某區(qū)塊常用橋漿堵漏配方的優(yōu)化與評(píng)價(jià)

嚴(yán)平

(藍(lán)海博達(dá)科技有限公司,福建 泉州 362100)

某區(qū)塊二開井眼漏失類型主要為發(fā)育孔洞孔隙型白云巖及巖溶縫洞型石灰?guī)r兩大類,多為天然開啟型裂縫。該區(qū)塊統(tǒng)計(jì)124次井漏, 38%為失返型漏失,25%漏速大于30 m3/h,37%漏速小于30 m3/h,統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場常用配方為:核桃殼+FD堵漏劑+隨鉆堵漏劑+棉籽殼[1]。堵劑最大粒徑為5 mm,平均一次堵漏成功率約62%。增加了鉆井成本,同時(shí)對(duì)地下水環(huán)境造成了破壞,該區(qū)塊地層條件決定了其易漏的特點(diǎn),因此提高堵漏效率成了亟須解決的問題。

國內(nèi)外研究人員針對(duì)鉆井堵漏進(jìn)行了大量的研究工作,包括改良現(xiàn)場常用的橋漿堵漏工藝方法[2-3]、引入膨脹類堵劑材料、研究凝膠類堵漏材料與體系、構(gòu)建專項(xiàng)堵漏的高失水堵漏漿等[4-10],這些方法均有其適用范圍[11]:1)膨脹類堵劑的膨脹速率還無法有效控制,膨脹后強(qiáng)度降低明顯;2)高失水類堵劑的失水速度無法控制,且不適用于水敏地層;3)固化類堵漏劑抗沖稀能力差,施工風(fēng)險(xiǎn)高;4)聚合物凝膠類堵劑普遍抗溫、抗鹽能力差,強(qiáng)度較低,長期封堵能力不足。

本文通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場大量漏失井二開311.2 mm井眼的堵漏情況,確定了橋漿堵漏在該區(qū)塊的堵漏成功率,通過室內(nèi)評(píng)價(jià)確定了目前現(xiàn)場配方的不足之處,針對(duì)性提出了配方改進(jìn)方向,并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了配方的封堵效率,同時(shí)在現(xiàn)場取得了成功應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備見表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)材料列表

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

室內(nèi)主要通過高溫高壓承壓堵漏儀和高溫高壓裂縫封堵儀測試不同配方的封堵能力,根據(jù)堵漏漿的漏失量、承壓強(qiáng)度以及堵漏劑侵入深度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)堵漏配方進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1)對(duì)高溫高壓砂床的堵漏評(píng)價(jià)。高溫高壓砂床濾失儀由高溫高壓壓力容器內(nèi)填充砂床構(gòu)成孔隙性滲透性漏層,通過選擇不同粒徑的砂床來模擬不同漏失通道的孔隙大小,外接氮?dú)馄窟M(jìn)行承壓堵漏實(shí)驗(yàn)。在高溫高壓砂床模擬堵漏儀中填充500 mL的不同目數(shù)砂子,向堵漏儀上部加入700 mL的堵漏漿,打開加熱裝置,對(duì)整個(gè)堵漏儀加熱至要求溫度(模擬漏層溫度)。從設(shè)備上部開始加壓,1 MPa開始,每次加壓0.5～1 MPa,加壓至10 MPa,每個(gè)壓力狀態(tài)下保持滴漏或無漏失30 min后則提高1 MPa壓力。用承壓30 min漏失量≤10 mL時(shí)的壓力來表示承壓能力。

