中國(guó)南海某深水井提高地層承壓能力實(shí)踐

吳旭東+袁俊亮

摘 要：影響地層承壓能力的因素主要有天然因素和工程因素兩方面，在天然因素不可控的情況下，通過(guò)研發(fā)新式鉆井液堵漏材料并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出適用于不同巖性地層的封堵材料。根據(jù)中國(guó)南海某深水井的地質(zhì)特點(diǎn)，依次介紹了STP、STRH、VANGUARD等堵漏劑的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)。結(jié)合該深水的鉆井實(shí)踐，闡述了深水鉆井液體系防漏堵漏以及提高地層承壓能力的成果，對(duì)后期深水油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的降本增效具有較大意義。

關(guān)鍵詞：深水鉆井；地層承壓能力；鉆井液體系

中圖分類號(hào)：TE242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0009-02

深水鉆井工程中，井漏一直是制約鉆井安全高效進(jìn)行的主要瓶頸。由于受到千米水深的影響，淺部地層（指泥面以下1/2水深的地層）破裂壓力低，井漏風(fēng)險(xiǎn)大。每年處理井漏復(fù)雜情況帶來(lái)的鉆井液和鉆機(jī)日費(fèi)損失高達(dá)數(shù)億美元[1]。與溶洞性地層的大規(guī)模漏失不同，深水淺層的井漏通常是由井筒內(nèi)裂縫擴(kuò)展延伸引起的，假如不及時(shí)抑制裂縫發(fā)展，當(dāng)裂縫尖端突破井眼周圍一定范圍后裂縫將迅速擴(kuò)展。隨著深水井逐漸面臨高溫高壓以及鉆定向井等難題，安全密度窗口也將越來(lái)越狹窄，因此先期提高地層承壓能力，通過(guò)工程手段拓展安全密度窗口歷來(lái)是學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[2，3]。作者通過(guò)分析影響地層承壓能力的因素，圍繞鉆井液封堵劑優(yōu)選問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究。

1 影響地層承壓能力的因素

影響地層承壓能力的因素較多，根據(jù)天然因素和人工因素區(qū)分。其中的天然因素難以通過(guò)人為改變，提高地層承壓能力主要是通過(guò)調(diào)整工程因素。目前提高承壓能力的方法主要是在鉆進(jìn)薄弱地層前，在鉆井液當(dāng)中添加恰當(dāng)?shù)亩侣┎牧?，將薄弱層承壓能力提高到某一程度?lái)滿足下部地層鉆進(jìn)。當(dāng)前的研究主要關(guān)注堵漏材料的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，立足于鉆井液體系中封堵材料的效果，通過(guò)復(fù)配不同性質(zhì)、不同形狀和粒徑的封堵劑，實(shí)現(xiàn)防漏堵漏的目的。

針對(duì)不同影響因素，國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高地層承壓能力的力學(xué)機(jī)理比較有代表性的有“封尾（Tip Screenout）理論”“應(yīng)力籠（Stress Cage）理論”“裂縫閉合應(yīng)力理論（FCS）”[4，5]，Guh等針對(duì)鉆井液在裂縫尖端濾失特性進(jìn)行了研究[6]，提出“封尾”作用機(jī)理，認(rèn)為封堵材料位于裂縫尾部效果最好，但該方法所需參數(shù)難以獲??；Dupriest等提出的“裂縫閉合應(yīng)力”理論認(rèn)為[7]，簡(jiǎn)單的封堵不能有效提高承壓能力，還應(yīng)提高裂縫閉合應(yīng)力，防止裂縫重啟。

目前對(duì)提高承壓能力機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處于模糊地帶，所建立的數(shù)值模型及半解析模型僅適用于定性分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐難以證實(shí)理論的正確性。在目前較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是，依靠鉆井液技術(shù)，選擇合理的堵漏材料加入鉆井液體系中，才是實(shí)現(xiàn)裂縫防漏堵漏的有效手段，王貴對(duì)地層提高承壓能力的鉆井液堵漏機(jī)理進(jìn)行了深入研究[8]，本研究圍繞幾類新型堵漏材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究。

