臨興致密氣區(qū)塊表層堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用

賈 佳，馮 雷，夏忠躍，李 建

(中海油能源發(fā)展股份有限公司山西分公司，天津 300452)

目前，中海油臨興致密氣區(qū)塊年均鉆井量近200口，隨著作業(yè)量增加，表層漏失情況愈發(fā)突出，延長(zhǎng)了鉆井周期，拖慢了致密氣開發(fā)的節(jié)奏。目前，尚處于大開發(fā)初期，后期鉆井量會(huì)逐年增多，因此，有必要對(duì)表層漏失情況開展研究，形成適合于臨興致密氣區(qū)塊的表層堵漏技術(shù)，以提高表層堵漏成功率，加快致密氣鉆井進(jìn)程。

1 背景介紹

臨興區(qū)塊位于山西省呂梁市臨縣和興縣境內(nèi)，構(gòu)造上屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西北緣，區(qū)塊內(nèi)發(fā)育了障壁海岸、曲流河三角洲、辮狀河三角洲、辮狀河和湖泊沉積體系，沉積條件比較復(fù)雜。由于屬于致密砂巖儲(chǔ)層，具有孔隙度低、滲透率低、壓力低、產(chǎn)能低的特點(diǎn)，需要通過壓裂改造才能獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。目前，主要依靠定向井和水平井進(jìn)行開發(fā)，但是，在鉆井過程中，多口井發(fā)生漏失，其中以表層第4系的漏失為主。部分井的表層漏失統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 已鉆井表層漏失情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，漏失層位主要發(fā)生在80 m以內(nèi)的第4系地層，漏速主要在30 m3/h以內(nèi)。

2 堵漏技術(shù)研究

2.1 地層巖性研究

臨興致密氣區(qū)塊地層巖性主要為巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖，砂巖的分選性屬于差到中等級(jí)別，黏土礦物以高嶺石為主[5-6]，膠結(jié)類型以孔隙型和接觸型為主，孔隙度約2.0%～14.0%，滲透率約0.01～1 mD。選擇不同層位的5塊巖心樣品開展黏土礦物組分分析，結(jié)果表明，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上，鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%左右，斜長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%～21.2%，如表2所示。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.2%～28.6%，其中伊蒙混層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%，如表3所示。整體上，臨興地層具有低孔、低滲、巖石致密、黏土易膨脹等特點(diǎn)。

表2 巖心X射線礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

表3 黏土礦物成分分析

2.2 漏失原因分析

臨興致密氣區(qū)塊屬于黃土丘陵區(qū)域，如圖1所示，表層黃土層松軟未成巖，地表風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重，如圖2所示，經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化侵蝕后，地層極易形成裂縫，是導(dǎo)致鉆井表層漏失的主要原因。同時(shí)，在一開鉆進(jìn)過程中，鉆井液的攜砂能力及造壁能力較差，一旦存在裂縫，容易發(fā)生漏失。

圖1 區(qū)塊屬于丘陵區(qū)域Fig.1 The block belongs to hilly area

圖2 地表風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重Fig.2 The surface is seriously weathered and eroded

一般情況下，井漏的發(fā)生必須具備3個(gè)必要條件：一是地層中存在能使鉆井液流動(dòng)的漏失通道，如孔隙、裂縫等；二是井筒與地層之間存在能使鉆井液在漏失通道中發(fā)生流動(dòng)的正壓差；三是地層中存在能容納一定鉆井液體積的空間[7]。對(duì)于臨興致密氣區(qū)塊的表層漏失來說，漏速基本在30 m3/h以內(nèi)，漏失通道主要是天然裂縫。

從力學(xué)性質(zhì)分析，當(dāng)井眼內(nèi)鉆井液液柱壓力大于地層孔隙和裂縫中流體的孔隙壓力就會(huì)發(fā)生漏失，漏失通道一旦開啟，裂縫會(huì)擴(kuò)展，如不及時(shí)堵漏會(huì)越漏越多，發(fā)生失返性漏失甚至更嚴(yán)重的后果。堵漏的發(fā)生與漏失壓力和孔隙壓力有直接關(guān)系，漏失壓力是指鉆井液剛開始進(jìn)入地層時(shí)的地層壓力，其與孔隙壓力和漏失通道有關(guān)。一般情況下，孔隙壓力降低，漏失壓力也會(huì)隨之降低；另一方面，漏失通道的形狀、大小、連通情況等也會(huì)影響漏失壓力。

在自然條件下，漏失壓力由兩部分決定，即克服孔隙壓力和克服流動(dòng)通道時(shí)產(chǎn)生的摩阻所受的力，即：PL=PP+Pf，式中：PL、PP、Pf分別為漏失壓力、鉆井液在漏失通道中流動(dòng)時(shí)的壓力損耗、孔隙壓力。由此可知，自然漏失壓力大于孔隙壓力，當(dāng)?shù)貙訚B透率增大，摩阻變小，漏失壓力與孔隙壓力的差別也隨之減小[8]。

2.3 堵漏機(jī)理分析

對(duì)于裂縫漏失，可以采用物理堵漏的方式，使用架橋類堵漏材料，直接對(duì)漏失通道進(jìn)行封堵。由于致密氣開發(fā)遵從低成本的原則，所以在實(shí)現(xiàn)堵漏的同時(shí)，要考慮到堵漏材料的成本。采用架橋類堵漏材料，主要是考慮到其2種作用：

架橋作用：顆粒狀橋接堵漏材料在通過漏失通道時(shí)，可以在凹凸不平的粗糙表面及狹窄部位形成架橋，由于顆粒狀材料材質(zhì)硬、力臂短、應(yīng)力分散，一旦架橋就具有相當(dāng)強(qiáng)的抗壓能力，在其他材料配合下能有效封堵漏層[9]，如圖3所示。

