用于精細控壓鉆井的無機凝膠隔離塞的研制及現(xiàn)場試驗

黎 凌，衛(wèi)俊佚，張 謙

（1.油氣田應(yīng)用化學四川省重點實驗室，四川廣漢618300；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300；3.中國石油西南威遠東頁巖氣作業(yè)分公司，四川成都610000；4.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川成都610000）

四川磨溪高石梯和下川東等地區(qū)應(yīng)用精細控壓鉆井技術(shù)，解決了因鉆井液安全密度窗口窄引起的漏失嚴重、噴漏同存等技術(shù)難點，但在起下鉆及完井過程中缺乏有效且安全的封隔，鉆井液漏失嚴重，井控風險極高［1－3］。如，高石00X-XX 井在5 188.00～5 838.00m控壓鉆進井段起下鉆過程中漏失量達2 053.0m3，完井過程中漏失量達1 985.0m3；高石XX2井在5 356.00～5 860.00m控壓鉆進井段起下鉆過程漏失量達2 324.0m3，完井過程中漏失量達1 180.5m3。川渝地區(qū)常采用重漿帽加吊灌的方法解決精細控壓鉆井中起下鉆和完井時的漏失問題［4－5］，但是川渝地區(qū)地層孔洞裂縫發(fā)育、鉆井液安全密度窗口窄，鉆井液密度稍高就會發(fā)生井漏，鉆井液密度稍低就可能發(fā)生井涌、井噴等安全事故，并且會造成鉆井液密度不均，不利于準確判斷井下情況。國內(nèi)還采用水泥塞封固后起下鉆的方法［6］，即在套管鞋附近注入水泥塞，封隔下部井段，但是該方法存在水泥塞質(zhì)量不高且候凝時間長的問題。

對于控壓鉆井或者欠平衡鉆井過程中起下鉆和完井時的油氣封隔，國內(nèi)外主要采用機械封隔和化學封隔2種方法。機械封隔即在技術(shù)套管內(nèi)安裝套管閥［7］，利用套管閥的開關(guān)實現(xiàn)在起下鉆和下入完井管串時處于負壓狀態(tài)；用不壓井起下鉆裝置實現(xiàn)整個作業(yè)處于負壓狀態(tài)［8］，但是該方法的成本較高?；瘜W封隔是采用化學方法形成封隔介質(zhì)，如國內(nèi)吐哈油田、南堡油田等采用凍膠閥密封井筒油氣［9－10］，但凍膠閥的基液黏度高，需使用水泥車泵注，占用設(shè)備較多，且需采用化學破膠劑破膠，破膠時間長，一般需要10～15d。梁大川等人［11］提出采用聚合物凝膠封隔井筒油氣，并研究出耐溫110～140℃的聚合物凝膠，與常用鉆井液配伍性好，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該聚合物凝膠段塞具有一定的封隔效果，但采用化學破膠，存在破膠時間長且破膠不完全的問題。美國MI Swaco公司開發(fā)出流體壓力傳遞段塞FPTP［12］，這種基于交聯(lián)聚合物的鉆井液段塞是為保證控壓鉆井起下管柱井控安全設(shè)計的，目前已投入現(xiàn)場應(yīng)用，但不在我國銷售，也不提供技術(shù)服務(wù)。

因此，急需研制一種操作簡單、成本較低、封隔性好且起下鉆后能快速恢復(fù)鉆進的控壓鉆井用凝膠隔離塞，為窄鉆井液密度窗口地層安全、高效起下鉆提供技術(shù)保障。為此，筆者基于無機水硬性膠凝理論、密實充填理論和固化增強理論［13－15］，通過室內(nèi)試驗，研制出一種無機凝膠隔離塞工作液，其密度、稠化時間可以調(diào)控，具有良好的流變性、抗鉆井液污染性能，固化成塞后具有較強的抗氣竄能力，能封隔油氣，保證精細控壓鉆井起下鉆安全。