2)對(duì)高溫高壓裂縫的封堵能力。采用高溫高壓裂縫堵漏儀模擬漏失地層的溫度220 ℃和堵漏時(shí)的壓力10 MPa,用楔形模塊模擬漏失裂縫,測試各堵漏配方的封堵性能。選取3組楔形縫(0.5 mm×20 mm,1 mm×20 mm,2 mm×20 mm)模擬地層中不同大小的誘導(dǎo)裂縫縫隙。向模擬井筒中加入1 000 mL堵漏漿,打開加熱裝置,對(duì)整個(gè)堵漏儀加熱至要求溫度。采用間歇式加壓,每次加壓穩(wěn)壓10 min后,再次加壓。每隔10 min,加壓0.5 MPa,從設(shè)備上部開始加壓,1 MPa開始,最高加壓至10 MPa。每個(gè)壓力狀態(tài)下保持滴漏或無漏失30 min后則提高1 MPa壓力。當(dāng)承壓30 min漏失量≤10 mL時(shí),記錄此時(shí)的壓力,評(píng)價(jià)裂縫中封堵層的承壓性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場常用橋漿堵漏機(jī)理

現(xiàn)場311.2 mm井眼的主要堵漏工藝為橋漿堵漏,一般是在鉆井液中添加具有一定顆粒粒徑分布的堵漏材料,這些材料進(jìn)入地層中的裂縫后,能在其粗糙的表面及狹窄部位產(chǎn)生掛阻并架橋后逐漸形成低滲透的致密封堵體,封隔井內(nèi)鉆井液液柱壓力與縫內(nèi)壓力之間的傳播。對(duì)于天然裂縫漏失,Loeppke等[12]對(duì)堵漏材料的架橋機(jī)理進(jìn)行了深入研究,并提出了單顆粒架橋和雙顆粒架橋模型。Fuh等[13]開展的DEA-13實(shí)驗(yàn)研究,奠定了不同類型鉆井液漏失特性和堵漏材料承壓封堵裂縫的研究基礎(chǔ)。并采用縫尖封堵機(jī)理來解釋堵漏材料的承壓封堵裂縫的現(xiàn)象,這也是裂縫傳播阻力強(qiáng)化井眼的理論基礎(chǔ)。后續(xù)進(jìn)行的GPRI實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究了不同堵漏材料提高裂縫延伸壓力的效果,所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,顆粒材料對(duì)裂縫的封堵是提高地層承壓能力的控制因素。Alberty等[14]通過現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提出了“應(yīng)力籠”理論,該方法通過顆粒材料支撐和封堵井眼周圍的預(yù)制裂縫,實(shí)現(xiàn)提高井周切向應(yīng)力的目的。

2.2 基于SCT應(yīng)力籠理論和單/雙顆粒架橋理論的堵漏配方設(shè)計(jì)

SCT應(yīng)力籠理論適用于裂縫和滲透性地層,其理論的基本點(diǎn)是沉積固體在裂縫縫口附近,像支撐劑一樣,將井眼中流體壓力與主要裂縫相封隔,在LCM段塞將往地層的漏失的消失時(shí)將降低裂縫的壓力。裂縫將導(dǎo)致近井周圍地層的壓實(shí),當(dāng)固體顆粒封堵地層裂縫保持裂縫開啟,近井有效的切應(yīng)力增加。第一個(gè)來說明井眼增強(qiáng)的概念是蘭德馬克出版的預(yù)先激活井眼強(qiáng)度,這是所謂的應(yīng)力籠理論,通過創(chuàng)造微裂縫然后采用顆粒填充堵塞和支撐微裂縫的開口,增加環(huán)應(yīng)力,使用的顆粒級(jí)配的顆粒材料的可以采用壓裂0.20 m(6寸)裂縫的水力壓裂方法進(jìn)行計(jì)算,以應(yīng)力籠理論出現(xiàn)[13],一個(gè)筆形裂縫的方程顯示了井壁的這種增強(qiáng)效應(yīng),SCT應(yīng)力籠理論示意圖見圖1。

圖1 Aston的SCT應(yīng)力籠理論

SCT理論的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):

1)必須含有連續(xù)的粒徑分布范圍,從1 μm的黏土到所需要的橋架寬度;

