唐孟龍,崔桂平,鄒柒庚
(1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一七隊(duì),湖南衡陽 421001;2.中石化中南四普鉆井公司,湖南長沙 410118)
河南桐柏吳城堿礦定向水平對(duì)接采鹵井堵漏工藝可行性分析
唐孟龍1,崔桂平1,鄒柒庚2
(1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一七隊(duì),湖南衡陽 421001;2.中石化中南四普鉆井公司,湖南長沙 410118)
河南桐柏吳城堿礦采鹵生產(chǎn)井堵漏問題一直困擾著該地區(qū)采鹵井鉆井速度,多年來未取得突破性進(jìn)展。經(jīng)過在SP08井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水泥注漿堵漏試驗(yàn),得出該地層漏失特性為遇水可溶的裂縫性漏失。根據(jù)這個(gè)特性,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn),從堵漏材料選擇、工藝兩方面較為系統(tǒng)地總結(jié)出該地區(qū)堵漏技術(shù),制定出以高失水材料為主,配合橋堵材料綜合技術(shù)措施及承壓工藝方法。為今后該礦區(qū)快速、高效堵漏提供了有效的技術(shù)支持。
遇水可溶裂縫性地層;漏失;飽和鹽水水泥漿;高失水;承壓堵漏
河南桐柏吳城堿礦是河南省一個(gè)中型堿礦,年產(chǎn)量達(dá)30萬t。近年來,隨著定向水平對(duì)接連通法采鹵工藝的發(fā)展,為確保定向水平井套管固井質(zhì)量和鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行,堵漏工作顯得十分重要。到目前為止,該地區(qū)還沒有成熟的堵漏技術(shù)工藝,尤其對(duì)遇水可溶裂縫性地層的漏失。用于該井型的堵漏時(shí)間一般在40天以上,由于所處區(qū)塊不同,一次性堵漏成功的井較少,大都不同程度地進(jìn)行了反復(fù)堵漏,有的井堵漏時(shí)間長達(dá)3個(gè)月,耗時(shí)長、費(fèi)用高、勞動(dòng)強(qiáng)度大,嚴(yán)重制約采鹵生產(chǎn)井的鉆井速度。因此,盡快尋找有效的堵漏配方和工藝顯得十分必要。
吳城盆地所處大地構(gòu)造位置為秦嶺—昆侖東西復(fù)雜構(gòu)造帶的檔段南亞帶,淮陽山字形構(gòu)造的西翼與新華夏系第二沉降帶的復(fù)合部位。盆地位于新華夏系第二沉降帶午陽—桐柏隆起區(qū)的南端,為一橢圓形閉合盆地。東西長23 km、南北寬14 km,長軸方向近東西略向東北方向偏轉(zhuǎn)。盆地內(nèi)均為新生界沉積,天然堿礦沉積于盆地中部稍偏北部位。礦區(qū)采鹵井鉆遇地層層序劃為:
(1)新生界第四系,厚約30 m,主要為褐黃色亞粘土,上部以粘土層為主,下部為粘土層夾河漫灘砂礫石層;
(2)上第三系陡坡組,厚約120 m,上部為黃、棕黃色砂礫巖、砂質(zhì)泥巖,下部為雜色礫巖、砂礫巖;
(3)下第三系大張莊組,厚約230 m,黃、灰綠色厚層粉砂質(zhì)泥巖,夾厚度≥0.5 m的劣質(zhì)油頁巖1~4層。
(4)下第三系五里堆組,上段厚約170 m,為灰色粉砂質(zhì)泥巖-油頁巖,粉細(xì)砂巖-粉砂質(zhì)泥巖組成基本韻律;下段厚約300 m,主要為泥質(zhì)白云巖-油頁巖-鹽堿礦組成基本韻律,礦層厚0.1~3 m不等。
礦區(qū)勘探施工中見礦的20多個(gè)勘探孔中,近半數(shù)的孔出現(xiàn)程度不一的漏水現(xiàn)象。其中有幾個(gè)孔漏失特別嚴(yán)重,還造成了孔內(nèi)事故。
