油基鉆井液堵漏體系及材料研究進展

董云峰，韓 成

[1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東湛江 524057；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057]

油基鉆井液在深井超深井、油頁巖、水敏性極強等復(fù)雜地層水平井鉆井中，井壁穩(wěn)定表現(xiàn)巨大的優(yōu)勢。同時隨著國內(nèi)頁巖油頁巖氣的快速開發(fā)，在頁巖油頁巖氣水平井中大量使用油基鉆井液，但是隨著鉆遇地層越來越復(fù)雜[1]，使油基鉆井液容易出現(xiàn)漏失問題。相比于水基鉆井液，油基鉆井液更容易產(chǎn)生水力學(xué)劈裂，地層親油通道表面阻力更小，一旦油基鉆井液出現(xiàn)井漏，更不容易堵住。同時由于油基鉆井液成本高，尤其是海上油氣田鉆井使用油基泥漿出現(xiàn)井漏問題，處理難度極大，造成巨大的經(jīng)濟損失。本文綜述了目前油基鉆井液堵漏思路及體系、堵漏材料研發(fā)進展等，為油基鉆井液堵漏提供借鑒。

1 提高地層承壓能力

無論采用哪種堵漏方式，最終目的都是提高油基鉆井液鉆井地層承壓強度。地層承壓能力主要由地質(zhì)因素和工程因素決定。地質(zhì)因素是內(nèi)因，由地層本身物性、膠結(jié)物種類、裂縫發(fā)育程度、地層溫度壓力等決定；工程因素為外因，與油基鉆井液的工藝、性能有關(guān)。目前提高地層承壓能力方法主要有強化應(yīng)力狀態(tài)、封堵漏失通道、提高巖石強度以及建立水力阻斷四種方法[2]。

1.1 強化應(yīng)力狀態(tài)

對于滲透率較低的泥頁巖和砂巖以及高滲透率的裂縫性地層，主要通過強化應(yīng)力狀態(tài)提高地層承壓能力，即通過剛性固相顆粒架橋和柔性封堵材料封堵裂縫，提高近井地帶的周向應(yīng)力，進而提高地層破裂壓裂和裂縫重啟壓力，井周形成穩(wěn)定的應(yīng)力籠。這種方式尤其適用鉆井作業(yè)中非儲層段堵漏。

1.2 封堵漏失通道

針對滲透性地層和裂縫性地層，主要通過選擇與地層孔喉大小尺寸匹配的粒子，在井壁形成屏蔽暫堵，或者使用膠質(zhì)材料充填于裂縫，把地層裂縫的兩面進行膠合，進行膠質(zhì)黏結(jié)封堵。同樣也適用于裂縫性、孔洞性地層堵漏，通過可酸溶或可降解的暫堵材料在近井壁實現(xiàn)快速封堵、適度侵入，提高地層雙向承壓，進行暫堵性堵漏，根據(jù)完井作業(yè)及后續(xù)生產(chǎn)的需要，再進行酸化解堵。

1.3 提高巖石強度

主要適用于滲透率地層，通過在油基鉆井液中加入聚合物，注入地層漏失層位，在井下地層條件發(fā)生聚合反應(yīng)形成一定強度的凝膠，凝膠充填于漏層可加固地層，以提高地層強度。

1.4 建立水力阻斷

理論上針對各種裂縫性、滲透性地層等均能建立水力阻斷，如能通過下套管并保證固井質(zhì)量建立水力阻斷，也可以通過膨脹管技術(shù)，即通過機械式或者液壓式的方式使得套管管柱發(fā)生永久性變形以建立水力阻斷來提高地層承壓能力。

