常用钻井堵漏材料形貌特征参数研究

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井漏是指在钻井作业过程中钻井液大量漏入
地层的现象，是在油田开发过程中发生的钻井工程事故。

裂缝既是油气主要渗流通道，也极易导致钻井液及完井液漏失。

井漏是最严重的储层损害方式之一，也是长期妨碍安全高效钻井的复杂工程问题之一[1，2]。

统计表明，超90%以上的井漏是裂缝性漏失。

目前，桥接堵漏是处理裂缝性地层漏失的主要手段，而井漏现场的堵漏一次成功率很低。

成功率低的关键原因之一是裂缝宽度与堵漏材料所能有效封堵的临界宽度不匹配所致。

对于裂缝性储层而言，采用颗粒材料体系形成裂缝封堵层是最为常用的漏失控制方法[3]。

形成裂缝封堵层的过程，一般认为是堵漏材料在裂缝中多次运移、滞留和渗滤充填，最终形成稳定的裂缝封堵层，以隔离缝内压力和井筒液柱压力，从而有效控制井筒工作液漏失[4，5]。

堵漏材料的特征参数是影响上述临界宽度的重要因素，因此，研究堵漏材料的特征参数对为封堵裂缝建立合理的堵漏材料粒径搭配方案至关重要，对提高堵漏成功率至关重要[6]。

堵漏材料的特征参数主要包括颗粒形貌、粒度分布、圆球度、摩擦系数、抗压强度、抗磨蚀能力、弹塑性力学参数等。

本文主要对堵漏材料关键几何参数进行了测试，为现场钻井过程中快速筛选出应对不同宽度漏失裂缝的堵漏材料提供可靠的数据和技术支持。

其中部分参数可以通过观察、扫描或简单的室内实验获取。

国内外对于颗粒特征参数标定方法的研究还较少，能参考的资料有限。

2019年，Amanullah等[7]指出，行业内尚缺乏堵漏材料颗粒特征参数表征的方法。

他指出EXPEC ARC仪器能快速测出各种形状颗粒的质量，并研制了一套简单的实验仪器，通过测量和绘制压力和位移的关系曲线，可测得凝胶剂堵漏材料的凝胶刚度模量和屈服应力。

邱正松团队
常用钻井堵漏材料形貌特征参数研究
张道明1 苗海龙1 赖辰熙2 马跃1 李司帅2 李秉燮2 冯永存21. 中海油田服务股份有限公司油田化学研究院 河北 三河 0652002. 中国石油大学（北京）石油工程学院 北京 昌平 102249
摘要：井漏是在油田开发过程中发生的钻井工程事故，是指钻井液大量漏入地层的现象。

钻井施工时常遇到不同程度的井漏，针对不同的漏失原因选择合适的堵漏材料是解决井漏复杂的关键。

本文通过对堵漏材料的形貌、粒度分布、长径比、摩擦系数以及抗压强度进行测量评价，为裂缝封堵设计出最优堵漏材料搭配方案，为现场钻井过程中快速筛选出应对不同宽度漏失裂缝的堵漏材料提供可靠的数据和技术支持。

