裂縫性地層承壓防漏堵漏鉆井液技術(shù)室內(nèi)研究

王富華，孫希騰，丁萬貴，吳曉光，馮 力，徐延勇，于婉秋

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島266580；2.中聯(lián)煤層氣能源有限公司，北京100000；3.中澳煤層氣能源有限公司，北京100101）

隨著我國油氣資源勘探開發(fā)區(qū)域逐漸擴展到開發(fā)難度高、地質(zhì)特征復雜的區(qū)塊，鉆遇的裂縫性地層越來越多， 由于裂縫性地層井壁承壓能力低，鉆井過程中鉆井液漏失嚴重。 國內(nèi)外學者在地層漏失機理研究及堵漏技術(shù)方面已取得了大量成果［1-11］，對于裂縫性地層漏失機理及提高地層承壓能力進行了大量研究。 本文在此基礎(chǔ)上，針對LX區(qū)塊裂縫性地層漏失嚴重、地層承壓能力低的情況，分析了裂縫漏失機理， 提出了承壓防漏堵漏技術(shù)對策，結(jié)合LX區(qū)塊裂縫性漏失特點， 進行了堵漏材料優(yōu)選、承壓漿懸浮穩(wěn)定性和承壓堵漏性能實驗，形成了一套承壓堵漏劑配方。 為裂縫性易漏失地層擴大鉆井液安全密度窗口、提高地層承壓能力提供技術(shù)支持。

1 裂縫性地層漏失機理與防漏堵漏技術(shù)對策

1.1 裂縫性地層漏失機理

LX區(qū)塊屬于低壓易漏失地層，地層壓力系數(shù)在0.7～1.0之間，地層壓力一般小于20 MPa，完鉆井深在1 900～2 000 m之間。 LX區(qū)塊已鉆井的井漏事故情況表明， 表層漏失主要發(fā)生在延長組黃土層井段，由于地層膠結(jié)疏松、承壓能力低、存在天然裂縫或誘導裂縫，一旦排量稍大，就會發(fā)生漏失，漏失通道迅速被漏失鉆井液沖蝕變大，進而很快演變成失返性漏失。 其它層位的漏失主要發(fā)生在劉家溝組和石千峰組交界面、石千峰組以及石盒子組，漏失的主要原因也是地層承壓能力低，地層存在天然裂縫或誘導裂縫。

地層被鉆開后， 原來穩(wěn)定的地應力狀態(tài)被破壞，井周應力將沿井壁重新分布；同時，鉆井液與地層熱交換將引起井壁溫度發(fā)生變化，進而在井壁產(chǎn)生不可忽略的溫變附加應力［12-13］。

對于LX區(qū)塊，最易發(fā)生漏失的地層往往有以下兩種情況：

（1）黃土巖地層裸眼井段最低孔隙壓力位置：黃土巖本身存在大量的微裂隙，地層壓力有一定程度釋放，地層孔隙壓力降低，從而巖石骨架會承受更大的上覆巖層壓力，加劇裂縫的產(chǎn)生，形成誘導性裂縫，出現(xiàn)漏失。 壓力釋放越大的位置，漏失風險越高，如延長組黃土層井段的表層漏失。

（2）巖性發(fā)生較大變化的交界面位置：漏失往往最易發(fā)生在不同巖性的交界面處，交界面處地層巖石強度特性發(fā)生較大的變化，砂巖的抗拉強度相對于泥巖出現(xiàn)較大幅度的降低，導致地層更容易出現(xiàn)拉伸破壞，從而發(fā)生漏失。 如劉家溝組和石千峰組交界面、石千峰組以及石盒子組的漏失。

1.2 裂縫性地層承壓防漏堵漏技術(shù)對策

1.2.1 防漏堵漏壓力條件

為了避免產(chǎn)生鉆井液的漏失，漏失產(chǎn)生的三個必要條件——漏失通道、 正壓差和固相顆粒尺寸中，至少要使其中的一個條件不能得到滿足。 又因為泥漿中的固相顆粒尺寸基本不能改變，漏失通道中的天然裂縫也不能改變，而人為因素導致的壓裂裂縫是由于正壓差作用導致，因此可對正壓差這一漏失必要條件進行改變，從而避免漏失的產(chǎn)生。 此外，雖然漏失通道基本不可改變，但是可以通過向漏失通道中注入堵漏劑來填充漏失通道的方法進行堵漏。 在井眼中，要想防止鉆井液漏失進入地層，在只改變正壓差這一條件的前提下，需要使井眼中鉆井液在各種壓力下要達到平衡，即避免出現(xiàn)正壓差。 在漏失過程中，在漏失通道內(nèi)存在以下壓力平衡關(guān)系［14-15］：

式中：Pp代表地層孔隙壓力，MPa；Pz代表鉆井液進入地層裂縫的流動阻力，MPa；Ph代表鉆井液靜液柱壓力，MPa；ΔPa代表井內(nèi)鉆井液環(huán)空壓耗，MPa。

