，导致优选评价的堵漏材料对于深层的适应性不强，现场试验效果差异性较大。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法解决当前堵漏材料选择方法未考虑深层裂缝性地层长效稳定堵漏机理，导致优选评价的堵漏材料对于深层的适应性不强，现场试验效果差异性较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括：
依据目标区封堵层参数建立目标区裂缝封堵层物理模型；
对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，分别获取正压差与负压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力；
以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，优选长效稳定堵漏材料。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：所述目标区封堵层参数包括，封堵层长度、高度、宽度、孔隙度、颗粒架桥方式。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：所述的裂缝封堵层物理模型的长度和高度等于漏失地层裂缝的长度和高度确定；
宽度为漏失地层裂缝的宽度；
孔隙度为通过提取裂缝封堵模拟实验中封堵层，采用图像分析法获取；
架桥方式通过对裂缝封堵模拟实验中封堵层进行固化处理和切片制备，沿裂缝宽度方向封堵层剖面中颗粒的接触关系确定。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，包括，对封堵层在裂缝闭合方向施加法相载荷直至设定压力。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，还包括，
对封堵层施加正向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
对封堵层施加反向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：所述对封堵层在裂缝闭合方向施加法相载荷直至设定压力根据实际地层漏失裂缝角度、地应力分布、地层压力确定。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：正压差与负压差根据研究区目的层实际钻井过程井筒压力和地层压力的差值确定。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：所述最终时刻t1依据研究区目的层裸眼井段钻井的周期确定。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：所述确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力，为累计频率为90％处的接触力F90。
作为本发明所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的一种优选方案，其中：以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，包括，
计算封堵层正向和反向承压过程能量耗散率edr，表示为：
其中，R为颗粒直径，m；E为颗粒弹性模量，MPa；ν为颗粒泊松比；F为颗粒间的接触力，N。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明将离散密集颗粒物质体系接触能量耗散这一前沿理论与深层裂缝性地层堵漏材料选择这一工程难题结合起来，理论基础可靠；充分考虑深层裂缝性地层频繁的井筒压力波动频率、长钻开周期的特点，形成适用于深层封堵层双向长期承压稳定性的堵漏材料选择方法，适用性强；以接触力分布F90处的能量耗散率为优选指标，可以有效优选堵漏材料，可操作性强；具有良好的可重复性，操作简便，经济成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的整体流程示意图；
图2为本发明一个实施例所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的中堵漏材料1正向承压过程初始时刻和最终时刻封堵层累计分布曲线图；
图3为本发明一个实施例所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法的中堵漏材料1和堵漏材料2形成的封堵层正向和反向承压过程能量耗散率图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，包括：
S1：依据目标区封堵层参数建立目标区裂缝封堵层物理模型；
更进一步的，目标区封堵层参数包括，封堵层长度、高度、宽度、孔隙度、颗粒架桥方式。
更进一步的，的裂缝封堵层物理模型的长度和高度等于漏失地层裂缝的长度和高度确定；
宽度为漏失地层裂缝的宽度；应说明的是，漏失地层裂缝的宽度可以由研究区成功堵漏的堵漏浆配方粒度分布D90确定。
孔隙度为通过提取裂缝封堵模拟实验中封堵层，采用图像分析法获取；
架桥方式通过对裂缝封堵模拟实验中封堵层进行固化处理和切片制备，沿裂缝宽度方向封堵层剖面中颗粒的接触关系确定。
S2：对裂缝封堵层物理模型施加压力，分别获取正压差与负压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
更进一步的，对裂缝封堵层物理模型施加压力，包括，对封堵层在裂缝闭合方向施加法相载荷直至设定压力。
更进一步的，对裂缝封堵层物理模型施加压力，还包括，
对封堵层施加正向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
对封堵层施加反向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布。
更进一步的，对封堵层在裂缝闭合方向施加法相载荷直至设定压力根据实际地层漏失裂缝角度、地应力分布、地层压力确定。
更进一步的，正压差与负压差根据研究区目的层实际钻井过程井筒压力和地层压力的差值确定。
更进一步的，最终时刻t1依据研究区目的层裸眼井段钻井的周期确定。
S3：确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力；
应说明的是，接触力分布可通过离散元模拟、光弹实验、萤光共聚焦显微实验、压痕实验、数字图像实验等方法获取。
更进一步的，确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力，为累计频率为90％处的接触力F90。
应说明的是，优选累计频率为90％处的接触力F90其优势在于可以有效优选堵漏材料，以及对于毫米级宽度的裂缝，当堵漏配方粒度分布累计频率90％处的颗粒直径等于裂缝宽度时，裂缝封堵效果最好，90的物理含义为涵盖了颗粒体系中的绝大多颗粒。
S4：以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，优选长效稳定堵漏材料。
更进一步的，以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，包括，