实验结果表明堵漏过程中应加入多种几何状态的堵漏材料，同时加入蛭石和云母等可变形堵漏材料可进一步提高地层承压能力。

关键词：裂缝封堵 堵漏材料 特征参数
Ｚｈａｎｇ　Ｄａｏｍｉｎｇ１　Ｍｉａｏ　Ｈａｉｌｏｎｇ１　Ｌａｉ　Ｃｈｅｎｘｉ２　Ｍａ　Ｙｕｅ１　Ｌｉ　Ｓｉｓｈｕａｉ２　Ｌｉ　Ｂｉｎｇｘｉｅ２　Ｆｅｎｇ　Ｙｏｎｇｃｕｎ２
1. Oilfield Chemistry Research Institute ，China Oilfield Services Co.，Ltd.，Sanhe 065200
2. College of Petroleum Engineering ，China University of Petroleum （Beijing ），Beijing 102249
Abstract ：Well loss is a drilling engineering accident in the process of oilfield development ，which refers to the phenomenon that a large amount of drilling fluid leaks into the formation. Different degrees of leakage are often encountered in drilling operation. The key to solve the complex leakage problem is to select appropriate plugging materials according to different causes of leakage. In this paper ，the morphology ，particle size distribution ，aspect ratio ，friction coefficient and compressive strength of plugging materials were measured and evaluated ，so as to design the optimal plugging material collocation scheme for fracture sealing ，and provide reliable data and technical support for the rapid screening of plugging materials for different widths of leakage cracks in the field drilling process. The experimental results show that the pressure bearing capacity of formation can be further improved by adding plugging materials of various geometric states and deformable materials such as vermiculite and mica.
Keywords ：Fracture Plugging ；Lost Circulation Material ；Characteristic Parameter
基金资助：国家自然科学基金项目（52074312，52211530097）；中石油科技创新基金项目（2021DQ02-0505）
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在静态裂缝堵漏模拟装置的基础上，考虑了裂缝长度、裂缝动态宽度和闭合压力对堵漏效果的影响，但并没深入分析堵漏颗粒在裂缝动态变化过程中颗粒受力[8]。

上述研究发现堵漏材料特征参数对裂缝封堵效果有着重要的影响，在堵漏配方设计应用过程应充分考虑材料的特征参数的影响。

1 堵漏材料测试样品
裂缝封堵层由堵漏材料在裂缝中架桥堆积而形成，因此堵漏材料的几何参数影响着裂缝封堵层的架桥速度、架桥位置、结构致密性以及承压能力等，所以堵漏材料的几何参数是影响裂缝封堵层结构的关键因素之一。

本次研究主要针对以下几种油田常用的堵漏材料的部分参数进行了测试：3-200目果壳、3-200目云母、3-200目蛭石、锯末和棉籽壳。

2 堵漏材料形貌评价
采用颗粒图像处理仪对堵漏材料形貌进行评价，将待测堵漏材料平铺在硬纸板上，用高清相
机进行拍照，部分结果如图1所示。

图1 云母颗粒图像示意图
果壳作为刚性堵漏材料，在堵漏过程中起到主要的架桥作用。

锯末和棉籽壳属于纤维堵漏材料、长径比较大，在封堵过程中能穿插在主要架桥颗粒之间，云母和蛭石作为可变形的充填堵漏材料，能充填在堵漏材料的缝隙之间。

后面几种堵漏材料都能起到增强封堵层结构强度的作用。

不同几何形态的刚性堵漏材料在裂缝中滞留行为研究表明，相同粒径条件下，片状堵漏材料比圆球状堵漏材料更容易在裂缝内滞留，形成裂缝封堵层；圆球状堵漏材料的滞留行为受粒径影响较大，对于不同宽度的裂缝宽度需要搭配不同粒径的圆球状堵漏材料；而片状堵漏材料的滞留行为受粒径影响小，对裂缝宽度变化的适应性强，滞留概率高。

