井筒强化理论之应力笼理论及技术

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目前，井壁加固理论主要有三种，分别是BP的应力笼（stress cage）理论、埃克森美孚的裂缝闭合应力（fracture closure stress）理论、及康菲和壳牌的裂缝传播阻力（fracture propagation resistance）理论。前两种都是试图通过封堵井周裂缝增加井周应力，从而提高井壁承压能力；最后一种是通过在裂缝内形成滤饼隔离裂缝尖端和井筒压力，增加裂缝扩展阻力。

Aston等人于2004年提出了“应力笼”这一概念,用以描述井眼强化这一概念。笔者认为要提高地层承压能力和有效封堵裂缝,可以允许井壁产生小裂缝,然后利用颗粒材料在裂缝开口处迅速形成桥塞使裂缝张开,形成桥塞,所形成的桥塞渗透率必须足够小以阻止压力向裂缝尖端传播,这种在井壁或井壁附近形成的桥塞能够增加井周剪切应力,即称之为“应力笼”效应,文章还指出形成应力笼需分成裂缝壁面渗透和裂缝壁面非渗透两种情况来考虑。

接着,建立了“应力笼”的物理模型'〕,描述了裂缝尺寸及裂缝形态对应力集程度的影响,基于水力理论,模型对英寸长的裂缝进行了有限元模拟,得到了封堵裂缝所必需的颗粒浓度,增加的当量裂缝强度等。但是,现实中能被颗粒材料封堵的稳定的微裂缝是不存在的,并且所提供的井眼强化数据在非渗透的井眼边界条件下仍然处于虎克应力范围内,因此只可能是特殊处理过的钻井液仅能满足非渗透边界条件,封堵孔喉,防止钻井液漏失进入地层,并且,模型建立的长为英寸的裂缝缺乏实验可靠的证据支持,因为裂缝产生后其长度能够轻易的超过英寸,使得这个物理模型解释应力笼概念或理论未被广泛接受。

应力笼理论被认为是向泥浆中添加颗粒材料来处理漏层,提高地层的裂缝压力梯度和提高井眼承压的理论基础。通过添加在泥浆中的颗粒材料,迅速的封堵和撑开井壁产生的微裂缝,提高井眼岩石的剪切应力。

Dupriest利用岩石力学机理,研究了颗粒材料提高裂缝闭合应力的预期效果,提出了使用的建议,介绍了使用效果,并讨论了使用颗粒材料提高裂缝闭合应力的关键技术和局限性'〕。作者指出,“破裂闭合应力”是通过压缩周围岩石扩展裂缝来增加的, 封闭的应力是由裂缝重新打开的压力决定的。如果裂缝重开的压力远远大于当量循环密度漏失是不会发生的,漏失是无法用简单堵塞阻止的,而有效的处理方式是同时隔离裂缝的尖端,并使裂缝达到足够的宽度。

应力笼理论中颗粒材料的尺寸分布与浓度是封堵裂缝的关键,在裂缝长度延伸到足够长时,必须确定裂缝的宽度分布,确等提出了一种计算裂缝初始长度的新方法,可以计算裂缝的长度和宽度,用以确定颗粒材料的尺寸分布研究表明,当垂直于井眼的地应力相差很大时,初始裂缝会短而窄,当井筒液柱压力高于地层破裂压力时,裂缝就会延伸变宽,使得钻井液和颗粒材料容易进入裂缝,进行有限封堵,而当两个方向的地应力接近时,采用桥塞封堵初始裂缝,运用应力笼理论提高地层的能力有限。当两个水平主应力接近时,一采用堵漏的方法会比建立应力笼方法有效。

Song提出通过强化井眼来达到预防堵漏的目的叩了,介绍了建立“应力笼”提高地层承压的关键问题如何选取合适的颗粒尺寸和操作的注意问题等。一等认为合适尺寸分布的颗粒材料可以防止泥浆漏失叫,包括两个连续的过程大颗粒防止泥浆中的小颗粒漏失泥浆的固相成分防止液相漏失,这样就能显著提高井眼的承压,防止诱导裂缝和裂缝传播。笔者考虑了裂缝的传播和钻井液经裂缝表面沿裂缝尖端漏失,分析了裂缝对颗粒材料的筛选作用,通过提高裂缝的拟断裂韧性因子二来表征提高的井眼承压,强度的增加值与裂缝的尺寸有关,由于堵漏材料的选择性封堵,井眼强度能够增加几兆帕,对于井眼强化来说意义重大。

Hong(Max)Wang等根据应力笼理论,通过数值方法分析计算了衰竭地层近井眼地层的应力分布,地层衰竭程度对地层的破裂压力,地层水力传导缝对井眼稳定性的影响,考察了利用堵漏的颗粒材料撑开裂缝来提高井眼强度的程度,研究结果表明井眼的强度可以提高到理想井眼承压的儿剪切应力以上。

应力笼方法被广泛用于渗透性地层如砂岩,而在泥页岩地层成功运用的实例少。Aston等采用固相颗粒和交联聚合物混合的处理体系,该体系在地层中容易形成具有压缩性,能够紧密粘附在页岩上,形成具有一定强度的封堵物质,将这种体系用于泥页岩地层井眼强化,观察到了井眼强化的证据。认为应力笼技术不能用于页岩地层的观点主要认为在非渗透页岩地层,在颗粒材料形成的桥塞后的被捕集的液体的压力难以得到释放,随着通过桥塞漏失的钻井液进入裂缝会使裂缝继续生长传播,或者在井筒液柱压力降低时被捕集的钻井液向井筒回流,将之前形成的桥塞清除,DuPriest.F等认为在页岩地层非渗透性很难建立井壁“应力笼”,而等建立的处理体系建立应力笼的关键便是通过聚合物交联使得建立的撑开封堵裂缝而形成应力笼的桥塞强度高,桥塞难以除去。

Hong(Max)Wang等在文献〕工作的基础上四,建立了有限元分析模型,进一步讨论了影响应力笼强度的各种因素,包括裂缝压力,裂缝宽度,裂缝长度,并眼半径,地层物性泊松比,杨氏模量和颗粒材料撑开裂缝的封堵位置等。

N.Kaageson_Loe等研究了形成应力笼的颗粒材料的选取原则,通过实验分别研究了受裂缝开度,颗粒形态,颗粒浓度和流体性质等影响的不同粒径组合的颗粒在裂缝入口处和裂缝内封堵情况。研究了通过支撑裂缝来达到强化井眼的目的。上述堵漏技术广泛的运用于随钻防漏堵漏和一般性漏失处理,取得了良好的效益。