萬夫磊 王培鋼 范生林
(1.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;2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心)
川渝地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲量豐富,“十三五”以來,各區(qū)域勘探開發(fā)力度不斷增大,頁巖氣鉆井技術(shù)取得跨越式發(fā)展,以威遠、長寧等為代表的川南頁巖氣示范區(qū)塊成為川渝主力產(chǎn)區(qū)。由于區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜,裂縫溶洞異常發(fā)育等原因,實鉆過程中井漏復(fù)雜頻繁,嚴重制約了鉆井施工提速提效。開展堵漏總結(jié)分析,優(yōu)化井漏防治措施,探索高效堵漏工藝技術(shù),減少漏失損失,對保障川南地區(qū)頁巖氣高效開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義。
川南頁巖氣鉆井作業(yè)區(qū)主要分布在威遠、長寧、瀘州等地,地表出露層位于侏羅系涼高山組—三疊系須家河組,屬于典型的喀斯特地貌。根據(jù)音頻大地電磁法巖溶勘查結(jié)果,裂縫溶洞分布范圍廣,在須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、茅口組均有分布。在鉆井施工過程中,受縫洞發(fā)育影響,常鉆遇惡性井漏,漏失層從地表至目的層均有分布,加之鉆探區(qū)域存在地下暗河并與飲用水源連通,開發(fā)環(huán)境極其敏感,防漏治漏作業(yè)困難,極易發(fā)生環(huán)境污染事故[1-4]。堵漏一次成功率低,反復(fù)堵漏過程中容易產(chǎn)生環(huán)保事故,其中已鉆井平均井漏處理時間為243h。部分井區(qū)漏失裂縫與地表竄通,且存在推覆體和流沙層[5-6]。
中部井段主要漏失層為飛仙關(guān)組、茅口組和棲霞組。其中茅口組、棲霞組屬碳酸鹽巖地層,多發(fā)育斷層或縱向裂縫。失返性漏失占比高,漏失量大,堵漏效率低。部分層段存在高壓氣層或煤層,致使中部井段易出現(xiàn)漏塌同存、溢漏同存等矛盾性復(fù)雜情況。
下部頁巖段層理發(fā)育、褶皺斷層多,并存高角度裂縫,易發(fā)生惡性漏失。鉆進過程中氣測顯示頻繁,加之微裂縫擴展壓力限制,鉆井液安全密度窗口窄,井底壓力控制要求高,井控和防漏矛盾突出。
川南頁巖氣區(qū)塊整體地質(zhì)條件復(fù)雜,縱向上各層段均有裂縫溶洞發(fā)育,橫向上裂縫間連通性良好,裂縫開啟壓力低,整體漏失情況復(fù)雜(圖1、圖2)。漏失類型多以裂縫性漏失為主,具有漏失量大、堵漏成功率低、漏失處理周期長的特點,漏失過程并存氣侵、垮塌等風(fēng)險,井控難度大[7-11]。
圖1 川南頁巖氣區(qū)塊各層段漏失量及占比(不含強鉆漏失清水)
圖2 川南頁巖氣區(qū)塊各層段漏失損失時間及占比
川南頁巖氣區(qū)塊井漏發(fā)生頻率高,漏失層位多,從地表至目的層龍馬溪組均有漏失層,縱向上呈現(xiàn)明顯的“三段式”特征。
淺表漏失層以雷口坡組、嘉陵江組為主,漏失通道多為水蝕風(fēng)化作用形成的溶蝕縫洞,大小不均且分布無規(guī)律,既有放空性的大裂縫、大溶洞,又有漏水不漏砂的微裂縫,整體漏失量大,漏失過程常伴有地層垮塌、出水等復(fù)雜,處理難度大,損失時間長。使用水泥
