川渝頁巖氣井油膨脹隨鉆防漏治漏技術及應用

劉 政 李茂森 蔣學光

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司 2.中國石油西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司

0 引言

自2014年川渝頁巖氣大規(guī)?？碧介_發(fā)以來，由于目的層下志留統(tǒng)龍馬溪組裂縫、斷層發(fā)育，鉆進過程中油基鉆井液井漏嚴重，治漏效果差。僅2019年，川慶鉆探鉆井液公司服務的頁巖氣區(qū)塊漏失密度1.30～2.27 g/cm3油基鉆井液共計5 736.23 m3，嚴重影響鉆井的高效生產(chǎn)并造成較大經(jīng)濟損失。螞蟻追蹤軟件應用表明，川渝頁巖氣井區(qū)存在天然裂縫和區(qū)域斷層，斷距越大漏失越嚴重，部分區(qū)塊的龍馬溪組裂縫、微裂縫發(fā)育，撓曲皺褶集中，漏垮同存。油基鉆井液對堵漏劑的物化特性有較嚴的要求，對密度、形態(tài)、分散性、表面潤濕能力、成泥餅能力等都有與水基鉆井液不同的要求。水基鉆井液堵漏劑因為在油基鉆井液連續(xù)相中溶脹性較差，所以在油基鉆井液中的治漏作用效果有限[1-2]。國內(nèi)外一些大型的鉆井液技術服務公司常用瀝青、碳酸鈣、纖維、薄片、石墨粉等材料來作為油基鉆井液堵漏劑，但這些堵漏材料依然不能有效解決油基鉆井液堵漏成功率低的問題。2020年開始，川慶鉆井液公司開展油膨脹堵漏劑WNPDL的研究，采用“剛性顆粒+油膨脹顆粒+薄片+纖維+瀝青”的技術思路，開展川渝頁巖氣井油膨脹隨鉆防漏治漏技術研究，以進一步提高油基鉆井液堵漏成功率[3-7]。

1 油膨脹堵漏劑

自主研發(fā)的油膨脹堵漏劑WNPDL是一種親油型高分子聚合物，采用親油性的單體作為聚合物的基本單元，經(jīng)過交聯(lián)反應，得到具有微孔結(jié)構和親油性強的高分子聚合物[6-7]。通過粉碎機破碎成顆粒狀，得到WNPDL-1（0.080～0.160 mm）、WNPDL-2（0.160～ 0.380 mm）、WNPDL-3（0.380～1.700 mm）三種不同粒徑的堵漏劑。油膨脹堵漏劑WNPDL具有溫度敏感延時吸油膨脹性，室溫下的吸油膨脹率低，隨著溫度的增加，吸油膨脹率升高。該特點有助于地面調(diào)配堵漏漿，調(diào)配完的堵漏漿具有好的流動性，現(xiàn)場堵漏施工操作簡便。堵漏漿被泵入到漏層后，在地溫的作業(yè)下，逐步吸油膨脹，增強對漏層的封堵能力。

1.1 抗高溫能力

使用油膨脹堵漏劑WNPDL-2，在0#柴油中、加量20 %、150 ℃溫度下、熱滾老化8 d，每天測試其吸油膨脹率，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 WNPDL-2膨脹堵漏劑的高溫吸油膨脹率測試曲線

由圖1可知，油膨脹堵漏劑WNPDL-2在熱滾老化8 d后，膨脹率達118 %，說明油膨脹堵漏劑WNPDL-2具有好的抗高溫能力，可以在高溫地層使用。

1.2 抗壓和回彈能力

使用油膨脹堵漏劑WNPDL-2，在0#柴油中、加量30 %、在不同壓力條件下，測定其施壓后體積、泄壓后體積和回彈體積，實驗結(jié)果如表1所示[8]。

表1 抗壓和回彈實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

對比分析表1數(shù)據(jù)可知，油膨脹堵漏劑WNPDL-2施壓后體積壓縮變小，泄壓后體積回彈增加，在15～35 MPa的不同壓力條件下，都有較好的回彈能力，回彈率為10.0%～12.2 %。說明油膨脹堵漏劑WNPDL-2具有好的抗壓強度和回彈能力，可以在漏層中變形充填裂縫，可以應用于油基鉆井液堵漏施工。

1.3 吸油膨脹能力

使用9支250 mL帶塞量筒，3支裝入100 mL3#白油、3支裝入100 mL0#柴油、3支裝入100 mL合成基油。在每種類型基礎油中，分別加入20 g WNPDL-1、20 g WNPDL-2、20 g WNPDL-3。靜止40 min，等所有固相沉淀、液相澄清后，讀取堵漏劑在量筒底部體積，放入90 ℃下的恒溫箱靜置10 h，每2 h取出讀取堵漏劑在量筒底部體積，結(jié)果見表2[9-10]。

