水力尖劈裂縫堵漏固井技術(shù)研究及應(yīng)用

羅宇維 朱江林 熊紹春 艾武昌 陳 良 肖 偉 王金星

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 河北三河 065201)

水力尖劈裂縫堵漏固井技術(shù)研究及應(yīng)用

羅宇維 朱江林 熊紹春 艾武昌 陳 良 肖 偉 王金星

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 河北三河 065201)

高溫高壓、非常規(guī)套管結(jié)構(gòu)井環(huán)空間隙小、安全壓力窗口窄，固井時(shí)易發(fā)生水力尖劈裂縫漏失。傳統(tǒng)裂縫堵漏評價(jià)儀不能真實(shí)模擬井下的堵漏效果，所選取的水泥漿堵漏材料對于水力尖劈裂縫的堵漏效果差。研制了新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀，依托該評價(jià)儀優(yōu)選出新型水力尖劈堵漏材料，并制定了配套固井工藝，成功解決了中國南海鶯瓊盆地高溫高壓、非常規(guī)套管結(jié)構(gòu)井固井水泥漿漏失的問題。本文研究成果已成功應(yīng)用于南海高溫高壓井、深水井、東海超深井等10多口窄壓力窗口井的固井作業(yè)，有效解決了窄安全壓力窗口固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

窄壓力窗口；水力尖劈裂縫；漏失；動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀；堵漏材料；固井

傳統(tǒng)的固井水泥漿堵漏能力評價(jià)方法主要是割縫板法和砂盤法[2-3]。這2種堵漏評價(jià)裝置的特點(diǎn)是縫寬或孔喉直徑固定，與環(huán)空液柱壓力大小無關(guān)。而實(shí)際地層破裂后，液柱壓力越大，裂縫寬度越大，反之則越小，即裂縫寬度是動態(tài)變化的。動態(tài)裂縫內(nèi)的水泥漿隨著井內(nèi)壓力的波動會反復(fù)“吞吐”動態(tài)漏失[4]，因此，傳統(tǒng)方法評價(jià)水泥漿的堵漏能力雖有一定的參考價(jià)值，但不能真實(shí)模擬地層的堵漏效果，時(shí)常發(fā)生室內(nèi)評價(jià)堵漏效果很好的堵漏水泥漿在施工后地層漏失依舊存在的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的水泥漿堵漏材料主要是堅(jiān)硬的大粒徑架橋材料和軟性纏繞纖維的復(fù)合材料[5-6]，其缺點(diǎn)是：顆粒大，容易堵塞窄環(huán)空間隙；水泥漿黏稠，摩阻大，容易憋漏地層；大顆粒復(fù)合材料附著在裂縫口附近，在裂縫“一張一合”的“吞吐”作用下容易反吐出來，尖劈裂縫的堵漏可靠性差。

針對上述堵漏評價(jià)方法和堵漏材料存在的問題，研發(fā)出了一種動態(tài)模擬水力尖劈裂縫堵漏的新型評價(jià)儀，并依托該評價(jià)儀優(yōu)選出了新型水力尖劈堵漏材料及配套固井工藝。該研究成果已在我國南海鶯瓊盆地A井取得成功應(yīng)用，并推廣應(yīng)用到南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井作業(yè)中，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀的研發(fā)

新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀的設(shè)計(jì)思路是通過正壓和背壓的相互交替作用，模擬地層裂縫的“呼吸效應(yīng)”，達(dá)到裂縫動態(tài)變化的效果，其主要目的是讓整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)地反映地層漏失狀態(tài)，較常規(guī)固定裂縫寬度的儀器試驗(yàn)結(jié)果顯得更具科學(xué)性。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

圖1是模擬地層裂縫大小隨井內(nèi)液柱壓力動態(tài)變化的新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀結(jié)構(gòu)圖，該評價(jià)儀主要由傳動裝置、供壓裝置、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和計(jì)量裝置組成。

圖1 新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀結(jié)構(gòu)Fig .1 Structural of dynamic crack sealing device

