基于新型中壓堵漏試驗(yàn)儀的堵漏試驗(yàn)研究

楊寬才， 王興樂(lè)， 梁 麗， 孔二偉， 李大鵬， 蔡記華

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001； 3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510200； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

基于新型中壓堵漏試驗(yàn)儀的堵漏試驗(yàn)研究

楊寬才1,2， 王興樂(lè)3， 梁 麗1,2， 孔二偉1,2， 李大鵬1,2， 蔡記華4

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001； 3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510200； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

堵漏試驗(yàn)儀是制定防漏堵漏技術(shù)方案的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一。針對(duì)現(xiàn)有堵漏試驗(yàn)儀普遍存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)流程繁冗、漿液用量較大、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種中壓(試驗(yàn)壓力為0～1 MPa)堵漏試驗(yàn)儀。該裝置能模擬1～3 mm的條縫型漏失地層和1～4 mm的孔洞型漏失地層，封板(縫板和孔板)的實(shí)際漏失面積為0.35～2.79 cm2，孔隙率1.81%～14.24%?；谠撛囼?yàn)裝置，獲取了由膨脹堵漏劑、核桃殼等組成的適于不同漏失地層的堵漏漿液配方。研究發(fā)現(xiàn)，堵漏漿液的封堵效果不僅取決于裂縫或孔洞的大小，也要考慮其孔隙率。該堵漏儀及堵漏漿液配方可為鉆井防漏堵漏工作提供有益參考。

中壓堵漏試驗(yàn)儀；漏失地層；孔隙率；堵漏漿液

0 引言

井漏是油氣及礦產(chǎn)鉆井作業(yè)中經(jīng)常遇到的棘手問(wèn)題。鉆進(jìn)過(guò)程中如果發(fā)生井漏，輕則造成鉆井液大量漏失、儲(chǔ)層污染，重則導(dǎo)致井壁坍塌甚至井眼報(bào)廢[1-8]。堵漏材料與地層是否配伍是其中的關(guān)鍵[9-10]，而在室內(nèi)利用堵漏試驗(yàn)儀評(píng)價(jià)堵漏漿液的封堵效果是制定防漏堵漏技術(shù)方案的重要依據(jù)。

室內(nèi)堵漏試驗(yàn)使用較多的是靜態(tài)堵漏試驗(yàn)儀[11-15]，這種儀器通常是由液筒、人造裂縫板或人造孔隙床、閥門(mén)和壓力源組成，但大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)流程繁冗、試驗(yàn)漿體用量較大、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題試制了MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧靈活、操作方便、試驗(yàn)用漿體量小(每次試驗(yàn)300 mL)攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由漏失總成壓力管線和支架構(gòu)成，可配氮?dú)馄炕虼驓馔沧鰵庠?。其核心結(jié)構(gòu)是漏失總成，主要由帶有通氣孔的上端蓋、高壓罐體、下端蓋、螺紋管以及封板(縫板或孔板)組成。所模擬漏失地層的封板尺寸及參數(shù)見(jiàn)表1。封板通過(guò)螺紋管壓緊在下端蓋的凹槽內(nèi)模擬漏失地層。更換不同規(guī)格的封板可以模擬不同的漏失通道，利用縫板模擬裂縫型地層，可選擇開(kāi)縫寬度為1～3 mm的縫板模擬不同尺寸的裂縫型漏失；利用孔板模擬孔洞型地層，可選擇開(kāi)孔直徑為1～4 mm的孔板模擬不同尺寸的漏失通道?？筛鶕?jù)地層的漏失通道類(lèi)型選擇相應(yīng)的封板來(lái)檢驗(yàn)堵漏液的封堵效果。

1-支架；2-壓緊螺絲；3-壓力表；4-閥門(mén)；5-上端蓋；6-上密封圈；7-罐體；8-下端蓋；9-球閥；10-廢漿杯；11-封板；12-下密封圈；13-螺紋管

圖1 MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，首先把配制好的堵漏漿液裝入罐體中，蓋好上端蓋并擰緊壓緊螺絲。接通氣源將壓力調(diào)節(jié)至所需壓力，打開(kāi)閥門(mén)，再次調(diào)節(jié)壓力至目標(biāo)壓力。打開(kāi)球閥，保持試驗(yàn)壓力并開(kāi)始計(jì)時(shí)。保持壓力1 min后或不再有漿液流出時(shí)釋放壓力，說(shuō)明堵漏成功。清洗罐體并觀察封板的封堵情況，最后量出漏失液的體積。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)最大工作壓力1 MPa；(2)試驗(yàn)用漿量300 mL；(3)下端蓋開(kāi)孔直徑46 mm；(4)縫板縫隙長(zhǎng)35.5 mm、寬1～3 mm；(5)孔板孔隙直徑1～4 mm。

1.3 裝置特點(diǎn)

MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)捷、試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)漿液用量少，使用方便，可以較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)堵漏防漏漿液(水泥漿)在裂縫型漏失和孔洞型漏失地層中的堵漏效果。實(shí)驗(yàn)證明，該堵漏儀的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好，通過(guò)該裝置所選出的堵漏技術(shù)方案可為現(xiàn)場(chǎng)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 基于新型中壓漏失儀的堵漏配方試驗(yàn)

MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀將封板設(shè)置為大尺寸孔板(2～4 mm)、大尺寸縫板(2～3 mm)以及小尺寸孔、縫板(1 mm)3種類(lèi)型，可以分別模擬不同尺寸的孔洞型漏失地層和條縫型漏失地層，有針對(duì)性地進(jìn)行堵漏漿液的配方優(yōu)化。根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)泥漿的使用經(jīng)驗(yàn)，基漿配方為：水+7.2%鈉膨潤(rùn)土+0.29%純堿。

2.1 大尺寸(2～4 mm)孔洞型地層堵漏配方

前期的試驗(yàn)結(jié)果表明，大尺寸孔洞型地層堵漏成功的關(guān)鍵在于膨脹堵漏劑，所以首先從改變膨脹堵漏劑的加量入手，設(shè)計(jì)配方并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模擬大尺寸孔洞地層的堵漏試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)配方如下：

配方1號(hào)：4%細(xì)粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方2號(hào)：3%細(xì)粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方3號(hào)：2%細(xì)粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

由于膨脹堵漏劑加量較大，對(duì)于2 mm和3 mm孔板而言(孔隙率分別為14.24%、11.88%)，配方1號(hào)的堵漏效果更優(yōu)；而對(duì)4 mm的孔板(孔隙率為10.88%)，配方1號(hào)與配方2號(hào)漏失量相差不大，配方2號(hào)的漏失量甚至還要更小。結(jié)合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性考慮，可考慮用配方2號(hào)封堵4 mm的孔洞型漏失地層更優(yōu)，其中細(xì)粒膨脹堵漏劑的加量應(yīng)不低于3%。

2.2 小尺寸(1 mm)孔洞型和條縫型堵漏配方

基于對(duì)大量堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于1 mm縫板，起到主要堵漏作用的是植物纖維中的木屑和細(xì)粒膨脹堵漏材料，于是把優(yōu)化重點(diǎn)放在改變膨脹堵漏劑的加量上。另由于對(duì)于1 mm縫板而言，核桃殼的作用并不明顯，因而在實(shí)驗(yàn)中嘗試了不使用核桃殼。通過(guò)改變細(xì)粒膨脹堵漏劑的加量，共設(shè)計(jì)了3種配方，結(jié)果如表3所示。

表3 小尺寸孔、縫板的堵漏效果

設(shè)計(jì)配方如下：

配方4號(hào)：3%細(xì)粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

配方5號(hào)：2%細(xì)粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

配方6號(hào)：1%細(xì)粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維。

對(duì)于1 mm孔板，配方4號(hào)和5號(hào)的封堵效果差別不大，而配方6號(hào)效果較差。對(duì)于1 mm縫板，3個(gè)配方都能形成有效的封堵?？紤]技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，1 mm孔板的最優(yōu)配方為配方5號(hào)，1 mm縫板的較優(yōu)配方為配方6號(hào)。

2.3 大尺寸(2～3 mm)條縫型地層堵漏配方

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于2 mm和3 mm縫板，只用常規(guī)惰性堵漏材料即可實(shí)現(xiàn)有效封堵，加入膨脹堵漏劑后封堵效果并沒(méi)有明顯提升?？梢?jiàn)堵漏漿液的封堵效果主要與惰性材料的配比有關(guān)，于是從核桃殼的粒徑和加量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)比了2種含不同粒徑核桃殼的堵漏配方在不加膨脹堵漏劑時(shí)的堵漏效果。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 2種粒徑核桃殼配方實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)配方如下：

配方7號(hào)：2%細(xì)粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

在“十二五”期間，我國(guó)政府部門(mén)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情提出了能源審計(jì)計(jì)劃以及節(jié)能規(guī)劃方案。而在“十三五”期間，我國(guó)政府部門(mén)建立起完善的能源管理機(jī)構(gòu)。在實(shí)際推進(jìn)節(jié)能降耗戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施的過(guò)程中，節(jié)能政策制度的制定對(duì)該計(jì)劃的落實(shí)有重要的意義，同時(shí)，政府部門(mén)要發(fā)揮應(yīng)有的主導(dǎo)作用，綜合分析產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，并通過(guò)能源計(jì)量工作權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，從而優(yōu)化能源配置。

配方8號(hào)：2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

對(duì)于2 mm的縫板，使用細(xì)粒核桃殼的配方漏失量更小，而3 mm縫板則相反。因而配方7號(hào)更適合2 mm縫板，而配方8號(hào)對(duì)3 mm縫板的封堵效果更佳。隨后又對(duì)使用不同加量的細(xì)粒核桃殼的配方進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同細(xì)粒核桃殼加量的堵漏效果

