MS型堵漏隔離液的研究與應(yīng)用

初永濤

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

?鉆井完井?

MS型堵漏隔離液的研究與應(yīng)用

初永濤1，2

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

為了解決易漏失井固井施工中水泥漿的漏失問題，研究開發(fā)了一種堵漏隔離液。首先運用顆粒級配理論確定堵漏材料的粒徑范圍，然后根據(jù)堵漏材料物理性能的要求，優(yōu)選了蛭石顆粒和丙綸纖維作為堵漏材料。使用MS隔離液化學(xué)劑、高溫隔離液助劑和堵漏材料配制得到MS型堵漏隔離液，對MS型堵漏隔離液的流變性、穩(wěn)定性、纖維分布情況、相容性和沖洗能力等進行了評價，利用縫隙板堵漏試驗和砂床堵漏試驗對MS型堵漏隔離液的堵漏性能進行評價。結(jié)果表明，MS型堵漏隔離液各項性能指標完全滿足固井施工要求，堵漏承壓能力達到8 MPa。MS型堵漏隔離液在河壩107井φ219.1 mm尾管固井中成功應(yīng)用，并在川東北地區(qū)和塔河油田進行了53井次的現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的堵漏效果。

顆粒級配 堵漏 漏失 隔離液 承壓能力

很多復(fù)雜井由于地層承壓困難，即便經(jīng)過堵漏承壓后，在下套管或固井過程中仍然會發(fā)生漏失，造成固井低返。截至2010年，中國石化勘探南方分公司在川東北地區(qū)所鉆探井共計漏失16井次，普光氣田開發(fā)井共計漏失11井次[1]。在沖洗液或水泥漿中直接加入堵漏材料存在很大限制，堵漏材料不易分散均勻、易抱團；在水泥漿中加入堵漏材料時也存在易抱團、加量受限制、漿體增稠和導(dǎo)致附件失靈等問題[2-7]。

多數(shù)的堵漏手段都依賴于固井前的鉆井液堵漏，在下完套管后缺乏切實有效的堵漏措施[8-12]。國內(nèi)外目前對于隔離液堵漏的研究和應(yīng)用也不成熟，為了解決固井過程中的防漏堵漏難題，提高固井的一次成功率，開展了MS型堵漏隔離液的研究攻關(guān)。通過優(yōu)選堵漏材料，利用纖維的架橋作用，結(jié)合顆粒級配理論，配制出具有良好綜合性能的MS型堵漏隔離液，并在塔河油田和川東北地區(qū)應(yīng)用53井次，取得了良好的堵漏效果。

1 堵漏隔離液配方優(yōu)選

依據(jù)優(yōu)選顆粒級配原理，實現(xiàn)顆粒的最緊密堆積，使其在流動性能和穩(wěn)定性能之間取得最佳平衡。利用先架橋再填充堵漏的原理,實現(xiàn)MS型堵漏隔離液對裂縫和孔隙的封堵。

1.1 顆粒級配研究

進行顆粒級配的主要目的是保證顆粒最緊密堆積。理想的顆粒非連續(xù)緊密堆積可以采用幾何學(xué)加以推導(dǎo)，但堵漏不僅兼顧流動性和穩(wěn)定性，還要考慮鑲嵌、骨架、填充及體系內(nèi)各個部分的相互作用。試驗發(fā)現(xiàn)，對于確定的縫隙，同一尺寸的顆粒無法完成堵漏任務(wù)，相對粒徑越大，其鑲嵌阻力也就越大，位移的能壘也就越高，移動后所釋放的能量易引發(fā)其他顆粒的運動，導(dǎo)致整個體系堵漏失敗。實際應(yīng)用中，材料顆粒需在一定的粒徑范圍內(nèi)采用連續(xù)級配，從而使顆粒之間達到緊密堆積的合理狀態(tài)。根據(jù)試驗結(jié)果，確定了不同類型縫隙的堵漏材料顆粒的級配比例(見表1)。

表1 堵漏材料的粒徑級配結(jié)果

該級配比例僅適用于相對應(yīng)的孔道、裂縫和一定孔隙度的地層，針對不同的地層孔道堵漏時，應(yīng)根據(jù)孔隙度的大小作相應(yīng)的調(diào)整。

根據(jù)現(xiàn)場堵漏要求和應(yīng)用情況，隔離液助劑主要選用了MS隔離液加粉末高溫助劑作為前置液基礎(chǔ)配方，并進行了耐溫性、流變性、懸浮性能等方面的試驗，確定相適應(yīng)的隔離液配方為：水+10.0％MS+1.5％高溫助劑+10.0％微硅。

1.2 纖維堵漏材料的選擇

考慮現(xiàn)場施工過程中既要不影響設(shè)備的正常工作，又要能達到良好的架橋作用，選用 C-IR 丙綸纖維，長度4.2 mm，加量0.5％。為防止纖維聚結(jié)，對纖維進行表面處理，稱取適量丙綸纖維，加入到一定濃度的脂肪醇表面活性劑溶液中浸泡，干燥后待用[13-16]。加有纖維的前置液在93 ℃溫度下養(yǎng)護20 min后，觀察纖維的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面處理后的丙綸纖維在MS加高溫助劑的前置液體系中不結(jié)團，分散好。

