智能凝膠塞在晉中3井的應(yīng)用

王驍男， 張棟俊， 呂忠楷， 屈煒佳， 唐國旺

(1中國地質(zhì)大學(xué) 2五普鉆井分公司)

針對(duì)各種漏失問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多工作，主要集中研發(fā)各種堵漏材料、改進(jìn)堵漏工藝等工作。但是目前的堵漏材料仍不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求，針對(duì)惡性漏失，常用的堵漏材料主要采用鋸末、核桃殼、云母片、纖維、水泥等[1-5]，但它們不能夠完全解決惡性漏失。凝膠堵漏材料是一類新型的堵漏材料，但是普通的凝膠堵漏材料的成膠時(shí)間難以控制，大大限制了應(yīng)用。智能凝膠采用纖維素接枝聚合物，具有成膠時(shí)間可控、成膠強(qiáng)度高、滯留性好、堵漏不受縫隙大小的限制，能夠進(jìn)入各種縫隙和孔洞。

晉中3井是一口探井，鉆至井深2 736 m時(shí)出現(xiàn)2.09 m的放空，鉆井液失返。采用鋸末、復(fù)合堵漏劑、大裂隙用堵漏劑、大粒徑果殼、棉籽殼、棕繩、核桃殼等堵漏材料，先后組織進(jìn)行20余次不同類型堵漏作業(yè)。經(jīng)過連續(xù)2個(gè)月的不間斷堵漏，累計(jì)漏失量2 067 m3，都未堵漏成功，無法進(jìn)行正常的鉆進(jìn)。智能凝膠堵漏技術(shù)在晉中3井進(jìn)行了堵漏施工，堵漏成功。智能凝膠堵漏技術(shù)有望解決晉中地區(qū)堵漏問題。對(duì)于提高晉中區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程具有非常重要的意義[6]。

一、晉中地區(qū)概況

1.地質(zhì)概況

晉中區(qū)塊位于沁水盆地北部，區(qū)塊范圍在沁水盆地復(fù)式向斜的軸部，區(qū)塊面積為5 413.488 km2。晉中1井在三開井段發(fā)生嚴(yán)重漏失，多次堵漏未成功。使用堵漏漿強(qiáng)行打鉆，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。沁心2井在三開井段同樣發(fā)生嚴(yán)重的漏失，經(jīng)多次堵漏未成功，提前完鉆。晉中3井與晉中1井、沁心2井地質(zhì)結(jié)構(gòu)近似。晉中3井下統(tǒng)四個(gè)組有可能發(fā)生井漏地層為：峰峰組，上馬家溝組，下馬家溝組，亮甲山組。

2.晉中3井地區(qū)井漏情況

晉中3井鉆至井深2 736 m出現(xiàn)放空現(xiàn)象，鉆壓突然由40 kN回至0 kN，總懸重由720 kN上升至770 kN(理論空氣中懸重為770 kN)，立壓由15.9 MPa下降至0 MPa；出漿槽失返，看不見井口液面，停止鉆進(jìn)，下探至井深2 738.09 m開始起壓放空段長(zhǎng)2.09 m，判斷為溶洞漏失。

多次采用鋸末、復(fù)合堵漏劑、大裂隙用堵漏劑、大粒徑果殼、棉籽殼、棕繩、桃核殼以及水泥，不斷優(yōu)化配比，并加大每次泵入堵漏漿方量，先后組織進(jìn)行20余次不同類型堵漏作業(yè)，都未堵漏成功，無法進(jìn)行正常的鉆進(jìn)。經(jīng)過連續(xù)2個(gè)月的不間斷堵漏，累計(jì)漏失量2 067 m3。

3.漏失原因分析

針對(duì)鄰井晉中1井井漏情況分析和本井目前井漏情況，下馬家溝組、寒武系鳳山組地層灰?guī)r層厚，溶洞、裂縫等漏失性地層廣泛發(fā)育。

鋸末、復(fù)合堵漏劑、大裂隙堵漏劑、大粒徑果殼、棉籽殼、棕繩、桃核殼等為無機(jī)固體顆粒，與巖石井壁缺乏黏合力，同時(shí)這些堵漏受到裂縫縫隙大小的限制，無法形成致密的封閉墻。相對(duì)于2 m放空的溶洞，這些堵漏材料的粒徑小，難以在洞口滯留、缺乏黏合力是上述堵漏材料堵漏失敗的主要原因。

二、智能凝膠堵漏技術(shù)

1.智能凝膠的制備

1.1 材料

CMC、丙烯酰胺、功能單體、氫氧化鈉、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、交聯(lián)劑、催化劑、去離子水、pH試紙。

1.2 膠液合成過程

將32 g CMC溶解于400 g水中，得到4%水溶液；再向溶液中加入32 g丙烯酰胺(AM)，攪拌使之充分溶解，將混合液倒入三角燒瓶中，繼續(xù)攪拌并加熱到55℃，保溫30 min；向混合液中加入0.70 g過硫酸銨和0.25 g亞硫酸氫鈉引發(fā)聚合反應(yīng)，反應(yīng)4～6 h，得到黏稠狀液體。

