油基橋架堵漏劑的研究與應用

許明標,趙明琨,侯珊珊,由福昌,舒曼,吳宇

(1.長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100;2.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408014;3.荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434000)

0 引言

重慶涪陵工區(qū)頁巖氣田是首個國家級頁巖氣示范區(qū),主要目的層為志留系龍馬溪組、奧陶系五峰組,所使用鉆井液體系為油基鉆井液.隨著頁巖氣鉆探工作從焦石區(qū)塊逐漸轉至水江-平橋區(qū)塊,且由于水江-平橋區(qū)塊三開井段龍馬溪組目的層壓力系數(shù)高,存在噴漏同層,油基鉆井液在該井段鉆井作業(yè)中漏失情況出現(xiàn)得越來越頻繁,大大增加了鉆井成本,嚴重影響了施工進度[1-6].

目前國內(nèi)針對適用于油基鉆井液的堵漏材料及配套應用體系研究極少,現(xiàn)場多采用親水性堵漏材料,堵漏成功率低;且這些材料與油基鉆井液配伍性差,不僅導致封堵效果不理想,長時間的循環(huán)還會破壞油基鉆井液性能,帶來更大的經(jīng)濟損失[7-9].因此,需要開展針對涪陵工區(qū)油基鉆井液體系的堵漏技術研究,開發(fā)出與油基鉆井液配伍性好、性能穩(wěn)定、封堵能力強的堵漏材料[10-15],為解決涪陵工區(qū)水平井油基鉆井液鉆井漏失問題提供技術支撐.

1 涪陵工區(qū)堵漏難點

1)現(xiàn)場堵漏材料與油基鉆井液配伍性差.常規(guī)橋架堵漏材料的主要成分為親水性材料,與油基鉆井液配伍性差,長時間的循環(huán)會破壞油基鉆井液性能,而國內(nèi)針對油基鉆井液的橋架堵漏材料和配套應用體系研究極少.

2)安全密度窗口窄.涪陵工區(qū)三開目的層壓力系數(shù)高,存在噴漏同層,地層坍塌壓力與漏失壓力的差別小,導致鉆井液密度可變范圍很小,容易壓井壓漏,堵漏成功率低.

3)微孔微裂縫漏失地層封堵困難.由于常規(guī)封堵材料粒徑級配不足,不能有效密實封堵,堵漏顆粒與微裂縫的匹配能力較差,容易導致重復性漏失.

4)經(jīng)濟效益問題.國外已有油田服務類公司研究出與油基鉆井液配伍性良好的相關復合堵漏劑,但產(chǎn)品價格昂貴,如果現(xiàn)場應用國外的復合堵漏劑,無疑會增加涪陵工區(qū)頁巖氣開采的成本.

為解決上述問題,達到降本增效的要求,研究出與油基鉆井液配伍、封堵性好、堵漏成功率高、經(jīng)濟效益良好的堵漏材料,已成為當務之急.因此,筆者開展了室內(nèi)油基鉆井液體系堵漏技術研究,開發(fā)了一種高效油基鉆井液用橋架堵漏劑DualGUARD.該堵漏劑已在焦頁185-3F,197-1HF,198-2HF井成功應用,取得了較好的堵漏效果.

2 油基橋架堵漏劑性能及堵漏機理

2.1 性能特點

油基橋架堵漏劑以親油類材料、高強度顆粒和片狀材料為主,并引入纖維類材料及酸溶性礦物質(zhì)剛性材料及超細活性物質(zhì),按照不同的粒徑、形狀和比例配制而成.該堵漏劑具有良好的親油性,各組分均與油基鉆井液體系配伍性良好,在70～150℃條件下性能穩(wěn)定,具有良好的韌性和抗壓強度,砂床及裂縫承壓能力達到7.0 MPa以上,且封堵層抗返排能力強,井底壓力發(fā)生波動時,堵漏材料返吐現(xiàn)象少,顯著提高了堵漏的成功率,能夠較好地滿足現(xiàn)場作業(yè)施工要求.其主要技術特點有5個方面:

1)對鉆井液流變性能影響小,且長時間循環(huán)不影響鉆井液性能;表觀黏度增黏幅度小于10%;對油基鉆井液破乳電壓ES影響小(ES≥400 V).

2)擁有6目以細的多種粒徑,多元化的材料類型和廣泛的粒徑分布,使該堵漏劑能夠快速侵入到不同大小的裂縫中去,具有極其有效的封堵性能;可用于封堵1～2,2～4,4～8 mm砂床及1,2,3 mm裂縫.

3)抗溫70～150℃,封堵承壓7.0～10.0 MPa.

