腰英臺(tái)地區(qū)低壓儲(chǔ)層漏失分析及對(duì)策

劉金華

（1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206；2.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206）

腰英臺(tái)［1-2］儲(chǔ)層營(yíng)城組經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā),后續(xù)鉆井過(guò)程中漏失嚴(yán)重,漏失率近100%,嚴(yán)重影響了正常鉆井施工,拖延了勘探開(kāi)發(fā)步伐。如YP13 井,在營(yíng)城組鉆遇失返性漏失,共進(jìn)行了橋接堵漏、高失水堵漏、水泥堵漏和固結(jié)堵漏等21 次堵漏作業(yè),井下仍然漏失,被迫提前完井,未達(dá)到鉆井目的,堵漏周期1 418.58 h,合59.11 d。針對(duì)如此嚴(yán)重的漏失,通過(guò)分析漏失層特點(diǎn)及堵漏施工過(guò)程存在的問(wèn)題,確定了堵漏配方粒徑不合適及封堵層缺乏彈性是堵漏成功率低的主要原因,針對(duì)漏失層為儲(chǔ)層的實(shí)際情況,優(yōu)選了高強(qiáng)度、高酸溶的顆粒材料和變形材料,通過(guò)合理的粒徑級(jí)配,研發(fā)了隨鉆防漏處理劑,開(kāi)發(fā)了高效橋接堵漏配方,在YP16 和YP17井應(yīng)用,成功解決了儲(chǔ)層段壓差性漏失和裂縫擴(kuò)展性漏失難題。

1 腰英臺(tái)儲(chǔ)層特性

1.1 地層巖性及組構(gòu)

腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組為火成巖地層,巖性為紫灰色、深灰色、灰色凝灰?guī)r、灰白色流紋巖,黏土含量較低,只有1%左右,石英和斜長(zhǎng)石含量高,達(dá)到80%以上。黏土礦物中,伊利石含量最高,所占比例高達(dá)55%以上,其次是伊/蒙混層,大約為30%,幾乎不含蒙脫石。該地層硬脆性強(qiáng),容易發(fā)生裂縫性漏失。

1.2 地層壓力及地層溫度

腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組埋深3 500～3 800 m,原始?xì)獠貕毫ο禂?shù)為1.17 左右。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā),地層壓力逐漸降低,YP2、YP5、YP12、YP13、YP14、YP15 井實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)分別為0.79、0.76、0.91、0.68、0.66 和0.63,成為漏失潛在的隱患。腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組埋深3 500～4 000 m,地溫梯度3.3 ℃/100 m,折算出目的層溫度為120～130 ℃。

1.3 地層裂縫

通過(guò)觀察早期地質(zhì)取心資料,可知腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組地層裂縫寬度基本在0.1～2 mm 之間,足以引起漏速每小時(shí)數(shù)立方米至失返等不同漏速的漏失。地層壓力降低后,裂縫所受支撐力也相應(yīng)降低,通過(guò)模擬計(jì)算［3-4］,目前裂縫寬度小于1.5 mm。

1.4 鉆井液密度

腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組鉆進(jìn)過(guò)程中,為保證井下安全,滿足井壁穩(wěn)定和壓穩(wěn)氣層的要求,鉆井液密度基本控制在1.05～1.15 g/cm3。

1.5 漏失類型及防漏堵漏要求

通過(guò)綜合分析漏失層特征和鉆井液密度情況,結(jié)合漏失類型分類原則,將營(yíng)城組漏失歸結(jié)為壓差性漏失和裂縫擴(kuò)展性漏失［5-8］。由于井筒壓力高于地層壓力導(dǎo)致的漏失為壓差性漏失,此時(shí)地層骨架不受破壞；在漏失發(fā)生過(guò)程中,井筒流體作用于漏失裂縫表面,引起裂縫寬度進(jìn)一步增大,同時(shí)破壞地層骨架結(jié)構(gòu),此時(shí)的漏失為裂縫擴(kuò)展性漏失。

對(duì)于壓差性漏失,需要堵漏材料在漏失通道即裂縫內(nèi)形成具有足夠強(qiáng)度的“封隔墻”,能夠承受井筒和地層壓力差,就可以達(dá)到堵漏的目的；對(duì)于此種漏失,將堵漏材料加入鉆井液中,采用隨鉆防漏工藝就可滿足正常鉆井要求。

