奧陶系灰?guī)r地層放空段堵漏技術(shù)

王偉志， 劉金華， 李大奇， 王西江， 汪 露

(1.中國石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 輪臺 841600； 2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

漏失是影響鉆井安全和鉆進(jìn)速度的一個重要因素，處理不當(dāng)會造成巨大的損失。奧陶系灰?guī)r地層溶洞發(fā)育，鉆進(jìn)過程中發(fā)生放空性漏失的可能性較大。由于放空井段長，漏失通道尺寸大，單獨的橋接堵漏材料難以在漏失通道內(nèi)架橋，不能有效封堵該類漏失層。最有效的辦法就是利用固結(jié)類堵漏方法或者利用工具類堵漏方法[1-6]。目前，適用于深部高溫漏失層的堵漏工具少，也鮮有應(yīng)用報道；利用固結(jié)類方法封堵深部奧陶系灰?guī)r地層放空段的成功案例也不多，需要進(jìn)一步深入研究。

1 托普187井奧陶系灰?guī)r地層漏失情況

1.1 井況介紹

該井為五開制水平井，漏失井段為五開井段，巖性為奧陶系灰?guī)r，漏失時井身結(jié)構(gòu)如下：二開9in(1 in=25.4 mm，下同)套管下深0～5529.8 m，三開8in套管下深5529.8～5665.59 m，四開5in套管下深5665.59～6252.76 m，五開鉆頭尺寸為4in。

1.2 漏失及前期堵漏過程

托普187井鉆進(jìn)至6328.88 m發(fā)現(xiàn)漏失，漏速2.1 m3/h，鉆井液密度1.32 g/cm3，定向鉆至井深6332.43 m，放空0.98 m，井內(nèi)失返，環(huán)空液面825 m。起鉆更換常規(guī)鉆具強鉆至6334.51 m。強鉆前下鉆至3300 m井口開始返漿，靜止觀察30 min，液面在井口，循環(huán)一周，漏速2.8 m3/h；下鉆至6323 m，循環(huán)，漏速3.12 m3/h；沖劃至井深6329.45 m，失返，泵壓由14 MPa降至8 MPa，繼續(xù)沖劃至井深6333.41 m，期間井口不返漿，且扭矩逐漸增大，沖劃到底后，上提懸重增加20 t。

沖劃到底充分循環(huán)后，起鉆，下光鉆桿進(jìn)行橋接堵漏。配制橋接堵漏漿45 m3，配方：鉆井液+4%超細(xì)碳酸鈣(填充)+1%坂土粉(懸浮)+4%SQD-98(細(xì))(纖維拉筋、填充)+2%SQD-98(中)(纖維拉筋、填充)+2%SQD-98(粗)(纖維拉筋、填充)+4%CXD(細(xì))(纖維拉筋、填充)+3%隨鉆(填充)+3%核桃殼(細(xì))(架橋)+2%核桃殼(中)(架橋)+2%核桃殼(粗)(架橋)+1%云母(細(xì))(填充)。下鉆期間，環(huán)空液面最深1145 m，在6030 m泵入堵漏漿34.3 m3，替漿48 m3，井口未返漿，堵漏施工期間泵壓為0 MPa；繼續(xù)配制堵漏漿45 m3，堵漏施工前井內(nèi)環(huán)空液面806 m，泵入堵漏漿31 m3，替漿33.3 m，井口返漿，關(guān)封井器，泵入鉆井液13 m3，立壓由0上升至11 MPa，繼續(xù)泵入鉆井液21 m3，最高立壓15 MPa，停泵后降至6.1 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓力未降，開井泄壓返吐0.7 m3，再次關(guān)井，環(huán)空泵入2.5 m3，憋壓至6.2 MPa，穩(wěn)壓1 h，壓力未降，泄壓，返吐0.7 m3。下鉆至6149 m，循環(huán)，無漏失。下鉆至6320 m，后沖劃至6331 m，井口失返。