1.3 智能凝膠的配制

將膠液用去離子稀釋一倍，可交聯(lián)聚合物 ∶交聯(lián)劑 ∶催化劑=100 ∶3 ∶0.4的比例加入交聯(lián)劑和催化劑，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?；將混合液放入老化罐，并將老化罐放入烘箱中，觀察成膠情況。

2.智能凝膠的特點(diǎn)

智能凝膠是由可交聯(lián)聚合物、交聯(lián)劑、催化劑組成。可交聯(lián)聚合物的黏度比較低，表觀黏度在100 mPa·s以下。加入交聯(lián)劑和催化劑成膠后，形成高強(qiáng)度凝膠，完全失去流動(dòng)性。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)聚合物的濃度、交聯(lián)聚合物與交聯(lián)劑、催化劑的配比，能夠?qū)崿F(xiàn)成膠時(shí)間在1～20 h可控。智能凝膠具有優(yōu)異的抗鹽、抗原油污染能力。可用氯化鉀加重到1.2 g/cm3，幾乎不影響成膠性能和成膠強(qiáng)度。

智能凝膠是一種流動(dòng)態(tài)液體。智能凝膠堵漏技術(shù)不受地層縫隙大小的影響，能夠自由流入任何孔隙，是一種可用于封堵裂縫、大孔洞的廣譜性堵漏體系。該堵漏體系不會(huì)發(fā)生“封口”而堵漏漿不能進(jìn)入漏層現(xiàn)象；也不會(huì)造成堵漏漿在漏失空間流失和擴(kuò)散；其活性組分能與地層礦物有效吸附固結(jié)作用，在漏層通道快速形成“隔斷墻”，提高地層承壓能力；智能凝膠膠液的黏度比較低，能夠滿足各種注入方式的施工要求[7-8]。智能凝膠能夠用氯化鉀加重到1.2 g/cm3；不僅能夠用于鉆井堵漏，還可以用于修井作業(yè)的各種堵漏。

3.智能凝膠性能評(píng)價(jià)

3.1 智能凝膠的流變性能

施工中最重要的就是保證施工的順利進(jìn)行，因此流變性就變得至關(guān)重要；通過流變性能相關(guān)參數(shù)，能夠顯示堵漏液能否正常泵入，為順利施工帶來保證；流變性能如表1所示。

表1 智能凝膠流變性能測(cè)定

通過上敘試驗(yàn)可以確定本次堵漏液可以順利泵入漏層中。

3.2 智能凝膠成膠性能

3.2.1 交聯(lián)劑對(duì)成膠時(shí)間的影響

通過調(diào)整交聯(lián)聚合物的交聯(lián)劑的加量，可實(shí)現(xiàn)在相同溫度下實(shí)現(xiàn)預(yù)定時(shí)間內(nèi)交聯(lián)(20 min～4 h)。室內(nèi)通過Fan50高溫流變儀驗(yàn)證了交聯(lián)劑對(duì)成膠時(shí)間的控制。充分說明了復(fù)合凝膠的成膠時(shí)間可控，為現(xiàn)場(chǎng)的安全施工提供了有力的支持，如圖1所示。

圖1 交聯(lián)劑加量的改變對(duì)成膠時(shí)間的影響

圖1中100代表基液加量百分比，1.2代表催化劑加量百分比，6，8，10代表交聯(lián)劑加量百分比的改變。圖1中清晰的展示了交聯(lián)劑的改變對(duì)成膠時(shí)間的影響。

3.2.2 溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響

室內(nèi)通過改變?cè)囼?yàn)溫度，測(cè)試溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響。為了確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組，配方一為100 ∶9 ∶1.2；配方二為100 ∶13 ∶1.2。分別測(cè)試他們?cè)?0℃、55℃、60℃、65℃、70℃下的成膠時(shí)間，具體情況如圖2所示。

圖2 不同溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響

通過圖2數(shù)據(jù)可以顯示，100 ∶9.0 ∶1.2和100 ∶13 ∶1.2的重復(fù)試驗(yàn)可以明顯的看出溫度對(duì)智能凝膠的時(shí)間有絕對(duì)的影響。溫度越高成膠時(shí)間越短，溫度越低成膠時(shí)間越長(zhǎng)；從側(cè)面也可以看出交聯(lián)劑加量越大，成膠時(shí)間越短。