2 油基鉆井液堵漏體系

2.1 架橋堵漏體系

目前油基鉆井液堵漏體系主要是建立在架橋理論基礎(chǔ)上，即根據(jù)地層孔喉大小與分布，調(diào)整油基鉆井液中加入架橋粒子、變形粒子及充填粒子的大小與分布，在鉆井液液柱正壓差作用下，在井壁處形成“封堵墻”，架橋粒子在漏層縫隙中支撐架橋，為后續(xù)堵漏顆粒提供屏障；隨后充填粒子在堵漏漿攜帶下，在漏層裂縫處擠壓、充填、楔入，形成一道應(yīng)力封堵墻；最后在變形粒子井底壓差的作用下，繼續(xù)在縫隙中進行充填和堆積，進一步加固封堵墻強度，整體概括為“顆粒架橋、楔入承壓和封門加固”三個階段。

中石油長城鉆探通過調(diào)整油基納米封堵劑粒度大小，合理級配，形成致密封堵層，有效應(yīng)對了遼河油田油基鉆井液在油頁巖、泥頁巖等地層出現(xiàn)的井漏問題[3]。

長江大學(xué)舒曼基于“剛?cè)岵?，變形封堵，細粒充填及限制滲透”的堵漏原理基礎(chǔ)上，優(yōu)選彈性封堵劑、剛性堵漏劑、變形顆粒，配制油基鉆井液堵漏體系，有效防止了焦石壩區(qū)塊頁巖氣水平井水平段油基鉆井液漏失問題，現(xiàn)場應(yīng)用表明極大提高了堵漏成功率[4]。

中石化王曉亮同樣采用“剛?cè)岵倍侣┧悸?，?yōu)化納米封堵劑、液體瀝青、超細碳酸鈣等封堵材料，實現(xiàn)了納米-微米廣譜封堵，現(xiàn)場應(yīng)用也證實了納米-微米廣譜封堵有效應(yīng)對了宜昌地區(qū)頁巖破碎帶井漏問題[5]。

中石油川慶鉆探針對新疆油田準(zhǔn)噶爾南緣地區(qū)應(yīng)用油基鉆井液井漏問題突出難題，優(yōu)選軟化瀝青、油基膨脹型、剛性顆粒、細纖維等材料復(fù)配油基鉆井液堵漏體系，形成了不同漏速的油基膨脹型隨鉆防漏堵漏工藝，堵漏成功率達到70%[6]。

2.2 凝膠堵漏體系

油基鉆井液凝膠堵漏原理為凝膠溶液中的高分子在一定壓力、溫度、濃度等條件下互相連接，形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)彈性體，該彈性體具有較強的強度和成膜特性，在液柱壓力作用下可實現(xiàn)對地層實施封堵。

紀衛(wèi)軍針對油基鉆井液堵漏技術(shù)不足，研究了一種油基鉆井液凝膠體系，通過室內(nèi)實驗可知該凝膠體系的抗壓強度、配伍性均滿足堵漏要求，同時現(xiàn)場施工時，使用一種既能提升密度又能增強強度的增強劑，可以將凝膠的密度調(diào)節(jié)至鉆井液相同的密度。室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)增強劑加量為20%時，凝膠強度可以增加到3.2 MPa，同時密度增至1.32 g/cm3，在焦頁198-1HF 井頁巖氣堵漏作業(yè)中得到成功應(yīng)用[7]。

渤海鉆探王燦優(yōu)選交聯(lián)劑、凝膠劑、乳化劑等關(guān)鍵處理劑用于配制油基鉆井液凝膠堵漏體系，同時利用正交試驗得出了溫度、剪切作用、pH 等對油基凝膠成膠性能的影響規(guī)律，根據(jù)影響規(guī)律優(yōu)化得到的油基鉆井液凝膠堵漏體系具有更強的堵漏能力，同時抗溫能力超過120℃[8]。

中石化劉文堂研制出油基鉆井液用的微納米級可變形的球狀凝膠，以及復(fù)合纖維等其他封堵材料，構(gòu)建了油基鉆井液球狀凝膠復(fù)漏體系，室內(nèi)石英砂床封堵承壓能力提高到17 MPa，并在涪陵頁巖氣66口井中進行現(xiàn)場應(yīng)用，有效解決了涪陵頁巖氣裂縫、層理發(fā)育導(dǎo)致的油基鉆井液漏失嚴重的問題[9]。