2 堵漏難點及思路

根據(jù)漏失層巖性及前期堵漏經(jīng)過，認(rèn)為該井堵漏存在如下難點。

(1)承壓要求高。漏失后環(huán)空液面最深1145 m，按鉆井液密度1.32 g/cm3計算，漏失壓差達(dá)14.8 MPa，普通橋接材料抗壓差難以滿足要求。

(2)對堵漏材料抗溫要求高。按地表溫度10.5 ℃、地溫梯度1.95 ℃/100 m計算，漏層處溫度在133 ℃左右，核桃殼等普通橋堵材料抗溫難以滿足要求，高溫下會炭化，強度下降，影響封堵效果。

(3)堵漏材料易沉積堵住小井眼。井眼尺寸較小(?120.65 mm)，井斜30°左右，堵漏材料易在斜井段堆積堵塞井眼，導(dǎo)致堵漏材料無法進(jìn)入地層，造成封堵成功的假象。

(4)井底有沉砂，處理不當(dāng)，堵漏材料無法進(jìn)入地層，難以成功封堵住漏失層。漏失后，強鉆施工前井內(nèi)液面可達(dá)井口，說明井底沉砂已經(jīng)將漏失通道封堵住，造成不漏的假象，沖劃至井底后，漏層再次暴露，井內(nèi)再次失返。

針對該井存在的上述堵漏難點，提出了針對性的堵漏思路：(1)利用強滯留、高強度、抗高溫的堵漏材料封堵漏失通道，提高高溫下形成的封堵層的持續(xù)承壓能力，保證堵漏成功；(2)由于井眼小，并且已經(jīng)進(jìn)入造斜段，為防止堵漏材料沉積架橋，采用固結(jié)類堵漏方法封堵漏失層，避免顆粒在斜井眼內(nèi)堆積，堵漏材料不能進(jìn)入漏失層進(jìn)行有效封堵；(3)為避免沉砂封堵漏失通道，影響堵漏漿的封堵效果，再強鉆5～10 m，留足沉砂口袋，保證堵漏漿進(jìn)入漏失通道，提高堵漏成功率。

3 放空段漏失層堵漏技術(shù)

3.1 放空段漏失及封堵機理

根據(jù)漏失發(fā)生的三要素(壓差、漏失通道和儲集空間)，對放空段漏失層的漏失機理進(jìn)行分析。放空段本身既是漏失通道，為井筒流體向地層漏失提供漏失途徑，又是儲集空間，可以容納足夠量的井筒流體。在這種情況下，只要井筒液柱壓力大于地層壓力，即P井>P地，就會發(fā)生漏失，如果井筒流體不能填滿放空段連通的空間，就會一直發(fā)生漏失；即使井筒內(nèi)流體填滿放空段連通的空間，還需要儲集空間內(nèi)的壓力足以支撐井筒液柱壓力和循環(huán)壓耗之和，漏失才會消除，如果儲集空間在較高壓力下繼續(xù)擴大或連通更大的儲集空間，則漏失還會繼續(xù)發(fā)生(如圖1所示)。針對放空段漏失層，需要通過堵漏在近井壁的漏失通道內(nèi)建立起封堵層，封堵層的承壓能力能夠大于井筒壓力和地層壓力之差，才能滿足正常鉆進(jìn)的要求，即P封>P井-P地，封堵層能夠承受井筒壓力和地層壓力的差值，隔斷井筒和地層，保證鉆井液不會繼續(xù)向地層漏失(如圖2所示)。

