長慶頁巖油水平井華H90-3 井超長水平段防漏堵漏技術(shù)

孫 歡，朱明明，王偉良，李治君，陳 寧，劉 斌

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司頁巖油項目組,甘肅慶陽 745100；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,陜西西安 710018）

長慶頁巖油區(qū)位于陜北斜坡西南段，局部構(gòu)造位于慶陽鼻褶帶，構(gòu)造形態(tài)為一個西傾單斜，砂體空間上主要發(fā)育長71和長72小層。受沉積相控制，河道發(fā)育不穩(wěn)定，砂體厚度變化較大，儲層連續(xù)性差，油藏平均埋深2105 m，地層溫度58.9 ℃，原始地層壓力15.8 MPa，壓力系數(shù)0.75。2019 年，該油區(qū)水平段長4088 m 的華H50-7 井順利完鉆，實現(xiàn)了國內(nèi)非常規(guī)油氣開發(fā)的突破。為充分動用復(fù)雜地貌條件下的油氣儲量，長慶油田又部署了水平段長度超5000 m 的水平井華H90-3 井；但隨著水平段延長，井漏問題開始凸顯，主要表現(xiàn)在長裸眼井段漏層難以定位、一次堵漏成功率低和可固化堵漏液施工風(fēng)險高等方面，而常規(guī)防漏堵漏技術(shù)存在防漏堵漏效果差、漏層易復(fù)發(fā)和易發(fā)生壓差卡鉆等問題，難以滿足長度超5000 m 水平段的施工要求。為此，筆者結(jié)合華H90-3 井的具體井況，應(yīng)用漏層精準(zhǔn)定位技術(shù)和當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）監(jiān)測技術(shù)，并研發(fā)了隨鉆堵漏工作液、阻水型可固化纖維堵漏工作液及配套堵漏工藝，形成了頁巖油水平井超長水平段防漏堵漏技術(shù)。現(xiàn)場應(yīng)用該技術(shù)對華H90-3 井漏層進行封固，順利完成了長達5060 m 水平段的施工，取得了很好的效果。

1 超長水平段防漏堵漏技術(shù)難點

華H90-3 井采用三開井身結(jié)構(gòu)：φ393.1 mm 鉆頭×φ339.7 mm 套管×301.00 m+φ311.1 mm 鉆頭×φ244.5 mm 套管×2 279.00 m+φ215.9 mm 鉆頭×φ139.7 mm套管×7 339.00 m。φ244.5 mm 套管下至入窗點，封固上部易漏易塌地層，目的層位為長712，設(shè)計完鉆井深7 270.77 m，設(shè)計水平段長5 000.00 m，靶前距425.76 m，偏移距98.70 m。該井技術(shù)套管已封固直井段、斜井段，防漏堵漏難點集中在超長水平段，具體技術(shù)難點如下：

1）裸眼井段長，漏層位置難以判斷。超長水平段裸眼井段長，井眼軌跡穿越多套砂巖與泥巖層位，發(fā)生漏失后很難對漏層位置進行精準(zhǔn)識別，導(dǎo)致堵漏成功率低[1-2]。

2）循環(huán)壓耗高，低承壓地層和地質(zhì)斷層易發(fā)生漏失。分析已鉆200 余口水平井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域原始地層承壓能力弱，但為滿足鉆井液攜砂和防塌要求，采用了大排量、提高鉆井液密度的方法，大幅增加了循環(huán)壓耗，導(dǎo)致ECD 升高，易發(fā)生壓差性漏失[3-5]；根據(jù)地震疊加剖面預(yù)測水平段存在地質(zhì)斷層夾持地塹，易發(fā)生惡性井漏。

3）隨鉆堵漏劑的選擇余地小，堵漏難度大[6-8]。該井?dāng)M采用Autotrakt 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，但其要求隨鉆堵漏劑的粒徑不能大于1.5 mm，而目前常用的橋塞類隨鉆堵漏材料粒徑難以滿足要求，需要起鉆更換，大幅增加非生產(chǎn)時效，且堵漏施工風(fēng)險高。

4）常規(guī)堵漏漿易被稀釋分散，堵漏成功率低[9-12]。常規(guī)的橋塞、水泥類堵漏漿進入漏層后易被其中的鉆井液和水稀釋，破壞漿體的穩(wěn)定性，堵漏成功率低；水平段存在垂直裂縫，堵漏漿因重力和起鉆抽汲作用，很難在漏層滯留，無法形成有效封固段。

