徐生江，魯鐵梅，戎克生，姚旭洋，葉 成

（中國石油新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

準噶爾盆地西部隆起紅車斷裂帶上盤車排子地區(qū)是新疆油田的重要勘探開發(fā)區(qū)域［1-2］。該區(qū)塊是典型的火山巖油氣藏，普遍存在機械鉆速低、鉆井周期長的特點［3-4］。根據(jù)近3 年車排子地區(qū)水平井鉆井情況的統(tǒng)計，造斜段機械鉆速（1.00～2.73 m/h）較低，水平段機械鉆速（2.80～7.96 m/h）差異大，區(qū)塊內(nèi)漏失頻繁，漏失密度主要為1.14～1.25 g/cm3，以失返性漏失為主，一次性堵漏成功率較低，損失大量工期，鉆井周期（75～112 d）長，鉆井成本較高，不能滿足低成本開發(fā)的戰(zhàn)略需求。

國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了裂縫性火山巖地層的防漏堵漏技術(shù)研究。楊虎等［5］、楊明合等［6］、鄧平等［7］對準噶爾盆地裂縫性火山巖地層的鉆井技術(shù)開展了較為深入的研究，提出了相應(yīng)的防漏堵漏技術(shù)措施。付連明等［8］針對克拉美麗山前石炭系火山巖氣藏的特點，建立了解決地層縱向壓力系統(tǒng)復(fù)雜、地層易塌易漏的防漏堵漏技術(shù)。王鎮(zhèn)［9］針對大慶徐家圍子區(qū)塊火山巖地層裂縫發(fā)育、漏失嚴重的特點，建立了適用于區(qū)塊的防漏堵漏技術(shù)。馬玉梁等［10］對三塘湖區(qū)塊的火山巖地層井漏開展了研究，針對不同漏失階段采用不同的處理措施，形成一套火山巖層兼顧井漏和正常進尺的井漏處理新技術(shù)。當(dāng)前大多數(shù)火山巖地層防漏堵漏技術(shù)主要側(cè)重于對裂縫的封堵，未能充分考慮火山巖地層特性，技術(shù)適應(yīng)性差。本文以準噶爾盆地車排子火山巖地層為研究對象，充分考慮工程地質(zhì)特征，明確區(qū)塊的防漏堵漏技術(shù)難點，開展針對性材料和防漏堵漏體系的研究，滿足區(qū)塊防漏堵漏技術(shù)的需要，提高工程效率。

1 地質(zhì)特征與火山巖防漏堵漏技術(shù)難點

1.1 地質(zhì)特征

準噶爾盆地車排子地區(qū)石炭系儲層屬火山巖油氣藏，石炭系火山巖巖性主要為玄武質(zhì)火山角礫巖、安山質(zhì)火山角礫巖、安山巖、玄武巖、沉凝灰?guī)r。車排子地區(qū)裂縫主要在石炭系發(fā)育，其中低角度裂縫多發(fā)育在角礫熔巖、凝灰?guī)r中，高角度裂縫多發(fā)育在玄武巖、安山巖中。石炭系發(fā)育裂縫類型主要有斜交縫、充填縫、網(wǎng)狀縫、誘導(dǎo)縫、直劈縫、氣孔，產(chǎn)狀以斜交縫、充填縫、網(wǎng)狀縫為主，斜交縫占比超過50%。斜交縫裂縫傾角主要為10°～30°，充填縫傾角主要為50°～80°。裂縫發(fā)育極易導(dǎo)致井漏發(fā)生，制約了安全有效鉆井。已鉆井工程地質(zhì)資料表明，石炭系地層井底溫度為60～80 ℃。該區(qū)塊地溫和地層壓力較低，對防漏堵漏材料的耐溫性和抗壓能力要求不高。但石炭系地層較為發(fā)育的裂縫造成地層易塌易漏，一次性堵漏成功率較低。