對(duì)于裂縫擴(kuò)展性漏失,形成的“封隔墻”除了要滿足井筒和地層壓力差的要求,還要具有較強(qiáng)的抗壓能力,即滿足裂縫擴(kuò)展后的漏失通道對(duì)“封隔墻”的擠壓,使“封隔墻”一直保持原狀態(tài)支撐住漏失裂縫,避免“封隔墻”受擠壓后遭到破壞再次漏失。對(duì)于此種漏失,除了形成的“封隔墻”具有一定的承壓能力,還必須具有較高的強(qiáng)度,要求顆粒材料能夠承受裂縫面的法向壓力,承壓能力大于裂縫閉合壓力,使“封隔墻”在受壓狀態(tài)下持續(xù)保持原狀態(tài)。由于裂縫擴(kuò)展后寬度較大,所需顆粒堵漏材料粒徑也較大,一般需要停鉆專堵。

根據(jù)腰英臺(tái)營(yíng)城組目前情況,按地層壓力系數(shù)0.63～0.91、井筒鉆井液密度1.1 g/cm3計(jì)算,控制壓差性漏失,需要隨鉆處理劑生成的“封隔墻”承壓能力為8～19 MPa。通過(guò)計(jì)算模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工,裂縫開(kāi)啟產(chǎn)生擴(kuò)展性漏失的壓力為當(dāng)量密度1.5 g/cm3,合20 MPa,且壓力越大,裂縫寬度越大,堵漏施工時(shí),要根據(jù)承壓要求選擇合適的顆粒材料和配方。

由于營(yíng)城組是儲(chǔ)層,防漏堵漏過(guò)程中所用的堵漏材料必須有較高的酸溶性,利于后期解堵,滿足開(kāi)發(fā)要求。另外,營(yíng)城組地層溫度超過(guò)120 ℃,防漏堵漏材料還要考慮抗溫性能。

2 防漏堵漏技術(shù)研究

針對(duì)0.2 mm 以下的小裂縫產(chǎn)生的壓差性漏失,開(kāi)發(fā)隨鉆防漏處理劑,通過(guò)隨鉆措施進(jìn)行隨鉆封堵；針對(duì)毫米級(jí)較大裂縫產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展性漏失,開(kāi)發(fā)具有彈性的高效橋接堵漏技術(shù),使封堵層能夠隨著裂縫的擴(kuò)展而實(shí)時(shí)變形封堵,防止后期復(fù)漏,提高堵漏效果。

2.1 防漏技術(shù)

對(duì)于腰英臺(tái)營(yíng)城組壓差性漏失,防漏作業(yè)主要針對(duì)0.2 mm 以下的小裂縫,防漏處理劑要從以下方面考慮：首先要選擇抗高溫的酸溶性顆粒材料,根據(jù)合適的粒徑分布規(guī)則進(jìn)行架橋級(jí)配,進(jìn)行初級(jí)架橋；利用可變形的填充材料,填充于架橋留下的小縫隙中,提高封堵層彈性,同時(shí)提高封堵范圍,防止復(fù)漏；利用可酸溶的抗高溫纖維材料在封堵層中實(shí)現(xiàn)拉筋,提高封堵層穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),開(kāi)發(fā)出隨鉆處理劑,采取隨鉆工藝進(jìn)行防漏施工。

2.1.1 防漏材料優(yōu)選

（1）顆粒材料。顆粒材料在小裂縫內(nèi)互相作用,按一定規(guī)則形成“架橋”,“橋”的強(qiáng)度受顆粒材料強(qiáng)度的影響較大,因此顆粒材料需要有一定的強(qiáng)度來(lái)滿足“架橋”的穩(wěn)定性［9］。收集了6 種高酸溶高強(qiáng)度的剛性顆粒材料,其抗壓強(qiáng)度均大于20 MPa,清水中150 ℃熱滾16 h后,強(qiáng)度基本不變,利用15%鹽酸測(cè)得的酸溶率均在95%以上。收集的6種材料的粒徑如表1所示。