采鹵井建設(shè)中,又有多口井出現(xiàn)漏失。其中有口井鉆井過程中因漏失引發(fā)事故,至使固井質(zhì)量不合格而報(bào)廢。另有3口井因井漏引起上部井壁坍塌而造成事故,為處理孔內(nèi)事故耗時(shí)數(shù)月,造成大量人力、物力和財(cái)力浪費(fèi)。本礦區(qū)漏失層具有一定的規(guī)律性,漏失井深一般都在680~700 m之間,部分礦層中礦石溶蝕現(xiàn)象比較普遍。勘探和采鹵井建設(shè)中,先后進(jìn)行了多種堵漏方法試驗(yàn),取得了一定堵漏經(jīng)驗(yàn)。但漏失層的空間分布規(guī)律、漏失原因還沒有徹底查清,有待今后工作中進(jìn)一步研究。
漏失層的存在,客觀上給井建施工帶來嚴(yán)重影響,采鹵井建井質(zhì)量無法得到保證。因此開展漏失層的研究,開發(fā)堵漏工藝技術(shù)是提高采鹵井質(zhì)量、延長采鹵井服務(wù)年限、提高資源回采率、降低采礦成本的主要措施之一。
SP08井設(shè)計(jì)為一探采結(jié)合井,要求首先對(duì)主采礦層進(jìn)行勘探取心,然后用水泥封孔至造斜點(diǎn)600 m左右進(jìn)行分支,再定向水平鉆進(jìn)至CZ03井靶點(diǎn)溶腔,實(shí)現(xiàn)與CZ03井定向?qū)舆B通采鹵(如圖1所示)。SP08井布置在CZ03井東面,兩井井距525 m。SP08井設(shè)計(jì)垂深890 m,設(shè)計(jì)斜長1300 m。其施工程序如下:
圖1 SP08井-CZ03井采鹵對(duì)接井結(jié)構(gòu)示意圖
一開:井深0~200 m,井徑311 mm,下入Φ244.5 mm×10.03 mm表層套管固井;
二開直井段:井深200~600 m,井徑200 mm,三牙輪鉆頭全面鉆進(jìn);
取心過渡段:井深600~780 m,井徑165 mm,PDC鉆頭全面鉆進(jìn);
取心段:井深780~890 m,井徑152 mm,雙管取心鉆進(jìn);
取心完畢,注水泥漿封閉取心段和取心過度段。
二開增斜段:井深600~980 m,井徑200 mm,定向鉆進(jìn),要求鉆孔井斜在對(duì)接礦層頂板處達(dá)到85°以上。然后下入Φ139.7 mm×7.72 mm技術(shù)套管固井。
三開水平段:井深980~1300 m,井徑118 mm,水平鉆進(jìn),鉆達(dá)CZ03井靶點(diǎn)溶腔。
SP08井施工中2次穿過同一漏失井段。每當(dāng)鉆至682~685 m時(shí)都發(fā)生失返性井漏,泥漿有進(jìn)無出。第一次取心過渡井段通過漏層時(shí)使用了水泥材料進(jìn)行堵漏作業(yè)。取心過渡段鉆至井深682 m開始出現(xiàn)漏失,繼續(xù)鉆進(jìn)至685 m時(shí),漏失加大,泥漿有進(jìn)無出,估計(jì)漏水量達(dá)50 m3/h以上。提鉆進(jìn)行水泥注漿堵漏,每次注漿光鉆桿下至漏點(diǎn)680 m左右進(jìn)行水泥漿灌注、頂替。
(1)第一次注425水泥3 t,清水配漿,水泥漿密度1.68 kg/L。探孔沒有水泥塞。
(2)第二次、第三次分別注425水泥5 t,清水配漿,水泥漿密度1.76 kg/L,二次探孔均沒有探得水泥塞,孔內(nèi)仍然全泵漏失。
(3)第四次注425水泥8 t,清水配漿,水泥漿密度1.76 kg/L,探得水泥塞6 m。掃水泥塞至漏點(diǎn),孔內(nèi)全泵漏失。
(4)第五次注G級(jí)高抗油井水泥5 t,清水配漿,加TW200S油井水泥降失水劑75 kg、USZ油井水泥減阻劑50 kg,水泥漿密度1.75 kg/L,下鉆未探到水泥塞,開泵循環(huán)有大約1/3泥漿返出井口,繼續(xù)循環(huán)觀測(cè)漏水量為20 m3/h左右。