1.2 火山巖防漏堵漏技術(shù)難點

石炭系裂縫類型主要以天然裂縫為主，這是由于多期次、多種形式的地質(zhì)構(gòu)造變動和斷裂運動使熔巖體發(fā)生斷裂，形成大量的天然裂縫?；鹕綆r的巖性和巖體受地質(zhì)運動的影響形成的天然裂縫客觀上造成了區(qū)塊潛在的漏失風(fēng)險急劇增加。根據(jù)車排子火山巖形成特征，地質(zhì)運動造成的裂縫通常小于2 μm［10］，這與區(qū)塊成像測井裂縫范圍集中在1～2 μm相符。車排子各區(qū)塊井廣泛存在多次漏失情況，車21 井區(qū)已鉆井平均漏失次數(shù)2.1 次，車471井區(qū)平均漏失次數(shù)4.9次。當(dāng)前漏失損失時間主要分布在30～120 h之間。車21區(qū)塊一次性堵漏成功率較高，部分井堵漏次數(shù)為2～5 次；車471 區(qū)塊一次性堵漏成功率較低，大部分堵漏次數(shù)主要為2～3次。根據(jù)對車排子地區(qū)19口井的漏失情況統(tǒng)計，單次漏失量在30～200 m3之間，部分井單次漏失量超過1000 m3，存在嚴重失返現(xiàn)象。

實現(xiàn)車排子火山巖地層高效防漏堵漏主要存在著3個方面的技術(shù)難題：（1）復(fù)雜的裂縫類型造成防漏堵漏材料和措施缺乏針對性，且天然裂縫情況下失返現(xiàn)象嚴重，難以形成有效且穩(wěn)定的裂縫封堵屏障；（2）堵漏材料與現(xiàn)場鉆井液的配伍性存在一定問題，現(xiàn)用材料以核桃殼、蛭石常規(guī)材料為主，與體系配伍性缺乏針對性的研究；（3）對防漏堵漏體系與地層的相容性問題考慮較少，如何提高材料與地層的配伍性存在很大的困難。

2 實驗部分

2.1 材料與儀器

利用現(xiàn)場鉆井液開展防漏堵漏材料的優(yōu)選及體系構(gòu)建工作。選用現(xiàn)場鉆井液配方為：4%坂土+0.2% Na2CO3+0.3% NaOH+0.5%銨鹽+0.2% CaO+0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽降濾失劑（SP-8）+0.5%兩性離子聚合物增黏包被劑（FA-367）+2%有機硅褐煤降濾失劑（SHY-2）+7%KCl+4%陽離子乳化瀝青+1%石墨粉潤滑劑（LU-66）+2%液體潤滑劑（LU-SXR）+2%隨鉆惰性材料混合物堵漏劑（KZ-5）+重晶石。室溫下，鉆井液的密度為1.20 g/cm3、漏斗黏度為48 s、表觀黏度為31 mPa·s、塑性黏度為25 mPa·s、動切力為6 Pa、API 濾失量為4.6 mL。采用車排子地區(qū)C230 井全直徑巖心造縫開展真實巖心堵漏模擬實驗，利用C471 井25 mm 直徑小巖心開展小尺度模擬評價實驗，利用4～10、20～40 mm砂粒模擬開展砂床實驗，盡可能采用多種巖石模擬開展堵漏評價實驗。其中，25 mm 小巖心采用人工造縫方法沿軸線方向擠壓破為兩半，在裂縫軸線兩側(cè)墊入硬質(zhì)鋼片，建立不同寬度的裂縫，形成的裂縫與全直徑巖心造縫相比具有一定的相似性，但利用25 mm小巖心能更便捷地開展小劑量堵漏漿的封堵效果評價實驗。

JZJH-1型高溫高壓全直徑巖心堵漏評價裝置、JZGW-3 型高溫高壓砂床評價儀、JZZX-1 型模擬材料轉(zhuǎn)向能力評價儀、JZFT-1型模擬堵漏漿返吐實驗裝置，荊州市塔林機電設(shè)備制造有限公司；DL-A型多功能靜態(tài)堵漏評價裝置，海安石油科研儀器有限公司；鉆井液常規(guī)性能測量裝置，青島創(chuàng)夢儀器有限公司。

