一種低密度水泥復(fù)合堵漏劑的研制與應(yīng)用

韓婧

中石化華北石油工程有限公司 技術(shù)服務(wù)公司（河南 鄭州 450006）

鄂爾多斯盆地劉家溝組地層承壓能力低（當(dāng)量密度1.20 g/cm3），裂縫發(fā)育，以水平界面縫和鉆井誘導(dǎo)縫為主，裂縫寬度3～10mm。當(dāng)鉆井至劉家溝地層位時(shí)，80%的井會(huì)發(fā)生井漏，漏速5～100m3/h不等。采用常規(guī)鉆井液材料進(jìn)行堵漏效果不理想,承壓不夠,大部分井往往在后期固井時(shí)再次發(fā)生漏失,造成水泥漿返高不夠,滿足不了固井要求。傳統(tǒng)水泥漿堵漏后形成的水泥石體積收縮，遺留漏失通道；常規(guī)低密度水泥漿體系流動(dòng)性好，難以駐留在漏層內(nèi)，適用裂縫寬度范圍較窄；水泥堵漏施工過(guò)程中水泥漿和鉆井液發(fā)生接觸污染，導(dǎo)致鉆井液切力增高，黏度增大，失水增大，頻繁的堵漏作業(yè)容易誘發(fā)井下其他復(fù)雜情況。因此，本文通過(guò)優(yōu)選多種固相顆粒，以架橋封堵為指導(dǎo)，研發(fā)了低密度水泥復(fù)合堵漏劑，該體系在杭錦旗區(qū)塊應(yīng)用于2口井劉家溝組堵漏，塞后承壓能力增高，且不會(huì)影響鉆井液性能。

1 低密度水泥復(fù)合堵漏劑配方設(shè)計(jì)

東勝氣田劉家溝組中下部地層漏失的成因機(jī)理主要是斷層、破碎區(qū)帶、縱橫向天然微裂縫、層理發(fā)育、巖性膠結(jié)性較差、結(jié)構(gòu)力薄弱條件所致的問(wèn)題，從提高堵漏材料與地層膠結(jié)性及自身膠結(jié)性出發(fā)，堵漏液應(yīng)具有流動(dòng)性差、黏合力強(qiáng)、掛壁性好、強(qiáng)度適中的特性。劉家溝組深度2200m左右，地溫梯度2.73 ℃/100m，設(shè)計(jì)鉆井液密度1.10 g/cm3左右，通過(guò)地溫梯度和壓力公式計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析得出實(shí)驗(yàn)條件為60℃、25MPa。結(jié)合地層承壓能力（當(dāng)量密度1.20 ～1.30 g/cm3）、鉆井液密度1.12 g/cm3左右，綜合考慮，設(shè)計(jì)堵漏液密度為1.38 ～1.43 g/cm3。

1.1 固相顆粒優(yōu)選

常規(guī)水泥堵漏液中水泥成分會(huì)與鉆井液中的膨潤(rùn)土發(fā)生離子交換吸附，造成鉆井液性能急劇變化。本文提供的低密度水泥復(fù)合堵漏劑在保證固化體強(qiáng)度的同時(shí)最大限度減少水泥用量。根據(jù)堵漏液的設(shè)計(jì)密度，優(yōu)選自身密度較小的固相材料。結(jié)合緊密堆積理論“采用顆粒尺寸相差4～5倍的多組分緊密堆積時(shí)效果顯著”的指導(dǎo)原則[1]，優(yōu)選了水泥、粉煤灰、漂珠、微硅作為堵漏液體系的基礎(chǔ)固相材料。其中，漂珠粒徑范圍26.716 ～475.067 μm（95%），作為第一級(jí)填充；微硅粒徑范圍0.312～8.499 μm（95%），作為第三級(jí)填充；水泥和粉煤灰粒徑范圍處于漂珠和微硅之間，作為第二級(jí)填充。

1.2 固相顆粒配比設(shè)計(jì)