圖1放空段漏失示意圖圖2放空段封堵示意圖

針對放空段漏失層，由于放空段空間尺寸遠(yuǎn)大于橋接堵漏顆粒材料的粒徑，利用顆粒架橋在放空段漏失通道內(nèi)架橋封堵漏失層可能性較小。橋接堵漏技術(shù)需要顆粒材料在漏失通道內(nèi)“架橋”后才能達(dá)到理想的堵漏效果。Abrams提出的“1/3架橋規(guī)則”認(rèn)為：橋堵顆粒的平均粒徑應(yīng)等于或略大于地層平均孔喉尺寸的1/3。羅平亞、羅向東等人在“1/3架橋規(guī)則”基礎(chǔ)上提出的“2/3架橋規(guī)則”認(rèn)為：橋堵顆粒的平均粒徑應(yīng)為地層平均孔喉尺寸的1/2～2/3[7-8]。由于放空井段一般較長，可能在1 m以上，按照現(xiàn)行的“1/3架橋規(guī)則”或“2/3架橋規(guī)則”，最大顆粒材料的粒徑需要達(dá)到0.33或0.66 m才能形成“架橋”進(jìn)而封堵住漏失層，受井筒和井內(nèi)鉆具水眼尺寸的限制，這么大粒徑的材料是不可能輸送至井下漏失層，因此，橋接材料封堵放空段漏失層是不現(xiàn)實的。

針對大的放空段漏失層，最有效的辦法就是利用固結(jié)類堵漏材料或者利用工具類堵漏方法。固結(jié)類材料不受漏失通道尺寸的限制，可以封堵任意尺寸的漏失通道，前提是固結(jié)堵漏漿必須在漏失通道內(nèi)滯留，在不被地層流體稀釋或被稀釋但不明顯影響固結(jié)漿性能的情況下，失去流動能力、稠化，最后固結(jié)成封堵層。利用工具類堵漏工具時，需要強鉆一定的深度，將漏失層完全暴露，然后下入膨脹管或者提前下入技術(shù)套管等工具，封隔漏失層后繼續(xù)鉆進(jìn)。利用固結(jié)類方法封堵漏失層時，只要封堵成功，鉆井施工會按原計劃繼續(xù)執(zhí)行。利用工具類方法封堵漏失層時，如果用膨脹管，需要擴孔來滿足堵漏施工要求，增加額外的工作量；如果提前下去技術(shù)套管，得重新調(diào)整井身結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的鉆具組合、套管等都要重新調(diào)整，鉆井施工不能按原計劃執(zhí)行。對于放空段漏失層的封堵，現(xiàn)場還是盡量采用堵漏手段來解決，以滿足繼續(xù)鉆進(jìn)的要求，堵漏無效的情況下才會考慮工具手段。

3.2 化學(xué)固結(jié)堵漏技術(shù)

利用固結(jié)類堵漏技術(shù)封堵放空段漏失層時，封堵成功的關(guān)鍵因素之一就是滯留，堵漏漿只有滯留在放空段的近井壁處，才有可能在漏失通道內(nèi)有效稠化、固結(jié)，進(jìn)而形成封堵層。提高堵漏漿滯留能力可以通過以下4種方法實現(xiàn)：(1)利用堵漏漿與地層之間的相互作用，如電性吸附、極性吸附等，提高流動阻力；(2)調(diào)整堵漏漿密度，使之更接近地層壓力，減少堵漏漿向漏失層內(nèi)部流動；(3)控制堵漏漿稠化時間，堵漏漿進(jìn)入堵漏通道后能夠立刻固結(jié)并形成封堵層；(4)調(diào)整堵漏漿的粘度，加大流動阻力，堵漏漿進(jìn)入漏失通道后，很高的粘度能夠克服重力、密度差等因素引起的流動慣性，阻止堵漏漿持續(xù)向漏失通道深部流動，使堵漏漿滯留在近井壁地帶。第一種方法可以通過調(diào)整堵漏漿的組分來實現(xiàn)，第二種方法可以通過控制密度來實現(xiàn)，這兩種方法相對較容易實現(xiàn)。第三種方法需要嚴(yán)格控制堵漏漿的稠化時間來達(dá)到較好的封堵效果，稠化時間控制短了，在未進(jìn)入漏失通道之前就稠化，導(dǎo)致后面的堵漏漿不能進(jìn)入漏失通道，堵漏效果不好，如果在泵送過程中未出鉆具就稠化，則會造成“灌香腸”事故；如果控制的稠化時間長了，會流向地層深處，不能在近井壁附近稠化，形不成有效封堵層，堵漏效果也不好。第四種方法可以通過調(diào)整堵漏漿的性能來實現(xiàn)，堵漏漿粘度高有利于滯留，但是過高的粘度會影響泵送，現(xiàn)場施工難度大。

