＊李成 羅宇維 夏奎 茂林 趙軍 李新育

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部 河北 101149 2.中國石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 266580 3.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 山東 266580）

引言

隨著近幾年油氣勘探開發(fā)逐步走向深層、超深層，鉆井?dāng)?shù)量不斷增加以及鉆遇不同巖性地層的復(fù)雜程度不斷增加，固井的難度也不斷地提高。在油氣鉆探開發(fā)的過程中，若地層存在不同發(fā)育程度的裂縫、孔隙或井筒的壓力高于地層的壓力或大于地層的破裂壓力時，則會使固井液在裂縫或孔隙中發(fā)生流動，從而導(dǎo)致井漏的發(fā)生。固井施工過程中的漏失問題將嚴(yán)重影響固井質(zhì)量，例如水泥漿膠結(jié)質(zhì)量較差，易發(fā)生環(huán)空油氣水竄；水泥失返，嚴(yán)重影響固井成功率。因此解決復(fù)雜井的漏失問題仍是現(xiàn)在固井的重中之重。BZ 19-6構(gòu)造太古界潛山和孔店組頂面為多個具有背斜、斷鼻形態(tài)的復(fù)雜斷塊圈閉，該區(qū)域8-1/2"井段鉆深達(dá)4000多米，裂縫孔隙發(fā)達(dá)且非均質(zhì)性強(qiáng)，漏失問題嚴(yán)重影響一次上返全封固井環(huán)空的成功率。

在常規(guī)堵漏技術(shù)中，堵漏材料的性能參數(shù)（堵漏材料的大小、形狀、物理化性質(zhì)等）與漏失特征和漏失條件的匹配程度，對井下封堵成功率起到了關(guān)鍵性作用。目前常選用橋接堵漏作為堵漏方法，以架橋充填理論和緊密堆積理論為支撐。但橋接堵漏對堵漏材料和孔隙或裂縫的匹配程度有著較高的要求[1-2]。當(dāng)堵漏顆粒的粒徑過大超過裂縫的開口尺寸或顆粒濃度過大，堵漏顆粒承壓或顆粒間相互影響后仍被阻擋在裂縫或孔隙外，在開口處形成堆積。開口處的堵漏材料在壓差作用下被壓實(shí)，形成外隔墻。在鉆井液、前置液的快速沖刷和鉆具的碰撞下，這種外隔墻很容易被破壞，進(jìn)而造成井下的二次漏失。當(dāng)溶液中封堵顆粒粒徑較小時，大部分封堵材料在漏失通道尺寸較小的裂縫尾部形成架橋封堵，在此種狀態(tài)下的封堵層也表現(xiàn)出較高的承載能力。但由于實(shí)際井下裂縫的尾部與井筒的距離相對較遠(yuǎn)，在尾部堵塞的同時也會漏失掉大量工作液，實(shí)際的封堵效果較差。只有當(dāng)溶液中堵漏顆粒的濃度、粒徑與裂縫開口尺度相匹配時，會在距離裂縫開口不遠(yuǎn)處形成具有一定承壓能力的內(nèi)封堵層。這種裂縫內(nèi)部的封堵對水泥漿二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響較小，能夠顯著提高油氣井固井質(zhì)量，這種狀態(tài)是封堵的理想狀態(tài)。形成這種理想封堵狀態(tài)需要堵漏材料與地層漏失特征和漏失條件具有較強(qiáng)的適配性，而在現(xiàn)場施工過程中裂縫或孔隙尺寸大小往往難以確定，所以堵漏材料與漏失通道的自適應(yīng)性問題是目前堵漏問題中的重中之中。因此，針對漏層孔隙直徑或裂縫寬度不易獲得及常規(guī)橋接堵漏劑封堵范圍窄的實(shí)際問題，本文開展了自適應(yīng)堵漏隔離液體系的研究，以彈性材料、膠束聚合物和充填材料作為防漏堵漏劑，研制出自適應(yīng)堵漏隔離液體系，能夠針對較寬范圍的裂縫或孔隙實(shí)施封堵，提高一次上返全封固環(huán)空成功率，減少漏失發(fā)生。

1.堵漏實(shí)驗(yàn)

(1)主要材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料：Na-膨潤土、LY-1、消泡劑、橡膠顆粒、鋸末、重晶石。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：GJ-3S型高速攪拌機(jī)、OWC-2000C型常壓稠化儀、QD-2堵漏儀、六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

