控壓鉆井用凝膠隔段工作液性能評價及機(jī)理分析

黎凌 ， 楊夢瑩 ， 鮑學(xué)飛 ， 歐陽偉 ， 陳俊斌

（1.油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川廣漢618300；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300；3.中國石油測井有限公司天津分公司，天津300280）

0 引言

目前精細(xì)控壓鉆井在四川磨溪高石梯和下川東等地區(qū)應(yīng)用，解決了因安全密度窗口窄引起的嚴(yán)重井漏、噴漏同存、難以鉆進(jìn)的工程難題，取得了顯著效果，但在起下鉆及完井過程中缺乏有效且安全的過程控制工藝，鉆井液漏失嚴(yán)重，井控風(fēng)險極高[1]。針對起下鉆過程中的鉆井液漏失情況，川渝地區(qū)常見的做法是采用重漿帽加吊灌方式[2]。但是地層孔縫發(fā)育、密度窗口窄，鉆井液密度稍高就會井漏，鉆井液密度稍低，就可能造成井涌、井噴等安全問題，并且易造成鉆井液密度不均，不利于現(xiàn)場情況的準(zhǔn)確判斷。另一種方式可采用水泥塞封固產(chǎn)層后起下鉆，即在套管鞋附近注入水泥塞封隔下部井段，但是存在水泥塞質(zhì)量不高且候凝時間長的問題[3]。

國內(nèi)外控壓鉆井或者欠平衡鉆井過程中的油氣封隔技術(shù)主要包括2個方面。一是機(jī)械封隔技術(shù)，即在技術(shù)套管內(nèi)安裝套管閥，利用套管閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)在起下鉆和下入完井管串時處于負(fù)壓狀態(tài)，用不壓井起下鉆裝置實(shí)現(xiàn)整個作業(yè)處于負(fù)壓狀態(tài)，但是這種方式的成本較高[4]。二是采用化學(xué)封隔技術(shù)，例如吐哈油田劉德基等[5]介紹了一種凍膠閥技術(shù)，在套管中形成高黏性半固體狀膠體段塞，具備一定的抗壓差性能，密封井筒油氣，但是凍膠閥的基液黏度高，需使用水泥車泵注，占用設(shè)備較多，采用化學(xué)破膠劑破膠，破膠時間長，一般在10～15 d 左右。梁大川[6]等提出聚合物凝膠封隔技術(shù)，該聚合物凝膠體系抗溫110～140 ℃，與常用鉆井液配伍，初步現(xiàn)場應(yīng)用表明該凝膠段塞具有一定的封隔效果，但是采用化學(xué)破膠，存在破膠時間長且破膠不完全的問題[6]。美國MI Swaco公司[7]開發(fā)出一種流體壓力傳遞段塞（FPTP），這種基于交聯(lián)聚合物的鉆井液段塞是為控壓鉆井起下管柱保證井控安全設(shè)計的，目前已投入現(xiàn)場應(yīng)用，但在中國不提供產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

因此，研制一種操作簡單、成本較低、封隔性好、起下鉆能快速恢復(fù)鉆進(jìn)的鉆井用凝膠隔段迫在眉睫，為窄密度窗口地層安全、高效起下鉆提供技術(shù)保障。針對這一問題，基于無機(jī)水硬性膠凝理論、密實(shí)充填理論、固化增強(qiáng)理論[8-9]，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制出一種無機(jī)凝膠隔段工作液，重點(diǎn)解決了段塞工作液在不同溫度下稠化時間的調(diào)控問題，提高了段塞在套管內(nèi)固化后的抗氣竄封隔能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 膠凝隔段工作液配方

選用一種具有潛在活性材料的工業(yè)廢棄物為無機(jī)水硬性膠凝劑，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出其他輔助處理劑，包括流型調(diào)節(jié)劑、激活劑、固化增強(qiáng)劑、緩凝劑，進(jìn)行了各處理劑對凝膠體系性能影響的評價，并形成了凝膠隔段配方如下。

水 +（0.3%～0.5%）流 型 調(diào) 節(jié) 劑 +（70%～100%）無機(jī)膠凝劑+（1%～3%）激活劑A+（1%～3%）激活劑B+（10%～20%）固化增強(qiáng)劑+（0.5%～2%）緩凝劑A+重晶石

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按標(biāo)準(zhǔn)API RP 10B—1997《油井水泥試驗(yàn)推薦作法》配制凝膠隔段工作液（密度為1.74 g/cm3）。參照此標(biāo)準(zhǔn)測定凝膠隔段工作液的常規(guī)性能參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠隔段工作液性能評價