(5)第六次注G級(jí)高抗油井水泥8 t,清水配漿,加TW200S油井水泥降失水劑100 kg、USZ油井水泥減阻劑50 kg,水泥漿密度1.78 kg/L,下鉆探得水泥塞近5 m。掃水泥塞至漏點(diǎn),開泵循環(huán)觀測(cè)漏水量為5 m3/h左右。配飽和鹽水泥漿加單封、鋸木屑試鉆,30 min內(nèi)漏失量逐漸加大至10 m/h以上。
(6)第七次注G級(jí)高抗油井水泥7 t,飽和鹽水配漿,水泥漿密度1.85 kg/L,探得水泥塞12 m。掃水泥塞至漏點(diǎn),沒有明顯漏失。鉆進(jìn)至712 m時(shí),漏失量逐漸加大至5 m3/h以上。
(7)第八次注G級(jí)高抗油井水泥5 t,飽和鹽水配漿,加速凝劑75 kg、加早強(qiáng)劑50 kg,水泥漿密度1.90 kg/L,探得水泥塞110 m。掃水泥塞至漏點(diǎn),沒有明顯漏失。鉆進(jìn)至780 m時(shí),漏失量逐漸加大,無法正常鉆進(jìn)。
(8)第九次注G級(jí)高抗油井水泥4 t,飽和鹽水配漿,加速凝劑75 kg、加早強(qiáng)劑50 kg,水泥漿密度1.85 kg/L,探得水泥塞4 m。掃水泥塞至漏點(diǎn),鉆具放空。開泵循環(huán)觀測(cè)漏失量為10 m3/h左右。
5.1 地層因素
吳城天然堿礦區(qū)第四系主要為粘土層、砂層、礫石層,以粘土層為主;上第三系主要為砂礫巖、砂質(zhì)泥巖和雜色礫巖。第四系、上第三系地層疏松易垮,特別是孔內(nèi)漏失時(shí),更是必垮無疑。因此一開施工必須保證表層套管足夠的入井深度隔絕疏松易垮段,為下一部可能發(fā)生的堵漏工作創(chuàng)造良好的上部環(huán)境。下第三系為一套淺色層,固體堿礦賦存于五里堆組。其圍巖為油頁巖、粉砂質(zhì)白云巖,可鉆性Ⅳ~Ⅴ級(jí)。通過礦區(qū)中心,存在一條漏水帶,帶上所有鉆孔鉆至礦層附近,即發(fā)生失返性漏失,漏失深度一般在680~700 m之間,漏失層位屬五里堆組下段。電測(cè)井資料解釋為鹽堿礦層,有些孔在該漏失層位有放空現(xiàn)象。綜合分析該漏失層為一鹽堿礦層。由于溶蝕作用,部分礦石被溶解,在一定范圍內(nèi)形成連通性較強(qiáng)的鹵水層。這有點(diǎn)類似于裂縫性漏失,但又有其特殊性,其漏失通道周圍巖礦石為遇水可以溶解的鹽堿礦層。這種漏層狀況,如果前期飽和鹽水泥漿濃度維護(hù)不好,就有可能發(fā)展成為溶洞型漏失,從而給堵漏工作帶來更大的困難。這種性質(zhì)的漏失采用水泥注漿堵漏,水泥用量大,且水泥漿極易漏光。即使堵漏達(dá)到一定效果,但很快又出現(xiàn)復(fù)漏。這給該礦區(qū)鉆井施工造成很大困難,并嚴(yán)重影響到采鹵生產(chǎn)井的固井質(zhì)量。
5.2 堵漏工藝
水泥注漿堵漏是利用水泥漿進(jìn)入地層裂縫后固結(jié)將漏失通道堵住。其成功的關(guān)鍵是讓大部分水泥漿進(jìn)入到漏層通道中(但又不能全部漏光),從而在井壁周圍一定范圍內(nèi)形成密實(shí)的水泥膠結(jié)層,堵住漏層裂縫通道,阻止井漿進(jìn)一步進(jìn)入到漏層通道中,達(dá)到堵漏的目的。
SP08井第一次到第三次注漿,水泥漿全部漏光,堵漏失敗。第四次加大水泥量注漿探得有一定水泥塞,但漏點(diǎn)處水泥凝結(jié)很差,堵漏失敗。第五次到第六次注漿采用G級(jí)高抗油井水泥替代425標(biāo)號(hào)水泥,并加入降失水劑和減阻劑,漏失量有所減小,說明油井水泥在鹽堿介質(zhì)中的凝結(jié)性要優(yōu)于425水泥。第七次到第八次注漿仍采用G級(jí)高抗油井水泥,但配漿水采用飽和鹽水替代清水,取得了較好的效果,這二次掃水泥塞至漏點(diǎn)都沒有出現(xiàn)明顯的漏失。