壓差封堵技術在JQH2井的應用

盧寶斌，王樂頂，康 輝，馮冠雄，彭 智

（1.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300280；2.中國石油浙江油田分公司，浙江杭州 311100；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司四川頁巖氣項目管理部，四川瀘州 646000；4.中國石油渤海鉆探工程有限公司第四鉆井公司，河北河間 062450）

導致油套管腐蝕的主要原因和服役環境有很大關系，服役環境包括介質、壓力以及溫度等多個方面[1]。國內的高校、行業專家通過篩選配方，研制出一種有效密封油氣系統泄漏的封堵劑，有如人體血液，只在傷口位置具有凝血功能，也就是只在有著壓差存在的泄漏點發生作用，在其他條件下不會凝固，而是保持流體狀態，只要封堵劑接觸到泄漏點，也就是受到壓差的作用，就會形成緊實固體覆蓋，最終進入泄漏點實現對漏點的密封。因此這種封堵劑不會阻塞正常的油氣輸送系統，也不會影響到管柱附件或管柱本體金屬密封，這種封堵劑將成為解決油氣系統泄漏行之有效的辦法。

1 壓差封堵劑的調研與研究

壓差封堵劑具有與人體內血液相類似的靶向效果[2]，僅在漏點位置因壓差的影響而固化，自行實現對泄漏孔隙的封堵。與傳統封堵劑相比較，壓差封堵劑表現出的化學性質較為穩定，受傳輸方式、壓力、溫度等影響較小，其密封效果取決于漏點尺寸，極大提高了石油行業管柱封堵的成功率。國內對壓差激活封堵劑的研究起步較晚，1999 年，Seal-tite 公司提出了壓差激活密封劑的概念，相關報道提到此公司完成了1200 次的泄漏修復作業。直到2015 年國內化學，材料力學專家提出了壓差封堵劑的成分的優選以密封壓差激活的自適應修復機理。此類封堵劑作用描述、壓差響應機制和實際應用等的跟蹤報道較少，本文參考少數文獻列舉封堵劑的成分以及作用機制，方便讀者理解，主要參考文獻的動態封堵評價設備基本類似[3]，如圖1所示。

圖1 動態封堵評價設備示意圖

1.1 封堵劑的主要成分

主劑：橡膠是最常見的密封材料，向井筒內注入的難度小，加入助劑后，能夠獲得具有凝聚性能的膠粒，因而在壓差激活封堵劑中，使用膠乳作為主劑，配型成穩定乳液，在承壓的狀態下封堵油氣井管柱。

激活劑種類的優選：鹽類激活劑電解質離子在乳化液中會發生水化作用，使得自由水分子減少，導致乳液發生脫水，進而對膠乳乳液的水化層造成破壞，膠乳的電性被中和，原本的雙電層結構不復存在，因而導致膠乳失穩，發生凝聚。優選適用的電解質，并確保濃度適宜，就能夠獲得均勻可控的膠粒。實驗結果見表1[4]。

表1 電解質激活現象

穩定劑：膠粒長時間放置會產生分層、沉淀，摩爾質量水輕，不利于體系的儲存。在眾多穩定劑中，常用的有以下兩類：一類能夠使得膠乳中的橡膠粒子有更多的電荷，具體有氫氧化鈉、氨、水溶性堿金屬鹽及某些陰離子等；一類是可使得粒子表面有更優異的保護層，以實現膠乳的膠體性能的提升，主要有膨潤土、超細碳酸鈣等。

1.2 壓差激活自適應修復機制

壓差激活封堵劑的活性粒子是一種預聚體，具有由親水鏈、疏水鏈以共價鍵交聯的方式形成，外層分子鏈對水分子發生吸附，獲得水化膠粒；水化層對中心粒子具有保護作用，不只是會使得膠粒的聚結性降低，也會為壓差激活密封流體帶來更高的穩定性，圖2給出了水化膠粒的流變性、脫水化，液—固轉化行為，國內的高校經深入研究后，構建起以壓差激活封堵劑為對象的自適應修復力學—化學耦合模型。因漏點壓差的影響，水化膠粒發生扭擺、撞擊，分子結構瞬態變形，造成界面水層剝離。一旦失去水化層，膠粒間會有著更強的自聚結能力，固相粒子聚并形成彈性體，實現對泄漏孔隙的填充。