表1 剛性顆粒材料粒徑分布 μm

（2）纖維材料。從抗溫和酸溶率兩方面來(lái)考慮,優(yōu)選出礦物纖維MJXW（見(jiàn)圖1）,130℃烘干24 h后,其質(zhì)量損失率僅為0.3%,15%鹽酸酸溶率為61.7%。

（3）可變形填充材料。從拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和回彈率三方面考慮,用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同材料的性能,優(yōu)選了抗高溫高回彈率變形填充材料GHT（見(jiàn)圖2）,該材料在130 ℃養(yǎng)護(hù)24 h 后,拉伸強(qiáng)度大于8.1 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率大于559.3%,回彈率大于91%。

圖2 抗高溫變形填充材料GHT

2.1.2 防漏處理劑配方

首先依據(jù)理想充填理論確定了顆粒材料的比例,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn),從堵漏漿性能、封堵能力和經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮,確定了纖維材料和可變形充填材料的比例及加量,最終確定了防漏處理劑SMFL的配方。

（1）顆粒材料級(jí)配。參考理想充填理論［10-13］,從收集的高酸溶高強(qiáng)度顆粒材料中優(yōu)選材料,進(jìn)行合理級(jí)配,確定了封堵0.2 mm 裂縫的顆粒材料及比例。最終優(yōu)選出顆粒材料F、D和B,其比例為10∶35∶55,這3種材料復(fù)配最接近理想充填效果,其優(yōu)化曲線如圖3所示。

圖3 理想充填優(yōu)化曲線

（2）纖維材料和填充材料加量。將優(yōu)選出的顆粒材料組合按10%的加量,加入6%膨潤(rùn)土漿中,攪拌均勻后,加入不同的纖維材料,配制成堵漏漿,利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試其黏度,利用DLM-01 型堵漏儀測(cè)試承壓能力（所用裂縫為0.2 mm 楔形縫）,綜合考慮黏度、承壓效果和經(jīng)濟(jì)效益,確定顆粒材料與80 目（0.18 mm）的纖維MJXW 配合使用,其配制的堵漏漿黏度較低、承壓能力較強(qiáng),顆粒與纖維材料的比例為10∶2。在確定纖維材料加量的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加入變形填充材料,配制堵漏漿,測(cè)試其承壓能力。最終確定了50目（0.30 mm）的變形填充材料與顆粒材料和纖維材料復(fù)配,可以達(dá)到較好的封堵效果。變形填充材料與顆粒材料組合和纖維材料的比例為1∶10∶2。

最終確定了隨鉆防漏處理劑SMFL 的配方,即顆粒、纖維和變形填充材料的比例為10∶2∶1。

2.1.3 防漏處理劑性能評(píng)價(jià)

利用腰英臺(tái)常用的1.3 g/cm3密度的非滲透聚磺鉆井液,對(duì)防漏配方進(jìn)行了評(píng)價(jià),所用鉆井液配方為：3%土漿+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+0.4%NH4HP AN+1.5%SMC+0.5%SMP-I+1.0%SPNH+0.2%抗高溫聚合物降濾失劑DSP-2+2.0%FST-Ⅰ。

（1）鉆井液流變性能。將防漏處理劑SMFL 加入上述非滲透聚磺鉆井液中,測(cè)常溫和高溫?zé)釢L后的流變性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出,加入4%的防漏處理劑SMFL,鉆井液的塑性黏度和切力值有所增加,但增加量不大,都在可控范圍內(nèi),防漏處理劑SMFL對(duì)鉆井液流變性影響小。

表2 防漏處理劑SMFL對(duì)鉆井液流變性的影響

（2）封堵性能。將防漏處理劑SMFL 加入上述非滲透聚磺鉆井液中,130℃下熱滾16 h 后,測(cè)其封堵砂床和0.2 mm 裂縫的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可有效封堵20～60目砂床,隨著SMFL加量的增加,鉆井液浸入深度逐漸減小,加量大于3%后,浸入深度小于3.5 cm,推薦加量為3%。加入3%SMFL 的鉆井液,可有效封堵0.2 mm 的裂縫,通過(guò)高溫高壓堵漏儀測(cè)試,承壓能力可以達(dá)到20 MPa以上。

