0 引言

目前，国内钻井防漏堵漏技术发展迅速，不断研究开发出新技术和堵漏材料。但是由于堵漏试验仪器及评价方法不符合漏失地层真实情况，不能准确评价堵漏剂封堵效果，导致堵漏材料室内评价效果与现场差别大，井漏问题仍然十分突出。

20世纪60年代，国外研制了API堵漏仪来评价堵漏材料封堵效果^[1]。由于API堵漏仪只能做常温及静态下的堵漏试验，美国桑迪拉实验室^[2]研制出了可在高温下模拟裂缝动态漏失的试验设备；针对渗透性漏失，USA EDTI公司^[3]研制了能够模拟孔隙型漏失的沙床试验仪。国内最早由探矿工艺研究所^[4]设计了与API静态堵漏仪结构相似的DS-2堵漏试验装置，随后，国内许多油田和研究单位研制了多种形式的堵漏试验装置^[5-11]。

堵漏试验装置应用于现场的较少且效果不好，主要原因在于装置模拟条件与现场漏失情况存在很大差异。本文总结了国内外现有的堵漏试验装置，发现其主要存在以下问题：①动态堵漏试验装置模拟工作液流动方式与井下工作液实际流动方式不一致；②使用金属模块模拟漏失层，与漏失层岩石物性相差较大；③装置功能单一，不能模拟井下温度及压力；④不能进行封堵后承压能力测试；⑤与现场实际情况结合不强，结构复杂，误差较大。

为解决现有堵漏试验装置存在的问题，真实模拟井下堵漏工作液所处环境及井筒动态漏失情况，准确评价堵漏材料封堵效果，笔者从动态漏失模拟方式及漏失地层岩性等方面深入研究，研制出一套科学的能够模拟环空流动状态的堵漏试验装置。

1 动态漏失模拟方式研究

堵漏试验装置模拟动态漏失的方式可以分为3种：①利用缝板窄槽流动来实现动态模拟；②室内建立环空形状使用泵循环实现动态模拟；③使用搅拌器搅拌实现动态模拟。

1.1 缝板窄槽流动

缝板窄槽流动模拟环空流动原理是：假设同心环空中的流速关于环空中心线对称分布，即最大的流线在中心线上，且环空内、外壁面切应力相等。该模型存在误差，下面以牛顿流体同心环空轴向层流剪切应力为例，分析窄槽流动模型的误差情况。计算公式如下：

(1)

式中：v₀为实际流动模型计算的平均流速，m/s；v_c为窄槽流动模型计算的平均流速，m/s；Δv为窄槽流动模型计算的相对误差；R_i、R_o分别为环空内、外半径，m；Δp为环空压力损失，MPa；μ为流体黏度，mPa·s；L为环空长度，m。

根据公式(1)推导计算得：

(2)

式中：ξ为环空内、外半径比，ξ=R_i/R_o。

窄槽流动模型相对误差与环空内、外半径之比关系曲线如图 1所示。

两模型的计算误差随着环空内、外半径比的增大而不断减小，当ξ>0.2时，窄槽流动模型计算的环空平均流速误差不超过4%，该流动模型可以满足钻井工程精度要求。但是在实际的随钻防漏堵漏或是某些堵漏施工中，堵漏工作液在环空除了轴向流动外，还有周向的旋转流动，而使用缝板窄槽模拟只能模拟环空轴向流动状态，没有模拟周向旋转流动情况，因此对于模拟随钻防漏堵漏施工过程，缝板窄槽流动模拟不合适。

1.2 室内建立井筒环空

室内建立井筒环空来模拟流动的堵漏试验装置不多，如美国桑迪拉实验室研制的桥堵材料缝隙封堵能力仿真试验装置。胡三清^[12]研制的JZ-1型动态堵漏试验仪只能模拟两种流速。这类试验装置有3个缺点：①达不到现场井筒环空流动的剪切速率，只能简单模拟几种低速流动；②试验装置庞大，所需要的试验工作液量大，如桑迪拉实验室研制的动态堵漏装置所需要的试验工作液为API试验装置的76倍；③只能模拟环空轴向流动，并不能模拟随钻堵漏时钻柱旋转造成的周向流动。