2.2 實驗方法

（1）全尺寸巖心堵漏效果評價。利用高溫高壓全直徑巖心堵漏評價裝置，在3000 mL 鉆井液中加入10%堵漏材料，觀察返排壓力和濾失量。

（2）小巖心堵漏效果評價。利用多功能靜態(tài)堵漏評價裝置，在400 mL 鉆井液中加入10%堵漏材料，驅(qū)替后觀察返排壓力和濾失量。

（3）砂床封堵實驗。用4～10、20～40 mm 砂粒制備500 mL砂床。先加入600 mL防漏堵漏材料與鉆井液配制的堵漏漿，加壓快速濾失，再加入600 mL 現(xiàn)場鉆井液進行承壓實驗，每隔5 min 加壓1 MPa，直至加壓至7 MPa，承壓30 min，記錄所得濾失量。

（4）裂縫封堵評價。儀器圍壓加至10 MPa，連續(xù)加入2000 mL高密度堵漏漿（鉆井液+10%堵漏材料）與1000 mL 現(xiàn)場鉆井液，關(guān)閉閥門承壓，每隔5 min加壓1 MPa，直至加壓至7 MPa，穩(wěn)壓30 min，記錄所得濾失量。

（5）裂縫返吐趨勢評價。返吐儀中加入堵漏漿，正向加壓7 MPa 憋擠1 h。卸正向壓力，反向注入鉆井液濾液，觀察承壓直至壓力突降為0時，記錄最大反向壓力。

（6）堵漏材料裂縫轉(zhuǎn)向能力評價。選取0.5 mm與1 mm 裂縫、0.5 mm 與2 mm 裂縫、1 mm 與2 mm裂縫的3 種裂縫組合，向裂縫轉(zhuǎn)向封堵儀中加入2000 mL 堵漏漿，若裂縫沒有被封堵則繼續(xù)補充堵漏漿，直至封堵成功。

3 結(jié)果與討論

3.1 防漏堵漏體系構(gòu)建

3.1.1 體系要求

車排子火山巖地層鉆井液漏失主要問題為無法在裂縫特別是天然裂縫中形成有效且穩(wěn)定的封堵區(qū)，造成的失返性漏失是車排子主要的漏失形式。另一方面，現(xiàn)有車排子區(qū)塊裂縫系統(tǒng)復(fù)雜，涉及過多的裂縫類型，裂縫角度等性質(zhì)差異性大?，F(xiàn)有堵漏措施未充分考慮這種情況，造成有效封堵區(qū)只在部分裂縫中形成，無法針對所有裂縫形成持續(xù)穩(wěn)定的封堵帶。

室內(nèi)針對這兩個方面的漏失特征，開展了基于裂縫形態(tài)、工藝措施和目的層位的防漏堵漏材料及體系研究。主要研究工作包括：（1）研究適用于多類型裂縫的防漏堵漏材料，對不同類型裂縫、不同寬度裂縫進行有效封堵；（2）針對堵漏區(qū)域涉及到目的層的情況，考慮材料的儲層保護性能，鑒于堵漏封堵的特殊性，主要考慮可酸溶材料的應(yīng)用，既能起到封堵作用，也保證儲層盡量少受到傷害。

3.1.2 火山巖地層防漏堵漏材料組成

車排子火山巖地層覆蓋了7 類主要的裂縫形態(tài)，地層的基礎(chǔ)巖性物性等特征均有一定的特殊性，需要考慮防漏堵漏材料對于裂縫的適應(yīng)性和匹配性，有效提高防漏堵漏的效果。同時注意材料在鉆井液體系中的配伍性和懸浮穩(wěn)定性，以及材料本身對于現(xiàn)場工具和工藝的要求。根據(jù)以上防漏堵漏的需求，開展廣覆蓋高效防漏堵漏主劑材料Heseal的研制，并優(yōu)選輔助防漏堵漏材料，開展評價研究。通過各材料的協(xié)同作用在漏失通道中形成具有高效封堵效果的堵漏屏障，并有效降低返吐和裂縫再開啟的概率。

