鉆井井下爆炸堵漏技術(shù)

王委 劉亞 許春田 陳小元 邵冬冬，3

1.中石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司；2.中石化華東石油工程公司工程技術(shù)公司；3.中國石化集團(tuán)江蘇油田博士后科研工作站

鉆井漏失廣泛存在于開發(fā)、地質(zhì)勘探、地?zé)峒懊簩託獾雀黝惥氖┕ぶ?，類型主要有滲透性、裂縫性、縫洞性、溶洞性、地下暗河及破裂性等漏失［1］。堵漏方法主要有靜止堵漏、隨鉆堵漏、高濾失漿堵漏、注水泥堵漏及化學(xué)凝膠堵漏等［2］。近年來，江蘇鉆井針對不同的漏失情況，先后開展了堵漏材料優(yōu)選、顆粒集配、專用堵漏工具等大量的研究工作［3-4］，但針對裂縫性的失返漏失井，由于堵漏方法有限，堵漏一次成功率仍然偏低，損失較大。根據(jù)對蘇北盆地2010—2015年漏失井統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致鉆井液失返的裂縫性漏失雖然只占總井?dāng)?shù)的14%，但處理時(shí)間卻占井漏處理總時(shí)間的80%以上。因此，針對裂縫性漏失，開展了鉆井井下爆炸堵漏技術(shù)的研究，通過專用工具在漏失井段爆炸擠壓漏失通道，使裂縫減小甚至閉合，同時(shí)工具內(nèi)裝有堵漏凝膠，起到封堵和加固井壁的作用，通過現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的堵漏效果。

1 井下爆炸堵漏技術(shù)

1.1 爆炸堵漏工具結(jié)構(gòu)及工作原理

爆炸堵漏工具也稱為爆炸堵漏注射器，主要由槍頭、傳爆管、導(dǎo)爆索、藥盒及固化膠盒等組成，如圖1所示。

圖1 爆炸堵漏注射器Fig.1 Explosive plugging syringe

在注射器的6個(gè)方位上開有座孔，各座孔內(nèi)設(shè)置注射筒，形成多相位井下注射器。下井前，各座孔間填裝一定量的炸藥，裝上帶有凝膠的注射筒，在注射器的中心孔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)爆索，將導(dǎo)爆索的一端與各座孔彈藥腔內(nèi)的炸藥連接，另一端引出到引爆控制器上。將注射器與鉆桿連接，當(dāng)下到井下預(yù)定位置時(shí)，通過鉆桿內(nèi)的液體給起爆器加壓或通過引爆控制器點(diǎn)燃導(dǎo)爆索，引爆各座孔彈藥腔內(nèi)的炸藥，帶有凝膠的注射筒射入地層，同時(shí)注射筒在壓力作用下破裂，內(nèi)部的凝膠流出，實(shí)現(xiàn)封堵漏失通道和鞏固井壁的目的，如圖2所示。

圖2 爆炸堵漏工作原理Fig.2 Explosive plugging principle

1.2 藥量確定及藥盒研制

由于井下環(huán)境復(fù)雜、惡劣，對炸藥的要求不同于普通配方，因此首先開展了炸藥配方研究，通過對常用各類炸藥性能比較分析，同時(shí)根據(jù)石油鉆井井下高溫、高壓等條件，對炸藥的感度、威力、猛度、殉爆、安定性等主要性能進(jìn)行優(yōu)選［5-7］，經(jīng)過優(yōu)選得出了主裝藥配方：一定比例的HMX+高氯酸鉀+氟橡膠+硬脂酸鈣。由于泥巖、硬質(zhì)泥巖、輝綠巖和玄武巖等地層的硬度不同，所需藥量、藥盒體積容量也有區(qū)別。通過藥盒的設(shè)計(jì)，研制出裝藥量分別為4.2 g、5 g、6 g及6.5 g的爆炸堵漏配套藥盒，該藥盒耐溫可達(dá)160 ℃，見圖 3。

圖3 藥盒結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of chemical box

為盡量模擬井下環(huán)境，制作地面試驗(yàn)靶，并對試驗(yàn)靶的材料、形狀、尺寸、強(qiáng)度等進(jìn)行研究，分別制作出環(huán)靶和單靶，見圖4，環(huán)靶抗壓強(qiáng)度40.5 MPa，不同材質(zhì)的單靶抗壓強(qiáng)度分別為38.5、50、70 MPa。

圖4 單靶和環(huán)靶發(fā)火試驗(yàn)Fig.4 Single-target and ring-target firing test

通過地面發(fā)火試驗(yàn)，優(yōu)選出針對不同地層硬度的藥盒藥量：4.5 g適用于硬質(zhì)泥巖地層的裂縫性漏失，6 g適用于玄武巖、輝綠巖等高硬度地層的裂縫性漏失。