結(jié)合堵漏液密度在1.40 g/cm3左右，以最大限度降低水泥組分、適當(dāng)減少漂珠加量為設(shè)計(jì)原則，通過(guò)理論計(jì)算各組分的合適加量范圍，不斷增加粉煤灰和微硅含量，通過(guò)測(cè)量漿體抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性、流動(dòng)度綜合優(yōu)選顆粒配比，實(shí)現(xiàn)低密度水泥復(fù)合堵漏劑中水泥含量少、密度小、強(qiáng)度適中的目的。

由表1可看出，隨著粉煤灰替代水泥的比例增大，固化體的強(qiáng)度變低，水泥含量占總固相質(zhì)量比的30%時(shí)，固化體的24h抗壓強(qiáng)度1MPa左右；固化體強(qiáng)度及發(fā)展速率很大程度上決定了堵漏作業(yè)成功與否，水泥含量最低占總固相質(zhì)量比的30%。配方4、7和配方5、8對(duì)比可知，加入少量比例的漂珠后，固相顆粒之間的堆積率更密實(shí)，固化體強(qiáng)度增大。綜上，優(yōu)選5#作為固相顆粒配比。

表1 不同固相材料配比下的漿體性能

2 低密度水泥復(fù)合堵漏劑性能優(yōu)化

2.1 早期強(qiáng)度提升

堵漏作業(yè)對(duì)于施工時(shí)效要求較高，根據(jù)堵漏要求候凝12h即探塞，做承壓試驗(yàn)，繼續(xù)下步鉆井作業(yè)[2]。為節(jié)省鉆時(shí)，減少因鉆井漏失引起的停待時(shí)間，通過(guò)提高堵漏液的早期強(qiáng)度，縮短堵漏候凝時(shí)間。水泥石抗壓強(qiáng)度大于1MPa后，水泥石已完全凝固，綜合考慮設(shè)計(jì)堵漏液早期強(qiáng)度大于2MPa。本文設(shè)計(jì)的堵漏液體系中水泥含量較少，膠凝比例較低，且粉煤灰活性較低，其自身的玻璃體解聚能力較弱，要發(fā)揮水化活性必須借助外力破壞玻璃體釋放活性物質(zhì)，強(qiáng)度發(fā)展緩慢[3]。

分別采用無(wú)機(jī)鹽類(lèi)早強(qiáng)劑A、復(fù)合早強(qiáng)劑B兩種早強(qiáng)劑加入到低密度堵漏液中，加量設(shè)計(jì)為3%，其他固相顆粒配比為水泥加量40%、微硅加量20%、粉煤灰加量30%、漂珠加量10%，另外優(yōu)選一種低密度增強(qiáng)劑B，加量為5%。70℃常壓條件下分別養(yǎng)護(hù)8h、12h、24h后測(cè)試抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖1所示。兩種早強(qiáng)劑均在一定程度上提高了低密度水泥堵漏漿的24h抗壓強(qiáng)度，早強(qiáng)劑B的效果優(yōu)于A，且摻入早強(qiáng)劑B的低密度水泥堵漏漿的12h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.5 MPa,可實(shí)現(xiàn)迅速固化漏層，提高封堵能力，達(dá)到堵漏作業(yè)候凝時(shí)間短的目的。

圖1 早強(qiáng)劑A、B對(duì)低密度水泥堵漏漿早期強(qiáng)度發(fā)展的影響

2.2 觸變性和流動(dòng)性

堵漏液具備良好的流變性是現(xiàn)場(chǎng)順利配制、安全泵注的前提，同時(shí)，堵漏液應(yīng)具有一定的觸變性，增加堵漏漿在漏層流動(dòng)阻力。為提高堵漏液進(jìn)入堵漏層能夠?qū)崿F(xiàn)“流不動(dòng)、站得住”，通過(guò)摻入適量提黏物質(zhì)聚丙烯酰胺鉀鹽，攪動(dòng)可恢復(fù)流動(dòng)性，靜止可快速初凝。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整液固比和加入適量分散劑調(diào)整堵漏液的流變性，可滿足堵漏液的n值大于0.7 ，k值小于0.5 ，漿體流動(dòng)性較好，堵漏液配方1#為：40%水泥+30%粉煤灰+10%漂珠+20%微硅+5%復(fù)合早強(qiáng)劑B，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 流變性能優(yōu)化數(shù)據(jù)

