彈性孔網(wǎng)材料的堵漏性能評價(jià)及現(xiàn)場應(yīng)用

李公讓，于 雷，劉振東，李 卉，明玉廣

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

井漏是影響鉆井作業(yè)安全的井下復(fù)雜情況之一，鉆井過程中發(fā)生井漏不僅延誤鉆井周期，同時(shí)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1–5]。近年來，隨著油氣勘探開發(fā)的深入，井漏情況日益突出，如川渝的威遠(yuǎn)–長寧區(qū)塊、鄂爾多斯盆地北部杭錦旗區(qū)塊等井漏問題嚴(yán)重，影響了鉆井效率與速度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些區(qū)塊絕大部分井的漏失類型為裂縫性漏失。目前，針對裂縫性漏失的堵漏劑主要有橋接型堵漏劑、高失水堵漏劑、暫堵型堵漏劑、膨脹類堵漏劑、水泥速凝類堵漏劑、可固化型堵漏劑和復(fù)合材料堵漏劑等類型[6–9]。其中，橋接型堵漏劑相對其他堵漏劑使用簡便，成本較低。但常規(guī)橋堵材料多采用核桃殼等架橋顆粒及纖維等填充物，其在高溫下易發(fā)生碳化，長時(shí)間碳化后容易發(fā)生堵漏失效，特別是在深層環(huán)境中極易發(fā)生復(fù)漏。同時(shí)，常規(guī)堵漏材料與裂縫匹配性差，難以有效進(jìn)入漏層形成封堵，堵漏成功率低[10–13]。針對這一問題，筆者優(yōu)選了一種高彈性、可壓縮的聚氨酯泡沫彈性孔網(wǎng)材料，評價(jià)了其堵漏效果，并在威遠(yuǎn)、彭州和神木等油氣田應(yīng)用了15井次，一次堵漏成功率達(dá)86.7%。

1 彈性孔網(wǎng)材料優(yōu)選

裂縫性漏失地層具有承壓能力低和在壓力作用下誘導(dǎo)開啟閉合的特征。針對裂縫性地層特征及封堵的技術(shù)難點(diǎn)，確定選擇具有可壓縮、高回彈、耐高溫的彈性孔網(wǎng)材料作為架橋堵漏材料。彈性孔網(wǎng)材料是一種聚氨酯泡沫，具有開孔的泡孔結(jié)構(gòu)，彈性高，堆積密度小于0.02 g/cm3?？紤]鉆井液應(yīng)用情況，篩選了2種材質(zhì)、9種泡孔規(guī)格的聚氨酯泡沫彈性孔網(wǎng)材料（見表1），對其壓縮回彈性、抗拉強(qiáng)度和抗溫性等性能進(jìn)行了評價(jià)。

表1 不同類型彈性孔網(wǎng)材料的泡孔規(guī)格Tab le 1 Specificationsof different elastic m esh m aterials

1.1 壓縮回彈性

彈性孔網(wǎng)材料的壓縮回彈性能越好，越有利于在井底壓差作用下發(fā)揮自轉(zhuǎn)向性，進(jìn)入不同開度的裂縫進(jìn)行自適應(yīng)堵漏。參照標(biāo)準(zhǔn)《軟質(zhì)泡沫聚合材料：壓縮永久變形的測定》（GB/T 6669—2008）給出的試驗(yàn)方法[14]，室內(nèi)測試了彈性孔網(wǎng)材料的50%壓縮永久變形率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 彈性孔網(wǎng)材料50%壓縮永久變形率評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 50%compression set rate evaluation results of elastic meshmaterials

由圖1可知，1#和2#彈性孔網(wǎng)材料的50%壓縮永久變形率均小于10%，其余7種彈性孔網(wǎng)材料的50%壓縮永久變形率均大于10%。

1.2 抗拉強(qiáng)度

彈性孔網(wǎng)材料要求具有較高的抗拉強(qiáng)度，能承受井下不同應(yīng)力作用，形成較高強(qiáng)度的致密承壓封堵層，增強(qiáng)封堵層的剪切強(qiáng)度。參照標(biāo)準(zhǔn)《軟質(zhì)泡沫聚合材料：拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定》（GB/T 6344—2008）給出的試驗(yàn)方法[15]，測試了彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 彈性孔網(wǎng)材料抗拉強(qiáng)度評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Tensile strength of elastic m eshmaterials

由圖2可知，1#和2#彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強(qiáng)度分別為150 kPa和137 kPa，其余7種彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強(qiáng)度均小于130 kPa，表明1#和2#彈性孔網(wǎng)材料的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于其余7種材料。