1.3 注射筒及堵漏膠液配方優(yōu)選

為確保爆炸后井壁穩(wěn)定和封堵漏失通道，在爆炸的同時(shí)，向地層注入一定量的凝膠，該凝膠應(yīng)適應(yīng)井下高溫高壓條件，在注射筒進(jìn)入地層破裂后，凝膠接觸地層時(shí)，能迅速對井壁起到封固穩(wěn)定作用。根據(jù)井下堵漏注射器結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了注射筒，優(yōu)選鋁制軟管作為膠筒材料，如圖5所示。

圖5 注射筒Fig.5 Syringe

選用了常用的凝膠類ZND、CLG、PMN和無機(jī)硅酸鹽類膠結(jié)劑WJ-1、WJ-2和WJ-3作為堵漏膠液的膠結(jié)材料，與易漏層的巖屑（模擬漏失地層）開展膠結(jié)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，PMN和無機(jī)硅酸鹽類的WJ-2和WJ-3膠結(jié)劑作為爆炸堵漏的膠液較為合適（表1）。再對PMN、WJ-2和WJ-3進(jìn)一步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)配方“WJ-2膠結(jié)劑+10%填充劑SHF+2%促凝劑CNJ-1+1%外加劑CR”形成的膠液與巖屑膠結(jié)最好，膠塊整體，基本無裂縫，24 h承壓能力即達(dá)到5 MPa以上、3 d承壓能力達(dá)到6.32 MPa，因此作為爆炸堵漏膠液配方。

表1 無機(jī)硅酸鹽/有機(jī)凝膠與巖屑膠結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of the bond between inorganic silicate/organic gel and debris

1.4 施工工藝流程

采用爆炸堵漏前，先對井下漏失情況做出判斷，確認(rèn)漏失速度、漏失層位［8-10］，同時(shí)確保井下暢通等。根據(jù)井下漏速、地層巖性等情況，優(yōu)化爆炸桿長度、彈藥數(shù)量及裝填藥量等。在開闊場地組裝井下爆炸堵漏注射器，裝好后平穩(wěn)起吊，放在井口小鼠洞內(nèi)，用專用工具卡好，逐根接好，達(dá)到預(yù)定長度。

根據(jù)井下條件及井深，決定采用鉆桿傳輸或電纜傳輸，在確保井下條件良好及井眼軌跡允許的情況下，可采用電纜傳輸方式，否則采用鉆桿傳輸。

若采用鉆桿傳輸方式，在放置引爆雷管后，采用專用轉(zhuǎn)換接頭，把鉆桿與爆炸堵漏注射器連接，接好后放入井內(nèi)，下鉆。下鉆過程中，平穩(wěn)操作，每5柱采用專用管線從鉆具內(nèi)水眼灌漿一次，由于中途鉆具內(nèi)不能產(chǎn)生憋壓，因此需采用開放式灌漿，灌滿即可，不能采取接方鉆桿、頂驅(qū)等封閉式灌漿方法。下鉆若遇阻不能超過10 kN，不可硬壓，若上下活動(dòng)數(shù)次仍不能下入，需起出通井。在下至目標(biāo)層位后，先確保鉆具內(nèi)水眼灌滿鉆井液或清水，沒有多余的氣柱，根據(jù)設(shè)計(jì)起爆壓力，緩慢開泵起爆。起爆后隨即上提鉆具，上提時(shí)緩慢，注意懸重變化情況，防止超過鉆具及爆炸堵漏工具的安全值。若上提困難，可能是彈殼及井壁部分掉塊所致，多活動(dòng)幾次即可。上提后，起出1柱鉆具，根據(jù)井下情況，可適當(dāng)循環(huán)，并觀察漏失情況。

若采用電纜輸送，各工種注意配合，起放電纜時(shí)要時(shí)刻注意電纜張力情況，遇阻不能下行時(shí)，起出采用鉆具通井。電纜傳輸爆炸堵漏后，若上提困難，超出電纜安全負(fù)荷，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 應(yīng)用井例

（1）X5-26井。井下爆炸堵漏技術(shù)首先在X5-26井使用。該井鉆進(jìn)至642 m發(fā)現(xiàn)井漏，漏速為4.0 m3/h，隨鉆堵漏鉆進(jìn)到651 m，漏速增大到15 m3/h，最大漏速達(dá)到30 m3/h，采取靜堵、隨鉆堵漏等方式鉆進(jìn)至860 m，鉆進(jìn)、循環(huán)期間最大漏速8 m3/h，停泵漏失下降至1 m3/h左右。討論認(rèn)為：上部的玄武巖裂縫性漏失通道未堵住，決定在漏速最大的651 m井段采用井下爆炸堵漏技術(shù)。

下入2.0 m堵漏槍，計(jì)102顆堵漏彈，用鉆具送堵漏注射器至651 m，射彈有效范圍649～651 m，采用鉆井液憋壓啟動(dòng)，啟動(dòng)壓力11.50 MPa，開泵循環(huán)壓力為4.7 MPa。爆炸堵漏后，起鉆觀察無漏失，后下鉆到底鉆進(jìn)，循環(huán)觀察不漏失，堵漏成功。