如圖3所示,鉆井過程中,為保證淺表地層水不受污染,多采用清水強鉆、空氣/霧化鉆井工藝措施和水泥、商砼、多相混輸堵漏技術(shù)。使用清水強鉆、空氣/霧化鉆井方式可快速鉆穿雷口坡組、嘉陵江組等縫洞發(fā)育地層,井漏損失時間大幅降低,但會消耗大量清水,長寧地區(qū)2020年上半年表層鉆井損失累計時間僅為25h,漏失清水量則高達23931.4m3。鉆遇推覆體和流沙層時,井漏往往伴有垮塌、地層出水等復(fù)雜,無法使用空氣鉆井等技術(shù),治理難度極大,尚未得到很好解決。
圖3 表層井漏防治施工流程
中部井段主要采用隨鉆、橋堵、水泥堵漏和清水強鉆工藝。具體施工流程見圖4,通過優(yōu)化堵漏方案(隨鉆、橋堵、水泥堵漏),縮短治漏時間,提高堵漏工序及組合規(guī)范性。在鉆遇龍?zhí)督M垮塌層時,強化鉆井液性能后降密度鉆進,鉆穿后采用水泥封固措施至中途完鉆井深;針對茅口組漏塌同存問題,采用蓋帽鉆井液+清水強鉆,上部使用鉆井液蓋帽防塌,下部清水強鉆。針對瀘州等地二疊系含高壓氣層,發(fā)生井漏后可能誘導(dǎo)溢流的問題,優(yōu)化井身結(jié)構(gòu),將技術(shù)套管下入層位從石牛欄組頂部優(yōu)化至棲霞組頂,優(yōu)化后未出現(xiàn)漏噴轉(zhuǎn)換情況。采用上述措施取得了較好的井漏防治效果,2020年平均單井損失時間較2019年減少62%。
圖4 中部井段井漏防治施工流程
下部井段井漏防治技術(shù)路線主要采用隨鉆、橋堵和水泥堵漏方式(圖5)。針對滲透性漏失,采用隨鉆堵漏,成功率逐年提高,達到70.8%;針對大型縫洞漏失,采用水泥堵漏,成功率為61.4%;針對失返性漏失,采用橋塞堵漏,成功率為56.7%。但是,韓家店組—石牛欄組存在低壓漏失層,部分井存在高角度裂縫,提承壓難度大;龍馬溪組安全密度窗口窄,溢漏、漏塌矛盾突出,井漏回吐現(xiàn)象突出,井控風(fēng)險大。下部井段仍存在承壓堵漏無效、龍馬溪組溢漏同存的難題。N209H33-4井在韓家店組鉆遇高角度裂縫,地層承壓能力不足1.05g/cm3,目標承壓1.80~2.00g/cm3,進行15次專項承壓堵漏作業(yè),承壓能力只提高到1.20~1.25g/cm3,后采用膨脹管封隔未成功,被迫側(cè)鉆。
圖5 下部井段井漏防治施工流程
近年來,開發(fā)了以FDJ系列復(fù)合堵漏劑、WNDK系列剛性顆粒堵漏劑、ZR-31隨鉆堵漏劑復(fù)配形成一體化成熟防漏堵漏工藝技術(shù),施工工藝簡便,適用于大部分孔隙型、裂縫型及縫洞型漏失,在川南地區(qū)被廣范應(yīng)用。
FDJ系列復(fù)合橋塞堵漏劑具有配制簡單、施工簡便、適用范圍廣、見效快的特點,但也存在一些不足。如對漏失層認識不清楚時,易出現(xiàn)“封門”問題,導(dǎo)致堵漏效果不佳;在高密度條件下,材料存在上浮問題,可能導(dǎo)致水眼堵塞;經(jīng)過高溫、長期浸泡后,材料強度降低。
為了解決FDJ系列材料在高溫、浸泡后堵漏效果變差的問題,研發(fā)了WNDK系列剛性顆粒堵漏劑,與FDJ復(fù)合堵漏劑復(fù)配使用,增加了堵漏劑耐溫能力,提高堵漏強度,尤其適用于承壓堵漏。WNDK特點是剛性礦物顆粒強度高,不受溫度、水浸泡影響,配制簡單,施工簡便;但由于尺寸較大的顆粒懸浮穩(wěn)定性差,易沉降,對漏失層認識不足時,易出現(xiàn)“封門”問題。
此外,還開發(fā)了ZR-31隨鉆堵漏劑,主要成分為礦物、植物粉末和植物纖維,尺寸小,用于隨鉆封堵微裂縫、孔隙,解決滲透性漏失,與WNDK復(fù)配使用時,可提高剛性顆粒懸浮能力;引入NTBase復(fù)合堵漏劑、LCM片狀堵漏材料,可防止核桃殼上浮堵水眼,增加剛性顆粒懸浮性,提高堵漏效果。