1.3 抗溫性

測試彈性孔網(wǎng)材料在鉆井液中老化后的質(zhì)量保留率和抗拉強(qiáng)度保持率，評價(jià)其抗溫能力。鉆井液配方為4.0%膨潤土漿+0.3%HV-PAC，取一定質(zhì)量的彈性孔網(wǎng)材料加入400 m L鉆井液中，老化后過10目篩、洗滌并烘干，測量彈性孔網(wǎng)材料老化后的質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度，結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 彈性孔網(wǎng)材料經(jīng)150℃老化后的質(zhì)量保留率Fig.3 Quality retention rates of elastic mesh materials at 150°C after aging

圖4 彈性孔網(wǎng)材料經(jīng)150℃老化后的抗拉強(qiáng)度保持率Fig.4 Tensile strength retention rates of elasticmesh materialsat 150°C after aging

由圖3和圖4可知，150℃老化16 h后，1#彈性孔網(wǎng)材料的質(zhì)量保留率和抗拉強(qiáng)度保持率分別為92.5%和88.4%，其余8種彈性孔網(wǎng)材料的質(zhì)量保留率和抗拉強(qiáng)度保持率均低于85.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1#彈性孔網(wǎng)材料的抗溫能力可達(dá)150℃。綜合考慮以上試驗(yàn)結(jié)果，選擇1#彈性孔網(wǎng)材料作為堵漏材料，并開展堵漏性能評價(jià)試驗(yàn)。

2 彈性孔網(wǎng)材料堵漏性能評價(jià)

2.1 堵漏性能評價(jià)方法

利用中國石油大學(xué)（華東）自行研制的長裂縫封堵模擬試驗(yàn)裝置，評價(jià)彈性孔網(wǎng)材料對裂縫的封堵性能。長裂縫封堵模擬試驗(yàn)裝置由高溫高壓鉆井液釜體、楔形長裂縫模具夾持器、溫度壓力測量控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成，工作壓力范圍0～25MPa，工作溫度范圍室溫至180℃。為了更好地模擬地層裂縫狀態(tài)和進(jìn)行堵漏效果評價(jià)，裂縫模具設(shè)計(jì)為兩端縫寬不等的楔形，裂縫長度為1 000mm，楔形長裂縫試驗(yàn)?zāi)＞甙?.0mm×0.5mm，2.0mm×1.0mm，3.0mm×2.0mm，4.0mm×3.0mm和5.0mm×4.0mm（表示前端縫寬×后端縫寬）等5種規(guī)格，用來模擬不同縫寬的漏層。

長裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)方法為：1）打開高溫高壓鉆井液釜體，配制2 000m L堵漏漿倒入釜體內(nèi)；2）將楔形長裂縫模塊裝入模具夾持器中，連接圍壓管線、濾液出口管線和活塞壓力管線；3）圍壓加至15MPa，加熱至實(shí)驗(yàn)溫度100℃；4）打開濾液出口閥，計(jì)量漏出的堵漏漿體積，對釜體內(nèi)堵漏漿加壓，快速將壓力加至3.5MPa，計(jì)時(shí)并記錄累計(jì)漏失量，計(jì)算漏失速率，根據(jù)漏失速率優(yōu)選堵漏材料。

2.2 堵漏效果影響因素分析

2.2.1 彈性孔網(wǎng)材料形狀

將優(yōu)選的1#彈性孔網(wǎng)材料分別加工成正方體、長方體和三棱柱等3種形狀（見圖5），其尺寸分別為5.0 mm×5.0 mm×5.0 mm（正方體形）、2.0 mm×2.0 mm×5.0mm（長方體形）和5.0mm×5.0mm×5.0mm（三棱柱形），利用楔形長裂縫試驗(yàn)裝置（楔形縫寬為5.0×4.0mm），考察不同形狀的彈性孔網(wǎng)材料對堵漏基漿堵漏性能的影響，結(jié)果見表2。其中，實(shí)驗(yàn)用堵漏基漿配方為6.0%膨潤土漿+0.3%HV-PAC。

