超分子化學(xué)堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用

王勇， 蔣官澄， 杜慶福， 薛民生， 楊萍， 劉建全， 劉永峰， 李英進(jìn)

（1.渤海鉆探工程公司第四鉆井分公司，河北任丘 062552；2.教育部石油工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102209；3.西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆昌吉831500；4.渤海鉆探第二錄井分公司，河北任丘，062552）

井漏是鉆井施工過程中，鉆井液、水泥漿或其他工作液在壓差作用下，進(jìn)入地層的一種常見井下復(fù)雜情況。井漏是影響快速安全鉆井的重要因素，經(jīng)常發(fā)生各種各樣的漏失，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。準(zhǔn)東地區(qū)的井在鉆井施工過程中多次發(fā)生井漏，從而也導(dǎo)致了溢流、井壁垮塌和卡鉆，給整個(gè)鉆井工程帶來了不便。隨鉆堵漏劑在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有一定效果，但價(jià)格昂貴，推廣應(yīng)用受到限制。根據(jù)目前國際上近年發(fā)展起來的超分子化學(xué)理論，筆者所在課題組研發(fā)了一種超分子堵漏新材料，解決以前堵漏劑在漏層中停不住、易被水混合沖稀、難以滯留堆集在漏層入口附近、難以堵死漏失通道等技術(shù)難題[2]。同時(shí)形成了適應(yīng)和滿足封堵不同類型漏層需要的承壓堵漏新技術(shù)，大幅度提高了低壓地層的承壓能力。

1 準(zhǔn)東地區(qū)發(fā)生漏失的一般情況

在準(zhǔn)東地區(qū)的鉆探開發(fā)過程中，從上至下鉆遇的地層有白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系。在以上鉆遇的地層都發(fā)生過井漏，該地區(qū)白堊系、侏羅系八道灣及其以上地層孔隙發(fā)育，連通性好，以滲透性漏失為主；二疊系以泥巖為主，破裂壓力較低，鉆井液密度過高會(huì)壓裂地層；二疊系、石炭系裂縫發(fā)育，主要類型為斜裂縫以及直劈裂縫，以裂縫性漏失為主。準(zhǔn)東地區(qū)井漏層位較廣、堵漏難度大，經(jīng)常發(fā)生重復(fù)漏失；下部地層含煤夾層，微裂縫發(fā)育，容易因水力劈尖作用而誘發(fā)成較大裂縫，從而造成更為嚴(yán)重的漏失。對(duì)易漏地層漏失原因進(jìn)行了分析，采取常規(guī)堵漏材料和技術(shù)進(jìn)行堵漏，漏失問題有所緩解，但仍然不能徹底解決該地區(qū)井漏問題，需要探索新的堵漏材料和相應(yīng)的堵漏技術(shù)。

2 超分子堵漏劑

2.1 該超分子堵漏劑的性能

2.1.1 一般性能

該超分子堵漏劑材料是一種淡黃色粉末，見圖1。采用該超分子堵漏劑溶于水配制成濃度為5%的溶液， 老化前在1.5 r/min下黏度達(dá)25 500 mPa s，在150 ℃下熱滾16 h后，在1.5 r/min下黏度達(dá)18 800 mPa s，因此經(jīng)150 ℃高溫老化后凝膠仍然具有較大黏度，可以抗高溫達(dá)150 ℃，如圖2所示。

該超分子堵漏材料可以分散到水中溶脹成各種粒徑大小不一的凝膠顆粒，凝膠顆粒有彈性，易變形，可以進(jìn)入地層孔隙或裂縫，對(duì)發(fā)生漏失層位進(jìn)行封堵。該堵漏劑形成的凝膠顆粒粒徑分布范圍較廣，粒徑大小從100 μm至2 000 μm，易于封堵各種尺寸裂縫的漏失地層。如圖3所示。