（3）酸溶率。將測(cè)試0.2 mm 裂縫封堵性能后形成的封堵層取出烘干后,放入15%鹽酸中測(cè)試酸溶率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示,加入隨鉆處理劑后,形成的封堵層的酸溶率有上升的趨勢(shì),通過(guò)使用石灰石粉加重后,封堵層酸溶率可進(jìn)一步提高,可達(dá)77.23%～79.21%,有利于后期酸化解堵。

表3 封堵層酸溶性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

2.2 高效橋接堵漏技術(shù)研究

傳統(tǒng)橋接堵漏配方多由剛性顆粒、片狀及纖維材料組成,當(dāng)裂縫因承受壓力過(guò)高開(kāi)啟后,在裂縫處形成的“封隔墻”因?yàn)槿鄙購(gòu)椥?遭到破壞,再次漏失。高效橋接堵漏配方的關(guān)鍵是利用變形填充材料,擴(kuò)展封堵范圍,使形成的“封隔墻”能夠跟隨裂縫開(kāi)啟而彈性變形,維持對(duì)地層的緊密封堵。

2.2.1 堵漏材料優(yōu)選

基于高效橋接堵漏配方的開(kāi)發(fā)思路,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)橋接堵漏材料、非常規(guī)高酸溶材料以及部分高性能變形填充材料性能測(cè)試,從抗溫、酸溶率、強(qiáng)度、密度、硬度等方面綜合考慮,優(yōu)選出顆粒材料SMKL、纖維MJXW、變形填充材料GHT（見(jiàn)表4）,用于高效橋接堵漏配方的研究。

表4 材料性能測(cè)試

2.2.2 堵漏配方優(yōu)選

（1）粒徑級(jí)配。粒徑最優(yōu)級(jí)配參考了SAN-2 工程分布理論［14-15］,同時(shí)引入了彈性變形材料。SAN-2 工程分布理論考慮了不同粒徑顆粒的比例,而不是僅僅給出一個(gè)范圍,相比于“三分之一”和“三分之二”架橋規(guī)則,其架橋封堵性能更好。根據(jù)該理論,確定了顆粒材料的粒徑分布（見(jiàn)表5）。在引入彈性變形材料后,該材料可通過(guò)改變形狀充填于不規(guī)則粒徑接觸后形成的孔隙之間,同時(shí)變形材料具有一定的強(qiáng)度,因此粒徑級(jí)配可適當(dāng)放寬。

表5 顆粒材料的粒徑分布

（2）堵漏配方。在優(yōu)選材料的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選,從承壓能力、酸溶率和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮,形成了針對(duì)不同裂縫寬度的高效橋接堵漏配方。

參考SAN-2 工程分布理論確定的封堵1 mm、2 mm裂縫的顆粒材料級(jí)配,引入變形填充材料和纖維材料,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),利用高溫高壓封堵及防返吐評(píng)價(jià)裝置,調(diào)整材料加量,加入井漿（非滲透聚磺鉆井液）中,優(yōu)選出承壓能力大于25 MPa的堵漏配方,通過(guò)利用15%鹽酸測(cè)試其酸溶率,最終確定了封堵1 mm和2 mm裂縫的堵漏配方,封堵實(shí)驗(yàn)如圖4、圖5。

圖4 1 mm裂縫堵漏配方封堵

圖5 2 mm裂縫堵漏配方封堵

1 mm 堵漏配方：井漿+ 1%SMKL-3（1～2 mm）+4%SMKL-4（＜1 mm）+ 1%GHT-2（0.4～1 mm）+2%GHT-3（＜0.4 mm）+ 1%MJXW-2（1～2 mm）+2%MJXW-3（＜1 mm）+4%SMKL-5（100目）。

2 mm 堵漏配方：井漿+2%SMKL-2（1～3 mm）+6%SMKL-4（＜1 mm）+ 1%GHT-1（1～3 mm）+1%GHT-2（0.4～1mm）+2%GHT-3（＜0.4 mm）+1%MJMXW-1（2～4 mm）+2%MJXW-2（1～2 mm）+5%SMKL-5（100目）。

2.2.3 高效橋接堵漏配方性能評(píng)價(jià)