为了在室内模拟堵漏工作液对漏失地层的循环剪切，使其与真实漏失地层的剪切速率相同。所需泵的排量计算公式为：

(3)

式中：Q_n为室内堵漏模拟系统泵排量，m³/h；D₀为模拟系统井筒直径，m；d₀为模拟系统钻柱直径，m；n为流性指数，无量纲；n₀为室内条件下相同堵漏工作液的流性指数，无量纲；v为环空平均流速，m/s；D_n为室内模拟环空水力直径，m；D_hy为环空水力直径，m。

将v=1 m/s、n=0.59代入式(3)，计算出来的泵排量以及有关数据见表 1。

由表 1可以看出：在相同环空平均流速下，随着环空水力直径的增大，模拟的井筒环空剪切速率减小，且泵排量增加；当井筒环空剪切速率达到184.96~369.92 s^-1时，所需要的泵排量为54.26~18.09 m³/h，泵排量较大且室内试验装置不易实现，因此该方法不适合模拟现场随钻漏失情况。

1.3 螺旋叶片旋转

国内很多堵漏试验装置采用带有桨叶的搅拌器来模拟动态漏失，虽然该种试验装置能够模拟某种动态情况，但是没有严格的计算及设计，不能说明其动态形式与井筒环空流动动态相似。

本文考虑随钻堵漏过程中工作液在环空循环对漏失地层井壁有着剪切作用，把对壁面的剪切速率相同作为流动相似准则^[13]。堵漏工作液在环空中既有轴向流动，也有随着钻柱旋转的周向流动。设计的螺旋搅拌器如图 2所示。旋转能够提供轴向剪切及周向剪切，并且通过剪切速率相似原理，计算试验筒内工作液流动状态。

正常钻进时，环空钻井液流动状态为螺旋形，其运动形式可分为周向和纵向运动。运动方程为：

(4)

对于周向剪切速率γ_X，可以利用流体力学中旋转流场来分析求解^[14]。

(5)

对于轴向剪切速率γ_Z，通过环空流动分析，建立相应的数学模型，推导可得：

(6)

式中：R₁为搅拌器内半径(内圆柱半径R₀与螺旋片宽度K之和)，m；R₂为外筒半径，m；Ω为内筒旋转角速度，且Ω=2πN，rad/s；N为转速，r/s；S为螺距，S=2πR₀tanθ；θ为螺纹与水平方向夹角，(°)；为工作液动塑比，Pa/(mPa·s)。

将优选的装置参数R₀=48 mm、θ=20°、R₁=100 mm、R₂=120 mm代入式(4)~式(6)，计算出不同转速、不同钻井液动塑比条件下的井壁综合剪切速率，结果如表 2所示。表 2中λ₁~λ₉表示钻井液动塑比，依次取值0.1、0.2、……、0.9 Pa/(mPa·s)。由表 2可以看出，随着转速的增加，工作液对壁面的综合剪切速率增加，并且壁面剪切速率受到工作液性能的影响较大。在同一转速下，随着工作液的动塑比增加，对壁面的剪切速率增大，流速就相对越慢，这与钻井液环空水力学相符合，比如钻井液在环空中流动时，环空中间的钻井液流速最大，剪切速率为0；钻杆和井壁处流速为0，剪切速率最大。

2 漏失模块设计研究

多数漏失试验仪器使用的是金属模块模拟漏失层，与漏失层岩石性质、孔隙度大小、连通性及漏失通道大小等有很大差别。本文设计了人造岩石裂缝漏失模块与填砂式孔隙漏失模块，可以模拟地层物性，能更加准确地评价堵漏剂的现场应用效果。

2.1 裂缝漏失模块设计

人造岩石裂缝模块采用分体设计，同时裂缝面可以设计一定的表面粗糙度，不同厚度的裂缝夹片可以形成不同尺寸的裂缝，试验后可以取出观察堵漏工作液在裂缝中的封堵情况。裂缝夹片装置和人造裂缝岩心分别如图 3和图 4所示。为了弥补API裂缝模块过薄，堵漏工作液在其中难以形成封堵层的缺陷，设计时增加了裂缝宽度以及裂缝深度。