5）鉆具在長裸眼井段帶壓擠封堵漏，易發(fā)生壓差卡鉆。常規(guī)堵漏擠封作業(yè)時將鉆具起鉆至直井段進行擠封，但超長水平段漏層埋藏深，為了保證擠封效果，鉆具在堵漏漿上液面50～100 m 處進行帶壓擠封作業(yè)，此時鉆具會長時間靜躺于下井壁，易發(fā)生壓差卡鉆。

2 防漏堵漏關(guān)鍵技術(shù)

深入分析華H90-3 井超長水平段防漏堵漏技術(shù)難點后，提出了如下解決思路：先確定合理的鉆井參數(shù)和合適的鉆井液性能，避免人為因素引發(fā)井漏；發(fā)生漏失后先確定漏層位置，再依據(jù)漏失速度及漏失類型采取針對性的堵漏措施，確保超長水平段順利施工。

2.1 當(dāng)量循環(huán)密度監(jiān)測控制技術(shù)

因為循環(huán)壓耗與鉆具長度、鉆具外徑、井眼直徑，以及鉆井液的排量、密度和塑性黏度有關(guān)，所以選擇合理的水力參數(shù)及鉆井液性能，能夠確保超長水平段安全鉆井施工。長慶油田頁巖油水平井超長水平段采用CQSP-RH 高性能水基鉆井液施工時，其塑性黏度基本穩(wěn)定，鉆具組合和井眼尺寸基本不變，因此對ECD 影響最大的是泵排量和鉆井液密度。分析長慶頁巖油區(qū)已鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知，易漏層位的ECD 大于1.374 kg/L 時，出現(xiàn)不同程度的井漏；ECD 降至1.374 kg/L 以下時，則恢復(fù)正常鉆進。因此，確定以ECD 1.374 kg/L 為井漏預(yù)警值?；阢@井液環(huán)空返速和鉆井液的防塌防漏性能綜合考慮，優(yōu)選泵排量26～34 L/s，鉆井液密度1.26～1.32 kg/L，通過對泵排量和鉆井液密度合理匹配計算，形成了泵排量和鉆井液密度的防漏預(yù)警圖（如圖1所示，其中紅線表示ECD 井漏預(yù)警值1.374 kg/L）。

圖1 泵排量和鉆井液密度防漏預(yù)警示意Fig.1 Lost circulation warning signs for pump rate and drilling fluid density

從圖1 可以直觀看出，不同泵排量和鉆井液密度對應(yīng)的ECD 是否超過井漏預(yù)警值?，F(xiàn)場施工時，在不超過井漏預(yù)警值的前提下，根據(jù)鉆井需求，可以根據(jù)圖1 快速確定泵排量和鉆井液密度參數(shù)，避免ECD 過高引發(fā)井漏。例如，泵排量選擇28 L/s時，鉆井液密度不能超過1.31 kg/L。分析認為，該技術(shù)既滿足鉆井安全施工需求，又可實現(xiàn)井漏的超前預(yù)防。

2.2 漏層精準(zhǔn)定位技術(shù)

確定漏層位置是堵漏施工的前提。漏層精準(zhǔn)定位技術(shù)借助Autotrakt 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測定巖性的電阻率，通過電阻率曲線與漏失井深校驗，來定位漏層[13-15]。該電阻率采用四發(fā)雙收式補償電阻率進行測定，發(fā)射頻率2 MHz 和400 kHz 的電磁波。水基鉆井液發(fā)生漏失時，漏層中填充有導(dǎo)電的鉆井液，鉆井液的電阻率比巖石的電阻率低很多，即低阻高導(dǎo)，在電阻率曲線上形成“低尖峰”，因而可以根據(jù)低電阻率數(shù)據(jù)判斷漏層位置及漏層裂縫寬度，實現(xiàn)漏層精準(zhǔn)判斷，為堵漏提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 隨鉆堵漏技術(shù)

針對小型漏失（地層裂縫寬度小于2.0 mm）采用隨鉆堵漏技術(shù)，不用起下鉆倒換鉆具組合進行專項堵漏，從而大幅縮減了非生產(chǎn)時間。但為了保證堵漏后Autotrakt 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)正常工作，對隨鉆堵漏材料的粒徑提出了更高要求。基于此，研制了一種可通過Autotrakt 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的隨鉆堵漏工作液。