表2 吸油膨脹性實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由表2數(shù)據(jù)分析可知，WNPDL系列油膨脹堵漏劑在三類基礎油中，都具有較好的吸油膨脹能力，8 h后膨脹率趨于穩(wěn)定，膨脹率介于52%～71 %。其中在0#柴油中的膨脹率最高，介于64%～72 %，在3#白油中的膨脹率介于61%～69 %，在合成基油中的膨脹率最低，介于55%～61 %。

2 隨鉆防漏治漏技術原理和材料選擇

針對川渝頁巖氣井油基鉆井液漏失特點，隨鉆防漏治漏材料選擇剛性顆粒、油膨脹顆粒、片狀聚丁酯、纖維和瀝青，按照合適的粒度級配復配而成。各種類型的堵漏材料，緊密結(jié)合、互相擠壓、共同作用，在裂縫或孔隙中形成穩(wěn)定的阻隔層，在地溫的作業(yè)下，油膨脹顆粒逐步吸油膨脹，從而實現(xiàn)封堵住漏層、提高漏層承壓能力的目的[11-13]。

從圖2可以看出，當剛性顆粒、片狀材料、油膨脹顆粒在漏失通道中“架橋”以后，形成封堵漏失通道的基本框架，隨后纖維逐漸纏繞在框架上，漏失通道則逐漸變小。在正壓差的作用下，瀝青嵌入變小的漏失通道。在地溫的作業(yè)下，油膨脹顆粒逐步吸油膨脹，最后形成穩(wěn)定的封堵層，以達到油基鉆井液隨鉆防漏治漏的目的。

圖2 隨鉆防漏治漏效果圖

油基鉆井液隨鉆防漏治漏材料選擇剛性顆粒CQG系列，其主要成分是碳酸鈣，有3種型號（CQG-1、CQG-2、CQG-3），CQG-1的 粒 徑范圍介于0.550～2.250 mm，CQG-2的粒徑范圍介于0.300～0.850 mm，CQG-3的粒徑范圍介于0.100～0.300 mm.。油膨脹顆粒堵漏劑選用上述川慶鉆井液公司研發(fā)的WNPDL系列。片狀材料選用LCM系列，其主要成分是聚丁酯，有3種型號（LCM-1、LCM-2、LCM-3），LCM-1的粒徑范圍0.150～0.220 mm，LCM-2的粒徑范圍0.245～0.991 mm，LCM-3的粒徑范圍1.165～3.962 mm。纖維選用ZR-31，纖維長度0.033～0.074 mm。瀝青選用YH150，粒徑0.010～0.020 mm[14-17]。

3 隨鉆防漏治漏配方及性能評價

3.1 隨鉆防漏治漏配方

根據(jù)目前川渝頁巖氣井使用油基鉆井液的情況，基漿選擇長寧H15-3井的油基鉆井液，密度2.04 g/cm3。通過室內(nèi)評價，依據(jù)不同的漏速，形成1～5#油基防漏治漏配方，如表3所示。

表3 隨鉆防漏治漏配方展示表

3.2 配伍性能

測定長寧H15-3井密度2.04 g/cm3的基漿、1～5#油基防漏治漏漿在50 ℃下的基本性能。將基漿、1～5#油基防漏治漏漿分別在130 ℃下滾動12 h后，降溫至50 ℃測定其基本性能。結(jié)果見表4所示。

表4 油基防漏治漏漿配伍性能測試結(jié)果統(tǒng)計表

對比分析表4可知，在50 ℃條件下，1～5#油基防漏治漏漿的電穩(wěn)定性和流變性較好，說明堵漏劑與油基鉆井液具有好的配伍性。隨著油膨脹堵漏劑WNPDL系列濃度的逐步增加，堵漏漿的流變性逐步變差。在130 ℃下滾動12 h后，堵漏漿的流變性變差。尤其是5#治漏配方，130 ℃滾動12 h后，增稠現(xiàn)象明顯，失去流動性。這一現(xiàn)象說明，當現(xiàn)場發(fā)生井漏后，在循環(huán)罐里調(diào)配油基防漏治漏漿時，堵漏漿流變性良好。經(jīng)過段塞堵漏施工，將堵漏漿泵入漏層后，堵漏漿在井底溫度的作用下，油膨脹堵漏劑逐漸吸油膨脹，堵漏漿逐漸增稠，有助于提高治漏效果。

3.3 防漏治漏性能評價

3.3.1 防漏性能評價

使用API砂床實驗方法，評價1#隨鉆防漏配方的防漏性能。砂子粒徑0.100～0.350 mm，實驗正壓力0.69 MPa，實驗時間30 min，結(jié)果見表5[18]。

表5 1#隨鉆防漏配方的防漏性能測試數(shù)據(jù)表

由表5可知，對比基漿，1#隨鉆防漏配方的防漏性能好，侵入深度減少率95.0 %。說明1#隨鉆防漏配方，對微裂縫、微孔洞發(fā)育的頁巖滲漏地層，能夠起到好的防漏效果。