2.3 裂縫封堵性

普通水泥漿在凝固后，具有一定體積收縮性，水泥漿進(jìn)入漏層凝固后發(fā)生體積收縮(表3)，將遺留漏失通道，增大復(fù)漏概率[4-5]。本文通過(guò)添加適量的晶格膨脹劑，產(chǎn)生微膨脹，補(bǔ)償水泥石的體積收縮，壓縮水泥石孔隙并改善孔分布。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的堵漏液體系中水泥含量較小，并含有適量粉煤灰，粉煤灰干縮性較小。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，加入2%膨脹劑XJP-1后，堵漏液固化體的收縮率僅為2.85%，普通水泥石的收縮率為18.65%。通過(guò)固化體微膨脹特性，實(shí)現(xiàn)堵漏漿在漏層中凝結(jié)后完全封堵漏層，避免固化體體積收縮遺留漏失通道。

表3 膨脹劑對(duì)水泥石體積收縮率的影響

基于架橋封堵原理，當(dāng)橋堵材料的尺寸為裂縫寬度的2/3時(shí)，可穩(wěn)定架橋于裂縫之間；橋堵材料的尺寸為裂縫寬度的1/3時(shí)，可深入裂縫內(nèi)部，堆積形成橋塞。這兩種材料相結(jié)合能有效而牢固地封堵裂縫孔隙[6]。本文以1～10mm裂縫性漏失地層為堵漏目標(biāo)，選用3mm和6mm的線性纖維以一定比例復(fù)合，摻入低密度堵漏漿中，纖維加量1%～3%。通過(guò)裂縫模擬裝置評(píng)價(jià)裂縫封堵效果，優(yōu)選線性纖維復(fù)合比例及加量。得出測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，優(yōu)選3mm線性材料摻量1%，6mm纖維加量2%。

表4 不同堵漏材料的封堵性能測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4 凝結(jié)時(shí)間

根據(jù)不同地層條件和施工時(shí)間需求，通過(guò)添加適量緩凝劑延長(zhǎng)堵漏液凝固時(shí)間，保證安全施工，本文以東勝氣田劉家組的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。劉家溝組深度2200m左右，地溫梯度2.73 ℃/100m，通過(guò)地溫梯度和壓力公式計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析得出實(shí)驗(yàn)條件為70℃、25MPa。結(jié)合漏層位置及堵漏工藝，通過(guò)加入適量緩凝劑，滿足堵漏液稠化時(shí)間在180～200min（稠化曲線如圖2），實(shí)現(xiàn)堵漏液進(jìn)入漏層即時(shí)凝結(jié)，有效封固漏層。堵漏液配方為40%水泥+30%粉煤灰+10%漂珠+20%微硅+5%早強(qiáng)劑B+95%水+2%降失水劑+0.1%分散劑+2%XJP-1+0.05%緩凝劑。

圖2 低密度水泥復(fù)合堵漏劑的稠化性能曲線

3 低密度水泥復(fù)合堵漏劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 在J44井堵漏應(yīng)用

J44井二開(kāi)鉆頭222.3 mm，鉆進(jìn)至2550m時(shí)發(fā)生失返性漏失，漏失層位為劉家溝組，鉆井液密度1.10 g/cm3。設(shè)計(jì)在2400～2550m打堵漏水泥塞封固劉家溝組，為后續(xù)鉆進(jìn)及固井提供良好條件。堵漏作業(yè)前，起鉆更換鉆具組合，采用光鉆桿進(jìn)行專(zhuān)程堵漏，鉆具下放至易漏層頂部以上15～30m，按照封堵井段容積和預(yù)計(jì)漏失量計(jì)算泵注堵漏漿量，泵注排量控制在1m3/min左右。