中海油李炎軍通過實驗發(fā)現(xiàn)氫鍵凝膠固化后具有良好的黏滯性和韌性，能夠有效停留在漏層裂縫內(nèi)，在轉(zhuǎn)為固體過程中，可以完全充填到漏層裂縫中，適應(yīng)不同形態(tài)、大小的漏層裂縫，能最大程度地封堵縫隙，同時氫鍵凝膠抗油基鉆井液污染能力強，抗油基鉆井液污染能力達到30%，凝膠強度受溫度影響較小，凝膠強度遠高于大多數(shù)水凝膠，其強度可達20 N。水平井N2井鉆進至4 757 m 發(fā)生井漏，漏速達到54 m3/h，現(xiàn)場采用氫鍵凝膠堵漏，侯凝12 h 后循環(huán)、鉆井均為復(fù)漏發(fā)生[10]。

2.3 水泥漿堵漏體系

針對油基鉆井液漏失嚴重且堵漏施工難度大的地層，如鉆遇洞穴型或者高滲透大裂縫型地層發(fā)生漏失，進行架橋堵漏和凝膠堵漏無法有效提高地層承壓能力，最有效的辦法就是采用油基鉆井液水泥漿堵漏體系。但是目前油基鉆井液對水泥漿性能影響較大，尤其深井、大位移水平井油基鉆井液環(huán)境中泵入水泥漿作業(yè)風(fēng)險高，因此，油基鉆井液水泥既要求與油基鉆井液配伍性好，又要封堵堵漏性能好。

中石化崔云海采用混合淡水和柴油配制油基鉆井液水泥漿，可以現(xiàn)場使用的油基鉆井液按照任意比例進行混合，表現(xiàn)出良好的配伍性，配制的堵漏水泥漿體系的稠化時間、密度、強度可以按照要求進行調(diào)整，同時堵漏水泥漿的沉降穩(wěn)定性良好，該油基鉆井液堵漏水泥漿在焦石壩龍馬溪組非常規(guī)頁巖氣水平井應(yīng)用中，成功解決了多口井發(fā)生的大型漏失復(fù)雜情況[11]。

長江大學(xué)俞玲通過研究、優(yōu)化和改進氯氧鎂水泥，在氯氧鎂生成518相穩(wěn)定多元結(jié)晶相前提下，采用聚萘磺酸鈉鹽作為分散劑，多糖類和硼酸類復(fù)配作為緩凝劑，復(fù)配成一種適用于油基鉆井液水泥漿堵漏體系。該堵漏體系稠化時間可控、流變性能良好、水泥石抗壓強度大、抗油基鉆井液污染能力強。最突出的優(yōu)勢是該水泥漿堵漏體系可以酸溶，徹底改變了普通水泥漿不能酸溶的堵漏缺陷，氯氧鎂水泥堵漏體系為油基鉆井液堵漏開辟了新思路[12]。

長江大學(xué)楊志城為解決水泥漿體系與油基鉆井液配伍性較差的難題，通過稀釋原油基鉆井液，將原油基鉆井液的固相含量控制在18%以內(nèi)，然后在稀釋油基鉆井液的基礎(chǔ)上再添加足夠量的分散劑和表活劑，以提高油基鉆井液與水泥漿的配伍性，焦頁51-4HF 水平井三開發(fā)生失返性漏失，嘗試常規(guī)堵漏漿后效果不好，使用該方法配制堵漏水泥漿體系，一次性成功堵漏，并且沒有復(fù)漏，現(xiàn)場應(yīng)用表明堵漏效果良好[13]。

3 油基鉆井液堵漏新材料新技術(shù)

3.1 堵漏新技術(shù)