設(shè)計(jì)配方如下：

配方9號(hào)：3%細(xì)粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方10號(hào)：1%細(xì)粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

相比于配方7號(hào)，配方9號(hào)在使用3 mm縫板時(shí)漏失量方面略有減少。結(jié)合表4和表5，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，2%的細(xì)粒核桃殼是較優(yōu)加量。綜上所述，對(duì)于2 mm的條縫型漏失地層，配方7號(hào)是較優(yōu)配方；對(duì)于3 mm的條縫型漏失地層，配方8號(hào)是較優(yōu)配方。

2.4 堵漏效果分析

(1)1 mm條縫型漏失地層：基漿+2%細(xì)粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(2)2 mm條縫型漏失地層：基漿+2%細(xì)粒(1～2 mm)核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(3)3 mm條縫型漏失地層：基漿+2%粗粒(2～4 mm)核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(4)1 mm孔洞型漏失地層：基漿+2%細(xì)粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

(5)2～3 mm孔洞型漏失地層：基漿+4%細(xì)粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(6)4 mm孔洞型漏失地層：基漿+3%細(xì)粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

漏失地層的特征分析是成功堵漏的關(guān)鍵，包括漏失地層的巖石類(lèi)型、孔隙的類(lèi)型和尺寸、孔深等。一般來(lái)講，地層縫隙越大、漏速越大時(shí)，堵漏材料的加量亦應(yīng)越大。為了提高堵塞能力，往往將各種類(lèi)型和尺寸的堵漏劑混合加入，但各種材料的比例要掌握適當(dāng)。

對(duì)于條縫型漏失地層，其孔隙率較相同尺寸下的孔洞型漏失地層要小，封堵的難度較小，因而采用細(xì)粒(1～2 mm)或粗粒(2～4 mm)的核桃殼(起骨架和支撐作用)，輔以可變形的植物纖維和云母片即可有效封堵；對(duì)于孔洞型漏失地層，需要在上述基礎(chǔ)上引進(jìn)可吸水膨脹的堵漏材料(如膨脹堵漏劑或吸水樹(shù)脂)，這樣才有可能取得較好的堵漏效果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)捷、試驗(yàn)效率高，試驗(yàn)漿液用量少，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，使用方便。

(2)在堵漏作業(yè)中，堵漏漿液的封堵效果不僅取決于裂縫或孔洞尺寸的大小，也要考慮其孔隙率的大小。在相同尺寸條件下，裂縫型地層的封堵難度要小于孔板模擬的孔洞型地層。

(3)本文獲取的針對(duì)不同尺寸的孔洞型和條縫型漏失地層的堵漏漿液配方，可為現(xiàn)場(chǎng)堵漏作業(yè)提供參考。

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Lost Circulation Tests Based on New Type Medium Pressure Lost Circulation Simulator/

YANGKuan-cai1,2，WANGXing-le3,LIANGLi1,2,KONGEr-wei1,2,LIDa-peng1,2,CAIJi-hua4

(1.Fourth Geological Exploration Institute of Henan Geology & Mineral Bureau, Zhengzhou Henan 450001, China; 2.Engineering Ttechnology Rresearch Ccenter of Sslim Ddiameter Ddrilling in Henan Province, Zhengzhou Henan 450001, China; 3.Fourth Harbour Engineering Investigation and Design Institute of the Ministry of Transport, Guangzhou Guangdong 510200, China; 4.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

Lost circulation simulator is one of the key apparatus to formulate technical plans for lost circulation prevention and plugging. This new type medium pressure (0-1MPa) lost circulation simulator was designed to improve the complex structure, tedious test procedures, large volume mud and low data reappearance of existing lost circulation simulators. With this device, 1-3mm fracture leakage formation and 1-4mm cavern leakage formation can be simulated. The actual leakage area is totally 0.35-2.79cm2with porosity of 1.81%-14.24%. By using this experimental device, the plugging slurry formulas, being composed of swelling plugging agents and walnut shells, etc., is obtained, which is suitable for different leakage formations. The sealing effect of plugging slurries not only depends on the size of fractures or cavern, but also on the total porosity of leakage formation. This lost circulation simulator and the plugging slurry formula can offer beneficial reference for lost circulation prevention and plugging in drilling process.

medium pressure lost circulation simulator; leakage formation; porosity; plugging slurry

2016-05-04；

2017-01-10

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“納米材料增強(qiáng)頁(yè)巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的作用機(jī)理研究”(編號(hào)：2014D-5006-0308)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“水基鉆井液增強(qiáng)頁(yè)巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的理論與方法”(編號(hào)：2015CFA135)

楊寬才 ，男，漢族，1983年生，工程師，碩士在讀，主要從事巖心鉆探技術(shù)及管理工作，河南省鄭州市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)大道81號(hào)地質(zhì)科技大廈12樓1209室，157099086@qq.com。

TE254

A

1672-7428(2017)02-0049-04