（1）廣覆蓋高效防漏堵漏劑Heseal。針對車排子區(qū)塊裂縫類型復(fù)雜、堵漏效果差的問題，室內(nèi)研制了廣覆蓋高效防漏堵漏劑Heseal，以改善當(dāng)前車排子火山巖地層出現(xiàn)的失返性漏失、滲漏等問題。不同于其他以顆粒為主體的復(fù)合堵漏材料，Heseal材料主要以多種尺寸范圍的多邊形二維片狀材料為主體、少部分的柔性顆粒作為支撐劑，相互輔助形成填充。所研制的片狀材料不同于常規(guī)堵漏材料中使用的云母片、貝殼等礦物材料。常規(guī)礦物片狀材料厚度低、抗拉性能較差。在材料與漏失通道發(fā)生阻礙和架橋的過程時，材料因為固有的脆性發(fā)生破碎，或是無法產(chǎn)生較大的形變與其他顆粒材料相互拉扯構(gòu)建封堵層。

所研制的片狀材料為聚合物基的復(fù)合材料，將鄰苯型不飽和聚酯、環(huán)氧丙烯酸樹脂、水性硬脂酸鋅、過氧化叔戊酸叔丁基酯固化后形成高強度的聚合物基體。將纖維、納米顆粒與聚合物基體材料通過高溫混合的方式，充分混合后擠壓成型。通過將多種物化性能不同的材料復(fù)合，形成多相固體材料。碳纖維材料的添加改善了復(fù)合材料的柔韌性，避免了復(fù)合材料在擠壓成型過程中產(chǎn)生裂紋破損。納米SiO2減小了填料之間的微空隙，進一步增強了材料的韌性和強度。

（2）粒狀纖維。根據(jù)車排子區(qū)塊的復(fù)雜裂縫特征的要求，現(xiàn)有纖維材料主要以簇狀或者單根形態(tài)存在，但復(fù)雜裂縫形態(tài)下纖維進入裂縫的效率受到纖維材料本身形態(tài)的影響較大。室內(nèi)針對這種現(xiàn)狀，利用聚酯類纖維、木纖維、石墨纖維等構(gòu)成不同粒徑大小的混合纖維材料，并用包裹的形式將混合纖維材料構(gòu)建為粒狀纖維材料（FiBall）。FiBall 有著較為廣泛的粒徑分布，微粒狀結(jié)構(gòu)在循環(huán)進入到裂縫后受到溫度和作用時間的綜合作用分散在裂縫中，起到構(gòu)建柔性纖維網(wǎng)的效果，有效提高纖維的作用效率。

（3）復(fù)合納米材料。受限于區(qū)塊的裂縫形態(tài)限制，在Heseal和FiBall的綜合作用下，在裂縫中形成較為有效的封堵區(qū)，但封堵區(qū)的致密程度受到材料的限制，形成的封堵結(jié)構(gòu)致密性存在缺陷。室內(nèi)根據(jù)Heseal和FiBall的粒徑組成，基于緊密堆積原則，對微小孔隙填充材料的尺寸范圍和材料性質(zhì)進行篩選。將微納米級的纖維素納米纖維與納米顆?；旌希纬蓮?fù)合納米材料（Namaterial）。復(fù)合納米材料粒度分布均勻，能有效分散于堵漏漿中，其柔性的三維結(jié)構(gòu)有利于被擠入各種類型的孔隙中，與微顆粒形成協(xié)同作用，在井壁處聚集填充，幫助橋接塞區(qū)外部形成一層密封性能良好的泥餅結(jié)構(gòu)，強化封堵層的同時隔絕外部的壓力傳遞，增加近井筒區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力。Namaterial、Heseal 和FiBall 共同構(gòu)建復(fù)雜裂縫形態(tài)下的防漏堵漏材料體系。

