毫米縫洞承壓堵漏漿配方優(yōu)化及現(xiàn)場試驗

李 峰，黃 強，黃 哲，吳嘉澍，宋武強，梁永恒，陳安亮

1中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務分公司 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司泥漿技術(shù)服務分公司

1 黃驊坳陷王官屯油田地質(zhì)特征及井漏復雜情況統(tǒng)計分析

黃驊坳陷王官屯油田處于大港油田南部區(qū)塊，構(gòu)造位置處于黃驊坳陷孔東斷裂帶的兩側(cè)[1-3]。王官屯油田地層構(gòu)造破碎、處于斷裂帶且復雜、地層變化大[4-5]。隨著王官屯油田勘探開發(fā)程度的加大，鉆井過程中鉆井液漏失問題突出。

2009年在王官屯油田17%的井發(fā)生井漏[1]，截止2021年，井漏概率為37.41%，占大港油田總井漏損失時間的31.14%。井漏復雜情況多發(fā)生在鉆進過程中，約占井漏總數(shù)的76.8%。王官屯油田井漏復雜情況以中漏(10～30 m3/h)、大漏及嚴重漏失(>30 m3/h)為主，約占全部井漏的72%，其次是小漏與微滲漏(<10 m3/h)，約占28%。王官屯油田的G3、G29、G997等區(qū)塊的40余口井，共計發(fā)生井漏復雜情況90余次，漏失鉆井液高達18 930 m3，損失作業(yè)時間達6 232 h。

2 王官屯油田井漏原因分析

2.1 明化鎮(zhèn)組、館陶組滲透性漏失

從巖性上看明化鎮(zhèn)組、館陶組主要發(fā)育粗砂巖、含礫砂巖和砂礫巖等，膠結(jié)性差，較疏松，易發(fā)生滲透性漏失。明化鎮(zhèn)組以疏松粉砂巖發(fā)育為主，連續(xù)性好。平均孔隙度較大(>25%)，滲透率平均大于2 000 mD，屬于高孔高滲地層。鉆井液進入地層高滲透孔隙發(fā)生了漏失，還可能進一步地誘導出裂縫，連通其他孔隙裂縫而引起更加嚴重的漏失[6]。館陶組地層以含礫不等粒砂巖、砂礫巖為主，孔隙度平均為24.89%，滲透率平均為1 900 mD，屬于高孔高滲地層。

2.2 沙河街組生物灰?guī)r裂縫性漏失

王官屯油田沙河街組沙一段、沙三段主要發(fā)育有泥巖、白云巖和生物灰?guī)r等，其中生物灰?guī)r天然裂縫和孔隙發(fā)育。粒內(nèi)以及粒間孔隙發(fā)育，還存在溶蝕孔洞，為鉆井液漏失提供天然通道[7-8]。沙河街生物灰?guī)r上部有較多的節(jié)理和小斷層，中下部發(fā)育張開的天然裂縫，局部孔洞發(fā)育[9]，構(gòu)成漏失通道。沙河街組生物灰?guī)r發(fā)育裂縫以高角度縫為主，裂縫平均長度為6～40 cm，平均寬度為1～4 mm。

2.3 現(xiàn)場堵漏漿效果評價分析

王官屯油田現(xiàn)場采用的防漏堵漏材料有：隨鉆防漏劑、單封、細目鈣、果殼、棉籽殼、核桃殼、復合堵漏劑等。統(tǒng)計了現(xiàn)場常用的堵漏工作液配方(表1)，并采用DLM-01型堵漏模擬實驗裝置[10]，評價了現(xiàn)場常用堵漏配方的封堵性能。針對1～5 mm不同開度的裂縫，承壓能力低，僅為1～4 MPa?，F(xiàn)場所采用的堵漏材料主要為果殼、核桃殼和棉籽殼等植物類顆粒，缺少剛性顆粒，同時也缺乏柔彈性顆粒和有機纖維類材料[11-15]。

3 毫米縫洞承壓堵漏漿配方優(yōu)化研究

3.1 膠結(jié)固化堵漏配方研究

3.1.1 膠結(jié)固化劑研制及性能評價

研制了一種膠結(jié)固化類堵漏劑，與傳統(tǒng)橋接堵漏劑復合使用，固化館陶組以上的疏松砂巖，提高封堵層膠結(jié)強度，提高堵漏效率[16-18]。膠結(jié)固化堵漏劑由紅泥廢渣、石膏廢料和高爐礦渣等工業(yè)廢料組成，其中紅泥廢渣是從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物，主要成分為三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和三氧化二鐵(Fe2O3)。石膏廢料是主要化學成分為硫酸鈣(CaSO4)的工業(yè)廢渣。高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣，主要成分為三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鈣(CaO)、二氧化硅(SiO2)。將紅泥廢渣、高爐礦渣和石膏干燥除水后，按照紅泥廢渣30%、石膏廢料20%和高爐礦渣50%的比例混合，經(jīng)高溫燒制后加工成10～20目、20～40目和40～80目等所需的粒度，得到了膠結(jié)固化劑。