2.1.1 流變性

在室溫條件下考察了初配制的凝膠隔段工作液的流動度及流變參數(shù)，另外也模擬升溫后不同時間節(jié)點(diǎn)凝膠隔段工作液的流動度及流變參數(shù)，性能參數(shù)見表1。

表1 凝膠隔段工作液流動性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：初配制的低、中、高密度凝膠隔段工作液都具有良好的流動度和流變參數(shù)，滿足泥漿泵泵送要求；在120 ℃、2 h老化后工作液變稠，但是流動度和流變參數(shù)仍然滿足安全泵送施工時間要求；在120 ℃、5 h老化后工作液固化成塞，不再具備流動性。

2.1.2 穩(wěn)定性

測試凝膠隔段工作液在室溫下靜置不同時間后的密度差、析水量、攪動后流動性恢復(fù)狀況，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：靜置168 h后，工作液上部和下部密度差小于0.03 g/cm3，析水量小于1.4%，說明工作液穩(wěn)定性能好；攪動后流動性恢復(fù)，進(jìn)一步說明靜置時間對工作液整體性能影響小，滿足現(xiàn)場罐配和長時間靜置后攪動恢復(fù)使用的優(yōu)異性能。

表2 凝膠隔段工作液靜置后的穩(wěn)定性評價

2.1.3 稠化時間

不同加量緩凝劑對稠化時間的調(diào)控見圖1。

圖1 不同緩凝劑A加量的稠化曲線（120 ℃、70 MPa）

結(jié)果表明：緩凝劑A對凝膠隔段工作液具有很好的時間調(diào)控作用，并隨著緩凝劑A加量的增加，時間調(diào)控效果增強(qiáng)。從圖1 a）可以看出，緩凝劑加量為0.5%和1%，120 ℃、70 MPa稠化條件下，工作液初始稠度為25 Bc，當(dāng)時間到90 min、107 min時，工作液突然呈現(xiàn)出直角稠化特性，稠度迅速上升。從圖1 b）可以看出，緩凝劑加量為2%和3%，120 ℃、70 MPa稠化條件下，工作液初始稠度為25 Bc，當(dāng)時間到150 min、240 min后，工作液稠化曲線緩慢上升。通過調(diào)整緩凝劑的加量為0～3%，實(shí)現(xiàn)了40 Bc稠化時間在0.5～4 h可控。

2.1.4 抗鉆井液污染

評價了凝膠隔段工作液抗鉆井液污染能力，數(shù)據(jù)見表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：凝膠隔段工作液與聚磺鉆井液不同比例混合后，漿體在常溫下流動性良好，未出現(xiàn)增稠的現(xiàn)象，同時污染后高溫高壓（120 ℃、70 MPa）稠化實(shí)驗(yàn)表明，混合后初始稠度為21 Bc，120 min后稠度為26 Bc，聚磺鉆井液不會導(dǎo)致凝膠隔段工作稠化時間縮短；當(dāng)混合比例低于50%時，漿體仍然可以固化，并且具有一定的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)混合比例高于50%后，漿體不再具有固化成塞的能力，說明凝膠隔段工作液表現(xiàn)出良好的抗聚磺鉆井液污染能力。

表3 凝膠隔段工作液與聚磺鉆井液混合后性能

2.2 凝膠隔段工作液固化段塞性能評價

2.2.1 綜合強(qiáng)度

凝膠隔段工作液固化后段塞的抗壓強(qiáng)度及其與套管壁面的膠結(jié)強(qiáng)度是關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響封固段的質(zhì)量，因此室內(nèi)評價了不同養(yǎng)護(hù)溫度和時間條件下形成固化段塞的抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度變化，結(jié)果見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同溫度養(yǎng)護(hù)2 h內(nèi)，凝膠工作液未固化成塞且流動性能良好，滿足現(xiàn)場安全施工時間要求，同時繼續(xù)延長養(yǎng)護(hù)時間，工作液內(nèi)膠凝顆粒迅速水化，快速形成結(jié)構(gòu)，稠化曲線呈現(xiàn)直角稠化特性，80 ℃養(yǎng)護(hù)4 h到10 h，抗壓強(qiáng)度由2.52提高到5.86 MPa，膠結(jié)強(qiáng)度由0.45提高到0.61 MPa/m2；120 ℃養(yǎng)護(hù)4 h到10 h，抗壓強(qiáng)度由4.13 提高到8.02 MPa；膠結(jié)強(qiáng)度由1.25提高到1.45 MPa/m2。說明不同養(yǎng)護(hù)溫度下，凝膠隔段工作液中活性成分呈現(xiàn)出活性不同，表現(xiàn)出來的物理化學(xué)性能都不一樣，養(yǎng)護(hù)溫度越高，段塞工作液固化后段塞強(qiáng)度越高。