3.1.3 防漏堵漏體系配方

為保證3 種材料有更好的防漏堵漏效果，開展Heseal、FiBall 和Namaterial 的復(fù)配使用效果評價實驗，明確不同裂縫下防漏堵漏材料的封堵效率。根據(jù)現(xiàn)場鉆井液的性能和現(xiàn)有防漏堵漏工藝的加量，擬在鉆井液中加入不同量的材料（累計10%）。實驗采用全尺寸巖心裂縫和小巖心人工造縫的方式開展評價，以返排壓力和濾失量評價封堵效果，實驗結(jié)果如表1 所示。由表可見，在不同的材料配比下均能有較好的堵漏效果。當(dāng)Heseal、FiBall、Namaterial 的質(zhì)量比為6∶3∶1 時，3 種材料形成的防漏堵漏體系在返排壓力和濾失量上均有較好的表現(xiàn)，封堵效果較好。

表1 不同配方防漏堵漏體系的裂縫封堵效果

3.2 防漏堵漏體系性能評價

3.2.1 與鉆井液的配伍性

研制的材料引入了大量的顆粒性材料，通常情況下會對鉆井液性能產(chǎn)生一定程度的影響。車排子區(qū)塊地層壓力系數(shù)相對較低，體系中攜帶的加重劑、巖屑等固相顆粒相對不大，引入的防漏堵漏材料會對鉆井液性能提出更高的要求，需要保證材料具有良好的相容性和顆粒懸浮穩(wěn)定性，在保證流變和懸浮穩(wěn)定性的前提下將研制的材料體系攜帶入裂縫，起到防漏堵漏的作用。

在現(xiàn)場鉆井液中加入不同量的復(fù)配材料，Heseal、FiBall 和Namaterial 的復(fù)配比為6∶3∶1。充分考慮車排子石炭系地層在不同斷裂帶的分布情況，在120 ℃下熱滾16 h，綜合評價鉆井液的基礎(chǔ)流變、濾失和懸浮穩(wěn)定性。由表2 可見，加入5%和10%復(fù)配材料對體系性能的影響較小，堵漏漿的流變性和濾失性能在允許的范圍內(nèi)。靜置24 h 后材料整體的懸浮穩(wěn)定性良好，有助于大幅降低封門等現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。研制的材料與現(xiàn)場鉆井液的配伍性較好，能滿足鉆井液常規(guī)性能的需求。

表2 防漏堵漏材料加量對鉆井液體系性能的影響

3.2.2 砂床封堵性能

砂床實驗采用4～10、20～40 mm 砂粒主要考慮兩種粒徑的砂子在填砂筒內(nèi)能形成具有一定大小的孔隙，可在一定程度上模擬相互有大量微凸體接觸的裂縫。

（1）4～10 mm 砂粒。堵漏漿對4～10 mm 砂床的封堵效果如圖1 所示，圖內(nèi)數(shù)值為堵漏材料加量。堵漏材料加量為0時，現(xiàn)場鉆井液在0.5 min內(nèi)快速漏失完全。堵漏材料加量為5%、10%、15%、20%時，在加壓1 MPa 的條件下，堵漏漿在5～10 min內(nèi)快速濾完，形成基礎(chǔ)的封堵屏障，后續(xù)通過鉆井液繼續(xù)封堵，鉆井液承壓能力為7 MPa，漏失量分別為220、95、80、80 mL。該堵漏漿中堵漏劑的加量為5%時，鉆井液即能承壓7 MPa，但漏失量較大，建議推薦加量在10%以上。

圖1 堵漏漿對4～10 mm砂床的封堵效果

（2）20～40 mm。堵漏漿對于20～40 mm 的砂床同樣具有較好的效果。與4～10 mm 砂床相比，20～40 mm砂床尺寸下的封堵難度增加。堵漏材料進入砂床底部，在整個砂床中形成橋架封堵。圖2結(jié)果表明，當(dāng)堵漏材料加量達到20%以上時，可以封堵20～40 mm 砂床。根據(jù)封堵承壓和濾失量的要求，可繼續(xù)適當(dāng)增加堵漏材料加量。