（1）穩(wěn)定性及承壓能力。將利用井漿（2.1.3 中的非滲透聚磺鉆井液）配制好的堵漏漿,放入量筒中靜置24 h,觀察沉降穩(wěn)定性,利用高溫高壓堵漏儀測(cè)試承壓能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,1 mm 和2 mm 堵漏漿配方靜置后,上下層密度差小于0.03 g/cm3,穩(wěn)定性好；能夠有效封堵縫寬為1 mm和2 mm的縫板,承壓能力均達(dá)到25 MPa以上。

（2）酸溶率。將上述堵漏實(shí)驗(yàn)過(guò)程中形成的封堵層烘干后,放入15%鹽酸中,評(píng)價(jià)其酸溶率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,1 mm 和2 mm 高效橋接堵漏配方形成的封堵層的酸溶率分別為79.39%和79.58%,投產(chǎn)前可采用酸化解堵等措施解除儲(chǔ)層污染。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

上述防漏堵漏技術(shù)在YP16 井和YP17 井儲(chǔ)層段進(jìn)行了應(yīng)用,較YP13 井堵漏時(shí)間減少96.1%以上。實(shí)施過(guò)程中,以隨鉆防漏為主,停鉆專堵為輔,取得了良好的堵漏效果,順利完鉆。鄰井YP13 井儲(chǔ)層段鉆遇漏失,耗時(shí)2個(gè)月未能封堵住漏失層,被迫提前完鉆。

YP16 井目的層營(yíng)城組地層壓力系數(shù)0.70～0.91,目的層水平段長(zhǎng)1 000.13 m,鉆進(jìn)過(guò)程中共漏失12次。其中漏速15 m3/h以下的漏失9次,通過(guò)隨鉆防漏工藝成功封堵住漏失層,恢復(fù)正常；漏速30 m3/h 以下的漏失2 次,利用高效橋接堵漏成功封堵住漏失層；失返性漏失1次,利用高濃度高效橋接堵漏漿堵漏成功,實(shí)現(xiàn)了鉆探目的并順利完鉆,堵漏用時(shí)55.3 h。

YP17 井目的層營(yíng)城組地層壓力系數(shù)0.72～0.95,目的層水平段長(zhǎng)967.18 m,鉆進(jìn)過(guò)程中共發(fā)生漏失7次,其中漏速15 m3/h以下的漏失3次,通過(guò)隨鉆防漏工藝成功封堵住漏失層,恢復(fù)正常；漏速30 m3/h 以下的漏失4 次,利用高效橋接堵漏成功封堵住漏失層。實(shí)現(xiàn)了鉆探目的并順利完鉆,堵漏用時(shí)31.77 h。

4 結(jié)論

（1）腰英臺(tái)目的層營(yíng)城組地層壓力低,裂縫發(fā)育,漏失類型分為壓差性漏失和裂縫擴(kuò)展性漏失兩類。壓差性漏失可用隨鉆處理劑配合隨鉆防漏堵漏工藝解決,裂縫擴(kuò)展性漏失可用高效橋接堵漏技術(shù)解決。

（2）在優(yōu)選顆粒材料、纖維材料和變形填充材料的基礎(chǔ)上,利用理想充填理論確定了顆粒材料的比例,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了纖維材料和變形填充材料的加量,最終確定了隨鉆防漏處理劑SMFL 的配方。隨鉆防漏處理劑SMFL 對(duì)鉆井液流變性影響小,可有效封堵0.2 mm裂縫,承壓能力大于20 MPa,形成的封堵層的酸溶率達(dá)77.23%～79.21%,有利于后期酸化解堵。

（3）在優(yōu)選酸溶性抗溫顆粒材料、纖維材料和變形填充材料的基礎(chǔ)上,利用SAN-2 工程分布規(guī)律確定了顆粒材料的級(jí)配,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),確定了纖維材料和變形填充材料的加量,形成了封堵1 mm、2 mm裂縫的高效橋接堵漏配方,該配方承壓能力大于25 MPa,形成的封堵層的酸溶率達(dá)79.39%～79.58%,可有效降低儲(chǔ)層損害。

（4）開(kāi)發(fā)的隨鉆處理劑和高效橋接堵漏配方在YP16 井和YP17 井等進(jìn)行了應(yīng)用,成功封堵住儲(chǔ)層水平段漏失層,保證了鉆井施工的順利進(jìn)行,達(dá)到了鉆井目的。較鄰井YP13 井堵漏時(shí)間減少96.1%以上。