微膨脹封堵技術(shù)在套損井治理中的研究與應(yīng)用

韓光明， 李巖芳， 謝 滔， 楊 濤

(1承德石油高等專科學(xué)校 2河南油田分公司工程技術(shù)管理部 3長慶油田分公司第四采油廠)

河南油田進(jìn)入開發(fā)后期，因地質(zhì)構(gòu)造、油層出砂、油水井增產(chǎn)措施、修井作業(yè)等因素的綜合影響，各種類型套損井日益增多，截止2017年底，各種原因造成的套損井?dāng)?shù)達(dá)800多口，其中，套管破裂和套管腐蝕、穿孔的井占總套損井的50%以上[1]。因井內(nèi)套管變形、錯(cuò)斷造成原井生產(chǎn)管柱卡死，常規(guī)解卡打撈技術(shù)無法處理，長期關(guān)停；高含水或無產(chǎn)量的油井因油層上部套管錯(cuò)斷嚴(yán)重，無法進(jìn)行封層地質(zhì)關(guān)井，影響井網(wǎng)注采平衡；尤其是注水注聚井，因?qū)娱g壓力系數(shù)差異大，套外水泥環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞，使得相當(dāng)一部分套損井出現(xiàn)套管彎曲和套管多級錯(cuò)斷，導(dǎo)致油井無法正常生產(chǎn)[2]。套損井的存在制約了油田增儲穩(wěn)產(chǎn)，破壞了油田的注采平衡關(guān)系，制約著油田注采結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)整，極大地影響經(jīng)濟(jì)效益的提高。目前主要采取套管補(bǔ)貼、取換套和超細(xì)水泥封堵等措施[3]，而常規(guī)的套管補(bǔ)貼、取換套作業(yè)耗時(shí)費(fèi)力，超細(xì)水泥封堵工藝措施效果較差[4-5]，為此，筆者在分析河南油田套損井套損機(jī)理的基礎(chǔ)上，開展了一種微膨脹化學(xué)封堵技術(shù)，并在25口井實(shí)施現(xiàn)場試驗(yàn)，效果較好。

一、套損井治理難點(diǎn)

(1)儲層壓力系統(tǒng)混亂。河南油田前期先后實(shí)施了注水、注聚、三元復(fù)合驅(qū)等多種開發(fā)方式。由于注水、注氣以及調(diào)整井開發(fā)，地層壓力特征復(fù)雜，縱向上高壓層、低壓層和正常壓力層相間存在，形成層間壓差，地層流體層間竄流問題嚴(yán)重，對修井技術(shù)要求較高。

(2)小通徑打通道施工成功率低。套管錯(cuò)斷通徑若小于90 mm，因其通徑小、橫向位移量大、縱向上存在一定的斷距、易返吐破碎巖塊、斷口含有落物等原因，同時(shí)還因?yàn)榫鹿ぞ吲涮撞积R全，打通道施工難度大，且易開窗、卡鉆，造成復(fù)雜工程事故。

(3)常規(guī)的套損井治理成本高，周期長，污染大，且存在打撈工具落井的風(fēng)險(xiǎn)，易造成井下復(fù)雜的發(fā)生。

二、微膨脹封堵機(jī)理及封堵劑性能評價(jià)

1.微膨脹封堵機(jī)理

套損井修井作業(yè)過程中，在一定的泵壓下將研發(fā)的具有特殊性能的化學(xué)封堵劑(HB-ZD)和水配制成一定濃度的堵漿擠入漏層或漏點(diǎn)，此時(shí)堵漿中組分在一定的壓差作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，堵漿快速(20 s左右)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而堵漿中的其他組分如：各種柔性纖維、剛性纖維、水化產(chǎn)物凝膠、以及許多化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)的晶體等物質(zhì)互相纏繞，通過充填密實(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空隙之中耦合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，加上反應(yīng)生成物鈣礬石、Ca(OH)2和Mg(OH)2等的微膨脹作用,相互協(xié)同增效，使得整個(gè)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的耐沖刷能力，從而實(shí)現(xiàn)對套損井漏層或漏點(diǎn)的快速有效封堵[6]。