4)兼容性較好,不溶于油和水,不會污染鉆井液,具有較好的環(huán)保性能,且其熱穩(wěn)定性強,長時間在高溫高壓下工作,材料不易變形.

5)屬于通用型堵漏劑,既可隨鉆堵漏,又可段塞堵漏,為一袋式復合堵漏材料,操作簡單,使用方便,適用于不明漏失原因情況下的"急救段塞".

2.2 堵漏機理

該油基橋架堵漏劑主要由親油類材料、高強度大顆粒和片狀材料等組成架橋粒子,當堵漏漿進入地層漏失通道時,其能在狹窄部位及雜亂不平的粗糙表面進行掛阻并"架橋",形成段塞.首先,堵漏液中的小片狀材料和小顆粒材料,在壓差的作用下對"橋架"中的微小孔道和地層中的原有小裂縫進行嵌入和堵塞;其次,柔性纖維材料則在濾餅中起到了強勁的拉筋纏繞作用,通過多點吸附來增加封堵強度;最后,由酸溶性的剛性材料及超細活性物質(zhì)組成填充粒子進一步填充孔隙,降低封堵層的滲透率,阻止濾液滲入.另外,堵漏材料中還含有彈性顆粒,能夠在漏層開啟時產(chǎn)生形變,再次封堵漏層,避免了因起下鉆激動壓力情況下的大返吐,進一步提高封堵段的承壓能力[16-17].

3 油基橋架堵漏劑室內(nèi)實驗評價

室內(nèi)對DualGUARD進行了粒度分析,結果見表1.該劑粒徑分布廣泛,在現(xiàn)場堵漏施工過程中可根據(jù)具體情況(如漏失地層裂縫大小),對其粒徑分布進行調(diào)整.

表1 DualGUARD粒度分布

3.1 油基鉆井液中性能評價及砂床實驗評價

根據(jù)實驗壓差的大小,對堵漏劑進行了常溫常壓、高溫高壓及不同砂床粒徑下的堵漏實驗.室內(nèi)按照涪陵工區(qū)現(xiàn)場配方配制油基鉆井液,對比評價了油基橋架堵漏劑和現(xiàn)場常用堵漏劑與油基鉆井液的配伍性及常溫常壓砂床濾失量,結果見表2.由表2可知:油基橋架堵漏劑對油基鉆井液破乳電壓的影響很小,與鉆井液配伍性良好;但核桃殼類堵漏劑則使破乳電壓明顯降低,加量為20%時破乳電壓低于基本值400 V,且現(xiàn)場堵漏劑的侵入深度明顯低于DualGUARD,易造成封門,引起復漏.這都表明,DualGUARD的橋架封堵效果優(yōu)于常規(guī)核桃殼類堵漏劑.

橋架堵漏劑配方:240 mL柴油+2.4%HIEMUL-B+0.6%HICOAT-B+1.5%CaO+2.5%MOGEL+3.0%HIFLO+60 mLCaCl2水+重晶石(密度為1.8 g/cm3).130℃老化16 h.堵漏實驗條件:使用的砂床粒徑為2～4 mm,經(jīng)粗略估算,砂床粒徑所對應的孔隙尺寸大約為砂床粒徑的1/3,即孔隙尺寸為0.6～1.3 mm,壓力0.7 MPa,儀器為砂床濾失儀.

表2 堵漏劑性能對比評價

3.2 高溫高壓堵漏性能評價

室內(nèi)對比評價了DualGUARD與國外堵漏劑VANGUARD的高溫高壓下堵漏效果(見表3).實驗條件:130℃老化16 h,使用的砂床粒徑為4～8 mm,估算對應的孔隙尺寸為1.3～2.6 mm,壓力7.0 MPa.由表3可以看出,DualGUARD對鉆井液破乳電壓無影響,且封堵效果顯著,加量10%時即達到承壓7.0 MPa,20%時承壓7.0 MPa且漏失量僅為50 mL,明顯低于VANGUARD堵漏劑的漏失量,其封堵效果優(yōu)于國外堵漏劑.

表3 高溫高壓堵漏性能評價

3.3 裂縫堵漏實驗

室內(nèi)對DualGUARD進行了高溫高壓下2 mm裂縫堵漏實驗,結果見圖1.由圖可以看出,加有20%DualGUARD的堵漏漿在90℃下通過架橋、纏繞和填充,能完全侵入裂縫,在裂縫中形成一道致密的封堵層,阻止濾液侵入,且能夠穩(wěn)壓7.0 MPa達30 min,具有較好的裂縫封堵效果.

