某區塊常用橋漿堵漏配方的優化與評價

嚴平

(藍海博達科技有限公司,福建 泉州 362100)

某區塊二開井眼漏失類型主要為發育孔洞孔隙型白云巖及巖溶縫洞型石灰巖兩大類,多為天然開啟型裂縫。該區塊統計124次井漏, 38%為失返型漏失,25%漏速大于30 m3/h,37%漏速小于30 m3/h,統計現場常用配方為:核桃殼+FD堵漏劑+隨鉆堵漏劑+棉籽殼[1]。堵劑最大粒徑為5 mm,平均一次堵漏成功率約62%。增加了鉆井成本,同時對地下水環境造成了破壞,該區塊地層條件決定了其易漏的特點,因此提高堵漏效率成了亟須解決的問題。

國內外研究人員針對鉆井堵漏進行了大量的研究工作,包括改良現場常用的橋漿堵漏工藝方法[2-3]、引入膨脹類堵劑材料、研究凝膠類堵漏材料與體系、構建專項堵漏的高失水堵漏漿等[4-10],這些方法均有其適用范圍[11]:1)膨脹類堵劑的膨脹速率還無法有效控制,膨脹后強度降低明顯;2)高失水類堵劑的失水速度無法控制,且不適用于水敏地層;3)固化類堵漏劑抗沖稀能力差,施工風險高;4)聚合物凝膠類堵劑普遍抗溫、抗鹽能力差,強度較低,長期封堵能力不足。

本文通過統計現場大量漏失井二開311.2 mm井眼的堵漏情況,確定了橋漿堵漏在該區塊的堵漏成功率,通過室內評價確定了目前現場配方的不足之處,針對性提出了配方改進方向,并通過室內試驗驗證了配方的封堵效率,同時在現場取得了成功應用。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗儀器與材料

實驗材料與設備見表1和表2。

表1 實驗材料列表

表2 實驗設備列表

1.2 實驗方法

室內主要通過高溫高壓承壓堵漏儀和高溫高壓裂縫封堵儀測試不同配方的封堵能力,根據堵漏漿的漏失量、承壓強度以及堵漏劑侵入深度,根據實驗結果對堵漏配方進行優化調整。

1)對高溫高壓砂床的堵漏評價。高溫高壓砂床濾失儀由高溫高壓壓力容器內填充砂床構成孔隙性滲透性漏層,通過選擇不同粒徑的砂床來模擬不同漏失通道的孔隙大小,外接氮氣瓶進行承壓堵漏實驗。在高溫高壓砂床模擬堵漏儀中填充500 mL的不同目數砂子,向堵漏儀上部加入700 mL的堵漏漿,打開加熱裝置,對整個堵漏儀加熱至要求溫度(模擬漏層溫度)。從設備上部開始加壓,1 MPa開始,每次加壓0.5～1 MPa,加壓至10 MPa,每個壓力狀態下保持滴漏或無漏失30 min后則提高1 MPa壓力。用承壓30 min漏失量≤10 mL時的壓力來表示承壓能力。

2)對高溫高壓裂縫的封堵能力。采用高溫高壓裂縫堵漏儀模擬漏失地層的溫度220 ℃和堵漏時的壓力10 MPa,用楔形模塊模擬漏失裂縫,測試各堵漏配方的封堵性能。選取3組楔形縫(0.5 mm×20 mm,1 mm×20 mm,2 mm×20 mm)模擬地層中不同大小的誘導裂縫縫隙。向模擬井筒中加入1 000 mL堵漏漿,打開加熱裝置,對整個堵漏儀加熱至要求溫度。采用間歇式加壓,每次加壓穩壓10 min后,再次加壓。每隔10 min,加壓0.5 MPa,從設備上部開始加壓,1 MPa開始,最高加壓至10 MPa。每個壓力狀態下保持滴漏或無漏失30 min后則提高1 MPa壓力。當承壓30 min漏失量≤10 mL時,記錄此時的壓力,評價裂縫中封堵層的承壓性能。

