地質鉆探堵漏新技術的初步研究

陶士先，劉四海，胡繼良

(1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.中石化石油工程技術研究院，北京100101)

地層漏失是地質鉆探，乃至石油、天然氣、地熱等所有鉆探中經(jīng)常遇到的共同問題。據(jù)統(tǒng)計全世界油井井漏發(fā)生率占鉆井總數(shù)的20% ～25%，成為鉆井中遇到的最為棘手的問題，造成鉆井成本的大幅提高［1］，常給施工者造成數(shù)以百萬的經(jīng)濟損失［2］。地質巖心鉆探雖然沒有全面統(tǒng)計，但鉆孔漏失仍然是制約提高鉆探效率的主要瓶頸問題之一［3～5］。

1 漏失地層分類及特點

根據(jù)漏失地層的特點，可將井漏分為滲透性漏失、裂縫性漏失和溶洞性漏失3類［6］。其中裂縫性漏失又分為天然裂縫和由鉆井液壓力壓開地層所形成的裂縫(人工裂縫)。

1.1 滲透性漏失

由高滲透的砂巖地層或礫巖地層引起鉆井液的漏失稱為滲透性漏失。在井內(nèi)壓差的作用下鉆井液將會漏入巖層孔隙里，但泥餅的形成會阻止或減弱其漏失的程度，因而滲透性漏失的漏速不大，一般在10 m3/h以內(nèi)，表現(xiàn)為鉆井液池的液面緩慢下降。

1.2 裂縫性漏失

可分為地層自然裂縫和由鉆井液壓力將地層(灰?guī)r和砂巖等)壓開所形成的裂縫。在自然裂縫發(fā)育的地層中鉆井，都會發(fā)生不同程度的鉆井液漏失。在破碎帶地層中鉆進時，常會隨著井下憋跳、鉆速加快等現(xiàn)象的出現(xiàn)而發(fā)生井漏［7］。由地層破裂引起的漏失，主要發(fā)生在天然裂縫較少、滲透性不是很好的地層，漏失壓力即破裂壓力。裂縫性漏失速度變化范圍比較大，其漏速一般在20～100 m3/h不等，表現(xiàn)為鉆井液池的液面迅速下降。

1.3 溶洞性漏失

由溶洞性地層引起鉆井液的漏失稱為溶洞性漏失，這類漏失一般出現(xiàn)在灰?guī)r地層［8］。當鉆遇溶洞時，會發(fā)生鉆具放空，有時會達4～5 m，隨之循環(huán)失靈，鉆井液只進不出。漏速一般在100 m3/h以上，井漏后往往會造成井噴或井塌卡鉆事故，屬最嚴重的井漏。

2 堵漏技術研究現(xiàn)狀

迄今為止，國外對井漏的預防通常是延續(xù)使用上個世紀的處理方法，對于滲透性漏失的處理通常是采用降低泥漿密度或靜止候堵，或往泥漿中加入隨鉆堵漏材料或惰性橋堵材料進行解決。對于局部漏失的處理，多采用橋接材料或復合堵漏材料、膨脹性堵漏材料、軟硬塞(水泥+膨潤土)等材料和相應工藝技術處理。對于嚴重漏失的處理采用水泥、軟硬塞、凝膠等可固結成熟堵漏技術。

國內(nèi)防漏堵漏技術的發(fā)展歷程與國外的情況基本上類似，只是時間上落后5～10年。對于滲透性漏失，主要是在鉆井液中加入一定量的隨鉆堵漏劑、液體套管、鋸末等材料，進行循環(huán)堵漏，堵漏成功率較大，但堵漏后孔壁承壓能力有待進一步提高，經(jīng)常出現(xiàn)二次壓漏等情況。對于惡性漏失，則采用水泥、凝膠、水泥+膨潤土等技術，堵漏工藝復雜，對于含水惡性漏失地層，成功率低，嚴重影響了其工藝技術的推廣應用。隨著施工深度的不斷增加，以及鉆探工作逐步向復雜構造區(qū)域的延伸，防漏堵漏工作遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，有進無出的惡性漏失堵漏仍然是鉆探工作的一大難題。

經(jīng)過幾十年的研究摸索，國內(nèi)外開發(fā)出了數(shù)百種堵漏材料。依據(jù)其作用機理常用堵漏材料可分為6類，即橋接堵漏材料、高失水堵漏材料、暫堵材料、化學堵漏材料、無機膠凝堵漏材料和軟(硬)塞類堵漏材料。而堵漏方法，就其堵漏機理而言，歸納起來無外乎下面4種。

(1)稠漿堵漏:即增加漏失漿液的粘度、切力，增加漏失漿液在漏失通道的流動阻力，達到鉆孔內(nèi)外液柱壓力的平衡和堵漏的目的。如靜止堵漏、無機凝膠堵漏、剪切稠化液堵漏等。