圖2 壓差激活封堵劑在微缺陷中的自適應密封過程

壓差激活密封過程由以下環節組成：復合液滴力學活化、膠核化學聚結[5]，具體可見圖2。

綜上，能夠看出：（1）在漏點壓差的作用下，使得缺陷內的流場發生重布，并釋放出物理信號，構成待修復靶點；（2）對釋放出的物理信號，壓差激活封堵劑做出響應，力學性質發生改變，破壞水化膜[6]，使得中心粒子被激活。在泄漏孔隙中，膠粒去水化有著以下反映：①在漏縫入口，膠粒受到射流的作用，發生旋轉、撞擊或擺動，產生形變乃至是破碎，導致水化層被破壞；②在漏縫內，相比較水化膠粒與內壁的粘附力，隨著剪切應力有著更高數值，就會出現粘滑運動，使得表層水膜發生剝離；（3）在缺陷內，活性膠粒發生聚結，并自適應填充，建構起固體屏障[7]，而其他的仍保持流態。

1.3 壓差封堵現場試驗

現場管柱封堵模擬，使用一絲扣發生磨損的套管（單流閥）進行試漏，在無壓力狀態下，漏失量為300mL/min。向接頭內灌入壓差封堵劑，打壓封堵，10min后，能夠發現漏速大幅降低，壓降也有明顯改善，初步實現密封；50min 后，漏點無滴漏，壓力實現穩定，由圖3可知封堵后僅在泄露處有固化封堵劑，內部剩余封堵劑仍保持液態。

圖3 現場封堵試驗

將剩余封堵劑排出后，氣密封檢測得出的結果可見圖4。A 段、B 段、C 段分別為打壓、穩壓、泄壓階段。由圖4能夠發現，在穩壓階段，內壓力由穩壓初期至穩壓結束只降低1.5MPa，與API 氣密封檢測標準設置的壓降在15min 內控制在1.9MPa 內的指標相比較更低，反映出壓差激活密封的氣密封性能良好。

圖4 氣密封檢測曲線圖

模擬實驗顯示，壓差激活封堵劑可對泄漏起到有效的修復作用，修復后，能夠承受的壓力在40MPa 以上，且滿足氣密封標準，是解決油井、氣井絲扣泄露的有效手段。

2 現場應用

JQH2井是一口川渝頁巖氣的開發井，實鉆完井井深3990m，上層套管鞋深度428m，旋轉下套管至井深3752.5m 發生套管串落井事故。落魚結構：?139.7mm浮鞋+139.7mm 抬頭套管1 根+139.7mm 長套1 根+浮箍+139.7mm長套×3根+浮箍+139.7mm長套×156根+漂浮接箍+139.7mm長套×178根，落魚總長3752.5m

2.1 事故井前期處理情況

2.1.1 使用可退式打撈矛撈獲套管未解卡

組織可退式打撈期間，組合鉆具下鉆探魚頂深度242.6m。打撈工具組織到位后，開始打撈作業，鉆具組合為：可退式打撈矛×0.78m+轉換接頭（311×410）×0.81m+轉換接頭（411×NC52）×0.53m+127mm 鉆桿若干。成功撈獲落魚，逐漸上提鉆具至懸重1500kN（打撈矛最大承拉1500kN，下套管正常懸重630kN，頂驅懸重140kN），多次活動鉆具未解卡，退出打撈矛。