(2)基漿配制

本次實(shí)驗(yàn)過程中采用膨潤土作為隔離液的懸浮劑。在漿杯中放入一定量的清水，在攪拌的同時加入一定量的聚合物L(fēng)Y-1、Na-膨潤土攪拌2h使其分散均勻；然后再依次加入一定量的重晶石粉，調(diào)節(jié)隔離液至設(shè)計(jì)密度并充分?jǐn)嚢琛Ｔ跀嚢柽^程中加入0.1%消泡劑以消除在隔離液配置過程中產(chǎn)生的氣泡。本次懸浮劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)選用密度為1.3g/cm3的隔離液（加重劑加量為50%）。未加說明，這里的百分比均為水質(zhì)量的百分比。通過改變膨潤土和疏水締合聚合物加量，配置不同濃度的隔離液基漿。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

采用QD-2堵漏儀進(jìn)行堵漏實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，實(shí)驗(yàn)壓力為1MPa/5min，隔離液密度保持在1.30～1.35g/cm3之間。分別測定在不同壓力條件下的總濾失量，取承壓能力和總濾失量作為主要衡量指標(biāo)。

(4)堵漏材料選擇

針對大尺寸孔隙或裂縫，目前常用的堵漏方法為橋接堵漏；橋接堵漏材料可分為骨架材料和架橋充填材料。由于剛性顆粒的彈性形變較小，像石英砂或核桃殼顆粒粒徑若大于裂縫開口寬度時，在壓力作用下很容易壓破地層，封堵效果較差。而橡膠顆粒彈性模量為80MPa，彈性系數(shù)為0.45，在壓差作用下，膠粒進(jìn)入到裂縫內(nèi)部并且產(chǎn)生一定程度上的形變作用和相應(yīng)的反彈力，就會使膠粒與裂縫壁面之間產(chǎn)生較強(qiáng)的摩擦阻力。撤去外力后，膠粒就會在縫內(nèi)形成一定強(qiáng)度且穩(wěn)定橋塞骨架。膠粒的密度在1.172～1.20g/cm3，能夠均勻的分散在隔離液漿體中。膠粒一般多呈不規(guī)則形狀，能夠與地層表面形成較大的摩擦阻力，因此本文選用橡膠顆粒作為填塞支撐材料。與剛性堵漏材料相比，橡膠顆粒變形與漏失通道能夠產(chǎn)生更大的摩擦阻力，提高封堵層的穩(wěn)定性[3]。

當(dāng)單獨(dú)使用顆粒狀、片狀堵漏材料，顆粒之間往往形成弱力鏈結(jié)構(gòu)，易發(fā)生剪切錯位失穩(wěn)，因此選擇粒徑較小的橡膠顆粒進(jìn)行充填大顆粒之間的孔隙；使用纖維類材料（木質(zhì)纖維、棉纖維、鋸末）來增加封堵材料之間的摩擦力，提高封堵層強(qiáng)度。而常見的纖維存在團(tuán)聚、分散性差、不易混拌等問題；故本次研究選擇分散性較好、成本較低的鋸末作為充填加固材料。鋸末主要對骨架材料之間的孔隙進(jìn)行充填。增加封堵層的抗剪切能力，增大骨架材料與漏失地層之間的摩擦阻力，與骨架材料復(fù)配使用，形成致密的封堵層，降低孔隙滲透率。選取疏水締合聚合物L(fēng)Y-1作為吸附增黏材料。LY-1聚合物具有較長的疏水側(cè)鏈，在一定濃度下可締合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過親水基團(tuán)的吸附作用，在高滲透地層或封堵材料之間的微孔隙形成一層膠束封堵層，阻止水分子的滲透，起到進(jìn)一步封堵作用[4-6]。

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，單個粒徑膠粒封堵的密封性比較差，膠粒與膠粒之間存在一定的孔隙，這就需要配合一些小于裂口寬度的膠粒進(jìn)一步進(jìn)行堆積橋堵。因此本文選用大于裂口寬度的膠粒占40%～50%，1～1/2的膠粒占10%～20%，小于1/2的膠粒占30%～40%，組成復(fù)合膠粒作為骨架材料[7-8]。

(5)砂床堵漏實(shí)驗(yàn)