化學(xué)固結(jié)堵漏技術(shù)具有滯留能力強、密度可調(diào)的特點，所用的化學(xué)固結(jié)堵漏漿由復(fù)合材料化學(xué)固結(jié)堵漏劑配制而成，化學(xué)固結(jié)堵漏漿配方為：水+150%～230%化學(xué)固結(jié)堵漏劑?；瘜W(xué)固結(jié)堵漏劑是一種可固結(jié)的堵漏材料，由帶正電的粘結(jié)劑、控制流型的調(diào)控劑、提高強度的凝固劑、控制稠化時間的引發(fā)劑和控制密度的調(diào)節(jié)劑組成。粘結(jié)劑能夠與漏失通道表面的負(fù)電荷產(chǎn)生電性吸附，便于堵漏漿在漏失通道內(nèi)的滯留；流型調(diào)控劑可提高堵漏漿的觸變性能，流動狀態(tài)下粘度較低，靜止?fàn)顟B(tài)下能夠快速形成結(jié)構(gòu)，很快失去流動能力，滯留在漏失通道內(nèi)；凝固劑在發(fā)生反應(yīng)后可形成高強度結(jié)構(gòu)體，提高固結(jié)物的強度；引發(fā)劑用于控制凝固劑反應(yīng)時間，防止提前固化，保證施工安全；密度調(diào)節(jié)劑控制堵漏漿的密度接近于井筒內(nèi)鉆井液的密度，防止發(fā)生嚴(yán)重“竄槽”現(xiàn)象，影響封堵效果。

模擬漏失地層溫度、壓力條件，利用相關(guān)儀器，評價了化學(xué)固結(jié)堵漏漿的稠化、強度和膨脹等三方面的性能，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.2.1 稠化時間

堵漏漿在泵送過程中或泵送到位后未被憋擠到漏失層前發(fā)生稠化，就會發(fā)生“灌香腸”或“插旗桿”的事故。利用增壓稠化儀，模擬不同井深條件下漏失地層的壓力、溫度及堵漏漿泵送時間，測試了不同密度條件下的化學(xué)固結(jié)堵漏漿的稠化時間，測試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，稠化時間在1～8 h，能夠滿足不同深度漏失地層安全堵漏施工的要求。

表1 化學(xué)固結(jié)堵漏漿稠化時間

3.2.2 強度

化學(xué)固結(jié)堵漏漿固化后形成的封堵層強度足夠高，才能承受井筒液柱壓力和漏失地層壓力兩者之差，達(dá)到封堵漏失層的要求。將化學(xué)固結(jié)堵漏漿放入增壓養(yǎng)護釜，在100 ℃×25 MPa條件下養(yǎng)護，取出后測試形成的固結(jié)物強度，強度變化如圖3所示。從圖3可以看出，固化物強度達(dá)到10 MPa只需要24 h，強度達(dá)到14 MPa需要36 h，強度達(dá)到17 MPa需要48 h，完全可以滿足高強度堵漏的要求。

圖3 固結(jié)物強度發(fā)展曲線

3.2.3 膨脹性能

固結(jié)漿有效封堵漏失層的一個控制因素是膨脹，固結(jié)漿固化后形成的封堵層具有膨脹性能，才能完全充填漏失通道，達(dá)到封堵住漏失層的目的，才能避免封堵層收縮而造成封堵不徹底、堵漏效果差的后果。用量桶量取配置好的化學(xué)固結(jié)漿150 cm3，倒入養(yǎng)護模塊中，放入90 ℃恒溫水浴中養(yǎng)護24 h，取出后，放入已知水體積的量杯中，量出固結(jié)物體積為155 cm3。通過計算可知，固結(jié)后固結(jié)漿體積膨脹了3.33%。

4 托普187井現(xiàn)場堵漏施工

托普187井鉆進(jìn)過程中發(fā)生放空后，為配合化學(xué)固結(jié)堵漏施工，強鉆了5.03 m留足沉砂口袋后進(jìn)行堵漏施工。共進(jìn)行了3次化學(xué)固結(jié)堵漏施工，才滿足了繼續(xù)鉆進(jìn)的要求。