1 無機凝膠隔離塞工作液配方

選用一種工業(yè)廢棄物且具有潛在活性的無機膠凝劑作為凝膠隔離塞工作液的主處理劑，其比表面積為420m2／kg，密度為2.9～3.0g／cm3；為了讓無機膠凝劑顆粒均勻分散，需加入一定量的懸浮穩(wěn)定劑；為了提高其適用性，需加入激活劑和緩凝劑，調(diào)節(jié)無機凝膠隔離塞工作液不同溫度下的稠化時間；為了提高整個無機凝膠隔離塞的綜合強度，需加入固化增強劑；為了調(diào)整其密度，需加入一定的重晶石。

1.1 無機膠凝劑加量優(yōu)化

在清水中加入無機膠凝劑配制成凝膠隔離塞基液，在常溫下靜置7d后測定其流動度，然后在100℃養(yǎng)護，用壓力加載機測定不同養(yǎng)護時間下的抗壓強度，以考察無機膠凝劑加量對隔離塞抗壓強度的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知：在常溫條件下，加入不同量的無機膠凝劑配制出來的凝膠隔離塞基液具有良好的流動性，同時基液靜置7d后仍然具有良好的流動性能，說明該膠凝隔離塞基液在室溫條件下呈現(xiàn)出穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場配制和較長時間放置的需求；在100℃溫度下養(yǎng)護，膠凝隔離塞基液表現(xiàn)出活性，隨著無機膠凝劑加量增大或養(yǎng)護時間增長，基液整體活性增強。無機膠凝劑加量為100%時，基液養(yǎng)護5h后固化，抗壓強度達到0.76MPa；養(yǎng)護至10h，抗壓強度提高至1.21MPa。綜合考慮成本和固化后隔離塞的抗壓強度，選擇無機膠凝劑加量為100%。

1.2 懸浮穩(wěn)定劑加量優(yōu)化

選擇生物聚合物XCD和膨潤土作為無機凝膠隔離塞基液的懸浮穩(wěn)定劑，將其加入無機凝膠隔離塞基液（水＋100%膠凝劑）配制成無機凝膠隔離塞漿液，測定其流變性能和析水量，以便確定懸浮穩(wěn)定劑的最佳加量?？紤]到漿液整體的固相含量，將膨潤土加量固定為3.0%，只調(diào)整生物聚合物XCD的加量，結(jié)果見表2。

表2 懸浮穩(wěn)定劑加量對無機凝膠隔離塞漿液流變性及析水量的影響Table2 Effect of a suspending agent on the rheology and fluid loss of gel slurry

由表2可知：加入XCD和膨潤土能夠改善漿液的流變性能和穩(wěn)定性能；膨潤土加量為3%時，隨著XCD加量增大，漿液的黏度升高、切力增大，析水量減小；當XCD和膨潤土的加量分別為0.5%和3.0%時，漿液的析水量小于2.0mL，凝膠漿液表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。因此確定懸浮穩(wěn)定劑的最佳加量：XCD為0.5%，膨潤土為3.0%。

1.3 激活劑加量優(yōu)化

無機凝膠隔離塞漿液在低溫條件下無活性或活性很弱，為了拓寬無機凝膠隔離塞漿液在低溫條件下的應(yīng)用，選擇激活劑A和激活劑B，在60℃條件下考察其對無機凝膠隔離塞漿液性能（初凝時間、終凝時間和抗壓強度）的影響，結(jié)果見表3和表4。

表3 激活劑A和B對無機凝膠隔離塞漿液的性能影響Table3 Effect of activators A and B on the performance of gel slurry

表4 激活劑A和B復(fù)配后對無機凝膠隔離塞漿液性能的影響Table4 Effect of the compounded activators A and B on the performance of gel slurry

從表3可以看出：無機凝膠隔離塞漿液加入激活劑A或激活劑B，都可以讓其在低溫條件下表現(xiàn)出活性，隨著激活劑加量增大，該凝膠隔離塞漿液的初凝時間和終凝時間縮短，其固化后的抗壓強度升高；激活劑A加量超過2.5%時，固化后表面出現(xiàn)較多裂紋，其原因可能是激活劑A的激活效果過強，導(dǎo)致無機凝膠隔離塞漿液固化過快，收縮并產(chǎn)生裂紋；加入激活劑B的無機凝膠隔離塞漿液固化后未出現(xiàn)裂紋。因此，綜合考慮無機凝膠隔離塞漿液固化后抗壓強度和表面裂紋情況，將激活劑A和B復(fù)配作為復(fù)合激活劑。