2.3.1 隨鉆堵漏工作液

隨鉆堵漏工作液是在CQSP-RH 鉆井液（視為原漿）中加入隨鉆堵漏材料形成的。隨鉆堵漏材料主要由剛性粒子FX-1(40/70 目改性石英砂）、水分散纖維XW-5 和彈性材料TX-3（橡膠顆粒）組成。其中，F(xiàn)X-1 具有一定的承壓能力和懸浮能力，主要起架橋作用，有利于保持堵漏工作液的穩(wěn)定性；XW-5主要起網(wǎng)狀攔截作用，保證堵漏工作液滯留；TX-3主要起填充作用，在壓力作用下進入微裂縫，通過自身黏彈性增大裂縫的摩擦力，有利于形成封堵墻，提高一次堵漏成功率。隨鉆堵漏工作液的配方為原漿+4%FX-1+3%XW-5+8%TX-3。選用粒徑不大于1.5 mm 的隨鉆堵漏材料配成隨鉆堵漏工作液，在室內(nèi)對其進行縫板承壓試驗，結(jié)果見表1。

表1 隨鉆堵漏工作液縫板承壓能力評價結(jié)果Table 1 Pressure-bearing capacity evaluation for seam plates of working fluids for plugging while drilling

由表1可知，最容易漏失的2.0 mm 縫板，在60 ℃下承壓能力為3 MPa，封閉濾失量15 mL。因此，隨鉆堵漏工作液滿足施工要求。

2.3.2 隨鉆堵漏材料與原漿的配伍性

隨鉆堵漏材料不僅要滿足封堵漏層的要求，還要與原漿CQSP-RH 鉆井液有良好的配伍性。為此，在室內(nèi)評價了加入隨鉆堵漏材料對原漿性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 隨鉆堵漏材料對CQSP-RH 鉆井液的影響Table 2 The effect of plugging materials on drilling fluid CQSP-RH

由表2可知，原漿加入隨鉆堵漏材料后的黏度和切力基本保持穩(wěn)定，且高溫高壓濾失量降低，表明隨鉆堵漏材料與原漿CQSP-RH 鉆井液具有良好的配伍性，有助于井壁穩(wěn)定。

2.4 阻水型可固化纖維堵漏工作液及配套工藝

水平段堵漏時存在以下問題：1）超長水平段存在地質(zhì)斷層，斷層處有3～5 m 的裂縫群；2）由于采用注水開發(fā)模式，裂縫中存在大量動態(tài)水，易發(fā)生惡性漏失；3）常規(guī)橋塞類、水泥類堵漏漿由于密度高、穩(wěn)定性差，易被外界流體稀釋，不易在漏層滯留，固化后強度低、擠封完后堵漏漿出現(xiàn)“返吐”等問題，造成堵漏一次成功率低。為了實現(xiàn)超長水平段多個斷層一次性封固成功，研究了阻水型可固化纖維堵漏工作液及配套堵漏工藝。

2.4.1 堵漏工作液關(guān)鍵處理劑優(yōu)選

1）改性石英砂。研制阻水型可固化纖維堵漏工作液時，擬選用20/40 目的改性石英砂作為其支撐劑。改性石英砂制作方法：經(jīng)過一定的物理化學(xué)處理后，在石英砂表面噴涂一種表面涂料，表面涂料遇水能快速溶脹，在表面形成穩(wěn)固的水化層，使其具有自懸浮特性，以保證工作液的穩(wěn)定性。

改性石英砂具有高承壓特性，在86 MPa 壓力下破碎率小于2.1%。為了保證阻水型可固化纖維堵漏工作液的性能，測定水化白土漿中分別加入不同加量改性石英砂后的密度差，評價其懸浮性。試驗基漿為清水+4.0%白土+0.1% PAC-HV。試驗方法：將基漿水化4 h，取4 份，各500 mL，在高速攪拌條件下（10 000 r/min）分別加入5%，10%，15% 和20%的改性石英砂，高速攪拌5 min，倒入500 mL 量筒中靜置30 min，測量上部200 mL 的密度和底部200 mL 的密度，計算上下密度差，結(jié)果見表3。

表3 改性石英砂懸浮性評價結(jié)果Table 3 Suspension property evaluation of modified quartz sand

由表3可知，基漿中加入5%，10%，15% 和20% 的改性石英砂，靜置30 min 后，上下密度差Δρ不超過0.03 kg/L，杯底無沉淀，改性石英砂分散在漿體中，但改性石英砂加量20% 時漿體下部可見到沉積現(xiàn)象，因此推薦改性石英砂的加量小于20%。