嚴(yán)格意義來說,堵漏還算是成功的,只是在隨后的鉆進(jìn)過程中又很快先后出現(xiàn)復(fù)漏。分析認(rèn)為復(fù)漏原因?yàn)轱柡望}水水泥漿堵漏后,還存在少許微漏,而鉆井過程中由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限,很難做到飽和鹽水的絕對(duì)飽和,從而造成水泥—鹽堿層交結(jié)處的礦石發(fā)生溶解而形成新的漏失通道,其主要表現(xiàn)是鉆井過程中漏失量逐步增大,這在第七次注漿堵漏后進(jìn)行試鉆過程中表現(xiàn)尤為明顯,最初鉆進(jìn)觀察基本沒有明顯漏失。但在補(bǔ)充少量淡水后不久,孔內(nèi)開始出現(xiàn)漏失,且漏失量呈逐步變大的趨勢(shì)。
飽和鹽水水泥漿堵漏取得一定效果,說明鹽堿層裂縫通道注漿不能采用清水配漿。因?yàn)樗酀{凝結(jié)過程中必然要發(fā)生失水,失去的這部分水會(huì)使水泥—鹽堿層交結(jié)處的礦石發(fā)生溶解從而形成新的漏失通道。而飽和鹽水水泥漿盡管也會(huì)發(fā)生失水,但其失水為飽和鹽水,不會(huì)導(dǎo)致水泥—鹽堿層交結(jié)處的礦石發(fā)生溶解或者說溶解比較輕微,從而避免了因礦石溶解而形成新的漏失通道。這也是SP08井采用飽和鹽水水泥漿堵漏取得一定效果的主要原因,而前6次采用清水配制水泥漿進(jìn)行注漿堵漏基本上都是失敗的。
SP08井用水泥漿進(jìn)行了9次堵漏,每次都對(duì)水泥漿配方進(jìn)行了調(diào)整。如調(diào)整水灰比(1.68~1.9)、普通水泥改用油井水泥,在水泥漿中加入速凝劑、配漿水由清水該為飽和鹽水等,配漿總量60余立方米,消耗水泥粉50余噸,耗時(shí)近2個(gè)月,耗費(fèi)用(材料、工資)30多萬元,雖然取得了一定效果,但仍未從根本上解決漏失問題。加之SP08井設(shè)計(jì)為一定向水平井,第二次造斜井段通過漏層時(shí),其井斜將達(dá)到200 m以上,采用水泥漿堵漏掃水泥塞時(shí),很容易偏出新孔而造成堵漏失敗。
由此可見。由于受諸多因素的影響,SP08井目前采用的水泥堵漏是失敗的,應(yīng)改用其它堵漏方法。
高濾失漿堵漏法是使用高濾失材料經(jīng)過配制而成,如RJT-1、RSP-2、混合堵漏劑等不同形狀(顆粒、片狀、纖維狀)和不同尺寸(粗、中、細(xì))的惰性材料,以不同配方混合配制成堵漏漿,將漿液泵入井內(nèi)漏層處,通過憋壓進(jìn)行堵漏的一種方法。
6.1 堵漏機(jī)理
利用高失水特性,堵漏漿液在關(guān)井憋擠壓差的作用下,漿液中的水迅速濾失,而漿液中的纖維等固相物質(zhì)滯留在井壁和裂縫內(nèi),快速形成具有一定強(qiáng)度的濾餅封堵漏層孔隙通道,達(dá)到堵漏的目的。
6.2 配方
(1)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用水泥堵漏失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),根據(jù)堵漏機(jī)理,利用高失水堵漏材料,通過多次室內(nèi)配方試驗(yàn),配制出高效堵漏配方(表1),取得了滿意的效果。
3號(hào)配方具有高懸浮性、高失水性,18%濃度(18%濃度是指6%RSP-2+6%RJT-1+3%混合堵劑〈細(xì)〉+2%混合堵劑〈粗〉+1%單封的總百分含量)的配方全失水時(shí)間160~180 s,靜止觀察24 h后的漿液呈凝固狀。
表1 高效堵漏配方室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果
(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定3號(hào)配方為本次堵漏的優(yōu)選配方。
