钻井液冷却对裂缝楔形封堵效应的影响研究

陈 军， 李 巍， 范万升， 黎泽寒， 张宗潭

(1中国石油塔里木油田分公司塔中油气开发部 2油气田应用化学四川省重点实验室 3中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 4中石油川庆钻探公司新疆分公司试修作业事业部)

目前对控制漏失的封堵理论从原有刚性封堵理论、柔性封堵理论以及减压封堵理论的基础上，新近发展出了以封堵微裂缝为对象的提高承压能力理论、模糊封堵理论，并出现了相应封堵材料和技术[1-2]。

这些理论对封堵材料和应用技术研究较多，但考虑钻井液冷却井壁或井壁温度变化对封堵效果的影响研究较少。本文根据封堵微裂缝的提高承压能力理论，分析了有效封堵裂缝产生楔形效应的过程，建立了考虑温度变化的井周应力数学模型，通过某井的实例计算，分析了温度变化对封堵效果的影响，为指导堵漏工艺提供了理论依据。

一、有效封堵产生楔形效应的过程

根据提高承压能力封堵理论，分析认为理想防漏堵漏过程中，堵漏材料在裂缝开口不远处形成缝内封堵，且封堵层是低渗透或零渗透的，则井筒压力和地层压力连通的通道被封堵层阻隔，封堵层不仅能够将井壁与地层连通的漏失通道全部封堵，还能够抵抗抽吸压力和激动压力的破坏，同时形成的封堵层不易受到温度变化、地层腐蚀、钻井、完井和酸化液的影响[1-13]。

从力学上分析，如果封堵层是不渗透的、不能移动的、具有足够承压强度的裂缝支撑体，那么封堵层在正压差条件下会对近井壁产生一个楔形效应，增加了井周应力(见图1)，该效应就是增加井筒压力完整性的原因。

图1 楔形效应增加井周应力示意图

在正压差条件下，封堵层会很好的“楔”入裂缝，形成“人造井壁”。但若存在高压差，可能诱导新的裂缝产生，新产生裂缝的方位可能与初始裂缝方位成15°夹角[9]。在二次裂缝形成过程中，堵漏材料形成封堵层抵抗裂缝闭合，再次楔形封堵。

二、考虑温度变化的井周应力数学模型

由于温度的影响，钻井液循环冷却对井筒井周应力改变较为明显，将导致井筒破裂压力、裂缝重启压力和裂缝延伸压力发生变化[8-13]，从而影响封堵效果。假定地层为均质各向同性的、多孔的热弹性介质，按照热传导理论和热弹性力学基本原理，可以得到由于温度变化而产生的井周应力。

井筒中，温度扩散方程如下：

(1)

式中：KT—导温系数，m2/h；t—时间，h；r—为径向坐标，m；T—温度，℃。

假设井壁表面被钻井液冷却到一个温度TW，利用边界条件求解式(1)得出：

(2)

式中：TW—井眼温度，℃；rw—为井眼半径，m。

利用边界条件积分，温度分布可用对数关系式表示如下：

T=TW-qTlnr/rw(r

T=0 (r≥rweTW/qT)

(3)

当井眼温度分布确定后，根据平面应变理论切向应力为：

(4)

式中：rD=r/rw；α—砂岩的热膨胀系数，1/℃；σθ—切向应力，MPa。

当地层温度高于钻井液温度，地层受钻井液冷却作用时，随着温差的增大，井壁所受井周应力也随之减小，井周应力和轴向应力由压应力变为张应力[3]，得出井壁表面热应力为：

(5)

ΔT=T-TW

在封堵裂缝过程中，裂缝在有限距离内闭合，会使井周应力得到持续增加。高的井周应力可使岩石增加抵抗张应力的破坏，根据此时裂缝开口处附近的井周应力[13]，得到考虑钻井液循环冷却对封堵裂缝产生的井周应力变化为：

(6)

式中：δH1—最大水平主应力；δH2—最小水平主应力；θ—最大水平主应力方位角，°；pp—孔隙压力，MPa；pw—井底压力，MPa；E—弹性模量；α—岩石热膨胀系数；υ—岩石的泊松比；ΔT—地层温度与钻井液温度差，℃。

由式(6)可见，封堵裂缝产生的井周应力除与钻井液温度直接有关外，还与地层参数(水平主应力、井眼半径、岩石弹性模量、岩石泊松比等)相关。

三、模型应用分析

取某井地层参数：最大水平主应力σH1为55 MPa，最小水平σH2为40 MPa，最大水平主应力方位角45°，岩石弹性模量7 517 MPa，碳酸盐岩的热膨胀系数为0.000 000 44/℃，地层温度为150℃，地层岩石的泊松比为0.225，井底压力为56 MPa，地层压力为49 MPa(当量密度为1.22 g/cm3)。

将参数代入式(6)，得出钻井液冷却对封堵裂缝产生的井周应力改变与井壁温度变化的关系，如图2所示。

图2 某井钻井液冷却对封堵裂缝产生井周应力的影响

由图2可以得出，封堵裂缝增加的井周应力随着井壁温差增大而减小。在实际封堵过程中，如果形成的封堵层渗透率较大，钻井液会持续渗透冷却裂缝和地层，并随着温差的增大，井壁的井周应力减小。如果井内钻井液液柱压力较大，这种因冷却作用产生的拉伸热应力会使井壁最小主应力降到低于井壁岩石的抗拉强度，抵消了裂缝楔形封堵增加的压应力，从而导致井壁拉伸破坏，导致再次漏失。反之，如果封堵层渗透率较低，甚至为零，没有持续的钻井液或滤液进入缝内和地层，则裂缝壁面温度不会持续降低，温度变化小，封堵后井壁增加的井周应力最大，封堵效果也就最好，这也是大多数井在使用常规桥浆堵漏不成功，最后使用水泥堵漏成功的可能原因之一。

现场施工过程中，如果一次堵漏成功率低，则多次堵漏后将会造成井壁温度显著下降，从而导致井周应力降低，破坏了井筒压力完整性；同时由于井壁岩石中各种矿物热胀冷缩性质不一致，冷却作用产生的拉伸热应力还会导致井壁产生微裂纹，从而导致破裂压力降低，更容易引起井漏。

四、结论

(1)理想封堵过程中，封堵材料能在裂缝中形成不渗透的、不能移动的、具有足够承压强度的封堵层，且该封堵层在正压差条件下会对近井壁产生一个楔形效应，增加井周应力，该效应就是增加井筒压力完整性的原因。

(2)通过建立考虑温度变化的井周应力数学模型分析表明，裂缝壁面受到钻井液的冷却作用时，井周应力降低，可能产生微裂缝，导致封堵效果变差。

(3)为提高堵漏成功率或封堵效果，应考虑钻井液冷却对裂缝楔形封堵效应的影响，建议使用非渗透处理剂或膨胀性、固化堵漏材料，使之形成不渗透封堵层，降低钻井液或滤液的冷却作用。