2)D1/2的理想充填理論,在低密度鉆井液中,用于選擇最優(yōu)的粒徑分布;

3)最好使用高顆粒濃度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)需要至少42 g/L的橋架混合物才能進(jìn)行有效的封堵;

4)通過連續(xù)添加大顆粒橋架材料,采用8.5%左右的橋架固體可以實(shí)現(xiàn)井壁增強(qiáng)。

圖2為SCT理論下的承壓效果示意圖,可以看到,以SCT理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的堵漏漿,相較于普通基漿,能明顯提高承壓能力。

另外,STPB(單顆粒)與TPB(雙顆粒橋)架理論也常用于橋漿堵漏的指導(dǎo),具體是指,一些裂縫,其開口大小與鉆井液中的顆粒材料的大小相當(dāng),可能產(chǎn)生單一顆?；蛘叨囝w粒的橋架,單一顆粒與雙顆粒橋架產(chǎn)生的封堵效果比多顆粒的效果更好,多顆粒容易產(chǎn)生在擠入方向的塌陷。單一顆粒和雙顆粒雖然封堵效果及時(shí),但是在受到抽吸時(shí)易于產(chǎn)生返吐。

2.3 不同橋堵配方的封堵能力評(píng)價(jià)

現(xiàn)場堵漏時(shí)常有循環(huán)后復(fù)漏的現(xiàn)象,大多是由堵漏材料的封門造成的,室內(nèi)為了更真實(shí)評(píng)價(jià)堵漏材料的封堵效果,對(duì)封堵后表層形成的封門濾餅進(jìn)行了清除,再使用鉆井液進(jìn)行承壓測試,更能真實(shí)反映堵漏材料的實(shí)際封堵效果。室內(nèi)使用現(xiàn)場常用配方進(jìn)行評(píng)價(jià),井漿+6%隨鉆JD-5+5%FDJ-1+2%FDJ-2+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4,結(jié)果顯示:

1)現(xiàn)場配方對(duì)20～40 mm大砂床侵入能力較好,清除濾餅后,仍能承壓7 MPa;

2)現(xiàn)場配方大顆粒、大纖維較多,對(duì)4～10 mm砂床侵入能力較差,有明顯封門現(xiàn)象,清除濾餅后,不能有效承壓。

由于現(xiàn)場裂縫的未知性,需要優(yōu)化現(xiàn)場配方粒徑分布,使其能同時(shí)對(duì)大砂床及小砂床形成有效封堵。

室內(nèi)通過對(duì)現(xiàn)場配方各材料的比例調(diào)整優(yōu)化各種粒徑的占比,以便在不封門的前提下,達(dá)到同時(shí)封堵不同裂縫的效果。通過以下幾個(gè)典型配方可以看出各粒徑在堵漏過程中的明顯區(qū)別。

配方1:井漿+6%隨鉆JD-5+5%FDJ-1+2%FDJ-2+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方2:井漿+6%隨鉆JD-5+1%FDJ-1+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方3:井漿+6%隨鉆JD-5+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方4:井漿+0.5%隨鉆JD-5+1.5%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%HTK(細(xì))+1%HTK(中);

配方5:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%HTK(細(xì))+2%HTK(中)+0.5%HTK(粗);

配方6:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%GUARD3000+2%GUARD5000+0.5%GUARD7000。

2.3.1 孔縫型封堵能力評(píng)價(jià)

圖3可以看到不同配方對(duì)于不同粒徑砂床的封堵效果,對(duì)比各配方的堵劑材料可以了解到:1)現(xiàn)場堵劑FDJ粒徑較大,團(tuán)狀纖維較多,堵漏時(shí)易封門,室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場堵劑的配方粒徑優(yōu)化,以0.5～1 mm粒徑為主,加入少量HTK大顆粒進(jìn)行誘導(dǎo)封堵,用NTBASE纖維進(jìn)行輔助架橋,能有效降低封門概率,提升堵漏效果;2)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,優(yōu)化后的配方5,能同時(shí)有效封堵4～10 mm砂床及20～40 mm砂床,說明配方適用性廣,能有效應(yīng)對(duì)地層裂縫的未知情況。