第1次化學(xué)固結(jié)堵漏施工前，井內(nèi)環(huán)空液面深度768 m，下光鉆桿至5682 m，采用近平衡的堵漏施工工藝進(jìn)行堵漏施工，調(diào)配的化學(xué)固結(jié)堵漏漿按井底漏失層靜止溫度133 ℃測試的稠化時間為1.92 h，共注入井內(nèi)平均密度1.42 g/cm3的化學(xué)固結(jié)堵漏漿18.5 m3,候凝36 h后，環(huán)空液面深度916 m，灌滿循環(huán)不漏，探得塞面6266 m，沖劃至6322 m發(fā)生漏失，繼續(xù)沖劃至井底，漏速30 m3/h。

第2次化學(xué)固結(jié)堵漏施工采用“高舉高注”的施工工藝，調(diào)整堵漏鉆具下深至5538 m，堵漏施工時關(guān)閉封井器，以更好地控制化學(xué)固結(jié)堵漏漿進(jìn)入漏失層的量，達(dá)到較好的封堵效果。取井底靜態(tài)溫度133 ℃的90%，即119 ℃，進(jìn)行稠化實驗，調(diào)整的化學(xué)固結(jié)堵漏漿稠化時間1.85 h。注入井內(nèi)平均密度1.35 g/cm3的化學(xué)固結(jié)堵漏漿23 m3，替井漿52 m3，替漿期間，立壓最高達(dá)到12 MPa，套壓最高達(dá)到3.8 MPa，停泵后立壓為0 MPa，套壓為0.6 MPa，關(guān)井候凝24 h后，環(huán)空灌井漿21.1 m3，灌滿，循環(huán)不漏，下鉆沖劃至井底，漏速20 m3/h。

第3次化學(xué)固結(jié)堵漏施工繼續(xù)采用近平衡的堵漏施工工藝，調(diào)整堵漏鉆具下深至5260 m，按漏失層靜態(tài)溫度的85%即113 ℃，進(jìn)行稠化實驗，調(diào)配的化學(xué)固結(jié)漿稠化時間為1.7 h。共注入平均密度1.27 g/cm3的化學(xué)固結(jié)堵漏漿20 m3，返漿10.2 m3，候凝20 h后探得塞面6237 m，掃塞至原井深后，按正常排量11 L/s循環(huán)，漏速0.1～0.2 m3/min，滿足了繼續(xù)鉆進(jìn)的要求，后順利鉆至6680.5 m的目的層完鉆。

5 結(jié)論

(1)對于灰?guī)r放空段漏失層，橋接堵漏難以在漏失通道內(nèi)形成有效架橋，不能有效封堵漏失層,固結(jié)類堵漏可以在漏失通道內(nèi)固結(jié)充填漏失層，從而達(dá)到較好的封堵效果?；瘜W(xué)固結(jié)堵漏漿具有滯留能力強、密度可調(diào)、稠化時間可調(diào)、強度較高的特點，適用于放空段漏失層的堵漏施工。托普187井經(jīng)過3次化學(xué)固結(jié)堵漏，在放空段漏失通道內(nèi)形成了有效的封堵層，漏失速度由失返減少至0.1～0.2 m3/min，滿足了繼續(xù)鉆進(jìn)的要求。

(2)對于失返性的放空段漏失層，地層溫度遠(yuǎn)低于靜態(tài)溫度，用固結(jié)類方法堵漏時，要充分考慮溫度對稠化時間的影響，確保固結(jié)類堵漏漿能夠在設(shè)計時間內(nèi)在漏失通道內(nèi)稠化并固化，以有效封堵漏失層。

(3)針對放空段漏失層，應(yīng)繼續(xù)深化研究固結(jié)類堵漏方法，提高堵漏效率。針對固結(jié)類堵漏方法，需要優(yōu)化現(xiàn)場施工工藝，進(jìn)一步提高堵漏漿在漏失通道內(nèi)的滯留、固結(jié)、膨脹能力，提高堵漏成功率。

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