应力扰动地层裂缝开启和闭合机理研究

超过4000米的深部碳酸盐岩、致密砂岩地层中均不同程度发育裂缝，在裂缝性地层钻井中，当钻井液压力大于地层压力时，地层裂缝张开会导致钻井液大量漏失进入地层，钻井液漏失会严重影响安全、经济钻进，同时固、液相在产层中的滞留还会带来严重的储层损害问题。以前对钻井过程裂缝宽度的研究较多采用间接的方法、更多的依靠现场漏失现象和工作经验来进行判断，实验手段和基础理论有待加强。拟通过宏、微观结合对裂缝综合研究，在微观物理实验研究方面，拟通过加载岩石微观实验分析系统对增加和降低岩石内压、裂缝的开启和闭合规律进行直接观测,辅以测试高温高压裂缝导流能力；宏观上，在建立裂缝性地层力学模型基础上，对大尺度的地层裂缝施以正、负压差进行裂缝宽度变化计算机仿真模拟预测。在室内实验和计算机模拟的基础上建立应力扰动地层裂缝宽度变化流固耦合数学模型。研究结果可望为裂缝性地层防漏堵漏钻井液设计以及储层保护工作液设计提供依据。

井漏是裂缝性地层钻井过程中常见的工程问题之一，是影响安全高效钻井的重要因素。然而，导致漏失的根本原因在于应力扰动条件下的裂缝开启和闭合规律没有搞清楚，导致封堵材料尺寸设计的盲目性。在本课题的资助下，以川东北裂缝性地层为研究对象，从微观到宏观不从尺度及采用实验、数值模拟、建立数学模型相结合的手段系统研究了应力扰动条件下的裂缝开启和闭合规律。.首先，通过宏、微观相结合的实验方法对原地静态缝宽进行了综合评价，主要基于应力敏感和加载岩石微观实验分析实验来计算和直接观察不同有效应力条件下的静态缝宽大小，实验结果表明，川东北原地静态缝宽范围为1.03-32.1μm，平均7.84μm，该结果为裂缝宽度预测模型的建立奠定基础；其次，基于流-固耦合理论，考虑原地静态缝宽，采用有限元数值模拟方法建立流-固耦合有限元力学模型，分别模拟垂直裂缝在不同有效应力及不同滤失时间条件下的裂缝宽度变化规律，.实验结果表明，川东北实际钻井条件下（3.5-16MPa的正压差），1m长的裂缝缝宽范围为0.2-1.3mm，模拟结果揭示了应力扰动过程中缝宽变化特征；.另外，根据现场漏失资料及漏失原理，以静态缝宽计算模型为基础，对现有的漏失裂缝宽度预测模型进行了修正，建立了修正后漏失裂缝宽度预测数学模型，并根据现场漏失资料计算了漏失裂缝宽度范围，结果表明，漏失缝宽范围为1.92-2.66mm，大于模型计算结果，原因在于实际裂缝长度可能大于1m，修正后的裂缝宽度预测模型计算得到的缝宽更接近实际情况；.最后，在缝宽预测研究的基础上，基于漏失原理及缝宽预测模型研究成果，开发出了一套高温高压漏失动态评价仪，最高模拟温度可达200℃，最高模拟压力可达60MPa。该仪器可为原地温压条件静态裂缝宽度获取、漏失动态表征、钻井液承压能力确定提供实验条件，有效地支撑了课题研究相关基础参数获取工作。.通过本课题的研究，基本明确了应力扰动条件下的裂缝开启和闭合规律。研究结果可望为裂缝性地层防漏堵漏钻井液设计以及储层保护工作液设计提供依据。