（2）S20-80井。該井是定向井，三開?216 mm鉆頭鉆至1 835 m后出現(xiàn)輝綠巖，在1 861 ～1 883 m輝綠巖井段，先后發(fā)生3次井漏，漏速為20～50 m3/h，期間共做2次隨鉆堵漏和2次承壓堵漏均無效，隨后使用爆炸堵漏。由于漏失點(diǎn)分別是1 861 m、1 881 m和1 883 m，采用從下往上封堵的原則，先封堵1881～1 883 m之間井段，由于此兩點(diǎn)相距較近，合并1次封堵，第2次再封堵1 861 m處漏失點(diǎn)。

第1段爆炸堵漏：1 881～1 886m井段。爆炸堵漏裝置組合長度5.2 m，有效長度4.84 m，分別在6個(gè)方向上共安放204顆炮彈。下鉆到底后，向鉆具內(nèi)水眼灌滿清水，灌滿后接方鉆桿，下放到1 881.7～1 886.86 m。開泵打壓至15 MPa時(shí)起爆，泵壓隨后下降，循環(huán)1.5 h觀察漏失情況，發(fā)現(xiàn)漏速從上趟鉆隨鉆堵漏時(shí)的29.76 m3/h下降到6.96 m3/h，由此認(rèn)為在1 861 m處還存在漏失。

第2段爆炸堵漏：1 861～1 865 m井段。采取同樣的鉆具組合及爆炸堵漏裝置，下鉆至1 862.88 ～1 858.04 m井段，灌滿漿后開泵15 MPa引爆，泵壓緩慢下降，繼續(xù)開泵，邊循環(huán)邊上提，稍有掛卡，原懸重600 kN，逐步上提至900 kN時(shí)提出，繼續(xù)開泵循環(huán)，排量 28～30 L/s，泵壓 4.5～5 MPa，觀察無漏失。

該技術(shù)又分別在 FHX1［11］和Y13-2井應(yīng)用，4口井使用情況見表2。

表2 爆炸堵漏技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況Table 2 Field application of explosive plugging technology

2.2 效果分析

（1）爆炸堵漏效果分析。從現(xiàn)場應(yīng)用情況看，對4口井共6個(gè)漏失層位進(jìn)行了封堵，F(xiàn)HX1井漏速從3～5 m3/h降為1 m3/h，有效降低了漏失速度，其余3口井5個(gè)漏失層位，爆炸堵漏后未漏失，爆炸堵漏技術(shù)堵漏成功率83.33%，有效率100%，見表3。

表3 爆炸堵漏技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果分析Table 3 Analysis on the field application effects of explosive plugging technology

（2）對井壁穩(wěn)定性影響分析。由于爆炸堵漏采用炸藥為動(dòng)力，把注射筒射入井壁，瞬間沖擊力較大，可能對井壁產(chǎn)生一定影響。為驗(yàn)證爆炸對井壁的影響程度，先通過爆炸后上提鉆具是否順利、后續(xù)作業(yè)在爆炸井段是否有明顯阻卡等情況定性判斷，再根據(jù)完鉆電測井徑數(shù)據(jù)定量判斷。

根據(jù)應(yīng)用4口井施工情況，爆炸堵漏后上提鉆具，只有S20-80井在第2次爆炸堵漏作業(yè)時(shí)上提鉆具，懸重從600 kN逐步上提至900 kN后提出，掛卡300 kN，但后期作業(yè)在此段均未出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象，其余井在爆炸堵漏后，上提鉆具，掛卡都在100 kN以內(nèi)，均為正常范圍。

再根據(jù)電測井徑分析，4口井爆炸堵漏井段的井徑擴(kuò)大率與上下相鄰井段相比，井徑擴(kuò)大率有大有小，都在±2.5%范圍內(nèi)。因此，爆炸堵漏對井壁穩(wěn)定性影響不大，見圖6。

圖6 爆炸堵漏及前后井段井徑擴(kuò)大率對比Fig.6 Comparison of hole enlargement rate before and after the explosive plugging

3 結(jié)論與建議

（1） 多相位井下注射器結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，通過注入膠液封堵地層中的漏失通道，對巖石施加擠壓和剪切力使裂縫減小或消除，從而達(dá)到堵漏和提高承壓能力的目的。

（2） 通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，無機(jī)硅酸鹽類膠結(jié)劑形成堵漏配方與巖屑膠結(jié)要優(yōu)于PMN凝膠。無機(jī)硅酸鹽類膠結(jié)劑膠塊整體，基本無裂縫，24 h承壓能力即達(dá)到5 MPa以上、3 d承壓能力達(dá)到6.32 MPa。

（3） 爆炸堵漏技術(shù)取得了一定的突破，但是由于涉及的學(xué)術(shù)領(lǐng)域較多，難度較大，有些方面仍然有待提高和改進(jìn)，如爆炸過程是否會(huì)對堵漏凝膠配方造成影響、下井堵漏管串最大長度、下井過程中自動(dòng)灌漿等問題仍需深入研究。

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