圖5 不同形狀的彈性孔網(wǎng)材料Fig.5 Elasticmesh materials in different shapes

由表2可知，加入正方體形彈性孔網(wǎng)材料后，漏失速率為0.06 L/s，彈性孔網(wǎng)材料可有效滯留在裂縫內(nèi)；加入長方體形彈性孔網(wǎng)材料后，漏失速率為0.40 L/s，彈性孔網(wǎng)材料隨堵漏漿漏失，無法有效滯留在裂縫中；加入三棱柱形彈性孔網(wǎng)材料后，漏失速率為0.20 L/s，彈性孔網(wǎng)材料隨堵漏漿漏失，少量彈性孔網(wǎng)材料滯留在裂縫中。試驗(yàn)結(jié)果表明，正方體形彈性孔網(wǎng)材料可有效滯留在裂縫內(nèi)，堵漏效果較好。

表2 不同形狀彈性孔網(wǎng)材料楔形長裂縫封堵試驗(yàn)結(jié)果Tab le 2 Long wedge-shaped fractures p lugged w ith elastic m esh m aterials in different shapes

2.2.2 彈性孔網(wǎng)材料尺寸

將彈性孔網(wǎng)材料加工成不同尺寸的正方體形，利用縫寬為5.0 mm×4.0 mm的楔形長裂縫試驗(yàn)裝置，考察了不同形狀的彈性孔網(wǎng)材料對堵漏性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 不同尺寸彈性孔網(wǎng)材料封堵楔形長裂縫試驗(yàn)結(jié)果Tab le 3 Long wedge-shaped fractures p lugged w ith elastic m esh m aterials in different sizes

由表3可知，堵漏基漿的漏失速率為0.50 L/s；加入0.08%尺寸為15.0mm×15.0mm×15.0mm的彈性孔網(wǎng)材料后，漏失速率降至0.40 L/s，但由于彈性孔網(wǎng)材料尺寸過大，導(dǎo)致其無法進(jìn)入裂縫中，堆積在縫口處；加入0.08%尺寸為10.0 mm×10.0 mm×10.0mm的彈性孔網(wǎng)材料后，漏失速率降至0.10 L/s，彈性孔網(wǎng)材料進(jìn)入裂縫較淺；加入0.08%尺寸為5.0mm×5.0mm×5.0mm的彈性孔網(wǎng)材料，漏失速率降至0.06 L/s，表明其可進(jìn)入裂縫較深部位。因此，可根據(jù)漏失速率（或裂縫大?。┻x擇合適尺寸的彈性孔網(wǎng)材料，以達(dá)到最優(yōu)的堵漏效果。

2.2.3 彈性孔網(wǎng)材料加量

利用縫寬為5.0mm×4.0mm的楔形長裂縫試驗(yàn)裝置，選用尺寸為5.0mm×5.0mm×5.0mm的正方體形彈性孔網(wǎng)材料，考察了彈性孔網(wǎng)材料加量對堵漏效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同加量彈性孔網(wǎng)材料的長裂縫封堵試驗(yàn)結(jié)果Tab le 4 Long fractures plugged w ith elasticmesh materials in different concentrations

由表4可知，加入0.04%彈性孔網(wǎng)材料后，其可進(jìn)入裂縫中，漏失速率降至0.30 L/s；隨著彈性孔網(wǎng)材料加量增大，裂縫中彈性孔網(wǎng)材料的數(shù)量顯著增多，漏失速率大幅降低；但加入0.12%彈性孔網(wǎng)材料后，由于其加量過大，無法進(jìn)入裂縫，堆積在縫口處封堵縫口。

3 彈性孔網(wǎng)材料裂縫封堵作用機(jī)理

基于彈性孔網(wǎng)材料裂縫封堵試驗(yàn)結(jié)果，其裂縫封堵作用機(jī)理可概括為以下幾個(gè)方面（見圖6）：

圖6 彈性孔網(wǎng)材料封堵作用示意Fig.6 Plugging functionmechanism of elastic meshmaterial

1）彈性變形，擠入裂縫。彈性孔網(wǎng)材料在井底壓差作用下可發(fā)生壓縮變形，擠入裂縫，對于不同開度的地層裂縫均具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

2）捕集作用。擠入裂縫的彈性孔網(wǎng)材料在裂縫中可形成一個(gè)過濾網(wǎng)，變縫為孔，通過“網(wǎng)兜效應(yīng)”易于捕獲其他類型堵漏材料，形成三維立體封堵隔墻（層），提高堵漏材料在裂縫中的滯留能力，提高堵漏成功率。

3）提高封堵層承壓能力。填充材料在過濾網(wǎng)中不斷堆積，封堵域較長，大量彈性孔網(wǎng)材料封堵隔墻協(xié)同作用，承擔(dān)外部載荷，提高了封堵層的致密承壓能力[16–18]。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