1.3 堵漏顆粒的選擇

選用顆粒外徑為0.15～2.50 mm的蛭石作為堵漏劑。蛭石顆粒在隔離液中分布均勻、無沉淀，使用溫度大于900 ℃，耐堿性良好，吸水率26％。

1.4 縫隙板堵漏試驗

采用 QD-1 型堵漏材料試驗儀，按照《鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗方法》(SY/T 5840—2007)的要求，用1.0 mm縫隙板作為墊床來模擬漏失地層中縫寬不大于1.0 mm的地層裂縫，對MS型堵漏隔離液堵漏性能進行評價。堵漏隔離液配方為10.0％MS+1.5％高溫助劑+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏劑+0.5％丙綸纖維。

縫隙板堵漏試驗總漏失量350 mL，表明采用纖維和蛭石堵漏劑配出的堵漏隔離液效果良好。MS加高溫助劑與0.5％的丙綸纖維、5.0％的蛭石堵漏劑可形成良好的架橋匹配，堵漏承壓能力達8 MPa。

1.5 砂床堵漏試驗

采用 QD-1 型堵漏材料試驗儀，根據(jù)《鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗方法》(SY/T 5840—2007)的要求，用粒徑為0.45～1.00和1.00～2.00 mm的石英砂填制一定滲透率的砂床模擬高滲透性地層，封堵試驗結(jié)果見表2。

表2 填砂床堵漏試驗結(jié)果

砂床堵漏試驗結(jié)果表明，采用纖維和蛭石堵漏劑配出的堵漏隔離液效果良好。10.0％MS+高溫助劑+0.5％纖維+5.0％蛭石堵漏劑可形成良好的架橋匹配，堵漏承壓能力大于8 MPa。

縫隙板和砂床堵漏試驗評價結(jié)果表明，堵漏承壓能力均大于8 MPa，封堵效果良好。據(jù)此，確定MS型堵漏隔離液的基本配方為：10.0％MS+1.5％高溫助劑+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏劑+0.5％丙綸纖維。

2 綜合性能評價

為了滿足現(xiàn)場需要，需對MS型堵漏隔離液進行加重，選擇重晶石粉為加重材料，對MS型堵漏隔離液各項性能進行綜合評價。

2.1 流變性能

堵漏隔離液不僅要具有較好的堵漏效果，還要有良好的流變性能。運用高速攪拌器配制出不同密度的MS型堵漏隔離液，使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定其流變性能，不同密度的MS型堵漏隔離液流變性能見表3。

表3 MS型堵漏隔離液流變性能

從表4可以看出：1)MS型堵漏隔離液在室溫和93 ℃養(yǎng)護后，均具有較好的流動性能，養(yǎng)護后的流性指數(shù)大于0.6，流動度20～24 cm，具有良好的可泵性能；2)隨著MS型堵漏隔離液密度的增大，其剪切應(yīng)力略有增大，但仍具有良好的流動性能；3)MS型堵漏隔離液在93 ℃條件下養(yǎng)護后流變性能明顯優(yōu)于室溫下的流變性能，說明漿體在井內(nèi)溫度條件下具有較好的流變性，有利于提高水泥漿的頂替效率。

2.2 穩(wěn)定性

在MS型堵漏隔離液基漿中加入不同量的重晶石粉，配制不同密度的MS型堵漏隔離液，分別在93 ℃下養(yǎng)護20 min，倒入1 000 mL的量筒中，靜置2 h后，用移液管分3次從量筒中取出不同層的液體，并測量每次取出液的密度，結(jié)果見表4。

表4 MS型堵漏隔離液的沉降穩(wěn)定性能

從表4可以看出，不同密度的MS型堵漏隔離液均具有很好的懸浮能力和沉降穩(wěn)定性能，上下密度差不大于0.01 kg/L。

將MS及高溫助劑在漿杯中用高速攪拌儀在4 200 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌均勻，依次加入微硅、蛭石堵漏劑和纖維，再次攪拌后，堵漏材料在漿體內(nèi)不漂浮、不聚集、分布均勻，穩(wěn)定性好。

2.3 相容性

MS型堵漏隔離液以不同比例與水泥漿混合，充分攪拌后， 在93 ℃條件下養(yǎng)護20 min，測量混合液的流變參數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 MS型堵漏隔離液與水泥漿的相容性

從表5可以看出，MS型堵漏隔離液與水泥漿混合后，其流動度為21～26 cm，混合液基本未出現(xiàn)絮凝、閃凝等現(xiàn)象，說明MS型堵漏隔離液體系與水泥漿具有良好的相容性能。