配制原則:根據(jù)地層特點(diǎn)和物性狀況,選擇堵漏材料的級(jí)配和數(shù)量分為粗、中、細(xì)搭配以及合適濃度的確定?,F(xiàn)場(chǎng)濃度的確定主要考慮所配漿液的可泵性,在可泵入情況下盡可能配制濃一些,但配制太濃泥漿泵泵入困難。3號(hào)配方施工時(shí)可勉強(qiáng)泵入。
6.3 施工工藝
(1)井內(nèi)通暢,做好各種堵漏準(zhǔn)備工作。
(2)根據(jù)本井資料,確定漏失層位為682~685 m,確定按3號(hào)配方配制堵漏漿,包括封堵段長、替漿量等。
(3)按配方用井場(chǎng)水配制堵漏漿10 m3,加鹽至飽和。
(4)下光鉆桿至封堵層段底部,開泵打入堵漏漿并替漿到位,將堵漏漿打完為止,提鉆至井口。
(5)檢查好循環(huán)系統(tǒng)所有管線閘門后關(guān)井打壓憋擠堵漏漿。
(6)制定關(guān)井憋壓措施,確定最高憋擠壓力、憋擠量和靜止憋壓時(shí)間。
(7)關(guān)井后,小排量從環(huán)空憋擠(<15 L/s)替漿。
(8)根據(jù)憋擠情況確定憋擠量和憋擠靜止時(shí)間,第一次擠入量應(yīng)在2~4 m3為宜。停泵靜止等待30~60 min后再進(jìn)行第二次憋擠。此后連續(xù)用此方法進(jìn)行憋擠,直至憋擠量達(dá)到8~9 m3為止。
(9)根據(jù)憋擠情況確定憋擠壓力,第一次憋擠壓力很低或基本上沒有壓力,隨著憋擠的進(jìn)行逐步提高憋壓值,最大憋壓值控制在2~2.5 MPa。該礦區(qū)憋擠壓力大于3 MPa就會(huì)將漏失層重新壓漏。每次憋擠時(shí)要在前次憋擠壓力基本降至為0時(shí)再重新進(jìn)行憋擠,如靜止30 min壓力穩(wěn)定在1.5~2 MPa,則說明堵漏成功。
(10)堵漏成功后緩慢泄壓,篩出堵漏材料,進(jìn)行鉆井液調(diào)整后鉆進(jìn)。
(11)鉆進(jìn)中確保飽和鹽水泥漿濃度,并在飽和鹽水泥漿中加入適量RJT-1和單封進(jìn)行隨鉆堵漏,以防止復(fù)漏。
(1)本井用水泥堵漏9次,費(fèi)時(shí)60天,費(fèi)用30~40萬元(包括材料、人員工資),仍未從根本上解決孔內(nèi)漏失問題,從而造成人力、物力、時(shí)間上的巨大浪費(fèi)。
(2)采用以RJT-1為主的配方堵漏漿,堵漏二次(配堵漏漿5次,包括定向造斜段),費(fèi)用12~15萬元(包括材料、人員工資等),兩次成功地堵住有進(jìn)無出的漏層(每次堵漏材料費(fèi)用2~3萬元、時(shí)間7天左右),節(jié)省了人力、物力和時(shí)間,更重要的是為該工區(qū)今后的鉆井施工堵漏工作提供了可靠的配方依據(jù),提高鉆井速度和成功率,其經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。
(1)吳城堿礦使用水泥進(jìn)行堵漏,由于其漏層的可溶特性,采用清水配制水泥漿進(jìn)行堵漏基本都失敗了,采用飽和鹽水配制水泥漿進(jìn)行堵漏具有明顯的堵漏效果,但很容易發(fā)生復(fù)漏。而重復(fù)堵漏會(huì)造成人力、物力、時(shí)間上的巨大浪費(fèi)。
(2)RJT-1(抗溫抗鹽增粘抑制劑)是一種高效堵漏劑,用此材料配制的堵漏漿進(jìn)入井內(nèi)裂縫地層后,能在數(shù)分鐘內(nèi)快速形成堵漏墻,抑制地層漏失,是堵漏主劑。
(3)RJT-1堵漏漿是用清水(或鹽水)配制而成,劑量少(每次配方只需幾百千克),配制簡單,省時(shí)省力,費(fèi)用低。
(4)RJT-1堵漏劑抗鹽達(dá)飽和特性適合于本礦區(qū),因?yàn)橛鏊扇苈┦匦詻Q定了無論采用何種堵漏材料都必須采用飽和鹽水配制才能起到堵漏效果。