计算封堵层正向和反向承压过程能量耗散率edr，表示为：
其中，R为颗粒直径，m；E为颗粒弹性模量，MPa；ν为颗粒泊松比；F为颗粒间的接触力，N。
应说明的是，将离散密集颗粒物质体系接触能量耗散与堵漏材料结合，通过上述公式，深层裂缝性储层堵漏封堵层是由离散堵漏材料相互作用组成的密集颗粒材料体系。与单一固体、液体材料相比，密集离散材料体系表现出极强的非连续性和接触能量耗散性。传统固体力学和流体力学理论不恰当平均化处理，难以有效解释离散材料复杂的宏观力学性质，本发明通过引入密集离散材料体系能量耗散理论研究堵漏材料封堵层长效承压稳定性。
实施例2
参照表1，图2-3，为本发明的一个实施例，提供了一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，为了验证其有益效果，结合实际对结果进行对比验证。
以中国塔里木盆地库车山前某深层裂缝性地层为例，选择堵漏现场常用的两种刚性堵漏，分别记为堵漏材料1、堵漏材料2。
具体的：
步骤1：由成像测井确定研究区裂缝封堵层物理模型的长度和高度分别为100mm、50mm，通过分析研究区成功堵漏的堵漏浆配方粒度分布D90计算出研究区裂缝封堵层物理模型的宽度为3mm，结合图像分析法和裂缝封堵模拟实验中封堵层获取的裂缝封堵层的孔隙度为10％，通过对裂缝封堵模拟实验中封堵层进行固化处理和切片制备，观察沿裂缝宽度方向封堵层剖面中颗粒的接触关系确定裂缝尖端颗粒架桥方式为单粒架桥。
步骤2：通过对研究区地层漏失裂缝角度、地应力分布、地层压力数据分析可得，施加在裂缝封堵层上的裂缝闭合压力为30MPa。对上述中的封堵层在裂缝闭合方向施加30MPa的法相载荷。
步骤3：根据研究区目的层实际钻井过程井筒压力和地层压力的压差，确定钻井过程作用在封堵层上的最大正向剪切压力为10MPa。根据研究区目的层裸眼井段钻井的周期，确定最终时刻t1为240小时。对步骤1中的封堵层施加10MPa正向剪切载荷，继续延长稳压时间240小时，采用裂缝封堵层表征离散元模拟方法，分别获取正压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布，卸载。
步骤4：根据研究区目的层实际钻井过程井筒压力和地层压力的压差，确定钻井过程作用在封堵层上的最大反向剪切压力为8MPa。重复步骤2，对步骤2中的封堵层施加反向剪切载荷到8MPa，继续延长稳压时间到240小时，基于裂缝封堵层表征离散元模拟，分别获取反向压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布，卸载。
步骤5：根据步骤3、4确定的封堵层中接触力分布数据，计算接触力累计分布，确定t0和t1时刻封堵层累计分布曲线累计频率为90％处的接触力F90，如图2所示。
步骤6：分别计算封堵层正向和反向承压过程能量耗散率edr，如图3。由附图3可知，堵漏材料1正向和反向承压过程能量耗散率分别为17.5％和31.2％，堵漏材料2正向和反向承压过程能量耗散率分别为50.1％和76.4％，分别取较大值31.2％和76.4％为封堵层长效稳定评价指标。由优选结果可得，堵漏材料1具有更加优异的长效稳定性。
步骤7：分别利用堵漏材料1和堵漏材料2为主要架桥材料的堵漏配方开展现场试验，现场结果表明堵漏材料2形成的配方堵漏施工过程中发生了反复失效，在后续钻井过程中发生了重复性漏失。堵漏材料2形成的配方堵漏实验过程中，随着挤入漏失通道堵漏浆不断增加，试验井监测到套压先小幅度波动上升再持续升高，最大承压达到12.0MPa。堵漏施工后，正常排量循环不漏，满足现场后续完井施工要求。
由此可得本发明的评价方法引入离散密集颗粒物质体系接触能量耗散理论，充分考虑深层裂缝性地层频繁的井筒压力波动频率、长钻开周期的特点，并以接触力分布F90处的能量耗散率为优选指标，评价结果可信度高，评价方法可操作性强，与传统方法对比具体可见表1：
表1比对结果
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，包括：
依据目标区封堵层参数建立目标区裂缝封堵层物理模型；
对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，分别获取正压差与负压差条件下封堵层初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力；
所述确定初始时刻t0和最终时刻t1封堵层累计分布曲线上一个累计频率处的接触力，为累计频率为90％处的接触力F90；
以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，优选长效稳定堵漏材料；
以正向和反向承压过程封堵层能量耗散率的较大值为优选指标，包括，
计算封堵层正向和反向承压过程能量耗散率edr，表示为：
其中，R为颗粒直径，m；E为颗粒弹性模量，MPa；ν为颗粒泊松比；F为颗粒间的接触力，N。
2.如权利要求1所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，所述目标区封堵层参数包括，封堵层长度、高度、宽度、孔隙度、颗粒架桥方式。
3.如权利要求2所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，所述的裂缝封堵层物理模型的长度和高度等于漏失地层裂缝的长度和高度；
宽度为漏失地层裂缝的宽度；
孔隙度为通过提取裂缝封堵模拟实验中封堵层，采用图像分析法获取；
架桥方式通过对裂缝封堵模拟实验中封堵层进行固化处理和切片制备，沿裂缝宽度方向封堵层剖面中颗粒的接触关系确定。
4.如权利要求2或3所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，包括，对封堵层在裂缝闭合方向施加法向载荷直至设定压力。
5.如权利要求4所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，对所述裂缝封堵层物理模型施加压力，还包括，
对封堵层施加正向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布；
对封堵层施加反向剪切载荷到设定压力，继续延长稳压时间，直至获取初始时刻t0和最终时刻t1的接触力分布。
6.如权利要求5所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，对封堵层在裂缝闭合方向施加法向载荷直至设定压力，其中，所述设定压力通过实际地层漏失裂缝角度、地应力分布和地层压力确定。
7.如权利要求6所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，正压差与负压差根据研究区目的层实际钻井过程井筒压力和地层压力的差值确定。
8.如权利要求7所述的深层裂缝性地层钻井完井堵漏材料选择方法，其特征在于，所述最终时刻t1依据研究区目的层裸眼井段钻井的周期确定。
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复杂漏失地层堵漏技术现状及发展方向;王中华;;中外能源(第01期);全文 *
深层裂缝性储层物理类堵漏材料定量评价优选方法;许成元等;《天然气工业》;第41卷(第12期);全文 *
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