2 實驗結果與討論

2.1 現場常用橋漿堵漏機理

現場311.2 mm井眼的主要堵漏工藝為橋漿堵漏,一般是在鉆井液中添加具有一定顆粒粒徑分布的堵漏材料,這些材料進入地層中的裂縫后,能在其粗糙的表面及狹窄部位產生掛阻并架橋后逐漸形成低滲透的致密封堵體,封隔井內鉆井液液柱壓力與縫內壓力之間的傳播。對于天然裂縫漏失,Loeppke等[12]對堵漏材料的架橋機理進行了深入研究,并提出了單顆粒架橋和雙顆粒架橋模型。Fuh等[13]開展的DEA-13實驗研究,奠定了不同類型鉆井液漏失特性和堵漏材料承壓封堵裂縫的研究基礎。并采用縫尖封堵機理來解釋堵漏材料的承壓封堵裂縫的現象,這也是裂縫傳播阻力強化井眼的理論基礎。后續進行的GPRI實驗研究,重點研究了不同堵漏材料提高裂縫延伸壓力的效果,所得的實驗結果表明,顆粒材料對裂縫的封堵是提高地層承壓能力的控制因素。Alberty等[14]通過現場和室內實驗提出了“應力籠”理論,該方法通過顆粒材料支撐和封堵井眼周圍的預制裂縫,實現提高井周切向應力的目的。

2.2 基于SCT應力籠理論和單/雙顆粒架橋理論的堵漏配方設計

SCT應力籠理論適用于裂縫和滲透性地層,其理論的基本點是沉積固體在裂縫縫口附近,像支撐劑一樣,將井眼中流體壓力與主要裂縫相封隔,在LCM段塞將往地層的漏失的消失時將降低裂縫的壓力。裂縫將導致近井周圍地層的壓實,當固體顆粒封堵地層裂縫保持裂縫開啟,近井有效的切應力增加。第一個來說明井眼增強的概念是蘭德馬克出版的預先激活井眼強度,這是所謂的應力籠理論,通過創造微裂縫然后采用顆粒填充堵塞和支撐微裂縫的開口,增加環應力,使用的顆粒級配的顆粒材料的可以采用壓裂0.20 m(6寸)裂縫的水力壓裂方法進行計算,以應力籠理論出現[13],一個筆形裂縫的方程顯示了井壁的這種增強效應,SCT應力籠理論示意圖見圖1。

圖1 Aston的SCT應力籠理論

SCT理論的實驗發現:

1)必須含有連續的粒徑分布范圍,從1 μm的黏土到所需要的橋架寬度;

2)D1/2的理想充填理論,在低密度鉆井液中,用于選擇最優的粒徑分布;

3)最好使用高顆粒濃度,實驗發現需要至少42 g/L的橋架混合物才能進行有效的封堵;

4)通過連續添加大顆粒橋架材料,采用8.5%左右的橋架固體可以實現井壁增強。

圖2為SCT理論下的承壓效果示意圖,可以看到,以SCT理論為基礎設計的堵漏漿,相較于普通基漿,能明顯提高承壓能力。

另外,STPB(單顆粒)與TPB(雙顆粒橋)架理論也常用于橋漿堵漏的指導,具體是指,一些裂縫,其開口大小與鉆井液中的顆粒材料的大小相當,可能產生單一顆粒或者多顆粒的橋架,單一顆粒與雙顆粒橋架產生的封堵效果比多顆粒的效果更好,多顆粒容易產生在擠入方向的塌陷。單一顆粒和雙顆粒雖然封堵效果及時,但是在受到抽吸時易于產生返吐。

2.3 不同橋堵配方的封堵能力評價

現場堵漏時常有循環后復漏的現象,大多是由堵漏材料的封門造成的,室內為了更真實評價堵漏材料的封堵效果,對封堵后表層形成的封門濾餅進行了清除,再使用鉆井液進行承壓測試,更能真實反映堵漏材料的實際封堵效果。室內使用現場常用配方進行評價,井漿+6%隨鉆JD-5+5%FDJ-1+2%FDJ-2+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4,結果顯示:

1)現場配方對20～40 mm大砂床侵入能力較好,清除濾餅后,仍能承壓7 MPa;

2)現場配方大顆粒、大纖維較多,對4～10 mm砂床侵入能力較差,有明顯封門現象,清除濾餅后,不能有效承壓。

由于現場裂縫的未知性,需要優化現場配方粒徑分布,使其能同時對大砂床及小砂床形成有效封堵。

室內通過對現場配方各材料的比例調整優化各種粒徑的占比,以便在不封門的前提下,達到同時封堵不同裂縫的效果。通過以下幾個典型配方可以看出各粒徑在堵漏過程中的明顯區別。