2.3.2 天然裂縫型封堵能力評(píng)價(jià)

圖4可以看到不同配方對(duì)于不同寬度裂縫的封堵效果,通過評(píng)價(jià)可以看到有的堵漏配方對(duì)于開度較大的天然裂縫,在封堵效果上存在一定不足。配方1,封堵1～2 mm天然裂縫時(shí),封門明顯,堵劑進(jìn)入裂縫較少,導(dǎo)致有效承壓較低,封堵3～5 mm裂縫時(shí),則由于材料本身強(qiáng)度不足,導(dǎo)致承壓能力較低;配方5,也由于HTK強(qiáng)度不足,限制了承壓能力;配方6則是加入強(qiáng)度較高的大顆粒材料GUARD,使得封堵承壓能力得到明顯提升。

圖4 不同配方對(duì)不同天然裂縫的封堵效果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至目前,改良的橋堵配方已在某區(qū)塊某井進(jìn)行了成功應(yīng)用。215.9 mm井眼在2 700和2 725 m鉆進(jìn)中發(fā)生井漏,漏速6～10 m3/h,采用橋漿堵漏和隨鉆堵漏治理有效。該漏點(diǎn)漏速較低,為滲透型或裂隙型漏失;同時(shí),這兩處漏失與鉆井排量關(guān)系較大,2 700 m發(fā)生漏失時(shí)排量26.5 L/s,降排量至17.5 L/s,不漏。說明漏失壓力處于鉆井液靜密度與循環(huán)當(dāng)量密度之間,降低循環(huán)壓耗是解決漏失的有效手段,進(jìn)一步說明該處為裂隙型漏失,隨著ECD變化裂縫周期性的裂縫張開,具有一定呼吸效應(yīng)鉆進(jìn)至2 705 m,20:00投球,打開旁通閥,泵入濃度25%堵漏漿6 m3,替漿,23:00起鉆至2 460 m,關(guān)井?dāng)D堵:第一次,排量3.3 L/s,泵入1.2 m3,泵壓7.2 MPa,套壓5.3 MPa,穩(wěn)壓15 min,套壓3.3 MPa,井底當(dāng)量1.40 g/cm3;第二次,排量2.6 L/s,泵入1.4 m3,泵壓7.9 MPa,套壓5.1 MPa,穩(wěn)壓15 min,套壓3.5 MPa,井底當(dāng)量1.41 g/cm3;第三次,排量3.3 L/s,泵入1.2 m3,泵壓9.1 MPa,套壓6.0 MPa,穩(wěn)壓15 min,套壓4.3 MPa,井底當(dāng)量1.44 g/cm3。堵漏劑配方:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%GUARD3000+2%GUARD5000。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)場常用橋堵配方的評(píng)價(jià)與優(yōu)化,找到了現(xiàn)場配方的不足之處,評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,現(xiàn)場常用配方由于偏向加入較多大纖維、大顆粒材料,使得配方容易發(fā)生封門的現(xiàn)象,室內(nèi)對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn),3 mm以上的大顆?？偧恿繎?yīng)在1%～3%,同時(shí)應(yīng)避免加入易形成纖維團(tuán)的植物纖維,可使用易分散的礦物纖維代替,這樣可以同時(shí)滿足4～10 mm以及20～40 mm砂床的封堵需求,提高配方適用范圍。而封堵裂縫型漏失時(shí),尤其是對(duì)承壓能力要求較高時(shí),將配方中低強(qiáng)度的HTK替換為高強(qiáng)度的GUARD高分子材料,可將封堵承壓能力從3 MPa提升至7 MPa以上,現(xiàn)場使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。