適合頁巖氣鉆井堵漏的環(huán)保型堵漏劑AT-SPS性能評價與應(yīng)用工藝

周井紅 王先兵 徐興海 曹世平 陳正橋

1.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司 2.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)處 3.四川寶石花鑫盛油氣運營服務(wù)有限公司 4.四川華順通能源技術(shù)開發(fā)有限公司 5.中國石油川慶鉆探有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

長寧頁巖氣區(qū)塊因地層風(fēng)化剝蝕和裂縫發(fā)育等因素導(dǎo)致表層井漏頻發(fā)。其中，須家河、雷口坡、嘉陵江組易漏，經(jīng)常鉆遇斷層或溶洞，且地下水充沛，易發(fā)生惡性漏失。漏失量大，堵漏困難，傳統(tǒng)橋堵和注水泥漿很難解決。目前，國內(nèi)外針對斷層和大溶洞還沒有比較好的處理方法，主要措施是采用清水強(qiáng)行鉆進(jìn)，鉆過斷層和溶洞，下技術(shù)套管固井封隔漏層；或者直接注入水泥漿封堵，開窗側(cè)鉆。不僅工程量大、鉆井周期長、成本高，還容易造成井壁失穩(wěn)垮塌、填埋工具等重大鉆井事故。通過對長寧區(qū)塊地質(zhì)情況分析及井下成像觀察，表層漏失通道主要以裂縫和溶洞為主，漏失層段地下水含量豐富。根據(jù)此特點，采用遇水即發(fā)生反應(yīng)的環(huán)保型堵漏劑AT-SPS進(jìn)行堵漏，將其注入漏失層段，遇水發(fā)生反應(yīng)，迅速稠化失去流動性，并能產(chǎn)生數(shù)倍的體積膨脹，最終形成堅硬的固化體以封住漏層和水層。

1 表層惡性漏失難題與堵漏機(jī)理

1.1 表層惡性漏失難題

長寧頁巖氣區(qū)塊因地層風(fēng)化剝蝕和裂縫發(fā)育等因素導(dǎo)致表層井漏頻發(fā)，表層地質(zhì)疏松，常出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定，掉塊掉砂等情況，因無法建立循環(huán)，不能將掉塊掉砂循環(huán)出來，導(dǎo)致現(xiàn)場無法強(qiáng)鉆，停鉆撈砂會花費大量的時間，嚴(yán)重影響鉆井效率。

1.2 環(huán)保型遇水膨脹堵漏劑作用機(jī)理

堵漏劑AT-SPS是一種以聚氨基甲酸酯基團(tuán)為主體結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子化合物，它的預(yù)聚體為低黏度液體，分子鏈兩端含有活潑的異氰酸基(—N=C=O)，該基團(tuán)具有可反應(yīng)的雙鍵，非常活潑，漿液在不遇水或密閉狀態(tài)下是穩(wěn)定的。堵漏劑AT-SPS被注入地層遇水后，快速發(fā)生分子之間的擴(kuò)氣、脫氣、支化與交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)(見式(Ⅰ))，在裂縫和孔隙間形成不溶于水的固結(jié)體，實現(xiàn)堵塞漏失通道的功能[1]。

環(huán)保型遇水膨脹堵漏劑AT-SPS呈液態(tài)狀，流動性好，能進(jìn)入不同類型的通道；堵漏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體推動堵漏劑進(jìn)入漏失通道；堵漏劑發(fā)生反應(yīng)后體積膨脹5～10倍，能有效充填漏失通道，同時隔離水層；反應(yīng)完成后漏失通道被填充，形成隔離墻，從而封堵漏層及水層[2]。

2 環(huán)保型堵漏劑AT-SPS性能評價

2.1 基本性能

環(huán)保型堵漏劑AT-SPS基本性能指標(biāo)見表1。

表1 環(huán)保型堵漏劑AT-SPS基本性能指標(biāo)項目指標(biāo)外觀棕黃色透明液體密度/(g·cm-3)1.02～1.12黏度(20 ℃)/(mPa·s)50～150凝固時間(可調(diào)范圍)/s5～1 200抗壓強(qiáng)度/MPa12～24抗?jié)B強(qiáng)度/MPa≥0.8

2.2 固化后封堵評價

為評價堵漏劑的封堵承壓能力，將10 mL樣品加入到長15 cm、兩端有絲扣的砂管內(nèi)；加入2 mL水，用玻璃棒攪拌均勻，將鋼管兩端用絲堵密封，放入40 ℃ 水浴鍋中固化4 h；將固化后的樣品鋼管兩端絲堵取下，連接到手液壓泵，緩慢加壓至5 MPa；停止加壓并開始計時，觀察30 min內(nèi)壓降值，即為固化后封堵劑的承壓能力；重新計時，繼續(xù)緩慢加壓直至壓力突降，該突降值，即為固化后封堵劑的突破壓力，見圖1。實驗結(jié)果見表2和表3。

表2 封堵承壓壓力變化值時間/min05152535455565壓力/MPa05.0 5.0 5.04.94.94.94.8

表3 封堵突破壓力值時間/min01234567壓力/MPa4.85.5 6.0 6.57.0 7.58.0 3.2

從表2和表3可知，在緩慢加壓至5.0 MPa，停止加壓后，30 min內(nèi)壓降0.2 MPa，壓力降低了4%，表明堵漏劑形成的固結(jié)塞非常致密，能夠承受住5.0 MPa的壓力而不被破壞；繼續(xù)緩慢加壓，當(dāng)壓力達(dá)到8.0 MPa以后突然降低，說明固結(jié)塞被液壓擊穿，開始滲漏，說明堵漏劑封堵突破壓力可達(dá)8.0 MPa。實驗表明，堵漏劑遇水膨脹后形成的固結(jié)塞封堵承壓能力強(qiáng)，能達(dá)到現(xiàn)場堵漏承壓要求。