配方1:井漿+6%隨鉆JD-5+5%FDJ-1+2%FDJ-2+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方2:井漿+6%隨鉆JD-5+1%FDJ-1+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方3:井漿+6%隨鉆JD-5+8%WNDK-1+7%WNDK-2+7%WNDK-3+6%WNDK-4;

配方4:井漿+0.5%隨鉆JD-5+1.5%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%HTK(細)+1%HTK(中);

配方5:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%HTK(細)+2%HTK(中)+0.5%HTK(粗);

配方6:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%GUARD3000+2%GUARD5000+0.5%GUARD7000。

2.3.1 孔縫型封堵能力評價

圖3可以看到不同配方對于不同粒徑砂床的封堵效果,對比各配方的堵劑材料可以了解到:1)現場堵劑FDJ粒徑較大,團狀纖維較多,堵漏時易封門,室內對現場堵劑的配方粒徑優化,以0.5～1 mm粒徑為主,加入少量HTK大顆粒進行誘導封堵,用NTBASE纖維進行輔助架橋,能有效降低封門概率,提升堵漏效果;2)對比數據可以看出,優化后的配方5,能同時有效封堵4～10 mm砂床及20～40 mm砂床,說明配方適用性廣,能有效應對地層裂縫的未知情況。

2.3.2 天然裂縫型封堵能力評價

圖4可以看到不同配方對于不同寬度裂縫的封堵效果,通過評價可以看到有的堵漏配方對于開度較大的天然裂縫,在封堵效果上存在一定不足。配方1,封堵1～2 mm天然裂縫時,封門明顯,堵劑進入裂縫較少,導致有效承壓較低,封堵3～5 mm裂縫時,則由于材料本身強度不足,導致承壓能力較低;配方5,也由于HTK強度不足,限制了承壓能力;配方6則是加入強度較高的大顆粒材料GUARD,使得封堵承壓能力得到明顯提升。

圖4 不同配方對不同天然裂縫的封堵效果

3 現場應用

截至目前,改良的橋堵配方已在某區塊某井進行了成功應用。215.9 mm井眼在2 700和2 725 m鉆進中發生井漏,漏速6～10 m3/h,采用橋漿堵漏和隨鉆堵漏治理有效。該漏點漏速較低,為滲透型或裂隙型漏失;同時,這兩處漏失與鉆井排量關系較大,2 700 m發生漏失時排量26.5 L/s,降排量至17.5 L/s,不漏。說明漏失壓力處于鉆井液靜密度與循環當量密度之間,降低循環壓耗是解決漏失的有效手段,進一步說明該處為裂隙型漏失,隨著ECD變化裂縫周期性的裂縫張開,具有一定呼吸效應鉆進至2 705 m,20:00投球,打開旁通閥,泵入濃度25%堵漏漿6 m3,替漿,23:00起鉆至2 460 m,關井擠堵:第一次,排量3.3 L/s,泵入1.2 m3,泵壓7.2 MPa,套壓5.3 MPa,穩壓15 min,套壓3.3 MPa,井底當量1.40 g/cm3;第二次,排量2.6 L/s,泵入1.4 m3,泵壓7.9 MPa,套壓5.1 MPa,穩壓15 min,套壓3.5 MPa,井底當量1.41 g/cm3;第三次,排量3.3 L/s,泵入1.2 m3,泵壓9.1 MPa,套壓6.0 MPa,穩壓15 min,套壓4.3 MPa,井底當量1.44 g/cm3。堵漏劑配方:井漿+0.5%隨鉆JD-5+3%NTBASE+6.5%WNDK-2+2.5%WNDK-3+5%WNDK-4+1%GUARD3000+2%GUARD5000。

4 結論

本文通過對現場常用橋堵配方的評價與優化,找到了現場配方的不足之處,評價結果顯示,現場常用配方由于偏向加入較多大纖維、大顆粒材料,使得配方容易發生封門的現象,室內對配方進行優化后發現,3 mm以上的大顆粒總加量應在1%～3%,同時應避免加入易形成纖維團的植物纖維,可使用易分散的礦物纖維代替,這樣可以同時滿足4～10 mm以及20～40 mm砂床的封堵需求,提高配方適用范圍。而封堵裂縫型漏失時,尤其是對承壓能力要求較高時,將配方中低強度的HTK替換為高強度的GUARD高分子材料,可將封堵承壓能力從3 MPa提升至7 MPa以上,現場使用時可根據實際需求對配方進行優化調整。