將膠結(jié)固化堵漏劑放入圓柱體模具中，兩端具有孔隙便于水與膠結(jié)固化堵漏劑接觸發(fā)生反應，經(jīng)過一定溫度和時間反應后，將固結(jié)體從模具中取出，采用三軸壓力機測試固結(jié)體抗壓強度。由圖1可知，溫度為100 ℃時，隨著固化時間延長，固結(jié)體抗壓強度增大，20～40目膠結(jié)固化堵漏劑24 h固化后抗壓強度達到7.23 MPa。

圖1 不同時間條件下抗壓強度

由圖2可知，溫度低于100 ℃時，20～40目膠結(jié)固化堵漏劑在2 h內(nèi)固結(jié)體抗壓強度<1.2 MPa，隨著時間延長，固結(jié)體強度增大，因此在配制及泵送過程中能滿足施工安全。

圖2 不同溫度條件下抗壓強度

由圖3可知，隨著膠結(jié)固化堵漏劑粒度減小，固結(jié)體抗壓強度增大。測試了膠結(jié)固化堵漏劑與不同類型地層巖石的膠結(jié)程度，將20～40目膠結(jié)固化堵漏劑與20～40目灰?guī)r、泥巖和砂巖混合(膠結(jié)固化堵漏劑質(zhì)量分數(shù)為20%)，測試抗壓強度。

圖3 不同目數(shù)條件下抗壓強度

由圖4可知，不同類型的巖樣均能與膠結(jié)固化堵漏劑固化成整體，且24 h后抗壓強度大于5 MPa，有利于在井底與不同類型巖樣的漏失通道固結(jié)，提高堵漏成功率。

圖4 不同巖樣混合后抗壓強度

3.1.2 膠結(jié)固化堵漏機理

膠結(jié)固化堵漏劑常溫下為分散的固體顆粒(如圖5a所示)，在高溫條件下，與水接觸后可與其他類型堵漏材料以及地層發(fā)生膠結(jié)固化，固結(jié)成整體。顆粒狀的膠結(jié)固化堵漏劑還可在裂縫中架橋封堵，提高堵漏成功率及承壓強度。膠結(jié)固化堵漏劑水化反應方程式如下所示:

(1)3CaO+3Al2O3+3CaSO4+38H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(鈣礬石)+4Al(OH)3(氫氧化鋁凝膠)

(2)2CaO+2SiO2+2H2O=CaO·SiO2·H2O(C-H-S凝膠)+Ca(OH)2

膠結(jié)固化堵漏劑的主要成分有三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化鈣(CaO)和硫酸鈣(CaSO4)等，與水接觸后發(fā)生水化反應，產(chǎn)物有鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠(C-H-S凝膠)和氫氧化鋁凝膠等。鈣釩石形成水化物的堅硬骨架，使得固結(jié)體具有較高的抗壓強度，并決定固結(jié)體初期抗壓強度。水化硅酸鈣凝膠(C-H-S凝膠)和氫氧化鋁凝膠等呈纖維狀、針狀等結(jié)構(gòu)(如圖5b所示)，纖維狀、針狀結(jié)構(gòu)彼此之間發(fā)生搭接和填充作用，提高整體強度。隨水化時間的延長，纖維狀、針狀體的數(shù)量不斷增加，在相互鏈接作用下使得固結(jié)體結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓強度隨之增加，決定了固結(jié)體后期具有較高的抗壓強度。

圖5 膠結(jié)固化堵漏劑實物及水化產(chǎn)物掃描電鏡圖

3.1.3 膠結(jié)固化堵漏配方及評價

將膠結(jié)固化堵漏劑與單封、細目鈣、果殼、核桃殼和復合堵漏劑等混合：10%單封+10%細目鈣+10%膠結(jié)固化堵漏劑(20～40目)+20%膠結(jié)固化堵漏劑(40～80目)+15%核桃殼(中)+15%果殼(中)+20%復合堵漏劑，測試固結(jié)體抗壓強度。由圖6可知，膠結(jié)固化堵漏劑可與傳統(tǒng)橋接堵漏劑固化成整體，且24 h后抗壓強度大于3 MPa，有利于在漏層中將其他類型堵漏材料膠結(jié)固化在一起，提高堵漏成功率和承壓強度。

圖6 固化堵漏劑與堵漏材料復配后抗壓強度

采用DLM-01型堵漏儀，溫度為80 ℃，評價了膠結(jié)固化堵漏配方對裂縫和孔隙的封堵能力，見表2。由表2實驗結(jié)果可知，膠結(jié)固化堵漏配方能封堵2～4 mm開度的裂縫和直徑為2 mm的孔隙模塊，裂縫承壓能力達到8 MPa，漏失量低，且形成了固化體，具有較高強度。因此膠結(jié)固化堵漏體系可有效解決明化鎮(zhèn)組、館陶組等孔隙、裂縫型嚴重漏失。

