新型固結(jié)堵漏漿研究及應(yīng)用
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李秀云1，國維玉1，祁尚義1，汪文英2，何海龍2，鄭晨宇3
（1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101;2．中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心，山東東營257000；3．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500）
摘要：裂縫性惡性漏失層漏失通道尺寸大，橋接堵漏及水泥和凝膠等堵漏成功率低。通過分析常用堵漏方法存在的不足，提出了新型固結(jié)堵漏漿的開發(fā)思路，確定了堵漏漿組分，通過室內(nèi)實驗，得出了各組分的合理加量，形成了新型固結(jié)堵漏漿。新型固結(jié)堵漏漿具有較好的流動性，便于泵送；具有較好的剪切稀釋性，便于在漏失通道內(nèi)滯留。新型固結(jié)堵漏漿形成的固化物抗壓強(qiáng)度隨溫度升高呈增加趨勢，在95℃下強(qiáng)度可達(dá)到18.9 MPa;具有微膨脹特點，有利于形成致密封堵層；韌性好，不易產(chǎn)生掉塊造成卡鉆等井下復(fù)雜問題，利于施工安全。新型固結(jié)堵漏漿對較大的裂縫性漏失層具有較好的封堵效果，能夠滿足壓差較大的漏失層的封堵要求。
關(guān)鍵詞：裂縫；固結(jié)堵漏漿；強(qiáng)度；膨脹；韌性
中圖分類號：TE142 文章編號：0253 - 4320( 2016) 06 - 0096 – 04 DOI:10. 16606/j, cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 023
井漏是鉆井過程中常見的復(fù)雜情況之一，其不僅耗費鉆井時間，損失泥漿，而且有可能引起卡鉆、井噴、井塌等一系列復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致井眼報廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隨著油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，鉆遇的地層日趨復(fù)雜，裂縫、溶洞等惡性漏失地層不再鮮見。目前，針對較小的滲透性、裂縫性漏失已具備了相應(yīng)的堵漏手段，堵漏成功率達(dá)90%以上。。但是對于大裂縫或大溶洞引起的井漏，堵漏成功率仍較低。目前，對于大裂縫造成的惡性漏失，常用水泥、凝膠等固結(jié)堵漏方法加以解決，水泥堵漏具有不易滯留和易收縮等缺點，堵漏成功率不高；凝膠堵漏強(qiáng)度低，不能滿足漏失壓差大的漏失層的封堵要求。針對固結(jié)類堵漏存在的缺點，開發(fā)了新型固結(jié)堵漏漿，該固結(jié)漿具有強(qiáng)度高、微膨脹、韌性好、不易產(chǎn)生掉塊等特點，可以滿足漏失壓差較高的漏失層的封堵要求。
1 新型固結(jié)堵漏漿室內(nèi)研究
1.1 固結(jié)堵漏漿組成
固結(jié)堵漏漿主要由基礎(chǔ)強(qiáng)度劑、膨脹分散劑、納米增強(qiáng)劑和增韌劑組成�；A(chǔ)強(qiáng)度劑為無機(jī)膠凝材料，主要是控制堵漏漿的強(qiáng)度，保證形成較高承壓能力的封堵層，隔斷井筒和漏失地層，防止鉆井液進(jìn)一步漏失；膨脹分散劑為有機(jī)無機(jī)混合物，主要作用是防止堵漏漿沉降形不成均勻的封堵層，同時保證形成的封堵層具有一定的膨脹量，完全充填在漏失通道內(nèi)，避免后期封堵層收縮漏失通道重新連通而造成堵漏失效；納米增強(qiáng)劑是提高堵漏漿固化后形成的封堵層的強(qiáng)度，如果封堵層強(qiáng)度不高，形成的封堵層承壓能力也就相對較低，對于承壓要求較高的漏失井，堵漏成功率就會降低；增韌劑是一種高強(qiáng)度、抗高溫纖維，可提高堵漏漿固化后形成的封堵層的韌性，封堵層在后續(xù)鉆井過程中與鉆具碰撞，如果韌度不好，就會掉塊，易引起井下復(fù)雜。
1.2固結(jié)堵漏漿配方
通過室內(nèi)實驗，對各組分的加量及對堵漏漿性能的影響進(jìn)行了研究，最后確定固結(jié)堵漏漿配方。
1.2.1 基礎(chǔ)強(qiáng)度劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對固結(jié)強(qiáng)度的影響
基礎(chǔ)強(qiáng)度劑用于控制固結(jié)漿固結(jié)后的基礎(chǔ)強(qiáng)度，其強(qiáng)度的高低對最終的封堵層強(qiáng)度影響最大，對于普通漏失層，承壓能力達(dá)到7MPa就能滿足堵漏要求�；A(chǔ)強(qiáng)度劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對固結(jié)強(qiáng)度的影響如表1所示。從表1可以看出，隨著基礎(chǔ)強(qiáng)度劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固結(jié)物強(qiáng)度也是呈增加趨勢，當(dāng)固結(jié)物強(qiáng)度劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到130%后，強(qiáng)度增加趨勢有所減緩。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和封堵強(qiáng)度，確定基礎(chǔ)強(qiáng)度劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為130%。