從表4可以看出，激活劑A與B的加量均為2.0%復(fù)配時，隔離塞漿液固化后的抗壓強度最高，達到了1.62MPa，且未出現(xiàn)裂紋。綜合考慮后，激活劑A和B的加量均選擇2.0%。

1.4 緩凝劑優(yōu)選

無機膠凝劑在低溫狀態(tài)下需要激活劑才能激發(fā)活性，但在高溫條件下無需激活就能表現(xiàn)出較強的活性。因此，需要加入緩凝劑，以防止無機凝膠隔離塞漿液在高溫條件下提前凝固。綜合考慮緩凝劑的物理、化學性質(zhì)，測試了緩凝劑A，B和C在120℃溫度下對無機凝膠隔離塞漿液成膠時間的影響，結(jié)果見表5。

表5 不同緩凝劑對無機凝膠隔離塞漿液成膠時間的影響Table5 Effect of different retarders on the gelation time of gel slurry

從表5可以看出，緩凝劑A對無機凝膠隔離塞漿液無緩凝效果，緩凝劑B有加快無機凝膠隔離塞漿液凝固的作用，緩凝劑C對無機凝膠隔離塞漿液具有很好的緩凝作用。

表6為120℃下緩凝劑C的加量對無機凝膠隔離塞漿液稠化時間、初凝時間、終凝時間的影響的試驗結(jié)果。

表6 緩凝劑C的加量對無機凝膠隔離塞漿液成膠時間的影響Table6 Effect of retardant C dosage on gelling time of gel slurry

由表6可知，緩凝劑C對無機凝膠隔離塞漿液有很好的緩凝作用，且隨著緩凝劑C的加量增大，緩凝效果變好，無機凝膠隔離塞漿液的初凝時間和終凝時間增長。通過調(diào)整緩凝劑加量，可在120℃下將其稠化時間控制在0.5～4.0h，從而滿足深井安全施工要求。

1.5 固化增強劑加量優(yōu)化

無機凝膠漿液固化后表現(xiàn)出一定的抗壓強度，但為了滿足現(xiàn)場封隔井下高壓流體的要求，還需要進一步提高固化后的強度，選擇密度1.14kg／L、黏度260mPa·s、環(huán)氧當量480的水乳環(huán)氧樹脂作為無機凝膠隔離塞漿液的固化增強劑，考察了水乳環(huán)氧樹脂加量對無機凝膠隔離塞漿液固化后抗壓強度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 固化增強劑加量對無機凝膠隔離塞漿液固化后抗壓強度的影響Fig.1 Effect of curing reinforcing agent dosage on solidifying compressive strength of inorganic gel slurry

從圖1可以看出：未添加固化增強劑水乳環(huán)氧樹脂時，無機凝膠隔離塞漿液固化后的抗壓強度較低，5h抗壓強度為1.80MPa，10h抗壓強度為7.18MPa；隨著固化增強劑加量增大，其固化后的抗壓強度呈增大趨勢，當固化增強劑加量增大到20%時，其固化后5h的抗壓強度為2.65MPa，10h的抗壓強度為11.9MPa，分別提高了47.2%和65.7%，說明添加固化增強劑可以明顯改善無機凝膠隔離塞漿液固化后的抗壓強度，綜合考慮固化增強劑成本和增強效果，最終確定固化增強劑加量為20%。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，確定無機凝膠隔離塞工作液配方為：清水＋0.5%XCD＋3.0%膨潤土＋100.0%無機膠凝劑＋2.0%激活劑A＋2.0%激活劑B＋0.5%～3.0%緩凝劑 C＋20.0%固化增強劑＋重晶石。

2 性能評價

2.1 流變性

測試無機凝膠隔離塞工作液在常溫下及在120℃下養(yǎng)護2和5h后的流動度及流變性，結(jié)果見表7。

表7 無機凝膠隔離塞工作液的流動性能Table7 Rheological properties of inorganic gel plug working fluid