2.1.2 下套管對扣，對扣成功

對扣套管組合：139.7mm 短套1 根×5.00m+139.7mm長套×22根×239.26m(放置210mm剛性扶正器1 個，方便對魚頭)，套管串懸重190kN，臨近落魚頂部，保持懸重不變，下放3cm，緩慢下放頂驅5kN，確認套管公扣進落魚，通過人工緊扣11 圈，公扣累計進入12.5cm，上扣圈數及公扣進入深度與套管理論值一致，套管對扣成功。

2.1.3 低壓套管驗漏合格，建立循環

分別對套管打壓3MPa、5.6MPa，穩壓10min，壓力未降。打壓至8MPa，漂浮接箍盲板打開，壓力歸零。分3次灌漿排氣，鉆井液共泵入19m3。排量11L/s、泵壓3.5MPa，井口泥漿返出，實測循環一周時間72min，理論計算循環一周時間69min，套管串完整。

2.1.4 套管高壓測試氣密性失敗

固井施工順利，拆封井器發現水泥返至地面，油基泥漿全井筒試壓61MPa，穩壓30min，壓降0.65MPa；清水全井筒試壓，打壓59MPa，穩壓30min，壓降2.17MPa；打壓76MPa，穩壓30min，壓降2.92MPa。

2.2 壓差封堵作業過程

2.2.1 確認漏點位置

下鉆至240.73m（下分隔器位置229.72m，上封隔器位置219.64m），加壓30.5MPa，穩壓10min，壓降0MPa；下鉆至261.16m（下分隔器位置250.15m，上封隔器位置240.07m，套管對扣位置242.6m），加壓至40MPa，穩壓30min 壓降26MPa；穩壓60min 壓降28.1MPa；加壓至50MPa，穩壓30min，壓降34.2MPa，期間表層套管和油層套管之間環空有清水流出。

2.2.2 封堵作業

連續油管輸送可鉆式橋塞（工作壓力105MPa）至260m 坐封，井口清水試壓至80MPa，確定泄露速度（15min壓降），下2-7/8″油管至塞面以上1m位置，清水反循環洗井至進出口水質一致。反循環注入A型封堵劑2m3，A型含有不同粒徑顆粒，在有壓差的進行填充，起架橋作用，其中含有特定助劑與B 型封堵劑反應；關閉井口，打開套管環空注入通道，同時保證B 環空（油—技套環空）處于打開狀態。泵車從油套環空緩慢升壓至80MPa，A 型封堵劑受壓封堵。當壓力升至80MPa，候堵8h，候堵過程中根據壓降情況，每2h 補壓至80MPa，直至達到30min 壓降小于0.7MPa 為止。完成A 型封堵劑初次封堵后，井口緩慢泄壓至零，等待2h，再次升壓至80MPa封堵至少2h。

清水反循環替出A 型封堵劑，注入B 型封堵劑2m3，高分子材料，起填縫作用，與A型封堵劑中的助劑反應，達到精準封堵的目的，作業工序同A型封堵，B型封堵劑候堵6h，候堵過程中根據壓降情況，每2h 補壓至80MPa，完成B 型封堵劑封堵后，后井口緩慢泄壓至零，清水替出井筒內封堵劑。

2.2.3 承壓試驗

全井筒清水試壓至80MPa，壓降為0.7MPa，壓差封堵施工成功，見圖5。

圖5 承壓試驗記錄圖

3 認識與建議

（1）壓差封堵是一種高效、成本較低的新型封堵手段，相比以往套管封堵，動輒半個月甚至1～2個月的處理時間，壓差封堵的優勢明顯。

（2）有關壓差封堵的文獻較少，實驗室試驗數據加壓、承壓能力不過40MPa，但在JQH2的成功應用，最終承壓達到80MPa，說明該堵漏方式目前適用于油氣井后期完井作業，建議推廣應用。

（3）根據壓差激活封堵劑的自適應密封力學—化學耦合新模型，驗證了其自適應修復機制，對于油氣井環空帶壓的難題，提供了新技術借鑒。