2）水分散纖維。當(dāng)阻水型可固化纖維堵漏工作液進入漏層時，水分散纖維可在凹凸不平的表面及狹窄部位產(chǎn)生掛阻和架橋，使堵漏工作液在漏層的漏失速度逐漸減小，實現(xiàn)滯留。另外，含有水分散纖維的堵漏工作液固化后，纖維可形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強固化后的韌性，所以堵漏工作液中水分散纖維的含量越高，堵漏效果越好。但是，為了保證堵漏工作液現(xiàn)場施工的可行性和安全性，需要測試水分散纖維加量對堵漏工作液流變性能的影響，優(yōu)選水分散纖維的加量，結(jié)果見表4。

表4 水分散纖維加量對堵漏工作液流變性能的影響Table 4 The effect of the dosage of water-dispersible fiber on rheological properties of working fluids

由表4可知，水分散纖維的加量大于3.0%時，堵漏工作液的流動度變差，終切力大幅增加，配制和泵送堵漏工作液時易出現(xiàn)堵塞風(fēng)險，不利于現(xiàn)場施工。因此，水分散纖維最優(yōu)加量為2.5%～3.0%。

2.4.2 堵漏工作液配方及特點

通過優(yōu)選關(guān)鍵處理劑和科學(xué)調(diào)配各種試劑，確定阻水型可固化纖維堵漏工作液的配方為：50.00%～55.00%G 級水泥+0.08%～0.10% 阻水劑+10.00%～15.00%減輕劑+15.00%～20.00%改性石英砂（20/40 目）+15.00% 超細穩(wěn)定劑+2.50%～3.00%水分散纖維。

該堵漏工作液具有以下特點：1）堵漏工作液密度低（1.30～1.35 kg/L），可有效降低堵漏工作液的靜液柱壓力，堵漏工作液能更好地在漏層滯留；2）抗污染能力強，通過加入阻水劑和超細穩(wěn)定劑，增強了堵漏工作液的抗污染能力，遇到外界流體（鉆井液/地層水）時不易被稀釋分散，保證固化后的強度；3）纖維含量高，引入1～12 mm 多尺寸分布的水分散纖維，纖維可在漏層形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高固化后的韌性，且纖維本身具有柔變性，能更好地進入漏層，不易在漏層位置形成“封門”的封堵假象；4）固化后強度較高，達到3 MPa（60 ℃/12 h），當(dāng)堵漏工作液進入漏層后，改性石英砂顆粒在漏層處堆積形成基本“骨架”，增強了固化后的強度。

2.4.3 堵漏工作液抗污染性能評價

由于漏失通道被鉆井液或地層水填充，常規(guī)堵漏漿進入漏層后被稀釋，導(dǎo)致堵漏漿性能被破壞，達不到預(yù)期的堵漏效果，因此要求堵漏工作液具有較強的抗外界流體污染的能力。為此，進行了堵漏工作液抗污染性能評價。取500 mL 阻水型可固化纖維堵漏工作液和500 mL 常規(guī)水泥堵漏漿，分別快速倒入裝有等體積水的量筒中，靜置30 min，觀察二者被水污染后的狀態(tài)。

觀察可知，常規(guī)水泥堵漏漿被水稀釋分散，固結(jié)后不承壓，而阻水型可固化纖維堵漏工作液基本保持原始形態(tài)，承壓可達2.6 MPa（60 ℃/12 h）。這說明阻水型可固化纖維堵漏工作液抗污染能力強，可保證其進入漏層固化后的強度。

2.4.4 堵漏工作液配套堵漏工藝

堵漏施工時，需要考慮泵入堵漏漿后井筒內(nèi)堵漏漿的返高位置、鉆具的擠封位置、擠封量及擠封時間等問題。綜合考慮以上問題，通過對常規(guī)堵漏擠封工藝進行優(yōu)化，形成了安全高效的堵漏施工工藝，可以解決堵漏漿由于重力和起鉆抽汲作用易“返吐”、帶壓進行擠封作業(yè)時易發(fā)生壓差卡鉆等技術(shù)難點，保證安全鉆井施工。

安全高效堵漏工藝的具體流程為：井口安裝旋轉(zhuǎn)防噴器，泵入堵漏工作液和頂替液后，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)防噴器，控制起鉆速度；鉆具起至堵漏工作液液面以上50～100 m 后進行帶壓擠封作業(yè)，擠封作業(yè)時旋轉(zhuǎn)鉆具，避免長時間帶壓擠封發(fā)生壓差卡鉆。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