表4 不同溫度養(yǎng)護(hù)后段塞抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度

2.2.2 抗氣竄封隔評價

凝膠隔段工作液注入套管后，若自身固化膠結(jié)強(qiáng)度不高或者與套管膠結(jié)強(qiáng)度差，就會出現(xiàn)微裂縫或者微環(huán)隙，這樣控壓鉆井起鉆過程中地層流體就會隨著微裂縫或者微環(huán)隙上竄。為了模擬膠凝隔段工作液在套管中膠凝固化后對地層流體（包括氣體）的封隔能力，加工了抗氣竄封隔測試儀（尺寸φ177.8 mm×2 m，見圖2），將密度為1.70 g/cm3凝膠隔段工作液注入其中，將該測試儀放入CQDT22高溫高壓井下工具模擬實(shí)驗(yàn)裝置中（見圖3）。

圖2 抗氣竄封隔測試儀

圖3 高溫高壓井下工具模擬實(shí)驗(yàn)裝置

模擬井下不同溫度、壓力條件下凝膠段塞工作液固化成塞，冷卻后，取出抗氣竄封隔測試儀，將其固定在底座上，于室溫條件下評價凝膠工作液成塞后對流體的封隔能力，見圖4。從圖4可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，最終固化成塞后的承壓封氣能力，呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，且隨養(yǎng)護(hù)時間的延長，承壓封氣能力也提高，這是由于溫度能夠促進(jìn)凝膠顆粒水化并縮短固化時間，最終形成強(qiáng)度更高、更加密實(shí)的固化段塞，承壓封氣能力也會隨之升高。

圖4 凝膠隔段在不同溫度養(yǎng)護(hù)后承壓封氣能力

2.2.3 可鉆性評價

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：固化段塞的PDC和三牙輪鉆頭可鉆性級值均為1，說明凝膠隔段工作液固化后形成的隔段具有良好可鉆性，這樣精細(xì)控壓鉆井安全起下鉆后通過鉆頭可以快速鉆除隔段，并恢復(fù)鉆進(jìn)，見表5。

表5 凝膠隔段可鉆性級值數(shù)據(jù)表

3 作用機(jī)理分析

取無機(jī)膠凝劑粉狀物和凝膠隔段工作液固化后隔段切片做掃描電鏡分析，可以看到未固化顆粒表面呈現(xiàn)分散狀態(tài)，表面粗糙、凹凸不平，粒-粒膠結(jié)為主；在激活劑作用下無機(jī)膠凝劑水化分散并固化成段塞，表面光滑，以粒-面膠結(jié)為主，增加膠結(jié)強(qiáng)度同時修飾表面形貌，減少了間隙，這樣不僅增強(qiáng)了隔段整體抗壓強(qiáng)度，還起到填補(bǔ)裂縫、減小微孔隙的功能，為提高隔段承壓封氣能力起到保障作用，見圖5。

圖5 固化隔段前后表面SEM照片

4 結(jié)論

1.通過處理劑和加量優(yōu)選形成了脆性可鉆凝膠隔段工作液配方，該工作液適用密度范圍為1.41～2.13 g/cm3，使用溫度范圍為80～150 ℃。

2.凝膠隔段工作液流動性好，靜置后性能穩(wěn)定，調(diào)整緩凝劑的加量實(shí)現(xiàn)稠化時間（0.5～4）h可控，同時可以抗聚磺鉆井液污染，不會出現(xiàn)增稠現(xiàn)象。

3.在120 ℃養(yǎng)護(hù)10 h，凝膠隔段固化段塞抗壓強(qiáng)度為8.02 MPa，自身膠結(jié)強(qiáng)度為1.45 MPa/m2，抗氣竄封隔能力不小于2.69 MPa/m，承壓封隔流體的能力較好，保障了控壓鉆井安全起下鉆操作。

4.凝膠隔段工作液固化后段塞可鉆性級值為1級，可通過鉆頭快速鉆除破膠。

5.無機(jī)膠凝劑在激活劑作用下具備水硬性固化成塞特性，微觀結(jié)構(gòu)分析膠凝劑水化分散并固化成段塞，增加膠結(jié)強(qiáng)度同時修飾表面形貌，減少了間隙，這樣不僅增強(qiáng)隔段整體抗壓強(qiáng)度，還起到填補(bǔ)裂縫、減小微孔隙的功能，為提高隔段承壓封氣能力起到保障。