因此有必要在堵漏过程中加入多种几何状态的堵漏材料，以提高裂缝封堵层的承压能力。

3 堵漏材料粒度分布评价
在堵漏过程中，实现高效堵漏和安全高效钻井的前提是：所用堵漏材料的粒度分布与裂缝宽度互相匹配。

在选择堵漏材料时，应首先保证堵漏材料的粒度分布合理，粒度分布是固相颗粒类堵漏材料评价的重要指标之一。

因此有必要先对堵漏材料的粒度分布进行评价。

粒度评价测试方法：①筛析法。

筛析法主要通过使用多种特定目数的筛网，其目数从上层筛网到下层筛网目数逐渐增多。

倒入待测样品后，把筛网放在振动筛上，对其进行振动、筛析，振动一段时间后，依次称量每层筛网的样品质量，并计算出其所占百分比，就得到待测样品的粒度分布。

筛析法具有设备简单、原理简单、成本低、操作简便、结果直观等优点。

但筛网强度低，易磨损，会导致筛析法的测试精度不足。

②激光粒度分析仪法。

激光粒度分析仪的测试原理是小角度激光光散射法，由激光器发射出具有一定波长的激光，激光通过处理后变成平行光，进而照射在堵漏材料表面发生散射现象。

平行光在堵漏材料表面发生散射现象后，散射光的能量会发生变化，能量变化的幅度与堵漏材料粒径直接有关，接收并处理散射光的能量就可以测量堵漏材料的粒径分布。

综合上述两种方法对堵漏材料的粒度分布进行评价，部分测试结果见表1。

表1 堵漏材料几何性能参数
材料
目数/目D10D50D90果壳
10~20
830~8801180~14001400~170020~32600~646646~700646~70040~60
<250270~325325~380云母
3~201000~11801400~17001700~236020~50325~380425~500646~700蛭石
3~20
1400~17002360~33503350~475020~50250~355500~710710~118080~120
26206534锯末
仅一种粒径
<250
<250
380~425
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4 堵漏材料长径比（圆球度）评价裂缝封堵层的剪切强度会随着堵漏材料长径比的增大而加强，从而导致裂缝封堵层的承压能力就越高，因此很有必要对堵漏材料的长径比与圆球度进行评价。

本次评价用动态图像分析仪器，针对几种主要的堵漏材料的长径比与圆球度进行了测试。

测试结果见表2。

果壳的长径比约在1.4左右，蛭石的长径比约在2.5～4.1之间，云母的长径比在1.5～2.6之间。

果壳相对比较均匀，蛭石和云母的长径比差异较大。

因此，在堵漏过程中除主要的架桥颗粒外，还需适当加入蛭石和云母这类可变形堵漏材料，以提高裂缝封堵层的承压能力。

表2 堵漏材料长径比测试结果
材料 目数/目平均长径比平均圆球度果壳3~20 1.4040.883果壳16~30 1.4610.867蛭石3~20 2.5130.727蛭石20~50 4.1190.537云母3~20 2.6410.605云母20~50 1.5450.853云母
200
1.648
0.840
5 结束语
对堵漏材料的形貌、粒度分布、长径比进行
了测量评价，得到了不同材料的评价参数。

用颗粒图像处理仪对云母、果壳、蛭石等共计7种堵漏材料的形貌进行评价。

果壳主要呈颗粒状，为刚性堵漏材料，在堵漏中起架桥作用。

锯末和棉籽壳属于纤维状堵漏材料、长径比较大，在堵漏中能穿插在架桥颗粒间。

云母呈片状、蛭石主要呈颗粒状，为可变形材料，充填在堵漏材料间隙，起到增强封堵层结构强度的作用。

用筛析法和激光粒度分析法对不同粒径的云母、果壳、蛭石、锯末以及多种材料复配共计44种材料进行了评价。

在选择堵漏材料时，应首先保证堵漏材料的粒度分布合理，所用堵漏材料的粒度分布必须与裂缝宽度互相匹配。

选用丹东百特动态图像分析仪器对云母、果壳、蛭石等共计7种堵漏材料的长径比与圆球度进行测试评价。

果壳的长径比约在1.4左右，蛭石的长径比约在2.5～4.1之间，云母的长径比在1.5～2.6之间。

果壳相对比较均匀，蛭石和云母的长径比差异较大。

因此，在堵漏中除主要的架桥颗粒外，还需适当加入蛭石和云母这类可变形堵漏材
料，以提高裂缝封堵层的承压能力。

参考文献
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[8] Li J，Qiu Z，Zhong H，et al. Optimizing selection method of continuous particle size distribution for lost circulation by dynamic fracture width evaluation device[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2021，200： 108304.
作者简介
张道明，男，硕士，工程师，主要从事钻完井液智能化相关技术研究。

Email ： zhangdm18@。

通讯作者
冯永存，男，中国石油大学（北京）教授，博士生导师，主要从事石油工程岩石力学和井壁稳定性理论与技术研究。

Email ： *************.cn。

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