3.3 70℃下成膠強(qiáng)度情況

前期在室內(nèi)也做了一系列評(píng)價(jià)試驗(yàn)，主要是確定智能凝膠的成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度；通過室內(nèi)試驗(yàn)可以確定智能凝膠的成膠時(shí)間可控，成膠強(qiáng)度滿足施工要求[9-14]。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.現(xiàn)場(chǎng)材料配方優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)施工要求70℃條件下成膠時(shí)間不小于3 h，承壓能力大于13 MPa。實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)材料，進(jìn)行了優(yōu)化：①100 ∶2.5聚合物交聯(lián)劑 ∶1.2聚合物催化劑；②100 ∶4.0聚合物交聯(lián)劑 ∶1.2聚合物催化劑；③100 ∶5.0聚合物交聯(lián)劑 ∶1.2聚合物催化劑。綜合比較，由于100 ∶2.5 ∶1.2的成膠強(qiáng)度較低；100 ∶5.0 ∶1.2的成膠時(shí)間過短；現(xiàn)場(chǎng)井中溫度最大為70℃，為了保證有效安全施工，從上面配方中優(yōu)選出最佳配方100 ∶4.0 ∶1.2。

2.優(yōu)選最佳配方

綜合成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度兩個(gè)主要因素，通過室內(nèi)的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，可以優(yōu)選出最佳配方為：100(3%龍翔聚合物CP) ∶4.0聚合物交聯(lián)劑 ∶1.2聚合物催化劑，配方成膠效果良好。

3.現(xiàn)場(chǎng)配置

(1)準(zhǔn)備并清洗好一個(gè)用于復(fù)合凝膠塞的配制罐(帶攪拌器)。

(2)按設(shè)計(jì)要求，儲(chǔ)備配制用水(水位應(yīng)低于罐高的2/3，配置過程液體體積增大1/3左右)。

(3)首先在一定計(jì)量水中加入設(shè)計(jì)量的交聯(lián)聚合物CP，按比例稀釋后攪拌均勻，邊攪拌邊加入適量的加重劑(加重劑為KCl)，KCl充分溶解后備用。

(4)當(dāng)需要施工作業(yè)時(shí)，在上述溶液中邊攪拌邊通過砂泵加入配方設(shè)計(jì)量的交聯(lián)劑、催化劑和隨鉆堵漏劑，攪拌均勻，之后測(cè)量其黏度、密度等參數(shù)。

(5)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后即可準(zhǔn)備注入工作。

4.現(xiàn)場(chǎng)施工

(1)光鉆桿下鉆至漏層。

(2)泵入10 m3膨潤(rùn)土漿，排量16 L/s。

(3)泵入10 m3復(fù)合凝膠塞。如果正常泵入一次性泵入10 m3，替膨潤(rùn)土漿10.2 m3，靜止10 h。如果泵入過程中立壓過高，達(dá)到安全立壓后停泵，替膨潤(rùn)土漿10.2 m3，靜止5 h；繼續(xù)泵入剩余的復(fù)合凝膠，替膨潤(rùn)土漿10.2 m3，靜止5 h。

(4)復(fù)合凝膠出水眼前環(huán)空注漿，提升靜液面壓力，保證堵漏漿正常進(jìn)入漏層。注完凝膠之后，靜止10 h。裸眼段靜止期間要活動(dòng)鉆具。

(5)現(xiàn)場(chǎng)泵入施工時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)智能凝膠的具體施工情況

5.施工效果

堵漏完成10 h后開始循環(huán)驗(yàn)漏，環(huán)空灌漿5.4 m3開始返漿，下光鉆桿至2 726 m在漏層以上開始鉆桿內(nèi)灌漿，泵入2 m3時(shí)開始起壓，4 m3時(shí)開始返漿，并且立壓不斷上升，泵入7.5 m3時(shí)測(cè)出漏速為0。間歇性的提升泵沖，立壓不斷上升，最終立壓達(dá)到15 MPa。

晉中3井鉆遇馬家溝組期間，在復(fù)合凝膠堵漏成功的前提下，保持補(bǔ)加隨鉆堵漏劑，使堵漏劑的濃度維持在15%，起鉆前配一罐封閉漿，泵入下馬家溝組井段對(duì)地層進(jìn)行封堵，封閉漿配方：10%膨潤(rùn)土漿+7%DF-2+8%FD。在鉆進(jìn)下馬家溝組期間，晉中3井只有正常的滲漏消耗，滲漏消耗速度小于2 m3/h，整個(gè)下馬家溝井段未發(fā)生漏失，安全鉆達(dá)了下一個(gè)地層。復(fù)合凝膠在晉中3井應(yīng)用成功，從根本上解決了晉中地區(qū)下統(tǒng)的井漏問題，大大節(jié)約了鉆井成本，有望在晉中地區(qū)推廣應(yīng)用。

四、結(jié)論

(1)合成的智能凝膠是一種液狀流體，成膠前黏度低、成膠后強(qiáng)度高、與地層井壁黏合力強(qiáng)等特點(diǎn)；具有成膠時(shí)間可控，能夠滿足比較寬的溫度范圍。

(2)智能凝膠堵漏技術(shù)易于注入、注入時(shí)間可控、能夠順利進(jìn)入各種縫隙和孔洞、能夠形成高強(qiáng)度的封堵墻。

(3)與其他堵漏方法相比較，智能凝膠在晉中3井中取得了良好的堵漏效果，堵漏成功。智能凝膠堵漏技術(shù)有望解決晉中地區(qū)堵漏問題，對(duì)于提高晉中區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程具有非常重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。