表2 膠結(jié)固化堵漏劑與橋接堵漏劑復配封堵實驗結(jié)果

3.2 沙河街組裂縫堵漏配方優(yōu)化

通過剛性顆粒、柔彈性顆粒和有機纖維材料結(jié)合，提高封堵效果。方解石顆粒剛度大，抗壓強度大，有利于形成封堵層骨架，且酸溶率>99%，便于儲層后期酸化解堵。將廢棄輪胎加工成不同目數(shù)的顆粒，優(yōu)選其作為柔彈性顆粒，在井底壓力作用下擠入裂縫進行封堵，優(yōu)選的聚合物有機纖維長度6 mm，能快速、均勻的分散于鉆井液中,有利于提高封堵層韌性和穩(wěn)定性。

沙河街組生物灰?guī)r發(fā)育裂縫開度為1～4 mm,選擇1～4 mm開度的裂縫模塊，優(yōu)化不同開度裂縫堵漏體系。由表3可知，承壓能力高達8 MPa，漏失量小，達到封堵及提高地層承壓能力效果?，F(xiàn)場應用中，鉆遇沙河街組裂縫性漏失，遇到小漏(<10 m3/h)，采用1 mm開度堵漏配方；遇到中漏(10～30 m3/h)，視情況采用2～3 mm堵漏配方；遇到大漏(>30 m3/h)，采用4 mm堵漏配方。

表3 不同裂縫開度的堵漏配方實驗評價結(jié)果

4 現(xiàn)場防漏堵漏應用效果

GY-10井位于官68區(qū)塊，完鉆井深3 110 m，目的層孔三段。在鉆至館陶組1 420 m時發(fā)生嚴重滲透性漏失，漏失速率42 m3/h，發(fā)生漏失后降低排量試鉆進。漏速降低至12 m3/h，隨后逐漸提高排量鉆進，提排量后漏速不減，加入單封、細目鈣和高強度隨鉆防漏劑后，漏速仍不減，隨后采用膠結(jié)固化堵漏體系進行靜止堵漏，配方為：10%單封+10%細目鈣+10%膠結(jié)固化堵漏劑(20～40目)+20%膠結(jié)固化堵漏劑(40～80目)+15%核桃殼(中)+15%果殼(中)+20%復合堵漏劑，總加量為8%。單獨隔開一個泥漿罐，按照配方加入堵漏材料，最后加入膠結(jié)固化堵漏劑，共配制堵漏漿20 m3，下光鉆桿至漏層頂部30 m，注入堵漏漿，注漿過程中觀察鉆井液返出情況，鉆井液循環(huán)頂替至封閉漏層，上提鉆具關(guān)井進行憋壓，靜止壓力平穩(wěn)，下鉆通井，繼續(xù)鉆進，穿過館陶組沒有發(fā)生漏失，堵漏成功。

GZ-21井是王官屯官997區(qū)塊的一口生產(chǎn)井，進入沙河街1 780 m處發(fā)生漏失，鉆遇生物灰?guī)r裂縫性漏失，漏失為38 m3/h。采用配方：8%方解石顆粒(6～10目)+4%方解石顆粒(10～40目)+4%方解石顆粒(40～160目)+4%廢舊輪胎顆粒(20～160目)+0.3%有機纖維(6 mm)+4%單封，開展靜止堵漏。配制堵漏漿共60 m3，為保證堵漏材料良好懸浮性，先按照單封、有機纖維、廢舊輪胎顆粒、方解石顆粒的順序加入泥漿罐中。下光鉆桿至漏層底部，注入堵漏漿，鉆井液循環(huán)頂替至完全封閉漏層，然后起鉆至套管內(nèi)，采用靜止憋壓堵漏。首先擠入堵漏漿2.0 m3，憋壓3.5 MPa，經(jīng)過30 min后壓力下降了0.7 MPa，然后靜止壓力平穩(wěn)，下鉆通井，繼續(xù)鉆進沒有漏失發(fā)生，堵漏成功。

5 結(jié)論

(1)館陶組以上為高孔高滲砂礫巖地層，膠結(jié)性差，易發(fā)生孔隙滲透性漏失；沙河街組發(fā)育生物灰?guī)r，天然裂縫發(fā)育，易發(fā)生裂縫性漏失；現(xiàn)場堵漏材料類型單一，堵漏配方封堵能力不足。

(2)針對館陶組等滲透性漏失，基于紅泥廢渣、石膏廢料和高爐礦渣等工業(yè)廢棄物料，研制了膠結(jié)固化堵漏劑，封堵2～4 mm開度裂縫及直徑為2mm孔隙模塊，承壓能力達8 MPa，固化體有較高強度。

(3)針對沙河街組裂縫性漏失，優(yōu)選了剛性顆粒、柔彈性顆粒和有機纖維材料等不同類型堵漏材料，優(yōu)化了1～4 mm不同開度的裂縫堵漏配方，承壓能力達到8 MPa，漏失量小。

(4)現(xiàn)場應用效果表明，膠結(jié)固化堵漏體系和裂縫堵漏體系提高了現(xiàn)場堵漏成功率及地層承壓能力，為處理現(xiàn)場井漏復雜事故提供了技術(shù)支撐。