四川盆地彭州區(qū)塊須家河組、雷口坡組及馬鞍塘組地層發(fā)生漏速15～38m3/h的裂縫性漏失，威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組地層發(fā)生漏速52.2m3/h的裂縫性漏失，陜北神木區(qū)塊劉家溝組地層發(fā)生漏速20m3/h的裂縫性漏失，應(yīng)用彈性孔網(wǎng)材料進(jìn)行堵漏施工后，均一次堵漏成功。截至目前，彈性孔網(wǎng)材料已累計(jì)應(yīng)用15井次，一次堵漏成功13井次，一次堵漏成功率達(dá)86.7%。下面以元壩701井為例介紹彈性孔網(wǎng)材料的應(yīng)用情況。

元壩701井是位于四川盆地川北坳陷九龍山背斜南的一口評價(jià)井，目的層為下二疊統(tǒng)茅口組三段，設(shè)計(jì)井深6 845.00m。該區(qū)塊陸相地層自流井組—須家河組地層中有高壓低滲裂縫性氣藏，巖性分布比較復(fù)雜，砂礫巖儲(chǔ)層發(fā)育，巖石以灰色鈣屑砂巖、碳酸鹽為主，且多為鈣質(zhì)膠結(jié)，灰質(zhì)含量較高；高角度裂縫發(fā)育，裂縫的發(fā)育程度和分布規(guī)模不均一；鉆井液安全密度窗口窄，常出現(xiàn)井漏、井涌同存的問題。

元壩701井采用密度為1.96 kg/L的鉆井液鉆至自流井組東岳廟段3 834.76 m發(fā)生漏失，漏速24 m3/h，累計(jì)漏失鉆井液38.0 m3；短起5柱，配制堵漏漿進(jìn)行橋漿堵漏，堵漏漿配方為：井漿+4%核桃殼（1.0～3.0 mm）+3%核桃殼(0.5～1.0mm)+4%酸溶暫堵劑+4%承壓封堵劑+2%剛性堵漏劑（2.0～3.0mm）+2%橡膠顆粒（0.5～1.0mm）+2%木質(zhì)纖維素+3%超細(xì)碳酸鈣。注入堵漏漿后靜止堵漏，靜止6 h后下鉆到底小排量循環(huán)不漏，排量提高至正常鉆進(jìn)排量45 L/s時(shí)發(fā)生漏失，漏速13m3/h。鑒于即將鉆進(jìn)須家河組高壓地層，鉆井液密度需提至2.10 kg/L以上，配制40m3堵漏漿進(jìn)行承壓堵漏，承壓堵漏漿配方為：井漿+0.08%彈性孔網(wǎng)材料+5.00%核桃殼（1.0～3.0 mm）+4.00%核桃殼（0.5～1.0 mm）+4.00%酸溶暫堵劑+4.00%承壓封堵劑+2.00%剛性堵漏劑（2.0～3.0mm）+3.00%彈性顆粒+3.00%木質(zhì)纖維素+5.00%超細(xì)碳酸鈣。具體施工程序?yàn)椋汗忏@桿下至3 700m，泵入33.0m3堵漏漿，泵入期間環(huán)空返漿，泵注完堵漏漿后替入35.0m3井漿；然后起鉆至3 300m，關(guān)井正擠憋壓，累計(jì)泵入10次共8.2m3鉆井液，立壓保持在6.23MPa，開井循環(huán)不漏失，換算井底壓力當(dāng)量密度最高為2.13 kg/L。

堵漏成功后更換鉆具組合，下鉆到底正常鉆進(jìn)排量循環(huán)不漏失，鉆進(jìn)至須家河組地層前逐漸將鉆井液密度提高至2.12 kg/L，三開順利鉆穿須家河組地層，未發(fā)生漏失等井下復(fù)雜情況。

5 結(jié)論與建議

1）彈性孔網(wǎng)材料具有較好的壓縮回彈性能，在壓差作用下能夠擠入裂縫，變縫為孔，增強(qiáng)堵漏材料在裂縫中的滯留能力，提高了裂縫封堵效果。

2）現(xiàn)場多口井的應(yīng)用結(jié)果表明，彈性孔網(wǎng)材料配合其他填充堵漏材料進(jìn)行堵漏，對裂縫性漏失的堵漏效果更顯著。

3）彈性孔網(wǎng)材料密度小，現(xiàn)場使用時(shí)添加到鉆井液中后需長時(shí)間攪拌才能混合均勻，建議開展現(xiàn)場施工工藝研究，以提高堵漏時(shí)效。