2 鉆井液方法提高承壓能力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

鉆井液技術(shù)提高地層承壓能力的主流方法是物理封堵法，其次是化學(xué)方法。物理封堵法無(wú)論在孔隙性漏失、裂縫性漏失還是孔洞性漏失的情況下，都能夠起到提高承壓能力和減緩漏失的作用，是目前使用最為廣泛的承壓堵漏技術(shù)。物流封堵的作用機(jī)理大同小異，通常包括以下幾種原理：架橋、填充、滲濾、拉筋串聯(lián)、吸水膨脹原理，典型材料主要包括：核桃殼、橡膠粒等顆粒、有蛙石、云母片等片狀、鋸末、石棉等纖維等。

2.1 STP高失水堵漏劑室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

STP高失水堵漏劑由四種材料（封堵材料A、架橋材料B、纖維材料C、固化劑D）構(gòu)成。其堵漏機(jī)理如下：封堵材料A和架橋材料B等固相顆粒粒徑小，容易進(jìn)入不同尺寸大小的漏失空間內(nèi)，在壓差作用下濾液迅速濾失，固相顆粒堆積聚集在裂縫內(nèi)部及裂縫表面，分別形成“薄”而“韌”的內(nèi)外濾餅，實(shí)現(xiàn)減緩漏失的目的，纖維材料C加強(qiáng)泥餅的結(jié)構(gòu)性和韌性，固化劑D負(fù)責(zé)增強(qiáng)粘結(jié)性，在整個(gè)過(guò)程中濾餅逐步壓實(shí)，由于有高失水性，濾餅中的微孔結(jié)構(gòu)滲透性高，具備透氣透水卻不透泥漿的能力[9]。

將四種材料封堵材料、架橋材料、纖維材料、固化劑按不同比例復(fù)配后，分別通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的穩(wěn)定性、濾失性、酸溶率等性能：

（1）穩(wěn)定性：懸浮穩(wěn)定性的測(cè)定采用100ml量筒將配置好的高失水固化堵漏漿裝至100ml刻度線，靜止1Min后讀出漿液中固相物質(zhì)沉降量，其百分比為懸浮穩(wěn)定性值。一般要求堵劑液懸浮穩(wěn)定性大于90%即能滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝要求。

（2）濾失性：快速失水和高濾失量是STP封堵劑的特性，測(cè)試方法按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5621-93“鉆井液測(cè)試程序”中濾失量的測(cè)試方法進(jìn)行，由于失水速度快，30s內(nèi)即濾失完畢，按照7分半時(shí)間評(píng)價(jià)濾失量并不合理，因此實(shí)驗(yàn)階段直接讀取濾失完畢時(shí)間和相應(yīng)的濾失量，結(jié)果如表1所示：

（3）酸溶率：濾餅酸溶率高是該堵漏劑的優(yōu)勢(shì)之一，研究過(guò)程中采用“SY-T5559-92鉆井液用處理劑通用實(shí)驗(yàn)方法”中酸不溶物的測(cè)定方法，可見(jiàn)酸溶率普遍高于80%，當(dāng)堵漏漿濃度為40%時(shí)，酸溶率可達(dá)90%以上。

匯總以上材料配比及評(píng)價(jià)指標(biāo)得出，配方為60%封堵材料+15%架橋材料+10%纖維材料+15%固化劑體系的封堵效果最佳。

2.2 STRH復(fù)合堵漏劑評(píng)價(jià)

使用STRH堵漏劑加入到HEM體系中配制成鉆井液，使用高溫高壓動(dòng)態(tài)堵漏儀評(píng)價(jià)堵漏漿的承壓效果，結(jié)果表明：加入3%的STRH后HEM體系的承壓封堵能力顯著提高，如圖2所示。砂盤封堵實(shí)同樣說(shuō)明加入3%STRH后封堵效果良好。

2.3 化學(xué)方法提高承壓能力技術(shù)

化學(xué)方法提高承壓能力主要是利用各種聚合物自身、聚合物之間交聯(lián)等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫孔洞進(jìn)行封堵，該類堵漏方式主要有井下聚合堵漏技術(shù)及特種凝膠尾追水泥堵漏技術(shù)。