2.微膨脹封堵劑性能評價(jià)

2.1 稠化性能

稠化性能是堵漿的重要參數(shù)，是控制施工時(shí)間的重要依據(jù)[7]。室內(nèi)利用沈陽航院高溫高壓稠化儀OWC-9380B對3組不同配方的堵漿在不同溫度(30℃～160℃)、不同壓力(60～125 MPa)下的堵漿稠化時(shí)間進(jìn)行了測試(如表1)，測試表明：①隨溫度升高，稠化時(shí)間縮短；②HB-ZD配置的堵漿實(shí)驗(yàn)中的稠化時(shí)間均大于400 min以上，能夠滿足現(xiàn)場安全施工的要求。在堵漿中引入緩凝劑(HB-HN)，可以根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、漏點(diǎn)位置等具體情況來調(diào)整堵漿的緩凝劑加入量，從而控制堵漿的稠化時(shí)間。

表1 不同壓力溫度下堵漿稠化性能測定

2.2 三軸向應(yīng)力分析

通過開展循環(huán)溫度140℃常規(guī)水泥漿與微膨脹堵劑固化體三軸應(yīng)力測試(見表2)，比較了水泥漿與微膨脹堵劑的抗三維應(yīng)力能力。測試結(jié)果表明：微膨脹堵漿具有較高的泊松比和較低的彈性模量值，即與常規(guī)水泥漿相比微膨脹堵漿固化體具有更好的抗三維應(yīng)力的作用，更有利于實(shí)現(xiàn)對漏層、漏點(diǎn)實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定的封堵、隔離[8]。

表2 常規(guī)水泥漿與微膨脹堵劑固化體三軸應(yīng)力測試結(jié)果對比表

2.3 抗溫性能

通過實(shí)驗(yàn)室測試了20℃～200℃條件下微膨脹堵漿的第一、二界面封堵強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度與普通水泥漿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比，試驗(yàn)表明：①微膨脹堵漿的封堵強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的升高不斷增強(qiáng)，達(dá)到一定溫度后，封堵強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；②常規(guī)水泥漿隨著溫度的降低抗壓強(qiáng)度逐漸下降；③微膨脹堵漿較常規(guī)水泥漿具有更強(qiáng)的封堵強(qiáng)度，且具有較好的抗溫性能[9]。

2.4 強(qiáng)度性能

通過模擬井下施工條件，在礦化度25×104mg/L、95℃和150℃條件下高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，測試固化體封堵強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律。由試驗(yàn)可知：①150℃養(yǎng)護(hù)的堵劑固化體強(qiáng)度高于95℃養(yǎng)護(hù)的堵劑強(qiáng)度；②在95℃條件下，堵劑內(nèi)的水化反應(yīng)在120 d內(nèi)持續(xù)進(jìn)行；在150℃時(shí)，堵劑內(nèi)的水化反應(yīng)在60 d內(nèi)持續(xù)進(jìn)行。

三、微膨脹化學(xué)封堵修復(fù)工藝

1.未封固井段套損修復(fù)工藝

針對環(huán)空保護(hù)液以及井筒內(nèi)流體腐蝕造成套管損壞的井況，有針對性的開展未封固井段套損修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)通過在套損點(diǎn)下部套管下入隔離橋塞或者填砂實(shí)現(xiàn)對下部儲層的保護(hù)，然后采用封堵管柱將微膨脹堵劑擠入套損點(diǎn)，從而對未封固井段套損點(diǎn)進(jìn)行封固，類似于二次固井工藝，堵劑充滿整個(gè)環(huán)空，由于堵劑的強(qiáng)粘接性和防竄性能，使套管或地層與堵劑牢牢地固結(jié)在一起，達(dá)到套損修復(fù)的目的(如圖1)。施工結(jié)束后，根據(jù)油井井身結(jié)構(gòu)，選擇合適的鉆桿及磨鞋對套管內(nèi)滯留的堵劑固化體進(jìn)行鉆掃清除，實(shí)現(xiàn)井筒的全通徑即可進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)或者施工作業(yè)。