圖1 該超分子堵漏劑

圖2 該堵漏劑150 ℃老化后

圖3 該超分子堵漏劑粒度分析

2.1.2 黏彈性

配制不同濃度的超分子堵漏劑，測(cè)定其在30℃時(shí)的黏彈性，該超分子堵漏劑為黏彈性的流體，隨著其濃度的增加，體系由黏性流體向彈性流體轉(zhuǎn)化。不同濃度超分子堵漏劑在未成膠時(shí)具有動(dòng)態(tài)黏彈性。在濃度低于5%時(shí)，超分子堵漏劑溶液均表現(xiàn)為黏性。當(dāng)濃度為5%時(shí)，頻率低于8 Hz時(shí)，流體表現(xiàn)為黏性；頻率高于8 Hz時(shí)，流體表現(xiàn)出微弱的彈性，如圖4所示。

圖4 不同濃度超分子堵漏劑的黏彈性

當(dāng)濃度高于5%時(shí)，超分子堵漏劑溶液喪失流動(dòng)性。因此，超分子堵漏劑配制完后，耗能模量（G″）大于儲(chǔ)能模量（G′），初始狀態(tài)下體系表現(xiàn)為黏性流體，有較好的流動(dòng)性。

2.1.3 屈服應(yīng)力

配制不同濃度超分子堵漏劑溶液在90 ℃恒溫16 h后成膠，考察其成膠前后的屈服應(yīng)力，見圖5和圖6?？梢钥闯?，超分子堵漏劑在剛配制完時(shí)，屈服應(yīng)力較低，具有很好的流動(dòng)性；成膠后，超分子堵漏劑屈服應(yīng)力隨之增大，表現(xiàn)為流動(dòng)能力降低。

圖5 成膠前超分子堵漏劑屈服應(yīng)力

圖6 成膠后超分子堵漏劑屈服應(yīng)力（90 ℃恒溫16 h）

從圖5和圖6還可以看出，5%超分子堵漏劑未成膠前屈服應(yīng)力增到60 Pa時(shí)剪切速率明顯增大；成膠后當(dāng)屈服應(yīng)力增加至120 Pa時(shí)，剪切速率發(fā)生明顯增大。表現(xiàn)為在地面具有流動(dòng)性，進(jìn)入地層后流動(dòng)能力降低，直至無法流動(dòng)，達(dá)到封堵的目的。

2.2 超分子堵漏劑的堵漏機(jī)理

超分子堵漏劑配制成一定濃度的可流動(dòng)性溶液，配合相應(yīng)的剛性堵漏架橋顆粒進(jìn)入漏失層，在漏失層將周圍介質(zhì)膠結(jié)成牢固整體， 在可控時(shí)間內(nèi)， 在一定地層溫度下， 形成具有黏度、 彈力和強(qiáng)度足夠大的凝膠段塞， 最終形成的較高流動(dòng)阻力， 足以抵抗外來力（漏失壓差）的破壞， 最終成功堵住漏層[3]。該超分子堵漏劑具有以下優(yōu)勢(shì)：①溶于水后形成具有一定黏度的溶液，該溶液分子間具有較強(qiáng)的內(nèi)聚力，很難與水混合，不會(huì)被沖??；②配制成溶液后具有高的黏度和彈性，剪切稀釋能力較好；③該堵漏劑溶液在膠凝前是可變形流體，在壓差下可以自動(dòng)變形進(jìn)入漏層，不存在對(duì)漏失層孔隙或裂縫大小、形狀的匹配問題。④可以根據(jù)地層孔隙的大小相應(yīng)地加入相匹配的剛性堵漏顆粒，形成具有一定強(qiáng)度的剛性骨架，使凝膠對(duì)大裂縫堵漏成為可能。⑤能在地層中形成一個(gè)能將井筒與地層完全隔離且長度可調(diào)的特種段塞，且段塞具有可調(diào)的啟動(dòng)壓差[4-5]。

3 基于超分子堵漏劑停鉆堵漏技術(shù)評(píng)價(jià)

1）封堵性能室內(nèi)評(píng)價(jià)方法。高溫高壓砂床封堵性實(shí)驗(yàn)是采用71型高溫高壓失水儀，向容器中填入一定數(shù)量的石英砂，通過調(diào)整石英砂的粒徑大小來模擬不同地層孔隙及裂縫，記錄砂床濾失量來衡量該凝膠的封堵性能[6]。