地溝油主要含有大量高級脂肪酸和甘油三酯等酯類有機物，長江大學(xué)潘永功利用地溝油中含有的酯類，與篩選出的適合堵漏作業(yè)的強堿性材料反應(yīng)生成的皂堿，皂化反應(yīng)緩慢，且所需的溫度較高，因此在地面利用地溝油和強堿材料配制堵漏漿不至于堵住地面循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)堵漏漿泵至地層漏失層位后，在地層溫度的作用下，加快皂化反應(yīng)，形成皂堿封堵漏失層。室內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)激活劑溶液的濃度，從而精準(zhǔn)控制地溝油堵漏漿體系的稠化時間，來滿足不同井深漏失封堵的需求。該堵漏新技術(shù)可以變廢為寶，保護環(huán)境，同時為油基鉆井液堵漏提供了新思路。

3.2 堵漏新材料

中國地質(zhì)大學(xué)唐國旺合成一種新型油基鉆井液彈性堵漏材料，能夠在被高度壓縮，同時當(dāng)釋放壓力后能恢復(fù)膨脹并封堵地層，承壓強度高，同時該彈性材料抗溫能力超過150℃，在焦頁195-1HF 井中與其他微細復(fù)合堵漏材料、剛性堵漏材料復(fù)配使用，得到較好的應(yīng)用效果。中國地質(zhì)大學(xué)劉瑞針為解決油基鉆井液漏失處理困難的問題，研發(fā)了一種分散性能好、抗拉強度高、配伍性好、抗溫超過200℃的改性礦物纖維隨鉆防漏堵漏材料，使用該纖維隨鉆防漏堵漏材料與彈性封堵劑、剛性堵漏劑復(fù)配，有效解決了果勒303H 井的漏失難題。

中石化吳軍研制出了一種固化強度、固化時間可調(diào)的新型油基堵漏劑，即通過調(diào)整激活劑和固化劑的含量可以實現(xiàn)固化溫度、時間、強度可調(diào)的特點，再結(jié)合傳統(tǒng)架橋堵漏思路，在堵漏漿中加入了橋架粒子，形成可以在漏層有效停留且具有一定強度的固體填塞，顯著提高了堵漏的成功率。同樣為提高油基鉆井液在漏層駐留能力，形成穩(wěn)定的封堵層，中石化張縣民研制一種親油共混聚合物，該材料在擠壓架橋及黏結(jié)的協(xié)同作用可在光滑的裂縫板上有效駐留，提高堵漏材料的作用效果，通過與剛性填充及柔性纖維材料復(fù)配，承壓能力可以達7.5 MPa。

陜西延長石油研制了一種疏松多孔親油高分子樹脂類油基鉆井液堵漏材料，該材料具有吸油膨脹性、良好的強度和彈性、良好的熱穩(wěn)定性，能夠在壓力作用下擠入裂縫進行交聯(lián)固化。由于其疏松多孔性質(zhì)，在與地層流體接觸后膨脹，產(chǎn)生二次封堵作用，進一步擠壓地層裂縫，形成較強的封堵墻。

4 結(jié)束語

提高地層承壓能力是處理油基鉆井液井漏問題的核心，目前提高地層承壓能力的方法主要有強化應(yīng)力狀態(tài)、封堵漏失通道、提高巖石強度以及建立水力阻斷四種方法。

目前油基鉆井液堵漏體系有架橋堵漏體系、泥漿堵漏體系和水泥漿堵漏體系，但是油基鉆井液堵漏主要是圍繞架橋堵漏體系發(fā)展，通過彈性、剛性堵漏材料的復(fù)配優(yōu)化油基鉆井液的堵漏性能，架橋堵漏體系特別適用于滲透率漏失及微裂縫漏失。油基鉆井液凝膠堵漏體系也朝著更高堵漏強度發(fā)展。水泥漿堵漏體系特別適用于大裂縫、洞穴型、破碎帶等大漏失地層堵漏，但是要加強儲層保護方面的研究。

隨著油基鉆井液技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了地溝油堵漏體系、固化交聯(lián)體系、多孔親油型樹脂類堵漏材料，油基鉆井液堵漏體系及堵漏材料朝著低成本、抗高溫、抗高壓的方向發(fā)展。