圖1 未封固井段套損修復(fù)后示意圖

2.腐蝕穿孔套損修復(fù)技術(shù)

針對套管上由于內(nèi)、外腐蝕造成的套損，套損點(diǎn)多、套損段較長，取換套、內(nèi)襯小尺寸、卡封、套管補(bǔ)貼等工藝技術(shù)成本高、難度大的問題，開展了腐蝕穿孔套損修復(fù)技術(shù)研究[10]。采取在套損段籠統(tǒng)高壓擠入微膨脹堵劑工藝技術(shù)，使套損段外部形成強(qiáng)度較高的堵劑環(huán)，制造成人工“套管”，達(dá)到套管一樣的承壓能力，從而達(dá)到套損修復(fù)的目的(如圖2)。同樣施工結(jié)束后，需要對套管內(nèi)滯留的堵劑固化體進(jìn)行鉆掃清除。

圖2 腐蝕穿孔套損修復(fù)示意圖

3.錯(cuò)位、錯(cuò)斷、變形等套損修復(fù)技術(shù)

針對由于地質(zhì)原因引起套管錯(cuò)斷、變形或壓裂酸化等增產(chǎn)措施引起套管變形、損壞的情況，開展了錯(cuò)位、錯(cuò)斷、變形等套損修復(fù)工藝技術(shù)研究。此類情況首先要開展套管整形工藝，實(shí)現(xiàn)井筒的有效通徑，保證作業(yè)管柱能夠順利通過[11-12]。該工藝采取在套損段籠統(tǒng)高壓擠入微膨脹堵劑，使套損段外部形成強(qiáng)度很高的堵劑環(huán)，制造成人工“套管”，從而達(dá)到套損修復(fù)的目的(如圖3)。

圖3 錯(cuò)位、錯(cuò)斷套損修復(fù)示意圖表3 部分套損井微膨脹封堵工藝施工統(tǒng)計(jì)表

井號施工時(shí)間套損類型套損點(diǎn)深度/m堵劑用量/m3雙40??2017.11.18破裂968.407.8下新T5-23??2018.01.24腐蝕穿孔756.2511.6下T5-2??2017.10.28破裂1023.788.8魏新10??2017.07.30破裂811.6010.3趙安30??2017.07.13腐蝕穿孔1164.227.4

注：施工成功率為一次封堵。

四、現(xiàn)場應(yīng)用及效果

河南油田進(jìn)入開發(fā)后期，因地質(zhì)構(gòu)造、油層出砂、油水井增產(chǎn)措施、修井作業(yè)等因素的綜合影響，各種類型套損井日益增多，嚴(yán)重影響了油井的正常生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)河南油田套損井的清潔、高效、低成本治理，在室內(nèi)評價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合河南油田油井工程、地質(zhì)特征，采用了一種微膨脹封堵堵劑，并在25口井次開展了套損井微膨脹封堵技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)(表3所示)。25口井現(xiàn)場試驗(yàn)一次封堵成功率在96%以上，有效率100%，取得了較好的效果。

五、結(jié)論

(1)三軸應(yīng)力測試結(jié)果表明，與常規(guī)水泥漿相比微膨脹堵漿固化體具有更好的抗三維應(yīng)力的作用，更有利于實(shí)現(xiàn)對漏層、漏點(diǎn)實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定的封堵、隔離。

(2)抗溫性能測試結(jié)果表明，微膨脹堵漿較常規(guī)水泥漿具有更強(qiáng)的封堵強(qiáng)度，且具有較好的抗溫性能。

(3)針對套管變形、套管錯(cuò)斷、套管破裂和套管腐蝕、穿孔等套損井況開展的25口井現(xiàn)場試驗(yàn)表明，微膨脹封堵技術(shù)一次封堵成功率在96%以上，是河南油田套損井治理的有效手段，具有較好的應(yīng)用前景。