由于漏失層的復(fù)雜性及認識不足,導(dǎo)致材料對其適應(yīng)性較差,橋塞堵漏技術(shù)現(xiàn)場實施效果不佳。如圖6所示,2020年1—9月的入井堵漏試驗中,橋塞堵漏成功率僅為48.5%,此外,部分井漏施工中存在低密度堵漏材料上浮導(dǎo)致堵水眼的問題,需要對橋塞堵漏劑進一步優(yōu)化。
圖6 2020年各堵漏技術(shù)堵漏成功率對比
針對失返性漏失、破碎帶、大裂縫、溶洞漏失等,采用水泥堵漏技術(shù),通過優(yōu)化水泥漿,添加纖維,形成纖維水泥漿,提高水泥漿在漏失層駐留能力,提高水泥石韌性,效果較好。水泥堵漏強度高,適用范圍廣,在川南地區(qū)應(yīng)用平均堵漏成功率為64.3%,較橋塞堵漏成功率高。其中,N區(qū)塊注水泥堵漏應(yīng)用次數(shù)最多,在裂縫性漏失、溶洞性漏失分別使用注水泥堵漏27次、42次,一次堵漏成功率分別達66.7%、59.5%。
注水泥堵漏需專業(yè)設(shè)備支撐,存在施工周期長、安全風(fēng)險大的問題。NH11-3井鉆進至井深514.89m出口失返,反復(fù)注水泥漿堵漏、候凝、鉆塞,用清水強鉆至542.48m,使用橋塞堵漏漿堵漏3次、注水泥堵漏13次(快干水泥6次)、注智能凝膠堵漏1次,均未堵漏成功,水泥封井暫堵,耗費周期64d。
針對頁巖氣區(qū)塊表層大裂縫、溶洞型井漏,研究并試驗多相混輸堵漏工藝技術(shù)。該工藝技術(shù)在水泥漿中加入大尺寸多相介質(zhì)堵漏劑,應(yīng)用礫石凝膠體配制、泵送設(shè)備,將高密度、高稠度、剛性凝膠工作液(能懸浮10~40mm的剛性材料)通過大排量柱塞泵送至漏失層,實現(xiàn)大直徑剛性堵漏材料以流體的形式進入漏失層,技術(shù)原理如圖7所示。研制的多相混輸堵漏設(shè)備可自主完成配漿、泵送等工作,實現(xiàn)了人員遠程控制、讀秒精確供水、自動上料、井口轉(zhuǎn)換連接等一系列智能便捷的操作模式。
圖7 多相混輸堵漏工藝技術(shù)原理示意圖
N216H3-1井鉆至14.36m發(fā)生井漏失返,強鉆至22.81m,現(xiàn)場拍攝漏失層照片,顯示為縫洞,其尺寸超過10cm;由于漏失嚴重,現(xiàn)場供水困難,采用基于多相混輸設(shè)備的三元剛性凝膠堵漏技術(shù),向井筒內(nèi)泵入15.1m3堵漏漿,堵漏漿返至距井口2.5m,候凝12h后鉆塞,鉆塞期間無漏失,成功封堵淺層縫洞漏失層。
為解決大裂縫含水漏失層堵漏難題,研制了遇水膨脹堵漏劑(CQ-DCPU)和密閉輸送工具,遇水膨脹率為60%~230%,膠凝時間為10~4200s可控,堵漏劑遇水發(fā)生反應(yīng),快速膨脹,同時中間產(chǎn)物發(fā)生交聯(lián),形成彈性固結(jié)體,占據(jù)漏失通道,成為大裂縫含水漏失層快速封堵的新手段。
在N217H井直改平井進行現(xiàn)場試驗,側(cè)鉆點至石牛欄組底部地層,鉆井液當(dāng)量密度僅為1.25~1.40g/cm3,遠遠低于鉆開龍馬溪組需滿足密度1.80g/cm3的承壓要求,前期采取水泥漿、橋漿、HHH型堵漏材料等進行多次承壓堵漏,地層承壓僅提高至1.54g/cm3。通過膨脹凝固堵漏劑+橋漿堵漏工藝,在2670.08m堵漏一次成功,承壓能力由1.56g/cm3提高至1.80g/cm3,承壓能力提高6.3MPa。
3.5.1 LCM堵漏技術(shù)
LCM堵漏劑呈片狀,具有微膨脹性,在油基鉆井液中不上浮、不沉降,分散均勻;同時,LCM堵漏劑在高密度鉆井液中的固相容量上限高,對流變性影響小,抗溫能力好,強度高,形成堵塞后不易復(fù)漏,克服了傳統(tǒng)水基堵漏劑在油基鉆井液中分散性差、不膨脹的缺點,有效提高了油基鉆井液的堵漏成功率。該技術(shù)已在長寧、昭通、威遠頁巖氣區(qū)塊成功應(yīng)用上百口井,堵漏成功率達66%,油基堵漏技術(shù)實現(xiàn)從無到有的突破。