圖3 堵漏材料的架橋作用Fig.3 Bridging effect of plugging materials

卡喉作用：對(duì)漏失通道來說，始終有最窄小的部位喉道，在此架橋，就形成了卡喉作用，一旦卡喉，裂縫就很難再繼續(xù)延伸，如圖4所示。

圖4 堵漏材料的卡吼作用Fig.4 Blocking effect of plugging materials

2.4 堵漏技術(shù)研究

臨興致密氣區(qū)塊位于山區(qū)丘陵，在選擇時(shí)應(yīng)該充分利用當(dāng)?shù)氐母鞣N資源。當(dāng)?shù)胤N植旱稻、玉米、花生等作物，所以這些作物的殼可以隨處找到，且成本非常低廉?？紤]到部分井存在一定的失返性漏失，除了使用以上堵漏材料外，另外添加了沙土、水泥和大分子聚合物混配后進(jìn)行堵漏作業(yè)，堵漏材料如表4所示。

表4 堵漏材料統(tǒng)計(jì)表

在做好物理堵漏工作的前提下，對(duì)鉆進(jìn)中的漏失應(yīng)能實(shí)現(xiàn)即時(shí)堵漏。對(duì)于表層裂縫漏失來說，比較好的即時(shí)堵漏技術(shù)是隨鉆堵漏。隨鉆堵漏技術(shù)就是在鉆井液中引入一定濃度合理級(jí)配的堵漏劑，該堵漏劑尺寸和裂縫尺寸可以有效匹配，強(qiáng)度較高。當(dāng)裂縫擴(kuò)大到致漏程度時(shí)，封堵顆粒隨著鉆井液漏失進(jìn)入裂縫中，大的封堵顆粒在裂縫中某個(gè)位置卡死架橋，較小的封堵顆粒填充裂縫中剩余的空間，最終堵死裂縫，實(shí)現(xiàn)即堵[10-11]。隨著鉆堵漏劑迅速堵住天然致漏裂縫阻止其進(jìn)一步擴(kuò)大的同時(shí)，能防止裂縫誘導(dǎo)作用導(dǎo)致的開啟和擴(kuò)大，只要封堵裂縫的速度大于誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)大的速度，誘導(dǎo)作用就會(huì)停止，地層不會(huì)因誘導(dǎo)作用而漏失。理論和應(yīng)用證明，只要堵漏材料顆粒的大小、級(jí)配、形狀、性質(zhì)比較合理，添加隨鉆封堵劑的鉆井液就可以形成有效的封堵層，實(shí)現(xiàn)隨鉆堵漏，大幅度提高地層承壓能力3～5 MPa[12]。

隨鉆堵漏材料封堵裂縫后，不但能夠阻止鉆井液的漏失，還可以提高地層的承壓能力，就是形成所謂的“應(yīng)力籠”：鉆井液中的堵漏材料進(jìn)入裂縫并在裂縫入口處形成封堵后，可以支撐裂縫，從而改變裂縫周圍的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到提高地層承壓能力的目的。堵漏材料在裂縫入口處形成的封堵段相當(dāng)于一個(gè)隔墻[13]，裂縫內(nèi)的鉆井液被隔開，其向地層的濾失減小，壓力趨于地層壓力，裂縫因此發(fā)生閉合，而裂縫入口處封堵段對(duì)裂縫的支撐阻止了裂縫的閉合，從而對(duì)裂縫面產(chǎn)生反作用力，增大了井周的周向應(yīng)力，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了提高井筒承壓的目的[14]。

圖5 應(yīng)力籠示意圖Fig.5 Stress cage diagram

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用準(zhǔn)備好的稻草、鋸末、玉米芯、沙土、水泥和大分子聚合物泥漿材料混配的堵漏技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)超過20余口井作業(yè)表明，表層漏失均得到了有效控制，同時(shí)，選擇的堵漏材料較為常見且價(jià)格低廉，節(jié)約了大量的生產(chǎn)水、柴油和人工費(fèi)。一開鉆進(jìn)時(shí)間從之前的平均2.0 d縮短到了目前的1.6 d，縮短了20%，大大提高了鉆井的效率。

4 結(jié)論

針對(duì)臨興致密氣區(qū)塊的表層漏失突出的問題進(jìn)行了研究，分析了區(qū)塊地層的巖性、礦物質(zhì)組成，從區(qū)塊區(qū)域特征、漏失力學(xué)性質(zhì)對(duì)漏失原因進(jìn)行了分析，通過架橋和卡吼作用對(duì)堵漏機(jī)理進(jìn)行了分析，應(yīng)用“應(yīng)力籠”理論對(duì)堵漏承壓進(jìn)行了研究，結(jié)合臨興區(qū)塊當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，優(yōu)選出了低成本高效堵漏劑，形成了適合臨興區(qū)塊的表層堵漏技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可以有效控制表層漏失，實(shí)現(xiàn)提速提效的目的。主要形成的結(jié)論如下：

(1)臨興區(qū)塊表層漏失主要是裂縫漏失和滲透漏失，漏速大多在30 m3/h以內(nèi)；

(2)根據(jù)漏失通道特征，選擇使用架橋類堵漏材料，可以實(shí)現(xiàn)有效堵漏效果；

(3)利用當(dāng)?shù)氐幕ㄉ鷼?、玉米芯、稻草、鋸末，配合水泥和大分子聚合物進(jìn)行堵漏，可以有效節(jié)省成本；

(4)為了在鉆進(jìn)中加強(qiáng)堵漏，使用隨鉆堵漏劑可以充分發(fā)揮即時(shí)堵漏效果；

(5)現(xiàn)場(chǎng)多口井應(yīng)用表明，該堵漏技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)表層堵漏目的。