傳動裝置由錐塞、連桿、活塞組成，上部錐塞位于漏失腔體內(nèi)，通過能夠上下運(yùn)動的連桿將活塞伸入到驅(qū)動腔體中。供壓裝置由氮?dú)庠础⒄{(diào)壓閥、壓力表組成，壓力源通過驅(qū)動壓入口輸入至驅(qū)動腔體，作為活塞向上運(yùn)動的驅(qū)動壓，模擬地層破裂壓力，壓力源經(jīng)由測試壓力閥和節(jié)流器聯(lián)通堵漏漿腔體，模擬液柱壓力。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即螺桿，上端位于驅(qū)動腔體中，在供壓裝置未供壓情況下與傳動機(jī)構(gòu)的活塞下部接觸，通過調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動行程的下限模擬尖劈裂縫喉道最大間隙，獲得裂縫張開后的最大環(huán)形漏隙。計(jì)量裝置，即量筒，測量由漏失腔體的漏失液出口流出的液體體積。

1.2 工作原理

1) 水力尖劈裂縫封堵原理。如圖2所示，當(dāng)井內(nèi)液柱壓力p1大于地層破裂壓力p0時(shí)，發(fā)生水力尖劈裂縫，如果堵漏材料封堵良好，則封堵材料后面的縫尖處壓力p2因液柱壓力無法補(bǔ)充而降低。當(dāng)p2

圖2 水力尖劈裂縫封堵示意圖Fig .2 Schematic diagram of hydraulic fracture sealing wedge

2) 新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀工作原理。當(dāng)堵漏漿腔體壓力大于驅(qū)動腔體壓力時(shí)，聯(lián)動機(jī)構(gòu)在壓差作用下向下運(yùn)動，環(huán)形漏隙打開；漏漿后，壓差變小，聯(lián)動機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動，漏失縫寬變窄；變窄后壓差變大，聯(lián)動機(jī)構(gòu)又向下運(yùn)動，環(huán)形漏隙如此“一張一合”直至堵漏漿完全堵住或完全漏完。如果堵漏漿的堵漏效果好，則堵漏漿腔體和漏失腔體的壓差大，漏失量少；反之，則壓差為零，漿體全部漏失。

一方面，從消費(fèi)市場看，無論是音樂網(wǎng)絡(luò)用戶的人數(shù)，還是觀看音樂會的次數(shù)，以及購買相關(guān)音樂產(chǎn)品的數(shù)量，自2012年以來，持續(xù)穩(wěn)定上漲。同時(shí)，隨人們物質(zhì)生活的提高，人們更愿意在音樂產(chǎn)品上進(jìn)行投資。據(jù)2017年中國音樂產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2016年音樂付費(fèi)人數(shù)比2012年增長三倍，逐步為該新型產(chǎn)業(yè)注入新的動力。另一方面，從音樂產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的發(fā)展?fàn)顩r看，2017年阿里巴巴完成對大麥網(wǎng)和蝦米音樂的收購、網(wǎng)易音樂完成新一輪的融資、騰訊音樂獲得全球音樂的獨(dú)家版權(quán)等，充分說明音樂產(chǎn)業(yè)自身未來良好的發(fā)展前景，而且促進(jìn)多產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。

1.3 試驗(yàn)程序

1) 水力尖劈裂縫喉道設(shè)定。根據(jù)測試要求的最大環(huán)形漏隙調(diào)動來調(diào)節(jié)聯(lián)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動行程的下限，通常設(shè)定漏漿縫寬為0.5～1.0 mm。

2) 灌漿。斷開測試壓力閥，調(diào)節(jié)供壓裝置，模擬破裂壓力為1 MPa，使聯(lián)動機(jī)構(gòu)在驅(qū)動壓的作用下向上運(yùn)動，漏隙寬度為零；將堵漏漿腔體的上蓋卸下，注入堵漏漿后安裝上蓋。