1.2.2膨脹分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對堵漏漿性能的影響
膨脹分散劑的作用有2個：一是防止堵漏漿在未固結(jié)前沉降；二是防止堵漏漿固結(jié)后體積收縮。在堵漏漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹分散劑，攪拌均勻，放入量筒中，靜止6h后，測上下層堵漏漿密度，研究膨脹分散劑對沉降穩(wěn)定性的影響；同時，將不同膨脹分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堵漏漿倒入模塊中，測量固結(jié)前后的體積，研究膨脹分散劑對體積收縮的影響。實驗結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，隨著膨脹分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固結(jié)漿沉降穩(wěn)定性變好，漿體更穩(wěn)定；固結(jié)物體積收縮率也呈減小趨勢，當(dāng)膨脹分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，固結(jié)物開始膨脹；固結(jié)物強(qiáng)度隨著膨脹分散劑的增加呈減小的趨勢，說明膨脹分散劑對固結(jié)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較大，有失穩(wěn)趨勢。
1.2.3 納米增強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對堵漏漿性能的影響
膨脹分散劑對固結(jié)漿結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，使得固結(jié)物強(qiáng)度降低，不能滿足漏失壓差較高的漏失層的堵漏要求。納米增強(qiáng)劑能夠嵌入固結(jié)物的微小孔隙中，彌補(bǔ)堵漏漿反應(yīng)后固結(jié)形成的小孔隙，提高固結(jié)物的強(qiáng)度。通過室內(nèi)實驗，研究了納米增強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對堵漏漿固結(jié)物強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，隨著納米增強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固結(jié)物的強(qiáng)度逐漸增加，黏度也逐漸增加。綜合考慮固結(jié)物強(qiáng)度對封堵效果的影響及堵
漏漿黏度對堵漏漿泵送的影響，最終確定納米增強(qiáng)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，可以滿足漏失壓差10 M Pa以上漏失層的封堵要求。
1.2.4增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對堵漏漿性能的影響
固結(jié)堵漏漿固結(jié)后，用壓力機(jī)測其強(qiáng)度性能，達(dá)到極限強(qiáng)度時，固結(jié)物會被破壞成碎塊，碎塊完全崩落，如圖1所示。堵漏施工時會有一部分固結(jié)漿附著在井壁上，在鉆具的連續(xù)碰撞下，固結(jié)物易被破壞成碎塊，較大的碎塊有可能引起卡鉆等復(fù)雜情況。
在固結(jié)堵漏漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增韌劑，測量堵漏漿流變性能及其固結(jié)物強(qiáng)度，實驗結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，隨著增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，堵漏漿的強(qiáng)度和黏度也相應(yīng)增加。考慮強(qiáng)度對堵漏效果的影響及黏度對泵送的影響，最終確定增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%，可以滿足漏失壓差15 M Pa的漏失層的封堵要求，也能達(dá)到現(xiàn)場泵送的要求。
1.2.5 固結(jié)堵漏漿配方
通過評價實驗及分析，最終確定了固結(jié)堵漏漿的配方為：水+ 130%基礎(chǔ)強(qiáng)度劑+5%膨脹分散劑+15%納米增強(qiáng)劑+1.5%增韌劑。
1.3 固結(jié)堵漏漿性能評價
1.3.1 流變性
利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測試了固結(jié)堵漏漿的流變性，測試結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，固結(jié)堵漏漿表觀黏度和塑性黏度較低，流變性好，具有較好的可泵性；同時，其初、終切差值大，終切值達(dá)到21 Pa，具有較好的剪切稀釋性，便于在漏失通道內(nèi)滯留。
1.3.2 固結(jié)物強(qiáng)度和韌性