從表7可以看出：剛配制的低、中、高密度凝膠隔離塞工作液都具有良好的流動度和流變性，滿足泵送要求；在120℃下養(yǎng)護2h變稠，但是流動度和流變性仍然能滿足安全泵送的要求；但在120℃下養(yǎng)護5h其已經(jīng)固化，不再具有流動性。

2.2 穩(wěn)定性

無機凝膠隔離塞工作液的穩(wěn)定性是整體性能的保證，測試凝膠隔離塞工作液在室溫條件下靜置不同時間后上下部的密度差、析水量和觀察攪動后流動性的恢復(fù)情況，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出：靜置168h后，無機凝膠隔離塞工作液上下部的密度差小于0.03kg／L，析水量小于1.4%，說明無機凝膠隔離塞工作液的穩(wěn)定性好；攪動后流動性恢復(fù)，進一步說明長時間靜置對其整體性能影響小，滿足現(xiàn)場配制和長時間存放的要求。

圖2 無機凝膠隔離塞工作液的穩(wěn)定性評價結(jié)果Fig.2 Stability evaluation results of the working fluid gel plug

2.3 抗鉆井液污染性能

為了評價無機凝膠隔離塞工作液抗鉆井液污染的性能，選取磨溪高石梯區(qū)塊常用的聚磺鉆井液，按不同比例與該凝膠隔離塞工作液混合，采用增壓稠化儀測試混合液在常溫下的流變性和120℃下的稠化時間，結(jié)果見表8。從表8可以看出：無機凝膠隔離塞工作液與聚磺鉆井液按不同比例混合后在常溫下的流動性良好，未出現(xiàn)增稠現(xiàn)象；混入聚磺鉆井液后，無機凝膠隔離塞工作液的稠化時間沒有縮短；當混入的聚磺鉆井液低于50%時，無機凝膠隔離塞工作液仍然可以固化并具有一定的抗壓強度；當混入的聚磺鉆井液高于70%后，其不能再固化，說明無機凝膠隔離塞工作液具有良好的抗聚磺鉆井液污染的性能。

2.4 綜合強度

無機凝膠隔離塞工作液固化后的抗壓強度及其與套管壁面的膠結(jié)強度是關(guān)鍵指標，直接影響封固段的質(zhì)量，因此采用便攜式高溫高壓養(yǎng)護釜、壓力加載機和動態(tài)膠凝強度分析儀評價了不同養(yǎng)護溫度和時間條件下無機凝膠隔離塞工作液固化后的抗壓強度和膠結(jié)強度，結(jié)果見表9和表10。

表8 無機凝膠隔離塞工作液與聚磺鉆井液混合后的性能Table8 Performance of the working fluid gel plug mixed with polysulfonate drilling fluid

表9 不同養(yǎng)護溫度下隔離塞工作液固化后的抗壓強度Table9 Compressive strengths at different curing temperatures

表10 不同養(yǎng)護溫度下隔離塞工作液固化后的膠結(jié)強度Table10 Bonding strength at different curing temperatures

由表8和表9可知：在不同溫度下養(yǎng)護時間不超過2h時，無機凝膠隔離塞工作液未固化且流動性良好，能滿足現(xiàn)場安全施工時間要求，養(yǎng)護時間達到4h時凝膠隔離塞工作液就能固化，而在120℃下養(yǎng)護時間達到5h時，固化后的抗壓強度和膠結(jié)強度分別可達到5.23MPa和1.39MPa／m2，說明在不同溫度下，凝膠隔離塞工作液中的活性成分呈現(xiàn)出的活性不同，表現(xiàn)出來的物理化學性能也不一樣，養(yǎng)護溫度越高，凝膠隔離塞工作液固化后的強度越高。

2.5 承壓封氣能力

無機凝膠隔離塞工作液注入套管后，若自身固化膠結(jié)強度不高或者與套管膠結(jié)強度差，就會出現(xiàn)微裂縫或者微環(huán)隙，控壓鉆井起下鉆過程中地層流體就會沿著微裂縫或者微環(huán)隙上竄。為了模擬無機凝膠隔離塞工作液在套管中固化后對地層流體（包括氣體）的封隔能力，采用自主研制的抗氣竄封隔測試裝置評價了密度1.80kg／L無機凝膠隔離塞工作液固化后對流體的封隔能力，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，隨著養(yǎng)護溫度升高，無機凝膠隔離塞工作液最終固化后的承壓封氣能力呈現(xiàn)增強趨勢，且隨養(yǎng)護時間增長，承壓封氣能力也在提高，這是由于溫度能夠促進凝膠顆粒水化并縮短固化時間，最終形成強度更高、更加密實的固化塞，承壓封氣能力也隨之升高。