堵漏施工流程：注入前置液2.0 m3；注入低密度水泥復(fù)合堵漏劑15.0 m3；平均密度1.38 g/cm3；泵壓4.0 MPa，排量1.0 m3/min；注入后置液（清水）1.0 m3；替鉆井液17.7 m3；泵壓升至2.9 MPa，排量1.4 m3/min，到量停泵；施工過(guò)程中全程失返，全起鉆具。堵漏施工結(jié)束后，候凝10～12h，下鉆探塞，探的塞頂位于2507m，塞段2507～2550m，判斷漏失點(diǎn)為2550m。下鉆過(guò)程中無(wú)漏失，探到塞面后循環(huán)泥漿，泥漿性能無(wú)明顯變化（堵漏前后鉆井液性能見(jiàn)表5），掃塞后恢復(fù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至2809m中完，過(guò)程中此井段沒(méi)再發(fā)生漏失。

表5 J44井堵漏施工前后鉆井液性能測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 在J59井堵漏應(yīng)用

J59井二開(kāi)鉆頭222.3 mm，鉆井液密度1.17 g/cm3，劉家溝組位置2400～2700m，鉆進(jìn)2992m時(shí)，發(fā)生漏失；起鉆至2700m，排量18L/s測(cè)漏速，平均漏速23.4 m3/h。設(shè)計(jì)在2500～2700m打堵漏水泥塞封固漏失層，為后續(xù)鉆進(jìn)及固井提供良好條件。

堵漏施工流程：注入前置液3.0 m3；注入低密度水泥復(fù)合堵漏劑18.0 m3；平均密度1.36 g/cm3；泵壓5.5 MPa，排量0.8 m3/min；注入后置液（清水）1.0 m3；替鉆井液17.3 m3；泵壓升至9MPa，排量1.8 m3/min，到量停泵；起鉆17柱至安全位置，頂通水眼4m3，因施工期間漏失量較大，全起鉆具。堵漏施工結(jié)束后，候凝10～12h，下鉆探塞，下鉆至2680m處掃塞結(jié)束，判斷漏失點(diǎn)為2680m。下鉆過(guò)程中井內(nèi)正常無(wú)漏失，復(fù)鉆前泥漿性能無(wú)明顯變化（堵漏前后鉆井液性能見(jiàn)表6），掃塞后恢復(fù)鉆進(jìn)，直至3498m，鉆進(jìn)過(guò)程中井內(nèi)正常無(wú)漏失，達(dá)到堵漏效果。

表6 J59井堵漏施工前后鉆井液性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）采用粉煤灰、水泥等固相顆粒與線性材料復(fù)合開(kāi)發(fā)的低密度水泥復(fù)合堵漏劑，主要作用機(jī)理是通過(guò)纖維等線性進(jìn)入漏層后搭橋成網(wǎng)，固相顆粒駐留充填，漿體固結(jié)微膨脹封堵漏失通道；通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，該堵漏劑能實(shí)現(xiàn)封堵1～6mm鉆井裂縫性漏失，能夠及時(shí)控制鉆井失返性漏失，對(duì)于油田開(kāi)發(fā)降本增效具有重要意義。

2）該體系水泥含量較低、粉煤灰含量較高，粉煤灰價(jià)格低廉；漂珠成本稍高于微硅、粉煤灰，加量較小，起到降低密度、結(jié)構(gòu)填充作用；整體體系成本滿足低成本戰(zhàn)略需求，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。水泥含量低，對(duì)鉆井液性能影響較小，堵漏后不需要治理鉆井液性能，縮短井漏停待時(shí)間。

3）通過(guò)合理的顆粒配比和早強(qiáng)劑優(yōu)選，能夠加速低水泥比的復(fù)合堵漏劑早強(qiáng)強(qiáng)度發(fā)展速率，縮短堵漏候凝時(shí)間。