3.5.2 吸油膨脹膠結(jié)堵漏技術(shù)
基于樹脂類聚合物吸油膨脹特性,研發(fā)出吸油膨脹膠結(jié)劑+親油性堵漏材料的吸油膨脹膠結(jié)堵漏劑WNPDL-Ⅲ,140℃情況下膨脹率可達62%(圖8),承壓能力大于5MPa。在Z201H2-2等井應(yīng)用,現(xiàn)場應(yīng)用一次堵漏成功率達62.8%。同時該技術(shù)可集成LCM堵漏技術(shù)使用,以提高LCM堵漏技術(shù)的適用范圍和應(yīng)用效果。
圖8 3種吸油膨脹膠結(jié)堵漏劑不同溫度下膨脹率對比
基于現(xiàn)場實踐經(jīng)驗積累,結(jié)合室內(nèi)研發(fā)攻關(guān)及新技術(shù)工藝引進,集成上述堵漏技術(shù)成果,形成了復(fù)合橋塞堵漏、橋塞+高濾失堵漏、橋塞+水泥漿堵漏、凝膠+水泥漿堵漏等綜合堵漏工藝技術(shù),實現(xiàn)從單項堵漏技術(shù)應(yīng)用到單項技術(shù)集成應(yīng)用轉(zhuǎn)型,有效提高了堵漏成功率,基本滿足了天然裂縫、誘導(dǎo)裂縫、采空區(qū)、漏水同層、噴漏同層、多壓力系統(tǒng)共存等復(fù)雜井漏防治的需要。
通過技術(shù)攻關(guān),川渝地區(qū)防漏治漏取得一定成果,大部分井漏能夠獲得有效控制,但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)難題有待攻克,部分復(fù)雜井存在漏失治理難度大、時間長的問題,影響了鉆井施工的順利進行。
(1)環(huán)境敏感,表層堵漏手段受限,無快速有效的處理方法。在長寧區(qū)塊,某些井表層鉆遇溶洞、裂縫+推覆體、流沙層地層,出現(xiàn)出水、井漏、垮塌,地下暗河與地表河道連通性好,考慮環(huán)境保護,清水強鉆、空氣鉆井、膨潤土漿鉆井均無法實施,防漏治漏工藝有限,處理周期長,仍無有效的快速處理方法。
(2)地層從上至下均存在漏失層,漏失層位置及特征判斷難度大。井漏發(fā)生后,缺乏對漏失層的整體認知,尤其針對長裸眼多壓力層段,堵漏措施針對性不強,堵漏效果差。目前僅能實施環(huán)空液面監(jiān)測,其他漏失層性質(zhì)均靠經(jīng)驗判斷,難以滿足現(xiàn)場高效堵漏需求,堵漏方法選擇、鉆具下深、堵漏漿配制、施工壓力等工藝參數(shù)無法準確確定,導(dǎo)致現(xiàn)場堵漏施工存在一定的盲目性和不可預(yù)見性。
(3)頁巖層壓裂誘導(dǎo)性井漏治理難度大。高壓含氣層與龍馬溪組同裸眼,龍馬溪組發(fā)生井漏并有反吐現(xiàn)象,屬典型的壓裂誘導(dǎo)性漏失,控壓鉆井不足以降低鉆井液密度,井漏及井控難度大、風(fēng)險大。同時防漏堵漏材料種類少,針對惡性井漏的承壓、吸油膨脹及油凝膠類段塞材料的現(xiàn)場應(yīng)用尚不成熟,堵漏效果有待提升。
(4)缺少對地層承壓能力評估的有效模型或方法,長裸眼、薄弱地層提承壓難度大。部分區(qū)塊韓家店組—石牛欄組存在高角度裂縫,堵漏過程中存在堵不牢、揭開新地層又發(fā)生井漏、承壓能力低、易復(fù)漏等問題,尚無有效的承壓堵漏方法。
(5)堵漏漿量化評價不足。目前,所有堵漏劑在漏失層適應(yīng)性和承壓能力方面均有量化評價數(shù)據(jù),但對不同類型、尺寸和加量的堵漏材料配制的復(fù)合堵漏漿缺乏綜合量化評價。例如:不同復(fù)合堵漏漿對漏失層的適應(yīng)性和承壓能力缺少數(shù)據(jù)支撐;由于鉆具組合日趨復(fù)雜,缺乏復(fù)合堵漏漿的鉆具通過性評價等。