圖2 堵漏漿對20～40 mm砂床的封堵效果

3.2.3 裂縫封堵性能

在鉆井液中加入10%堵漏材料，使用高溫高壓全直徑巖心堵漏評價裝置評價堵漏漿的裂縫堵漏能力，裂縫尺寸為1～2 mm，壓力為7 MPa。圖3 結(jié)果表明，在鉆井液中加入10%堵漏材料的堵漏效果較好，裂縫寬度對堵漏效果的影響較為明顯，后期可繼續(xù)優(yōu)化進一步提升對天然裂縫的堵漏效果。

圖3 堵漏漿對裂縫的封堵效果

3.2.4 返吐趨勢

通過模擬返吐實驗評價堵漏中常見的裂縫返吐問題，在同一儀器上利用不同加壓裝置實現(xiàn)返吐環(huán)境的模擬。不同的裂縫分別選用最佳的堵漏劑加量，裂縫寬度為0.5、1.0、2.0 mm時，堵漏劑加量分別為10%、20%、20%。對裂縫正向加壓至7 MPa，持續(xù)1 h后至堵漏材料能充分進入裂縫。卸去正向壓力后，開始反向以液壓方式逐步加壓。當(dāng)液壓突降為0時，則漏層被壓破。0.5、1.0、2.0 mm裂縫能承受的反向壓力分別為6.0、5.5、5.0 MPa，承壓超過5 MPa，滿足現(xiàn)場需求。需要注意的是，堵漏材料與裂縫的相互結(jié)合還需加強。當(dāng)?shù)貙恿芽p出現(xiàn)呼吸、負壓差作用時，封堵區(qū)易被破壞，導(dǎo)致堵漏材料從裂縫中返出，造成再次漏失。

3.2.5 轉(zhuǎn)向性能

通過模擬轉(zhuǎn)向?qū)嶒炘u價堵漏材料在不規(guī)則地層裂縫中的轉(zhuǎn)向封堵能力，側(cè)重于多條裂縫同時存在的條件下材料對于裂縫的封堵能力。選取0.5、1.0 mm 裂縫為一組，0.5、2.0 mm 裂縫為一組，1.0、2.0 mm 裂縫為一組，堵漏劑加量分別為5%、10%、15%。向模擬材料轉(zhuǎn)向能力評價儀中加入2 L 堵漏漿，若裂縫沒有被封堵則繼續(xù)補充堵漏漿，直至封堵成功。對于0.5、1.0 mm裂縫，0.5 mm裂縫提前封堵，0.5 mm 裂縫處漏失60 mL，1 mm 裂縫在漏失410 mL 后封堵，最終可承壓7 MPa。對于0.5、2.0 mm 裂縫，0.5 mm 裂縫提前封堵，0.5 mm 裂縫處漏失60 mL，2 mm裂縫在漏失660 mL后封堵，最終可承壓7 MPa。對于1.0、2.0 mm裂縫，1 mm裂縫提前封堵，1 mm 裂縫處漏失180 mL，2 mm 裂縫在漏失780 mL后封堵，最終可承壓7 MPa。對于不同的裂縫組合，用現(xiàn)場鉆井液與堵漏材料配制的堵漏漿具有較好的流動性和轉(zhuǎn)向能力，一個漏點封堵后，能自動轉(zhuǎn)向封堵其他漏點。

4 結(jié)論

車排子火山巖地層高效防漏堵漏主要存在著復(fù)雜裂縫形態(tài)、堵漏材料不配伍等技術(shù)難題。針對車排子地區(qū)復(fù)雜裂縫形態(tài)，將廣覆蓋高效防漏堵漏劑Heseal、粒狀纖維FiBall和復(fù)合納米材料Namaterial 3 種防漏堵漏材料復(fù)配使用以提高現(xiàn)場鉆井液的各項性能，最佳復(fù)配比為6∶3∶1。現(xiàn)場鉆井液與堵漏材料的配伍性較好，堵漏漿對砂床與裂縫的封堵效果及轉(zhuǎn)向性能較好，防漏堵漏效果良好，滿足車排子地區(qū)復(fù)雜裂縫形態(tài)下的防漏堵漏需求。