在給定的井眼深度和各種參數(shù)條件下，上式中地層孔隙壓力、鉆井液靜液柱壓力、井內(nèi)鉆井液環(huán)空壓耗都為定值，因而若想平衡掉正壓差，只能靠鉆井液進入地層裂縫流動阻力來平衡，只有這樣才能使地層壓力平衡，避免出現(xiàn)井漏的發(fā)生。

1.2.2 提高地層承壓能力防漏堵漏的方法

由上述分析可知，避免漏失、提高地層的承壓能力可采用對地層裂縫進行填充堵塞和利用工作液進入地層裂縫的阻力來實現(xiàn)。 增大鉆井液進入裂縫的阻力方法有很多， 包括增大鉆井液的黏度、減小漏失通道的寬度、形成致密并且承壓能力強的泥餅等［16］。 綜合而言，其它條件的改變不如形成致密并且承壓能力強的泥餅具有可操作性。 因此，本文采用堵漏劑堵塞漏失裂縫、并在堵墻表面形成致密且承壓能力強的封堵膜相結(jié)合的方法來提高地層的承壓能力，原理如圖1所示。

圖1 提高裂縫承壓能力原理

首先對裂縫進行架橋堵漏，形成一定厚度的堵墻，在堵墻表面形成致密性好、具有承壓能力高的封堵膜。 堵漏劑可選用不同類型的架橋顆粒進行組合架橋，堵塞漏失的裂縫通道；然后利用承壓封堵材料形成性能良好、承壓能力高的封堵膜，阻止液相的侵入、進一步提高地層承壓能力。

2 承壓防漏堵漏鉆井液體系的研制與評價

2.1 承壓堵漏劑配方確定

2.1.1 承壓堵漏材料類型

橋接承壓堵漏中的堵漏材料要起到密封和支撐裂縫的作用。 各種承壓堵漏材料作用機理如下：實驗優(yōu)選的堵漏材料在壓差作用下對漏失通道產(chǎn)生高強度堵塞， 其中的HTK和BK類顆粒剛性大，強度高，在漏失通道中形成橋塞；纖維材料具有一定的柔性，可對裂縫通道產(chǎn)生分割變?yōu)樾】紫叮w維材料和片狀材料本身也可以變形產(chǎn)生軟封堵；彈性膨脹顆粒進一步鑲嵌橋塞堵墻空隙， 隨著時間延長，體積膨脹，進一步擠壓漏失空間；硅膜承壓劑在井壁及堵漏材料形成的堵墻上形成致密封閉膜，阻止液相滲濾，從而起到良好的封閉、承壓作用。 通過室內(nèi)實驗優(yōu)選的部分堵漏材料見表1。

表1 優(yōu)選材料基本性質(zhì)

MSC-3H是用過硫酸銨作為引發(fā)劑， 由兩種單體合成的凍膠承壓堵漏劑，含有剛性的環(huán)形結(jié)構(gòu)同時也有柔性的碳鏈結(jié)構(gòu)，材料具有柔韌性、足夠的強度和耐熱性，膨脹倍數(shù)可達50～100倍，膨脹時間持續(xù)6 h以上，具有持續(xù)膨脹的效果。

用架橋堵漏的方法一般架橋顆粒都為無機架橋顆粒， 相互之間架橋堵塞后不能很好地完全填充，而且無機架橋顆粒不具有膨脹性，所起作用較為單一。 將凍膠堵漏劑混入復合架橋顆粒中，采用無機顆粒與有機顆粒架橋相結(jié)合的方法使填充作用更明顯。 可以在裂縫處形成致密、牢固、承壓能力強的封堵層。

剛性顆粒材料選用天然剛性材料BK（全酸溶）、HTK顆粒以及高強度延展性鋁合金顆粒堵漏劑GYD （全酸溶）， 彈性顆粒材料選用工業(yè)廢料XJ顆粒、蛭石和吸水體膨承壓顆粒TP（全酸溶），纖維材料選用海泡石、工業(yè)廢纖維ZXW和鋸末，片狀材料選用云母片，承壓封堵材料選用鉆固井硅膜承壓劑MSC-3H（全酸溶）。

2.1.2 承壓堵漏材料粒徑與加量

根據(jù)Howard和Scott的SAN-2工程分布理論確定了各種材料的粒徑級配（見表2）。

表2 橋接材料粒徑級配數(shù)據(jù)

根據(jù)FMI測井可知，LX區(qū)塊實際地層的裂縫應在毫米級別，因此初步以2 mm裂縫寬度設(shè)計粒徑級配，對表1中各類型堵漏材料粒徑比例進行調(diào)整，最終確定各種類型堵漏材料級配為：3%HTK（6～10目）+1%BK（或GYD，6～10目）+0.1%TP（1～3 mm）+0.9%TP（≤1 mm）（為方便起見，命名該組以顆粒為主的堵漏劑代號為5%KL）；0.8%XJ （40～60目）+0.2%XJ（80目）+0.5%鋸末（60～80目）+0.3%蛭石（20～40目）+0.2%蛭石（40～60目）+0.5%海泡石+0.5%ZXW+1.2%云母片（20～40目）+0.8%云母片（40～60目）（同樣地，命名該組以纖維材料為主的堵漏劑代號為5%XW）。