2）5%濃度超分子堵漏劑性能評(píng)價(jià)。將配制好的5%超分子堵漏劑溶液，倒入71型失水儀中的砂床之上， 在90 ℃下靜置16 h， 測(cè)定其在0.7 MPa下的瞬時(shí)濾失量，以此考察堵漏劑的成膠情況。堵漏后砂床形貌實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

3）超分子堵漏凝膠封堵情況。通過記錄不同壓力下， 10 min砂床濾失量來反映凝膠的封堵情況，如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得， 5%濃度超 分子堵漏劑能夠封堵孔隙較大地層， 承壓能夠達(dá)到7.5 MPa，針對(duì)大孔隙地層， 可以適當(dāng)添加相應(yīng)填充粒子以增強(qiáng)凝膠體系的封堵能力。5%超分子堵漏劑在90 ℃靜置16 h成膠后， 能 夠封堵尺寸為0.046～0.732 mm的孔隙；該體系配合適應(yīng)級(jí)配剛性填充粒子可以封堵孔隙尺寸為1.5 mm左右的地層。

圖7 堵漏實(shí)驗(yàn)后砂床形貌

3）超分子堵漏凝膠封堵情況。通過記錄不同壓力下， 10 min砂床濾失量來反映凝膠的封堵情況，如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得， 5%濃度超 分子堵漏劑能夠封堵孔隙較大地層， 承壓能夠達(dá)到7.5 MPa，針對(duì)大孔隙地層， 可以適當(dāng)添加相應(yīng)填充粒子以增強(qiáng)凝膠體系的封堵能力。5%超分子堵漏劑在90 ℃靜置16 h成膠后， 能 夠封堵尺寸為0.046～0.732 mm的孔隙；該體系配合適應(yīng)級(jí)配剛性填充粒子可以封堵孔隙尺寸為1.5 mm左右的地層。

表1 不同壓力下超分子堵漏凝膠封堵情況（90 ℃）

4 超分子隨鉆堵漏技術(shù)

4.1 超分子堵漏劑對(duì)鉆井液性能影響

采用準(zhǔn)東現(xiàn)場(chǎng)所用鉆井液體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，向鉆井液體系中加入一定量的超分子堵漏材料，考察其對(duì)鉆井液性能的影響，結(jié)果見表2。

1#（現(xiàn)場(chǎng)鉆井液） 4%膨潤土漿+0.2% NaOH+0.2%大分子乳液+3%瀝青+2%KFT+0.4%PAC-LV+2%CaCO3+5%KCl+重晶石

2#1#+0.3%超分子堵漏劑

表2 超分子堵漏材料對(duì)鉆井液性能的影響

對(duì)1#和2#配方中壓泥餅進(jìn)行電鏡掃描，得到圖像見圖8。由圖8和表2可以看出，與現(xiàn)場(chǎng)原有鉆井液體系相比，加入超分子堵漏劑后的鉆井液中壓泥餅更為致密、緊湊，中壓濾失量也從1.2 mL降為0.8 mL，因?yàn)槌肿佣侣﹦┛梢苑稚⒌姐@井液中，溶脹成粒徑分布范圍較廣的凝膠顆粒，凝膠顆粒有彈性、易變形，可以進(jìn)入地層孔隙或微裂縫，改善泥餅質(zhì)量，對(duì)發(fā)生漏失層位可以進(jìn)行有效封堵。

圖8 1#配方（左）和2#配方（右）中壓泥餅電鏡掃描圖像

4.2 超分子隨鉆堵漏技術(shù)評(píng)價(jià)

通過向準(zhǔn)東現(xiàn)場(chǎng)所取鉆井液體系中加入一定量的超分子堵漏材料，再配合不同粒徑的常規(guī)堵漏材料，進(jìn)行復(fù)合隨鉆堵漏評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3和圖11。實(shí)驗(yàn)配方如下。

3#（現(xiàn)場(chǎng)鉆井液） 5%膨潤土+0.2%NaOH+0.2%大分子乳液+3%瀝青+2%KFT+0.5%PAC-LV+2%CaCO3+5%KCl+重晶石， 密度為1.4 g/cm3

4#3#+2%果殼粉+1%蛭石+1%玻璃纖維（0.5 mm）+5%CaCO3（325 目）+6%CaCO3（1 500 目）

5#4#+0.3%超分子堵漏劑

6#3#+0.3%超分子堵漏劑+2%果殼粉（6～10目）+2%蛭石+2%玻璃纖維（0.5 mm）+1%棉籽殼 +5%CaCO3（325目）+6%CaCO3（1 500目）