華H90-3 井完鉆井深7339 m，水平段長5060 m。水平段鉆進中共發(fā)生4 次大型漏失，其中3 次為惡性漏失，另外1 次漏失速度為10～15 m3/h。采用ECD 監(jiān)測控制技術(shù)，實現(xiàn)井漏超前預(yù)警；通過分析電阻率異常數(shù)據(jù)，對漏層位置進行精準(zhǔn)判斷，采用隨鉆堵漏技術(shù)和阻水型可固化纖維堵漏工作液及配套堵漏工藝，對漏層進行了有效封堵和固化，保證了超長水平段的順利鉆進。與水平段長4 088 m的華H50-7 井對比，堵漏時間縮短45.25%，堵漏費用降低32.53%，效果顯著。

1）隨鉆堵漏技術(shù)應(yīng)用效果。華H90-3 井鉆至水平段849 m 處發(fā)生漏失，漏失速度10～15 m3/h，繼續(xù)搶鉆15 m，測得漏失井深處的電阻率從正常值降至3 Ω·m，地質(zhì)預(yù)告巖性泥質(zhì)含量增高，判斷漏層在砂泥巖交界處，此處承壓能力低，導(dǎo)致發(fā)生漏失。采用隨鉆堵漏技術(shù)，泵入25 m3隨鉆堵漏工作液，漏失速度逐漸降低，循環(huán)2 h 后鉆井液消耗量正常，Autotrakt 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)儀器正常工作，堵漏成功，恢復(fù)鉆進。鉆至水平段1532 m 時發(fā)生失返性漏失，泵入20 m3隨鉆堵漏工作液，漏失速度降至6～8 m3/h，繼續(xù)鉆進15 m，測得漏失井深處的電阻率從正常值降至0.5 Ω·m，通過前期勘探數(shù)據(jù)預(yù)測在水平段1500～1850 m 地層巖性突變，還存在多個斷層，為暴露更多漏層，便于后期集中進行堵漏施工，采取隨鉆堵漏、降排量措施鉆進。

2）阻水型可固化纖維堵漏工作液技術(shù)應(yīng)用效果。鉆至水平段1657 和1728 m 時出現(xiàn)惡性漏失，電阻率、伽馬數(shù)值異常，搶鉆至水平段1850 m，起鉆采用阻水型可固化纖維堵漏工作液對3 個斷層進行集中堵漏。在水平段1640 m 處泵入30 m3阻水型可固化纖維堵漏工作液，保證3 個斷層均能兼顧，泵入堵漏工作液后采用旋轉(zhuǎn)防噴器起鉆，起至擠封井深后控壓活動鉆具擠封，最終穩(wěn)壓6.2 MPa，帶壓候凝12 h，室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)顯示阻水型可固化堵漏漏工作液已固化，開井循環(huán)，井筒未出現(xiàn)“返吐”現(xiàn)象，繼續(xù)候凝24 h 掃塞，鉆井液消耗正常，堵漏成功，恢復(fù)鉆進。

3）ECD 監(jiān)測控制技術(shù)防漏效果。長慶頁巖油區(qū)已鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析表明，ECD 超過1.374 kg/L 會誘發(fā)漏失，因此每次調(diào)整鉆井液性能和水力參數(shù)時，控制ECD 低于1.374 kg/L。該井施工時應(yīng)用ECD 監(jiān)測控制技術(shù)，未發(fā)生因ECD 過高引起的漏失，保證了5 060 m 超長水平段的順利施工。

4 結(jié)論與建議

1）隨鉆堵漏工作液選用的剛性粒子FX-1、水分散纖維XW-5 及彈性材料TX-3 與CQSP-RH 高性能水基鉆井液具有良好的配伍性，能夠滿足現(xiàn)場施工要求，保障了堵漏后正常鉆進，提高了堵漏效率。

2）阻水型可固化纖維堵漏工作液具有低密度、易滯留、可固化和不易被稀釋分散的特性，配套的堵漏工藝實現(xiàn)了控壓起鉆和動態(tài)擠封作業(yè)，既保證了堵漏工作液在漏層留得住，又避免了壓差卡鉆風(fēng)險。

3）華H90-3 井順利完井，表明采用的ECD 監(jiān)測控制技術(shù)、漏層精準(zhǔn)定位技術(shù)、隨鉆堵漏技術(shù)和阻水型可固化纖維堵漏工作液及配套工藝可以解決超長水平段防漏堵漏技術(shù)難點，實現(xiàn)井漏超前預(yù)防、漏層位置準(zhǔn)確判斷、漏層封固，為超長水平段水平井施工提供了技術(shù)支持。

4）為進一步提高頁巖油水平井超長水平段的防漏堵漏效果，建議研發(fā)多類型的井下工具和無固相可固化堵漏工作液。