2.2 承壓復合堵漏劑懸浮穩(wěn)定性評價

進行懸浮穩(wěn)定性實驗，觀察上述承壓復合堵漏劑在熱滾前后的懸浮穩(wěn)定性，實驗結(jié)果見表3和表4。

表3 熱滾前后定性觀察實驗數(shù)據(jù)

表4 懸浮穩(wěn)定性定量評價實驗數(shù)據(jù)

由表3實驗結(jié)果可知， 基漿無論是熱滾前后加入承壓復合堵漏劑，還是加入承壓復合堵漏劑一起熱滾，都具有較好的懸浮穩(wěn)定性。

由表4數(shù)據(jù)可知，上下層密度基本相同，隨時間延長，下層密度比上層密度略高，但差距極小，基漿在10 h仍能有效地穩(wěn)定懸浮承壓復合堵漏劑； 沉降實驗前測定的密度小于放置一段時間后上下層測定的密度，這是由于承壓漿中氣泡較多，所以密度偏低，而放置一段時間后氣泡消退，測得密度就變高。

2.3 承壓堵漏鉆井液體系性能評價

2.3.1 靜態(tài)承壓堵漏評價實驗

針對優(yōu)選的承壓復合堵漏劑，采用QD-2堵漏儀（實驗壓差0～10 MPa）， 對1～5 mm平行裂縫漏失模型評價承壓復合堵漏劑不同加量下的承壓堵漏效果，實驗結(jié)果如表5所示。

表5 QD-2靜態(tài)承壓堵漏評價實驗數(shù)據(jù)

由表5數(shù)據(jù)可知，隨裂縫寬度增大，承壓堵漏漿漏失總量均增多；隨堵漏劑加量減少，最大封堵裂縫寬度也變??； 對于1～4 mm平行裂縫，3.75%KL+3.75%XW+1%MSC-3H加量下漏失總量最小， 承壓堵漏效果最好，這可能是因為該承壓堵漏劑存在最適宜產(chǎn)生封堵的濃度，濃度增大或減小不利于形成有效架橋；對于1～3 mm平行裂縫，三種加量下有效承壓堵漏的承壓值均高于7.0 MPa，完全滿足井下承壓堵漏的要求。

2.3.2 動態(tài)承壓堵漏評價實驗

由QD-2靜態(tài)承壓堵漏評價實驗可知， 在5%KL+5%XW+1%MSC-3H 加量下， 承壓漿對1～4 mm裂縫都能產(chǎn)生良好封堵，承壓值不低于7.0 MPa。 為了進一步模擬井下堵漏實際工況， 選擇5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承壓堵漏漿，利用LH-2A智能型鉆井液高溫高壓多功能動態(tài)評價實驗儀（實驗壓差0～40 MPa）進行平行縫和梯形縫的動態(tài)承壓堵漏對比實驗，根據(jù)LX區(qū)塊地層特征，設(shè)定溫度為85℃，測試時，從低壓到高壓進行壓力循環(huán)測試，記錄總濾失量，結(jié)果如表6所示。

表6 LH-2A平行縫和梯形縫的動態(tài)承壓堵漏對比實驗數(shù)據(jù)

由表6數(shù)據(jù)可知，5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承壓堵漏漿對1 mm和2 mm的兩種平行縫、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm兩種梯形縫都能產(chǎn)生良好封堵，承壓值均高達28.0 MPa； 而在3 mm平行縫和6 mm/3 mm梯形縫全部漏失，不能產(chǎn)生有效封堵，但平行縫漏失壓差（19.78 MPa）明顯高于梯形縫的漏失壓差（2.32 MPa）。由此可見，該承壓復合堵漏劑能夠有效封堵水力學寬度不超過2 mm的裂縫，可望解決常規(guī)裂縫漏失技術(shù)難題。

3 結(jié)論

（1）LX區(qū)塊表層以及劉家溝和石千峰組交界面、石千峰組、石盒子組漏失的主要原因為地層承壓能力低、存在天然裂縫或誘導裂縫，其防漏堵漏機制為采用架橋封堵漏失通道與堵墻表面形成高承壓能力封堵膜相結(jié)合的方式來提高井壁承壓能力。

（2）通過室內(nèi)實驗，確定了承壓復合堵漏劑的組成（組分類型、含量及粒徑分布）和加量，形成了可酸溶解堵的承壓堵漏漿配方， 評價結(jié)果表明，該堵漏漿流變性能較好，具有良好的懸浮穩(wěn)定性。

（3）承壓堵漏漿靜態(tài)評價實驗表明，研制的承壓復合堵漏劑有效承壓值均高于7.0 MPa，完全滿足井下完井承壓堵漏的要求。

（4）承壓堵漏漿動態(tài)評價實驗表明，研制的承壓復合堵漏劑對1 mm和2 mm的平行縫、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm梯形縫均能產(chǎn)生良好封堵， 動態(tài)承壓值高達28.0 MPa， 亦即能夠有效封堵井下水力學寬度不超過2 mm的裂縫，可望解決常規(guī)裂縫漏失技術(shù)難題。