圖3 無機凝膠隔離塞在不同溫度下養(yǎng)護后的承壓封氣能力Fig.3 Pressure-bearing and sealing capacity of gel plug after curing at different temperatures

2.6 可鉆性

精細控壓鉆井安全起下鉆后需要快速恢復(fù)鉆進。因此，采用三牙輪鉆頭、PDC鉆頭巖石可鉆性測試儀，考察了無機凝膠隔離塞的可鉆性級值，結(jié)果是無機凝膠隔離塞的三牙輪鉆頭和PDC鉆頭可鉆性級值均為1，說明該凝膠隔離塞具有良好的可鉆性，精細控壓鉆井安全起下鉆后可以快速鉆除，然后恢復(fù)鉆進。

3 現(xiàn)場試驗

某井位于四川盆地川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)的高石梯構(gòu)造，是一口開發(fā)水平井，目的層為震旦系燈影組燈四上亞段。該井一開，φ339.7mm套管下至井深500.00m；二開，φ244.5mm套管下至井深2 930.00m；三 開，φ177.8mm 套 管 懸 掛 在2 528.00～5 291.00m井段，然后將φ177.8mm套管回接至井口；四開，采用φ149.2mm鉆頭鉆進，鉆至井深5 543.21m處發(fā)生氣侵，于是將鉆井液密度由1.50kg／L提高至1.52kg／L，但隨后又發(fā)生漏失，即存在噴漏同存的情況。帶壓起鉆至井深5 200.00m左右，注入密度2.04kg／L的重漿14.0m3，保持井底壓力比氣層壓力約高3MPa，再吊灌起鉆，每起出3柱鉆柱灌1.50kg／cm3鉆井液一次，起鉆至井深3 800.00m的過程中，漏失鉆井液約200.0m3，決定采用精細控壓鉆井與無機凝膠隔離塞封隔裸眼段相結(jié)合的方式起下鉆。

考慮到井深3 800.00m處的溫度約為108℃，調(diào)整無機凝膠隔離塞工作液配方，并配制了4.0m3無機凝膠隔離塞工作液、6.0m3高黏隔離液。鉆頭約在井深3 800.00m處，依次泵入3.0m3前隔離液、4.0m3無機凝膠隔離塞工作液和3.0m3后隔離液，替平后起鉆至無機凝膠隔離塞工作液面以上100.00m處，循環(huán)排出混漿，井口壓力控制在2～3MPa，候凝5h，下鉆至井深3 645.50m處探得塞面，加壓20kN未通過，上提鉆具至井深3 500.00m處循環(huán)觀察一周半，未見鉆井液漏失，井口氣測值正常，于是正常起鉆換鉆頭后下鉆，將鉆壓控制在5～10kN鉆除無機凝膠隔離塞，恢復(fù)鉆進。無機凝膠隔離塞封隔了噴漏同存段，保障了起下鉆作業(yè)的安全。

4 結(jié) 論

1）基于無機水硬性膠凝理論、密實充填理論和固化增強理論，通過優(yōu)選處理劑和優(yōu)化其加量，形成了可鉆的無機凝膠隔離塞工作液配方。

2）無機凝膠隔離塞工作液密度在1.41～2.13kg／L范圍內(nèi)可調(diào)，適用溫度80～150℃，稠化時間可以控制在0.5～4.0h，可以抗聚磺鉆井液污染。固化后的抗壓強度8.02MPa、膠結(jié)強度1.39MPa／m2，承壓封氣能力不小于2.69MPa／m，具有良好的承壓封隔流體的能力。

3）無機凝膠隔離塞工作液配制方便，施工工藝簡單，為解決控壓鉆井安全起下鉆、降低鉆井液漏失量及保證井控安全提供了技術(shù)保障。