7#3#+重晶石，密度為1.8 g/cm3

8#7#+0.4%超分子堵漏劑+2%果殼粉（6～10目）+2%蛭石+2%玻璃纖維（0.5 mm）+1%棉籽殼+ 5% CaCO3（325目）+6%CaCO3（1 500目）

9#7#+0.3%超分子堵漏劑+2%果殼粉（6～10目）+1%大理石（10～20目）+2%蛭石+2%玻璃纖維（0.5 mm）+1%棉籽殼+5%CaCO3（325目）+6%CaCO3（1 500 目）

表3 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方砂床堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，5#配方增加了超分子堵漏材料，在3.5 MPa下，針對(duì)10～20目砂床30 min的濾失量僅為5 mL，6#配方在3.5 MPa下，針對(duì)5～10目砂床30 min的濾失量僅為4 mL。說明該體系有良好的堵漏效果，從圖9堵漏實(shí)驗(yàn)后砂床形貌來看，加入超分子堵漏材料后，形成的砂床完整、致密，具有較好的黏結(jié)作用，有利于成功堵漏。

圖9 不同配方鉆井液堵漏實(shí)驗(yàn)后的砂床形貌

對(duì)8#和9#鉆井液進(jìn)行砂床堵漏試驗(yàn)評(píng)價(jià)，測(cè)定其在150 ℃，3.5 MPa下30 min濾失量，考察堵漏鉆井液體系的堵漏效果，見表4和圖10。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和砂床膠結(jié)形態(tài)來看，8#配方30 min的濾失量為20 mL，9#配方30 min的濾失量為0.5 mL，因此，說明該堵漏鉆井液體系對(duì)5～10目和10～20目砂床具有良好的堵漏效果。

在現(xiàn)場(chǎng)提供鉆井液體系基礎(chǔ)上，引入研發(fā)的超分子堵漏材料，鉆井液黏度增大，結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，具有較好的觸變性，超分子堵漏材料能夠改善泥餅質(zhì)量，降低中壓失水量，形成有效封堵；并復(fù)配常規(guī)架橋粒子，能夠起到良好的堵漏效果，通過采用5～10目、10～20目砂進(jìn)行高溫高壓砂床堵漏實(shí)驗(yàn)，可以得出在120、150 ℃下，鉆井液密度為1.4和1.8 g/cm3不同體系的堵漏配方。

表4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方砂床堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 不同配方鉆井液堵漏實(shí)驗(yàn)后砂床形貌

與市場(chǎng)上同類凝膠堵漏材料相比，該超分子堵漏劑具有更為廣泛的適用性，可以在不同溫度下成膠，通過調(diào)節(jié)超分子堵漏劑的濃度來控制成膠的時(shí)間和凝膠的強(qiáng)度，形成的凝膠具有較強(qiáng)的彈性和強(qiáng)度，可以封堵不同尺寸的孔隙。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

克205井位于準(zhǔn)格爾盆地西部隆起中拐凸起的東北翼瑪湖西斜坡80-瑪湖1井區(qū)，位于81井東偏南3 988 m，瑪湖5井北東3 429 m，克204井偏西3 392 m處。井身結(jié)構(gòu)為：φ444.5 mm×500 m+φ311.2 mm×3 800 m+φ215.9 mm×4 496 m。