(2)橋塞堵漏:即通過架橋材料在近孔壁或進入地層內(nèi)部一定深度的喉道處先堆積、橋接形成橋梁，纖維材料構成拉筋，小顆粒材料填充逐漸形成泥餅，阻止漏失漿液的進一步進入。如橋接堵漏(核桃殼、云母)、高失水堵漏、暫堵材料堵漏、膨脹材料堵漏、軟硬塞堵漏(水泥+膨潤土)等。

(3)化學固結堵漏:即將堵漏漿液擠入漏失通道內(nèi)一定深度后，堵漏漿液逐漸凝固、形成膠塞，將漏失通道封堵。如水泥堵漏、脲醛樹脂堵堵漏、封包石灰堵劑堵漏等。

(4)套管或膨脹管、摘脫管等封隔:即先強行鉆穿漏層后下入套管或膨脹管等管具將漏層進行封隔。

從堵漏機理可以看出，稠漿堵漏對漏失較小的微裂隙且無明顯承壓要求的漏層有效。常規(guī)的橋塞堵漏對于漏失通道特征比較清楚的漏層比較有效。化學固結材料堵漏，在室內(nèi)實驗充分、施工工藝合理，保證能夠擠入漏層一定深度，否則堵漏效果難以保證。用水泥堵一次漏不亞于固一次井，周期長、難度大。

套管封隔受井身結構和套管程序的限制，在萬不得已的情況下很少采用，膨脹管受井眼條件的限制和一些不成熟技術因素的影響阻礙了該技術的推廣應用。

3 地質鉆探堵漏新技術的研究

世界上各大石油公司和研究機構每年投入大量的人力、物力進行堵漏技術研究，積累了一些成功經(jīng)驗，然而迄今為止，對于解決長裸眼、多層段漏失，以及惡性漏失仍然十分困難。由于地質鉆探在鉆孔直徑、鉆進方法、鉆進工藝及設備條件方面的特殊性，許多在石油鉆探順利實施的堵漏技術而在地質鉆探卻無法使用，地質鉆探的堵漏技術手段還相對簡單。北京探礦工程研究所針對地質鉆探的特殊性，針對不同漏失情況，開展了廣譜型堵漏特點的高強度快失水堵漏技術、高強度化學觸變堵漏技術、溶脹型隨鉆堵漏材料以及成膜鉆井液技術的研究。

3.1 高強度快失水堵漏技術研究

高強度快失水堵漏技術的原理是:配制的堵漏液在地層孔隙內(nèi)經(jīng)壓力作用，快速失水使堵漏材料在孔內(nèi)形成具有較高強度的致密堆積物迅速封堵裂隙及孔隙，達到快速堵漏的目的。該技術主要用于封堵5 mm以下的孔隙或裂縫。

快失水堵漏劑研制方法:選取拉筋材料、架橋材料、助濾劑，通過正交試驗優(yōu)選配方，采用機械復合、材料活化處理等手段，制得快失水堵漏劑。產(chǎn)品性能為:懸浮穩(wěn)定性96%;失水速度248 mL/min;濾餅厚度23 mm;1 mm縫隙板封堵時間2 s;封堵漏失量400 mL;承壓強度7 MPa。為了擴大堵漏范圍，提高堵漏后地層的承壓強度，可在快失水堵漏劑配制的堵漏液中，引進其它不同形狀或粒度的架橋材料。

快失水堵漏技術實施時，需要向堵漏液施加一定的壓力使其快速失水，實現(xiàn)快速堵漏。

3.2 高強度化學觸變堵漏技術研究

化學觸變堵漏技術的原理是:化學觸變劑配制的溶液是一種剪切稀釋作用較強的粘稠液體，進入漏失地層孔隙后，驅走漏失通道中的水(防止無機觸變材料被沖稀)。當無機觸變材料與化學觸變劑相遇時，迅速轉變成不溶于水的凝膠狀態(tài)而失去流動性。利用上述特性，首先向漏失地層注入化學觸變劑，然后再注入無機觸變劑，使聚合物體系留在漏失通道內(nèi)固化，從而實現(xiàn)快速、廣譜堵漏的目的。還可結合架橋堵漏技術，擴大堵漏范圍，提高堵漏后地層承壓強度。該技術主要用于封堵尺寸較大的漏失，特別是失返性漏失，包括含水性失返性漏失。

化學觸變堵漏技術包括:

(1)化學觸變劑研制或優(yōu)選，化學觸變劑是一種可交聯(lián)的聚合物體系;

(2)無機觸變材料研制，實際是一種交聯(lián)劑，遇到聚合物體系后，促使其發(fā)生交聯(lián)固化。優(yōu)選無機材料、促凝劑、膨脹劑等進行合成;

(3)進行實驗室內(nèi)評價，確定其技術參數(shù);

(4)堵漏工藝研究:確定漏失孔段深度和長度，計算觸變材料用量，配制化學觸變?nèi)芤?在灌注化學觸變?nèi)芤汉螅瑧阢@管注入足夠量的前置隔離液，防止和無機觸變材料在鉆桿內(nèi)固結。