2.4 沖洗效果

將鉆井液濾餅固定在 Fan-35 型旋轉(zhuǎn)黏度計外筒上，用 300 r/min轉(zhuǎn)速沖刷10 min，然后采用稱重法計算MS型堵漏隔離液對濾餅的沖洗效果：1)清水對鉆井液濾餅的沖洗率為43.0％；2)配方1為水+10.0％MS+1.5％MS-R+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏劑+80.0％加重材料+0.5％丙綸纖維，其對鉆井液濾餅的沖洗率為77.0％；3)配方2為水+10.0％MS+1.5％MS-R+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏劑+105.0％加重材料+0.5％丙綸纖維，其對鉆井液濾餅的沖洗率為86.0％。從試驗結(jié)果可以看出，MS型堵漏隔離液對鉆井液濾餅的沖洗效果較好。分析認為，MS型堵漏隔離液中含有惰性固相粒子和非離子表面活性劑，改善了濾餅的潤濕性，增強了對濾餅的摩擦沖刷作用，提高了MS型堵漏隔離液的沖洗能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

川東北地區(qū)上部陸相地層上沙溪廟組、自流井組、須家河組地層較厚，砂巖、泥巖互層頻繁，地層傾角大，并且部分夾有煤層，裂縫發(fā)育，斷層交錯，極易發(fā)生井塌、井漏，特別是三疊系嘉陵江組縫洞發(fā)育，地層壓力較低，發(fā)生井漏的概率大。以前對漏失井固井時，采用在沖洗液和水泥漿中加入堵漏材料的堵漏方式，存在堵漏材料不易添加和分散不好等問題，固井一次成功率低。MS型堵漏隔離液采取在地面用過渡罐批混工藝，保證了纖維、堵漏材料在隔離液中均勻分散，入井漿體密度均勻。

在使用MS型堵漏隔離液前，川東北地區(qū)固井過程中發(fā)生漏失共計27井次，固井質(zhì)量一次合格率只有74.6％。在使用MS型堵漏隔離液后，該地區(qū)固井過程中漏失概率大大降低。

河壩107井一開φ298.4 mm套管下至井深2 883 m，二開井深5 240 m，鉆頭直徑266.7 mm，φ219.1 mm套管下深5 238 m，懸掛位置2 733 m，尾管封固段長2 505 m。鉆井液密度1.38 kg/L，黏度71 s，初切力7 Pa ，終切力22 Pa。在二開鉆井期間，從鉆開上層套管鞋后就開始發(fā)生裂縫性漏失，先后共發(fā)生較大的漏失21次，累計漏失鉆井液超過了1 000 m3。同時，該井共鉆遇21層氣層，氣層顯示活躍，固井的最大難題就是防漏防氣竄。決定采用一次上返注水泥漿技術(shù)方案，并使用MS型堵漏隔離液?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中，用批混罐將堵漏隔離液進行一次混配， MS型堵漏隔離液密度1.38 kg/L，流動度24 cm，用量15 m3，順利完成了固井施工，固井全過程未發(fā)生漏失。全井段封固平均聲幅30％～45％，固井質(zhì)量合格率達到100％。

截至目前，MS型堵漏隔離液在塔河油田和川東北地區(qū)累計使用53井次，各井水泥漿返高均達到設(shè)計要求，固井質(zhì)量一次合格率達到96％。

4 結(jié)論及建議

1)室內(nèi)試驗評價和現(xiàn)場應(yīng)用表明，MS型堵漏隔離液性能穩(wěn)定，具有良好的堵漏防漏作用，能夠提高易漏失井固井的一次合格率。

2)MS型堵漏隔離液具有較好的流變性能和優(yōu)良的沖洗作用，有利于提高頂替效率，提高水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

3)堵漏隔離液中堵漏材料單一，限制了承壓能力的提高，建議對MS型堵漏隔離液進行進一步的研究，擴大堵漏材料的選型和加重材料的選擇范圍，并進行現(xiàn)場試驗與應(yīng)用。

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ResearchandApplicationofMSSpacerFluidforPlugging

ChuYongtao1，2

(1.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong)，Qingdao，Shandong，266580，China；2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

In order to solve the leakage problem in cementing operation,a new plugging spacer fluid has been developed.The particle size and range of plugging material were determined according to the theory of grain composition,and Vermiculite particles and Polypropylene fiber selected as plugging materials.Taking MS spacer as a base fluid,made by MS chemicals and high temperature additive,the rheological property,stability,distribution of fiber,compatibility and flushing ability were evaluated.Plugging ability of the spacer was also evaluated with crack-plate plugging and sand bed plugging experiment.The results show that the performance of the MS plugging spacer fluid meets all the requirements for cementing,and its plugging pressure-bearing ability reaches 8 MPa.The MS plugging spacer fluid was applied successfully duringφ219.1 mm liner cementation in Well Heba107.Field applications of 53 wells in northeastern Sichuan area and Tahe Oilfield have got good plugging results.

grain distribution；plugging；lost circulation；spacer fluid；pressure-bearing capacity

2013-03-11；改回日期2013-05-12。

初永濤(1980—)，男，山東煙臺人，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，在讀碩士研究生，工程師，主要從事固井水泥漿與固井工藝方面的研究工作。

聯(lián)系方式：15983862338，956653173@qq.com。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之專題“海相油氣井固井完井技術(shù)”(編號：2011ZX05005-006-004)部分研究內(nèi)容。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.017

TE256+.1

A

1001-0890(2013)03-0089-05

[編輯 滕春鳴]