3) 測試。接通測試壓力閥，使來自供壓裝置的測試壓在節(jié)流器的限速作用下逐漸輸入至堵漏漿腔體中，模擬液柱壓力。逐漸加大液柱壓力，分別測試相同體積的堵漏漿在不同縫寬下的壓差。

2 水力尖劈裂縫堵漏固井材料優(yōu)選

水泥漿中常用的顆粒狀堵漏材料有硬瀝青、珍珠巖、核桃殼、炭黑，薄片狀堵漏材料有賽珞玢，纖維狀堵漏材料有尼龍(短纖維)。但是，在實(shí)際使用時(shí)存在各種問題，如使用硬瀝青時(shí)井下溫度不能超過100 ℃，而使用核桃殼類材料容易造成套管內(nèi)堵塞等[7]。隨著水泥漿漏失控制技術(shù)的發(fā)展，長纖維作為水泥漿堵漏材料逐漸嶄露頭角，并已大量應(yīng)用于現(xiàn)場。常規(guī)的水泥漿通過與長纖維混合形成堵漏水泥漿體系[8-9]。該體系有以下特點(diǎn)：①在漏失地層中，長纖維有利于形成一種惰性纖維網(wǎng)狀物，使循環(huán)恢復(fù)正常；在井底的裂縫處形成網(wǎng)狀橋堵，有助于產(chǎn)生所需的濾網(wǎng)和相應(yīng)濾餅；②纖維水泥漿適用于所有溫度和水泥漿密度條件，與所有水泥漿添加劑和大多數(shù)水泥漿配方配伍；③長纖維屬于惰性材料，在混漿槽中將纖維材料連續(xù)地添加到水泥漿中，容易分散，不會堵塞泥漿槽和流通管線[10]。

通過新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀的反復(fù)模擬測試，優(yōu)選出白色集束型纖維B62和顆粒級配堵漏材料B69。B62和B69封堵能力見表1，推薦加量:B62為0.4%～0.5%(BWOC)，B69為 2%～3%(BWOC)。

表1 堵漏材料B62和B69的動態(tài)裂縫堵漏效果Table 1 Dynamic crack plugging effect of B62 and B69 in lost circulation material

注:試驗(yàn)溫度90 ℃，水泥漿密度2.20 g/cm3，基本配方為鉆井水+API G級水泥+0.5%消泡劑+6%降失水劑+1%分散劑+1.7%緩凝劑+90%加重材料+35%硅粉。

由表1可以看出：混有B62和B69的堵漏水泥漿體系能有效封堵1.0 mm以下的動態(tài)裂縫，使得井筒承壓能提高6.5 MPa以上。這是由于B62纖維材料類似于混凝土中的“鋼筋”，其均勻分散到水泥漿中，具有較好的支撐和構(gòu)架作用；同時(shí)水泥顆粒及堵漏材料B69被纖維所纏繞，進(jìn)一步提升了漿體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)力。另外，堵漏材料B62是由30～80目不同尺寸的顆粒材料組成，級配的顆粒能夠較好地封堵裂縫根部，通過封堵水力尖劈裂縫的根部達(dá)到提高地層承壓的目的，與傳統(tǒng)的堵漏材料相比，不易堵塞窄環(huán)空，不易從裂縫中反吐，堵漏效果更可靠，有利于窄安全壓力窗口的泥砂巖地層固井。

3 應(yīng)用效果

中國南海鶯瓊盆地A井設(shè)計(jì)井深3 975 m，主要目的層壓力系數(shù)為2.19～2.22，井底靜止溫度158℃，采用“φ762.00 mm套管+φ508.00 mm套管+φ355.60 mm套管+φ298.45 mm尾管+φ273.05 mm×φ250.83 mm復(fù)合套管+φ177.80 mm備用尾管+φ149.23mm備用井眼”的井身結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中φ273.05mm×φ250.83 mm復(fù)合套管井段與上層φ298.45 mm尾管重疊段長726 m，底部壓力系數(shù)2.04。該井段壓力窗口當(dāng)量密度僅為0.18 g/cm3，套管下入后排量循環(huán)失返0.29 m3/min。