川南地區(qū)整體漏失類型以裂縫性漏失為主,上部地層溶蝕縫洞發(fā)育良好,環(huán)保要求高;中下部井段地層易塌,微裂縫應(yīng)力敏感性強,鉆井液安全密度窗口窄,堵漏施工難度大。通過開展井漏特征分析,明確不同層段漏失特點,針對性進行防漏治漏技術(shù)攻關(guān)。針對淺層漏失,使用清水強鉆或空氣/霧化鉆井工藝,快速鉆穿淺表漏失層,在大幅減少損失時間的同時極大減小了對當(dāng)?shù)販\表水源的污染。針對中深部地層,研究形成綜合防漏治漏工藝,集成LCM、吸油膨脹膠結(jié)、多相混輸堵漏工藝等多項堵漏技術(shù),實現(xiàn)大尺寸縫洞的快速封堵,堵漏成功率高。
本文針對川南地區(qū)漏失復(fù)雜情況開展室內(nèi)研究及現(xiàn)場試驗,提出并試驗了適用于川南地區(qū)地層情況的綜合堵漏工藝技術(shù),頁巖氣鉆井百米漏失鉆井液量由15.8m3降至9.05m3,百米損失時間降幅達71.6%,整體堵漏成功率提高至56%,防漏治漏成效顯著。為進一步提高川南頁巖氣鉆井開發(fā)效率,降低復(fù)雜時效,針對部分井仍存在表層漏失處理工藝受限、井漏治理時間長、缺乏精確的漏層診斷技術(shù)等問題,建議繼續(xù)開展以下防漏治漏技術(shù)措施及配套工藝研究。
井漏發(fā)生后,缺少對漏失層壓力、漏失層位置、漏失層流體、漏失通道尺寸的測量評估手段,堵漏措施針對性不高,可進一步優(yōu)化研究,提高漏失層認識,針對性堵漏,提高堵漏成功率。建議開展隨鉆式流量測試法、示蹤劑法、井下成像法等漏失層診斷技術(shù)研究,利用井漏后井筒內(nèi)鉆井液流量變化數(shù)據(jù)分析漏失層位置,向鉆井液中添加示蹤劑,通過測量示蹤劑侵入地層的位置判斷漏失層,利用攝像機直接拍攝井壁基本情況。
由于地層縫洞情況復(fù)雜,應(yīng)力敏感性強,各層段均存在漏失問題。建議針對漏失層位置、漏失通道尺寸及延伸狀況難以判斷的情況,研發(fā)對漏失通道適應(yīng)能力強的堵漏材料,實現(xiàn)對多尺寸、多層位漏失層的高效封堵,減少堵漏施工次數(shù),減少時間損失。
區(qū)域鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組合中大都帶有MWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、螺桿等工具和儀器,限制了堵漏材料的選擇。建議開展材料堵漏能力評價,研發(fā)堵漏模擬評價裝置,模擬防漏堵漏材料動態(tài)循環(huán),實現(xiàn)對固結(jié)過程的觀測;建立材料堵漏能力數(shù)據(jù)庫,開展堵漏材料類型、尺寸、配比、濃度等參數(shù)對不同尺寸模擬漏失層堵漏效果影響實驗,明確材料與漏失層參數(shù)及原鉆具之間的關(guān)系,開展堵漏材料通過不同尺寸螺桿、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及鉆頭的能力,為現(xiàn)場堵漏施工提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
繼續(xù)研發(fā)新型堵漏材料、工具及配套工藝。例如,開展形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、可膨脹聚合物材料等能夠精確控制尺寸變化的可膨脹材料研究,實現(xiàn)堵漏材料可以順利通過井下儀器、鉆頭,同時具備封堵較大漏失層的能力。