(5)RJT-1堵漏劑抗溫100℃以上,受高溫影響小,應(yīng)用廣泛,安全可靠,效果好。
(6)RJT-1堵漏劑具有膨脹性,配制后靜止候凝發(fā)生膨脹、固結(jié)。
(7)RJT-1具有高懸浮、高效、高強(qiáng)度的特性,堵層致密厚實(shí);鉆進(jìn)時(shí)加入適量RJT-1能起到隨鉆堵漏的作用,從而達(dá)到防止復(fù)漏的目的。
(8)RJT-1雖然具有隨鉆堵漏的作用,但如果加量過多,容易造成雙管取心筒、螺桿鉆具的堵塞,施工時(shí)應(yīng)加以注意。
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Feasibility Analysis on Leakage Stoppage Technology for Brine Extraction Wel
TANG Meng-long1,CUI Gui-ping1,ZOU Qi-geng2(1.417 Team,Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Hunan Province,Hengyang Hunan 421001,China;2.South China No.4 Drilling Company,SINOPEC,Changsha Hunan 410118,China)
The effect of leakage stoppage has been affected the drilling speed of brine extraction well of alkali mine in Tongbai of Henan.By the leakage stoppage test with cement grouting in well SP08,it was found that the leakage characteristic of this stratum is fractured loss.Based on this characteristic and according to the laboratory test,a leakage stoppage technology for this region was systematically summed up in choice of leakage stoppage material and technology.A comprehensive technical measure and pressure sealing method mainly with high water loss material matching bridging blockage material was made to provide technical support in this mining area.
water soluble fractured formation;loss;saturated saltwater slurry;high water loss;pressure sealing
P634.7
A
1672-7428(2011)11-0027-05l
2011-05-16;
2011-08-26
唐孟龍(1964-),男(漢族),湖南長沙人,湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一七隊(duì)副總工程師、高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事鹽鹵定向?qū)硬甥u井施工技術(shù)管理工作,湖南省衡陽市解放大道2號(hào),sutangyunbo@126.com。