圖3 南海鶯瓊盆地A井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig .3 Schematic diagram of Well A depth structure in Yingqiong basin,South China Sea

選取密度為2.2 g/cm3的水泥漿作為基本配方，在溫度90 ℃及不同壓力調(diào)節(jié)下利用本文研發(fā)的新型動態(tài)堵漏評價(jià)儀測定不同品種堵漏材料對裂縫堵漏的效果，優(yōu)選出堵漏材料B69、B62。堵漏材料B69與硅粉、水泥一起干混，B62在注水泥時(shí)邊混邊泵；使用一體式扶正器，提高套管居中度；控制下套管速度，防止惡性漏失；套管雙膠塞固井，泵入高效油基沖洗液和隔離液，低速混注水泥漿。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：堵漏水泥漿出套管管鞋前漏失速度為7.15 m3/h；1.3 m3堵漏水泥漿出套管管鞋后漏失停止；膠塞碰壓前泵壓為6.05 MPa，與設(shè)計(jì)值6.10 MPa基本一致，水泥漿返至設(shè)計(jì)位置。固井后，地漏試驗(yàn)當(dāng)量密度為2.27 g/cm3，與地質(zhì)預(yù)測一致；環(huán)空套壓為零；試壓7 MPa條件下，環(huán)空液柱壓力超出上層管鞋漏失壓力3.5 MPa，穩(wěn)壓不漏，環(huán)空水泥封固質(zhì)量良好。

隨后該技術(shù)推廣應(yīng)用到南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井作業(yè)中，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題。

4 結(jié)論

1) 研發(fā)了一種新型動態(tài)裂縫堵漏評價(jià)儀，該評價(jià)儀可有效評價(jià)堵漏水泥漿在水力尖劈裂縫寬度動態(tài)變化下的堵漏能力。依托該評價(jià)儀優(yōu)選了復(fù)合堵漏材料B62和B69及配套固井工藝，成功解決了中國南海鶯瓊盆地高溫高壓、非常規(guī)套管結(jié)構(gòu)井固井水泥漿漏失失返的問題。

2) 本文研究成果已在南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井中取得成功應(yīng)用，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯：孫豐成)

Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing

LUO Yuwei ZHU Jianglin XIONG Shaochun AI Wuchang CHEN Liang XIAO Wei WANG Jinxing

(COSLOilfieldChemicalsDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

High temperature and high pressure (HTHP) wells with an unconventional casing program have a small annulus and a narrow safety window, and are likely to incur lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing. Conventional fractural lost-circulation evaluation apparatus could not simulate the real downhole conditions, therefore the LCMs selected will not satisfactorily prevent the lost-circulation in many cases. A new dynamic fractural lost-circulation evaluation apparatus was developed, with which suitable LCMs were selected and applied together with the corresponding cementing technology in HTHP wells with an unconventional casing program in Yingqiong basin of South China Sea successfully. The above technology has been applied in over 10 wells including HTHP wells, deep water wells in South China Sea, and ultra-deep wells in East China Sea. It effectively solved the hydraulic fractural lost-circulation problem in wells with narrow safety windows and has good potential for dissemination.

narrow safety window; hydraulic fracture; lost-circulation; dynamic fractural lost circulation apparatus; LCMs; cementing

羅宇維，男，教授級高級工程師，中國海洋石油總公司鉆完井專家， 2003年畢業(yè)于原江漢石油學(xué)院，現(xiàn)為中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部總工程師，主要從事固井工藝技術(shù)研究和現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)支持。地址：河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)行宮西大街中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部(郵編：065201)。E-mail：luoyw@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0057-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.009

TE256+.1

A

羅宇維,朱江林,熊紹春，等.水力尖劈裂縫堵漏固井技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：57-60.

LUO Yuwei,ZHU Jianglin,XIONG Shaochun,et al.Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):57-60.