3.3 溶脹型隨鉆堵漏材料研究

目前，國內(nèi)外采用具有延遲膨脹特點的堵漏材料用于鉆探堵漏的應用還不多見［9］。這種堵漏材料進入到地層漏失通道后，能夠吸水膨脹，緊緊的留在漏失通道中，具有一定的抗壓強度，提高了孔壁的承壓能力，同時由于吸水體積增大(圖1)，也擴大了堵漏應用范圍［10］。

圖1 6～10目膨脹體材料膨脹前后對比圖

這種堵漏材料采用自由基聚合原理和交聯(lián)反應原理。在單體聚合反應的同時，通過加入交聯(lián)反應劑將直鏈的聚合物連接而形成空間網(wǎng)狀結構。通過交聯(lián)度控制和填充其它材料，控制膨脹體的膨脹率、膨脹時間和膨脹體的強度。

填料作為支撐劑，可以提高材料的強度和韌性，在擠壓過程中會發(fā)生拉伸和受壓。在拉伸過程中，如膨潤土與水和聚合物強烈的氫鍵作用，使得分子鏈發(fā)生延展而不至于斷裂，增加了韌性;在受壓過程中，粒狀如碳酸鈣和片狀膨潤土能很好地起到緩沖和支撐的作用，使分子鏈在壓力下不發(fā)生過大的變形而斷裂，從而增加產(chǎn)品的強度。

溶脹型隨鉆堵漏材料性能評價主要考慮因素:一是考察試樣加入泥漿后對泥漿性能的影響;二是考察其堵漏效果。因此主要評價參數(shù)為表觀粘度、塑性粘度、API濾失量、封閉時間、封閉濾失量及承壓強度。這里選擇801堵漏劑和單向封堵劑作為參比樣品。測試結果見表1。

表1 堵漏試驗結果

由表1結果可以看出，溶脹型堵漏材料的表觀粘度、塑性粘度、API濾失量、封閉時間、封閉濾失量均小于另外2種參比樣品，其承壓強度高于另外2種參比樣品。

溶脹型隨鉆堵漏材料在河北蓮花鐵礦、北京西郊某地應力監(jiān)測鉆探孔中使用，均取得了良好的堵漏效果。

3.4 成膜鉆井液技術研究

成膜水基鉆井液技術就是使鉆井液具有半透膜性能，在井壁上形成一層致密的隔離膜，封堵地層裂隙，從而有效地防止地層水化膨脹，防止井壁坍塌，保護油氣層。雖然主要作為防塌劑使用，但具有一定堵漏作用［11］。

3.4.1 成膜劑的研制

通過成膜劑機理研究、分子結構設計及合成技術等研究，利用具有天然綠色且廉價的改性淀粉(PPS)和剛性的強成膜抗剪切聚乙烯醇(PVA)為多羥基高分子原料與具有特殊結構的水溶性硅油(OSO－w)半干法工藝接枝反應合成水溶性硅基成膜抑制劑(SiM)，反應機理如下:

鉆井液成膜劑性能評價方法:采用二次濾失量評價其成膜效應，用抑制粘土造漿率及巖屑回收率評價其抑制性能。測試表明，成膜劑各項性能均有較好表現(xiàn)(表2)。

表2 成膜劑性能

3.4.2 成膜潤滑劑研制

采用石蠟為主要原料，將石蠟乳化改性，并輔以其它載體材料，產(chǎn)品狀態(tài)為固體潤滑劑。

3.4.3 快速成膜沖洗液體系研究

采用本項目研制的成膜護壁劑、潤滑劑為主要添加劑，利用其成膜、粘接作用，再選擇其纖維狀及超細材料，經(jīng)過配方優(yōu)化試驗，研制出具有超低滲透的快速成膜鉆井液體系。

4 結語

從地質鉆探來說，堵漏技術是一項世界性的難題。因此要進一步加強堵漏新技術開發(fā)，針對地質鉆探過程中的各種復雜漏失情況，研究形成較完整的堵漏技術方法體系。今后研究重點或發(fā)展趨勢應集中在以下幾個方面。

(1)加強漏失層特性判斷與堵漏方法的關聯(lián)性研究。開展可固化堵漏配方的防沖蝕、防收縮工藝技術研究，以滿足有進無出、特別是含水裂縫和溶洞型惡性漏失的堵漏要求。

(2)廣譜型堵漏技術研究，如高強度快失水堵漏技術、高強度化學堵漏技術以及溶脹型隨鉆堵漏材料。

(3)開展復合堵漏材料和堵漏技術集成化的研究，高失水堵劑—橋接劑混配，單項壓力封閉劑—高失水堵劑混配、高失水堵劑—橋接材料—水泥復合等，形成不同漏失情況的快速判斷和應對方法，提高堵漏效率。

(4)開展高效隨鉆防漏材料和防漏沖洗液體系研究，提高地層承壓能力。

(5)開展膨脹管堵漏技術研究［12］。

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