1）該井漏失情況。2017年8月1 7日8:30，該井鉆進(jìn)至井深2 939 m白堿灘組時(shí)，發(fā)生失返性漏失，鉆井液密度為1.26 g/cm3，黏度為47 s，因?yàn)殂@具有螺桿、扶正器，無法加堵漏劑堵漏，所以吊灌提鉆甩螺桿、扶正器。起鉆40柱灌漿正常，下鉆返漿正常。2017年8月18日12:00，下鉆至井底（甩3個(gè)單根）單泵循環(huán)正常，12:50最后一個(gè)單根劃眼到底發(fā)生失返性漏失，13:00至17:00配10%濃度堵漏漿（5%綜合堵漏劑+5%核桃殼，鉆井液密度為1.26 g/cm3，黏度為58 s），注入 40 m3至井底，出口排量逐漸正常，17:00至20:30起鉆20柱，20:30至22:30雙泵循環(huán)正常，22:30至0:00承壓承不住，立管壓力最高2 MPa，套管壓力始終為0 MPa。2017年8月19日0:00至2:30，雙泵循環(huán)正常后下鉆至井底，2:30至4:00雙泵循環(huán)正常磨合鉆頭發(fā)生失返性漏失。4:00至8:45配堵漏漿（10%綜合堵漏劑+10%核桃殼，鉆井液密度為1.26 g/cm3，黏度為60 s），注 入30 m3至井底，出口排量逐漸正常，8:45至10:00短程起下鉆10柱，10:00至12:30雙泵循環(huán)正常后承壓承不住，立管壓力最高為2 MPa，停泵1 MPa，套管壓力始終為0 MPa。12:30至14:00下鉆，14:00至15:30單泵循環(huán)正常鉆進(jìn)0.2 m發(fā)生漏失，漏速為60 m3/h。15:30至23:30全井帶10%堵漏劑單泵鉆進(jìn)2 948 m，漏速為2 m3/h。

2）現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工情況。2017年8月19日通過常規(guī)堵漏難以有效遏制漏失，采用超分子堵漏技術(shù)，配制超分子堵漏漿40 m3，由于超分子結(jié)構(gòu)劑現(xiàn)場(chǎng)不足，采用6%綜合堵漏劑+25%果殼+1.5%超分子堵漏劑，入井20 m3頂替9 m3后短程起下鉆10柱，將泵倒至單凡爾并關(guān)井承壓，擠入1.2 m3后套管壓力升至1 MPa、立管壓力為5 MPa穩(wěn)壓30 min套管壓力回0 MPa，井口卸壓并活動(dòng)鉆具10 min后繼續(xù)關(guān)井承壓，擠入0.6 m3后套管壓力升至1 MPa穩(wěn)壓30 min套管壓力降至0.5 MPa，繼續(xù)承壓擠入0.4 m3后套管壓力升至1 MPa。井內(nèi)堵漏漿已擠完，下鉆至井底將鉆桿內(nèi)剩余堵漏漿頂替至井底5 m3短程起下鉆2柱關(guān)井進(jìn)行承壓，擠入2.5 m3后套管壓力升至2 MPa，穩(wěn)壓30 min降至1.5 MPa，繼續(xù)擠入堵漏漿0.6 m3后套管壓力又升至2 MPa，穩(wěn)壓30 min套管壓力為1.5 MPa，穩(wěn)壓40 min套管壓力為1.3 MPa，穩(wěn)壓50 min套管壓力為1.3 MPa，基本滿足下步提高鉆井液密度要求，循環(huán)處理鉆井液性能并靜止6～8 h后下鉆至井底循環(huán)并篩除堵漏材料無漏失現(xiàn)象，繼續(xù)恢復(fù)鉆進(jìn)，堵漏成功。

6 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1.使用該超分子堵漏劑配制的堵漏漿在可控時(shí)間內(nèi)，能在漏失層形成具有一定強(qiáng)度的凝膠，封堵孔隙尺寸為0.15～1.5 mm的孔隙，承壓達(dá)到7.5 MPa以上。

2.超分子堵漏劑可以分散到鉆井液中溶脹成粒徑分布范圍較廣的凝膠顆粒（粒徑為100～2 000μm），凝膠顆粒有彈性、易變形，可以進(jìn)入地層孔隙或裂縫，對(duì)發(fā)生漏失層位進(jìn)行封堵。

3.通過向現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中加入超分子堵漏材料，并配合常規(guī)架橋顆粒進(jìn)行復(fù)合堵漏，能夠起到良好的堵漏效果，承壓能夠達(dá)到3.5 MPa。

4.采用該超分子堵漏材料，在準(zhǔn)東區(qū)塊克205井等3口井進(jìn)行應(yīng)用，具有良好的堵漏效果，堵漏強(qiáng)度高，在后期作業(yè)過程中沒有發(fā)生重復(fù)漏失的現(xiàn)象，有利于降低綜合鉆井成本。