圖1 裂縫堵漏實驗結果

3.4 穩(wěn)定性實驗

室內(nèi)對DualGUARD進行了熱滾穩(wěn)定性(熱滾溫度130℃)實驗評價,結果見表4.由表4可看出,隨著熱滾時間的延長,油基鉆井液流動狀態(tài)較好,未發(fā)生降解,破乳電壓均在1 000 V以上,電穩(wěn)定性較好.表明長時間的熱滾條件下,該劑不影響油基鉆井液性能.

表4 堵漏劑穩(wěn)定性評價

4 現(xiàn)場應用

自2017年以來,DualGUARD油基橋架堵漏劑及配套技術在涪陵頁巖氣田應用3井次,均取得了較好的堵漏效果.

1)焦頁185-3HF井.該井三開鉆至3 844 m時出現(xiàn)漏失,現(xiàn)場以中粗配合細顆粒堵漏劑為主堵漏漿進行封堵作業(yè),主要封堵上部漏層(3 600～3 900 m),采用DualGUARD堵漏劑進行承壓堵漏,成功封堵了3 600～3 900 m漏失段,提高了該封堵井段的承壓能力,且鉆進過程中堵漏漿封堵井段無漏失,滿足了后續(xù)鉆進的要求.

2)焦頁197-1HF井.該井三開施工過程中鉆遇五峰組易垮地層,為防止五峰組垮塌,將鉆井液密度從1.51 g/cm3提至1.55 g/cm3,提高密度后,該井在井深為4 265.84,4 469.30,4 621.00 m處出現(xiàn)漏失,漏速3～12 m3/h.現(xiàn)場配制DualGUARD與其他剛性材料混合加量30%～40%堵漏漿,注入井內(nèi)70 m3,靜止擠堵,起鉆至堵漏漿液面上部,逐步開泵至25～30 L/s循環(huán)無漏失.鉆進過程中鉆井液密度穩(wěn)定,流變性也控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi),井壁穩(wěn)定性好.

3)焦頁198-2HF井.該井三開鉆至3176～3700 m,出現(xiàn)漏失,漏速3～34 m3/h,進行堵漏施工一個月后仍未成功.現(xiàn)場使用DualGUARD油基橋架堵漏劑,配制密度為1.42 g/cm3的堵漏漿47.00 m3,光鉆桿下鉆至3 327 m,進行全裸眼段封堵,后泵入10.00 m3密度為1.70 g/cm3的重漿壓水眼(實際裸眼段堵漏漿26.00 m3,套管內(nèi)堵漏15.00 m3).循環(huán)6 h后,進行擠堵,泵壓6.0 MPa,穩(wěn)壓6.0 MPa,共計泵入0.52 m3,結合地漏測試的當量密度為1.67 g/cm3,擠堵壓力提高到7.0 MPa,穩(wěn)壓7.0MPa,共計擠入0.60m3,10min壓降為0.1MPa,停泵靜堵10 h.靜堵結束,開井前立管壓力為5.8 MPa,緩慢卸壓至壓力為0,返噴泥漿共計0.50 m3,下鉆到底,循環(huán)10 h至堵漏漿全部替出,未出現(xiàn)漏失.循環(huán)結束后,起鉆下入定向工具,下鉆到底,正常定向鉆進至3 787 m,依然未出現(xiàn)漏失,堵漏成功.

5 結論

1)油基橋架堵漏劑DualGUARD解決了常用橋架堵漏材料與油基鉆井液不配伍的問題,其與油基鉆井液配伍性良好;顆粒逐級架橋、纖維成網(wǎng)、逐級填充,在漏失壓差下形成韌性封堵層,堵漏成功率達到70%以上.該劑的研發(fā)為油基鉆井液堵漏材料及配套應用體系的研究提供了方向,為解決油基鉆井液地層漏失問題提供了技術支撐.

2)DualGUARD兼容性比較好,不溶于油、水和鉆井液,不會造成井污染;且其熱穩(wěn)定性強,不易受外部環(huán)境的干擾,長時間在高溫高壓下工作,材料不易變形,侵入裂縫中后漏層承壓能力會大大增強,對于裂縫的封堵效果理想,且不容易發(fā)生復漏.

3)油基橋架堵漏劑DualGUARD組成成分和形狀多樣,其薄片狀、顆粒狀、纖維狀材料使該劑能夠無孔不入,輕易地侵入到裂縫中去,形成強有力的封堵層,應用范圍廣泛,也可與其他堵漏材料復合使用.目前該堵漏劑已在涪陵多口井試用成功,為解決涪陵礁石壩地區(qū)頁巖氣鉆井井漏多發(fā)問題提供了可行方案.