2.2 孔隙漏失模块设计

孔隙漏失模块如图 5所示。该模块是可以装载砂粒的金属筒，根据不同漏失速率的孔隙性漏失地层，可以填充不同粒径配比的砂粒来模拟其相应的渗透率。该金属筒采取分体设计，试验结束后也可以取出整体砂柱进行观察，可以直接观察堵漏工作液进入封堵情况。

3 堵漏试验装置设计 3.1 结构

根据本文设计原理，设计出模拟环空流动状态的堵漏试验装置，其结构示意图如图 6所示。

3.2 工作原理

试验前，按照需要模拟的裂缝宽度及深度，选择相应的人造岩心夹入相应厚度及长度的金属片，安装好后放入岩心夹持器，采用旋转螺杆夹紧岩心，使用加压泵增加围压，确保岩心密封。将配置好的堵漏工作液装入储存装置中，利用压力泵将堵漏工作液压入动态模拟筒中，控制加温系统加热到预定温度，设定无级变速电动机转速，打开气源和增压装置，调节压力阀，达到试验压力，通过观察计量装置中的漏失液，即能评价堵漏工作液的堵漏效果。试验完成后，取出岩心夹持器，拿出人造裂缝岩心观察堵漏材料在裂缝中的封堵情况。

4 应用实例对比

为了对比试验效果，利用本文设计的漏失试验装置与API堵漏仪进行渗透性和裂缝性漏失试验。

4.1 渗透性漏失试验

新装置砂筒配置不同粒径砂粒，使其与API滚珠漏床渗透率相近。试验工作液为堵漏剂YB-1。试验中发现，试验装置不同，结果差异很大，动态漏失装置中，当压力高于2.6 MPa时，工作液全部漏失。因为API静态堵漏仪为静态，工作液静止时形成的结构强度能承受一定压力，但是当工作液剪切流动时，其结构强度较低，封堵效果较差。

4.2 裂缝性漏失试验

使用堵漏剂YB-1为工作液在两种漏失装置中进行裂缝性漏失试验，试验结果见表 3和表 4。从表 3和表 4可以看出，工作液在动态堵漏装置中的实现封堵时间较长，但全部实现封堵，而在API堵漏仪中宽度为3和5 mm的裂缝没有实现封堵，因为YB-1堵漏剂在受到剪切作用时，其分子结构能更好地展开，形成一定强度的空间网状结构。

两种装置试验结果相差较大，API堵漏试验仪为静态评价方法，不能准确反映井筒工作液的真实状况，而堵漏试验装置可以模拟地层压力、温度和钻井液在井筒中的螺旋运动状态等条件，因此能够准确评价堵漏材料的适用性和封堵效果，优选出适合现场的堵漏剂和防漏堵漏钻井液。

5 结论

(1) 分析了3种动态漏失模拟方式，其中缝板窄槽流动只能模拟环空轴向剪切，不能模拟周向剪切；室内建立井筒环空要达到现场环空流动剪切速率184.96~369.92 s^-1，所需泵排量为54.26~18.09 m³/h，不适合室内试验装置。

(2) 把对井壁剪切速率作为流动相似准则，通过环空水力学建模并且优化计算装置参数，设计出剪切速率达到100~1 000 s^-1且能够真实模拟环空流动状态的螺旋搅拌装置，该螺旋叶片既能产生周向剪切，又能产生轴向剪切。

(3) 模拟地层岩性，设计了人造裂缝岩心和砂筒漏失模块，改变金属夹片厚度可以模拟不同裂缝宽度，不同砂粒配比模拟不同渗透性漏失，且两者均采用分体式设计，试验完成后可以观察堵漏剂封堵情况。

(4) 设计的堵漏试验装置能够模拟地层温度、压力和井筒环空流动状态，与API堵漏试验仪对比试验结果表明，堵漏试验装置能够准确评价堵漏材料的适用性和封堵效果，是开展防漏堵漏钻井液研究的新装置和新方法。