井下聚合堵漏技術(shù)是利用高分子材料和交聯(lián)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定的彈性，并且能夠牢牢地粘在巖石壁面上而堵塞漏失通道，從而達(dá)到封堵漏層提高承壓能力的目的。在封堵漏層的時(shí)候，可通過(guò)交聯(lián)劑的濃度控制堵漏漿的粘度、初始固化形成凝膠的時(shí)間和形成凝膠的強(qiáng)度，因而不會(huì)出現(xiàn)固化過(guò)早或是過(guò)晚的情況。高分子材料體系在常溫下反應(yīng)十分緩慢，因而具有很強(qiáng)的可泵性，一旦出鉆具與交聯(lián)劑作用便開(kāi)始成膠，既保證了施工安全，又避免了堵劑漏入地層太遠(yuǎn)而降低其濃度，此后體系聚合作用逐漸加強(qiáng)。在堵漏提壓施工過(guò)程中，可根據(jù)漏失速率、漏失層位等情況控制交聯(lián)劑的濃度和成膠的時(shí)間，這樣就能保證凝膠的封堵效果。

特種凝膠尾追水泥堵漏技術(shù)是利用凝膠堵漏劑良好的剪切稀釋性能、不與油氣水相混，并且很容易在孔喉中形成凝膠體，能阻止水泥漿被沖稀、流走等特性來(lái)進(jìn)行封堵裂縫。特種凝膠在高剪切速率下剪切變稀，可保證凝膠體順利被泵送和通過(guò)鉆頭，而在低剪切速率下由于分子間締合連接，粘度可高達(dá)1×104～3×104mPa.s，容易停留在裂縫中固化形成高粘度的凝膠體，并具有一定的強(qiáng)度，提高地層承壓能力的，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：推動(dòng)該凝膠體需要一定的啟動(dòng)壓力，因而，特種凝膠堵漏劑不會(huì)被地層流體沖稀，可避免凝膠后尾追水泥漿被地層流體沖稀而不能固化等問(wèn)題。

3 中國(guó)南海某深水鉆井作業(yè)實(shí)踐

某1深水井水深990m，12-1/4“井段完鉆后井底靜態(tài)當(dāng)量密度為1.82g/cm3，在下入9-5/8”套管過(guò)程中發(fā)生活動(dòng)池液面下降，漏速6方/小時(shí)，停泵測(cè)量靜態(tài)漏速8方/小時(shí)。采取關(guān)閉上萬(wàn)能防噴器，啟用增壓泵循環(huán)調(diào)整隔水管內(nèi)鉆井液，將密度調(diào)整至1.76g/cm3，同時(shí)鉆井液體系中添加2%PF-STRH與3%PF-QWY，靜止觀察環(huán)空液面，測(cè)漏速由4.4方/小時(shí)降低至0.4方/小時(shí)，緩慢開(kāi)泵送套管到位，最終順利固井。

處于同一沉積盆地的某2深水井屬超深水井（水深1695m），鉆前設(shè)計(jì)20“套管下至泥面以下410m，預(yù)測(cè)管鞋承壓能力為1.13g/cm3；13-3/8”套管入泥深度630m，預(yù)測(cè)管鞋承壓能力為1.16g/cm3，井漏風(fēng)險(xiǎn)與窄壓力窗口風(fēng)險(xiǎn)極高。鉆前優(yōu)選泥漿堵漏劑——PF-STRH與VANGUARD，鉆井過(guò)程全井段無(wú)漏失情況發(fā)生，下套管過(guò)程順利，綜合目前該盆地深水井及超深水井鉆井防漏經(jīng)驗(yàn)，推薦不同漏失風(fēng)險(xiǎn)下堵漏材料的配方如表2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)中國(guó)南海深水區(qū)淺部地層經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不劇

烈，天然裂縫發(fā)育程度不高，深水/超深水鉆井的漏失風(fēng)險(xiǎn)在于淺部砂巖地層，提高地層承壓能力重點(diǎn)也在于防止砂巖滲漏和產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫。

（2）地層承壓能力取決于天然因素與工程因素兩大方面，其中工程因素是唯一的可變量，現(xiàn)有提高承壓能力的方法主要是復(fù)配不同粒徑與形狀的堵漏材料比例。

（3）中國(guó)南海某深水鉆井實(shí)踐體現(xiàn)深水高溫高壓HEM體系復(fù)配2%的STRH和VANGUARD具有較好的提高承壓能力效果。

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