采用QD-2堵漏儀作為堵漏實(shí)驗(yàn)裝置，按照《鉆井液鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗(yàn)方法》（SY/T 5840-2007）的要求，裝置內(nèi)鋪設(shè)36～50目砂床模擬地層孔隙，砂床高度為80mm，壓力變化為1MPa/5min，考察在不同壓力變化下，隔離液濾失總量。堵漏隔離液配方為：淡水+1.5%Na-膨潤土+0.2～0.3%LY-1+50%重晶石+0.5%消泡劑。

(6)裂縫堵漏實(shí)驗(yàn)

采用QD-2堵漏儀作為堵漏實(shí)驗(yàn)裝置，按照《鉆井液鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗(yàn)方法》（SY/T 5840-2007）的要求，裝置內(nèi)采用2mm裂縫模具模擬地層裂縫，裂縫深度為77mm，壓力變化為1MPa/5min，考察在不同壓力變化下，隔離液濾失總量。堵漏隔離液配方為：淡水+1.5%Na-膨潤土+0.3%LY-1+0～5%復(fù)合膠粒+0～0.5%鋸末+50%重晶石+0.5%消泡劑。

(7)相容性實(shí)驗(yàn)

在90℃條件下，水泥漿與隔離液按照一定比例混合，通過六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定溶液流變性能。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)砂床堵漏實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用QD-2堵漏儀作為堵漏實(shí)驗(yàn)裝置對封堵隔離液體系的封堵能力進(jìn)行測試。在裝置內(nèi)鋪設(shè)適量的石英砂模擬高滲透地層，石英砂目數(shù)為36～50目（孔隙尺寸為0.0915mm～0.156mm），壓力變化為0.2MPa/min。向隔離液中加入不同質(zhì)量的LY-1，測試不同聚合物加量下的濾失總量。

表1 不同壓力下隔離液濾失總量

圖1 36～50目砂床堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上表可以看出，當(dāng)隔離液中不加封堵劑時，隔離液體系濾失量較大，在4MPa時隔離液發(fā)生完全漏失，承壓能力較差。LY-1的加入使隔離液具有更大的黏度和更強(qiáng)的封堵能力。LY-1在溶液中形成大量的膠束結(jié)構(gòu)，通過吸附在微孔隙和膨潤土表面，形成不滲透膠束封堵膜，將水封堵在孔隙通道外，從而實(shí)現(xiàn)封堵。

(2)裂縫封堵測試

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%膠粒和0.5%鋸末對裂縫的封堵效果

以復(fù)合膠粒作為骨架材料，首先針對較大漏失通道的孔隙進(jìn)行封堵，減小漏失通道的橫截面積，建立壓差，形成堵塞；將鋸末充填骨架材料之間的孔隙，降低孔隙滲透率；復(fù)配疏水締合聚合物L(fēng)Y-1對堵漏材料之間的微孔隙進(jìn)行二次封堵，形成致密封堵層，減少濾失量。由表2可知，將5%的復(fù)合膠粒和0.5%鋸末復(fù)配使用效果最好。

表2 不同壓力下隔離液濾失總量

(3)相容性試驗(yàn)

將堵漏型堵漏隔離液以不同比例與水泥漿混合物充分?jǐn)嚢韬?。?0℃條件下養(yǎng)護(hù)20min測量混合液的流變參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表。

由表3，表4可知，隨著隔離液摻入量的增加，混合流體的流性指數(shù)和稠度系數(shù)逐漸減小，說明隔離液對水泥漿具有稀釋降黏作用。二者混合后，漿體的塑性黏度和稠度系數(shù)均小于鉆進(jìn)液與隔離液?；旌虾蟛⑽闯霈F(xiàn)黏度急劇增加現(xiàn)象，可確保井下施工安全。綜上所述，水泥漿與隔離液相容性較好。

表3 隔離液與水泥漿的相容性

表4 隔離液與水泥漿的流變相容性流變參數(shù)值

續(xù)表

3.結(jié)論

（1）LY-1的加入使隔離液對孔隙型地層具有明顯的封堵效果。當(dāng)聚合物加量為0.3%時，可實(shí)現(xiàn)完全封堵。

（2）根據(jù)裂縫尺寸完成了對橡膠顆粒和鋸末的復(fù)配試驗(yàn)，當(dāng)橡膠顆粒加量為5%、鋸末加量為0.5%時，堵漏效果最好。

（3）堵漏隔離液與水泥漿具有較好的相容性，保證了現(xiàn)場施工安全。