將固結(jié)堵漏漿倒入方型養(yǎng)護(hù)模中，在50~100℃水浴中分別養(yǎng)護(hù)24 h，用強(qiáng)度測試儀對固結(jié)物強(qiáng)度進(jìn)行測試。當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限，固結(jié)物開始發(fā)生形變時，停止加壓，卸壓后重新加載，重復(fù)2次，觀察固結(jié)物的強(qiáng)度和韌性，部分實驗結(jié)果如表6和圖2所示。從表6中可以看出，隨著溫度的增加，堵漏漿固結(jié)后強(qiáng)度也呈增加趨勢，可以滿足漏失壓差6.6~ 18.9 M Pa間不同漏失層的封堵要求。同一固結(jié)物3次測試強(qiáng)度下降趨勢明顯。但從圖2可以看出，固結(jié)物受壓破壞后，沒有完全崩落，仍然連在一塊，說明增韌劑起到了一定的作用，與圖1中沒加增韌劑的固結(jié)物相比，可以有效防止固結(jié)物破壞后分散引起掉塊，避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生。
1.3.3 巖心承壓能力
取地層巖心壓制成裂縫，將堵漏漿填充到巖心裂縫中，放到80℃水浴中養(yǎng)護(hù)24 h，測巖心的承壓能力。巖心承壓前后照片如圖3所示，實驗結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，高強(qiáng)度堵漏漿對地層形成的裂縫有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，巖心的承壓能力與原始狀態(tài)接近，并且破碎的巖心都不是由裂縫處張開，而是整體破碎，說明有足夠高的承壓能力。
1.3.4鉆井液對固結(jié)漿性能的影響
將堵漏漿加入水基鉆井液，低速攪拌后測其流變性，在80℃水浴中養(yǎng)護(hù)24 h，測固結(jié)物的承壓強(qiáng)度，實驗結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，固結(jié)堵漏漿中混入鉆井液后，強(qiáng)度呈下降趨勢，混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鉆井液后，強(qiáng)度下降較多，但仍可以滿足漏失壓差6 M Pa以上漏失層的封堵要求；黏度也呈下降趨勢，有利于堵漏漿的泵送。
2現(xiàn)場應(yīng)用
固結(jié)堵漏技術(shù)在新疆、四川等地區(qū)的多口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，成功封堵住漏失層，滿足了后續(xù)鉆井施工的要求。以其中的ATX井為例，介紹固結(jié)堵漏技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況。
2.1 ATX井基本情況
ATX井鉆遇23 m二疊系地層(4 402～4 425 m)，巖性為火成巖，地層破碎，裂縫發(fā)育，地質(zhì)取心資料表明，裂縫最大可達(dá)3～5 mm。該井揭開二疊系地層就發(fā)生漏失，鉆井密度由1.33g/cm3降至1. 30 g/cm3，仍然存在漏失，整個二疊系地層鉆進(jìn)過程中漏失鉆井液55m3。根據(jù)鉆井設(shè)計要求，二疊系地層堵漏施工后，承壓要大于9 M Pa，30min壓降小于0.5 M Pa。
2.2堵漏施工過程
將光鉆桿下至二疊系地層頂部4 400 m處。水泥車依次注入2m3清水、25 m3固結(jié)堵漏漿．2 m3清水，隨后用泥漿泵替井漿37m3，使鉆桿內(nèi)外固結(jié)堵漏漿液面持平。上提鉆具至套管內(nèi)，關(guān)閉封井器，進(jìn)行憋擠作業(yè)，逐步提高憋擠壓力至11MPa，擠入固結(jié)堵漏漿15m3，之后關(guān)井候凝24h。
2.3施工效果
候凝結(jié)束后，立壓為8MPa，緩慢泄壓，開井，換鉆具掃塞至原井深，起鉆至套管內(nèi)，關(guān)井試壓。最高憋壓至9.5MPa，30min壓降至0.2 M Pa。達(dá)到了鉆井設(shè)計的指標(biāo)，滿足了后續(xù)鉆進(jìn)的要求。
3結(jié)論
(1)固結(jié)堵漏漿由基礎(chǔ)強(qiáng)度劑、膨脹分散劑、納米增強(qiáng)劑和增韌劑組成，基礎(chǔ)強(qiáng)度劑和納米增強(qiáng)劑用于控制固結(jié)物強(qiáng)度，膨脹分散劑用于控制固結(jié)物體積收縮，增韌劑用于控制固結(jié)物韌性，避免產(chǎn)生掉塊影響井下安全。
(2)固結(jié)堵漏漿強(qiáng)度高(95℃下強(qiáng)度可達(dá)到18.9 M Pa)，且隨著溫度的升高，強(qiáng)度也呈升高趨勢，可以封堵漏失壓差較大的漏失層；固結(jié)堵漏漿流動性較好（39 m Pa .s左右），且與鉆井液兼容性較好，堵漏漿中混入鉆井液后，黏度有下降趨勢，更利于泵送；固結(jié)堵漏漿固化后，具有微膨脹特點，有利于形成致密封堵層，保證堵漏效果；固結(jié)堵漏漿固化物韌性好，不易產(chǎn)生掉塊造成卡鉆等井下復(fù)雜，利于施工安全。
(3)固結(jié)堵漏漿對于裂縫性地層具有較好的封堵效果，但現(xiàn)場要用水泥車配制固結(jié)堵漏漿，需要進(jìn)一步攻關(guān)研究現(xiàn)場施工工藝簡單的固結(jié)堵漏材料，在保證堵漏效果的前提下，簡化施工工藝，節(jié)約施工成本。