2.3 AT-SPS抗污染能力評價

為適應(yīng)現(xiàn)場不同的反應(yīng)介質(zhì)，采用KCl、NaCl、NaOH分別配制成10%(w，下同)的液體與油田污水及聚合物膠液進(jìn)行AT-SPS抗污染能力測試(見圖2)，觀察反應(yīng)時間及初凝時間是否會因為反應(yīng)介質(zhì)的改變導(dǎo)致其性能受到影響[3]。堵劑起泡體積膨脹的時間為反應(yīng)時間，堵劑膨脹后開始失去流動性的時間為初凝時間。

取300 mL蒸餾水3份倒至燒杯中，在低速攪拌下分別加入KCl、NaCl、NaOH，配制成10%的溶液，稱取50 g AT-SPS及0.3%(w，下同)的催化劑，在靜止?fàn)顟B(tài)下加入，觀察反應(yīng)時間及初凝時間。

取300 mL油田污水、天然海水及聚合物膠液各1份，稱取50 g AT-SPS及0.3%的催化劑，在靜止?fàn)顟B(tài)下加入，觀察反應(yīng)時間及初凝時間。

圖2表明，堵漏劑AT-SPS對K+、Na+、Cl-、油田污水中的污質(zhì)、聚合物等均有很強(qiáng)的抗污染能力。因為堵漏劑分子含有活躍的親水基團(tuán)，遇水即可快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其他成分對反應(yīng)影響很小。

2.4 環(huán)保性評價(生物毒性評價)

將固結(jié)體取樣20 g浸泡在100 mL清水中，在150 ℃下熱滾24 h，取熱滾后的水樣做生物毒性評價，評價結(jié)果見表4。

表4 生物毒性評價依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)檢測結(jié)果EC50 /(mg·L-1)毒性分級SY/T 6787-2010生物毒性5.6×105無毒

表4表明，堵漏劑AT-SPS無生物毒性，對環(huán)境友好，屬于環(huán)保型堵漏劑，符合現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)保要求。

3 AT-SPS的應(yīng)用工藝

3.1 堵漏劑注入工具

輸送堵漏劑AT-SPS工具主要由閥體部件、蓄料部件、釋放蓄料部件3部分組成。該工具用泥漿泵提供壓力作動力源，通過泥漿泵加壓打開啟動閥。帶壓泥漿通過啟動閥進(jìn)入蓄料總成處，繼續(xù)加壓，從而打開下閥體通道，堵漏劑通過下閥體釋放至泄漏部位堵漏。堵漏完畢后，再打開泥漿泄放口將泥漿壓力卸掉。輸送工具工作原理見圖3。

3.2 施工工藝

堵漏劑AT-SPS現(xiàn)場施工工藝為：首先下入堵漏工具至漏點或者漏層，再根據(jù)施工要求泵入堵漏劑至漏點或者漏層，然后起鉆候凝。施工示意圖如圖4所示。

堵漏劑用量一般為2～4 m3(根據(jù)現(xiàn)場漏失情況確定加量)，工具長度由堵漏劑加量決定，容量為0.4 m3/10 m。

4 AT-SPS現(xiàn)場應(yīng)用情況

環(huán)保型膨脹堵漏劑AT-SPS在長寧頁巖區(qū)塊應(yīng)用了4井次，均用于表層惡性井漏，成功3次。另外一次未完全堵漏成功，但能建立循環(huán)，后期清水強(qiáng)鉆至一開完鉆井深，成功率75%，有效率100%。與常規(guī)堵漏劑相比，該產(chǎn)品堵漏成功率高，封堵范圍廣且封堵速度快，施工簡便，效率高。

以某典型井為例，該井一開設(shè)計200 m，鉆進(jìn)至79 m發(fā)生嚴(yán)重漏失，砂面63.86 m，液面43.86 m，通過3次水泥漿堵漏未能成功，改用橋堵漿堵漏也失敗，常規(guī)堵漏劑已不能滿足該井堵漏需求，故采用環(huán)保型遇水膨脹堵漏劑AT-SPS進(jìn)行堵漏。將2 t環(huán)保型遇水膨脹堵漏劑裝入專用設(shè)備，用鉆桿將堵漏工具輸送至57 m，啟動泥漿泵，加壓至25 MPa，剪斷安全閥，堵漏漿釋放，頂替2 m3清水，起鉆至井口，每隔30 min灌漿一次，3 h后灌滿，井口循環(huán)無漏失，下鉆掃塞至井底，循環(huán)無漏失，堵漏成功，恢復(fù)鉆進(jìn)。

5 結(jié)論

(1) 環(huán)保型遇水膨脹堵漏劑AT-SPS是由起泡劑、勻泡劑、催化劑及填充料組成的一種化學(xué)類堵漏劑，遇水后體積快速膨脹，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成結(jié)構(gòu)。

(2) AT-SPS產(chǎn)生的氣體推動堵漏劑進(jìn)入漏失通道形成固結(jié)體，實現(xiàn)封堵漏失的功能，達(dá)到堵漏目的。

(3) AT-SPS抗污染能力強(qiáng)，能抗10%的K+、Na+、Cl-等污染，無生物毒性，對環(huán)境友好。

(4) AT-SPS采用專用輸送工具施工，在長寧頁巖氣區(qū)塊現(xiàn)場實施應(yīng)用，達(dá)到了堵漏效果。