3.3.2 治漏性能評價

使用QD型堵漏儀評價方法，測定2～5#治漏配方的治漏性能， 測定2#治漏配方使用1 mm縫板，測定3#治漏配方使用2 mm縫板，測定4#治漏配方使用3 mm縫板，測定5#治漏配方使用4 mm縫板。實驗鉆井液體積分別取2 500 ml，分別測定壓力為 1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa下的濾失量，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 治漏配方的治漏性能展示圖

分析圖3可知，2～5#治漏配方對其相應縫板的治漏效果好，7 MPa條件下的總濾失量在28～44 mL、總濾失量小。說明，2～5#治漏配方對裂縫性頁巖漏失地層，能夠起到好的治漏效果。

4 現(xiàn)場應用

4.1 隨鉆防漏治漏工藝

4.1.1 隨鉆防漏工藝

1）控制開泵速度。開泵緩慢，先用5～10 L/s的小排量頂通，出口鉆井液返出后，逐漸提高排量，防止開泵速度過快產(chǎn)生激動壓力，壓漏易漏地層。

2）控制下鉆速度。裸眼段下鉆，防止下鉆速度太快，產(chǎn)生激動壓力，壓漏易漏地層。

3）下鉆分段循環(huán)。根據(jù)井壁穩(wěn)定情況、裸眼段長度等因素，選擇分段循環(huán)井深。循環(huán)時鉆具保持低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動并上下活動，每個井深循環(huán)一個遲到時間后，再下鉆。防止油基鉆井液長時間靜止后結(jié)構力增強，直接下鉆到底后，開泵泵壓高，產(chǎn)生激動壓力，壓漏易漏地層。

4）補充細顆粒堵漏劑隨鉆防漏。鉆入易漏地層前50～100 m，按照1#隨鉆防漏配方在井漿中加入堵漏劑，根據(jù)鉆進過程中堵漏劑的消耗量及時補充。

4.1.2 段塞治漏工藝

1）發(fā)生井漏后，測漏速。根據(jù)漏速及井眼尺寸，按照表3選擇對應的堵漏配方及堵漏漿配制量。

2）按照配方，在地面循環(huán)罐中調(diào)配好堵漏漿。將堵漏漿泵送至漏層，起鉆到堵漏漿面上40～60 m，大排量循環(huán)1～3周，統(tǒng)計整個段塞治漏施工過程的漏失量。

3）如果堵漏漿漏失量大于注入堵漏漿量的1/2時，停泵候堵11～13 h。如果堵漏漿漏失量小于注入堵漏漿量的1/2時，停泵、關井小排量逐步憋壓，使堵漏漿漏失量大于注入堵漏漿量的2/3時，停泵候堵11～13 h[19]。

4.2 自201H2-5井

自201H2-5井位于四川省榮縣望佳鎮(zhèn)麥子山村，是中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦在自201區(qū)塊構造上布置的一個開發(fā)井雙鉆機平臺，目的層龍馬溪組，水平井，設計井深5 323 m，水平段長1 800 m。該井于2020年2月19日鉆至井深5 375 m完鉆，三開215.9 mm井眼，三開井段2 968～5 375 m，使用密度2.08～2.17 g/cm3的油基鉆井液。鄰井自201H1-8井三開目的層龍馬溪組破碎、裂縫發(fā)育，鉆進過程中共發(fā)生16次井漏，累計漏失2.08～2.17 g/cm3的油基鉆井液498.0 m3。自201H2-5井三開鉆進過程中，共發(fā)生10次井漏，參照表3的隨鉆防漏治漏配方，井漏復雜得到有效控制，累計漏失油基鉆井液83.2 m3，一次堵漏成功率83 %，油基鉆井液漏失量明顯減少。該井三開的井漏情況見表6。

表6 自201H2-5井三開井漏情況統(tǒng)計表

5 結(jié)論

1）自主研發(fā)的油膨脹堵漏劑WNPDL系列，可以抗150 ℃高溫能力，抗壓35 MPa、回彈率10.0%～12.2 %，在三類基礎油中具有好的吸油膨脹能力，膨脹率52%～71 %。

2）選擇剛性顆粒、油膨脹顆粒、片狀聚丁酯、纖維和瀝青復配的防漏治漏技術，根據(jù)不同漏速，形成1～5#油基防漏治漏配方。

3）室內(nèi)實驗表明，使用的堵漏材料與油基鉆井液具有好的配伍性能，1#隨鉆防漏配方具有好的防漏性能，侵入深度減少率95.0 %。2～5#治漏配方對其相應縫板的治漏效果好，7 MPa條件下的總濾失量在28～44 mL。

4）形成油膨脹隨鉆防漏治漏工藝，并在自201H2-5井成功應用，井漏復雜得到有效控制，一次堵漏成功率83 %。