MS型堵漏隔离液的研究与应用

初永涛

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

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MS型堵漏隔离液的研究与应用

初永涛1，2

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

为了解决易漏失井固井施工中水泥浆的漏失问题，研究开发了一种堵漏隔离液。首先运用颗粒级配理论确定堵漏材料的粒径范围，然后根据堵漏材料物理性能的要求，优选了蛭石颗粒和丙纶纤维作为堵漏材料。使用MS隔离液化学剂、高温隔离液助剂和堵漏材料配制得到MS型堵漏隔离液，对MS型堵漏隔离液的流变性、稳定性、纤维分布情况、相容性和冲洗能力等进行了评价，利用缝隙板堵漏试验和砂床堵漏试验对MS型堵漏隔离液的堵漏性能进行评价。结果表明，MS型堵漏隔离液各项性能指标完全满足固井施工要求，堵漏承压能力达到8 MPa。MS型堵漏隔离液在河坝107井φ219.1 mm尾管固井中成功应用，并在川东北地区和塔河油田进行了53井次的现场应用，取得了良好的堵漏效果。

颗粒级配 堵漏 漏失 隔离液 承压能力

很多复杂井由于地层承压困难，即便经过堵漏承压后，在下套管或固井过程中仍然会发生漏失，造成固井低返。截至2010年，中国石化勘探南方分公司在川东北地区所钻探井共计漏失16井次，普光气田开发井共计漏失11井次[1]。在冲洗液或水泥浆中直接加入堵漏材料存在很大限制，堵漏材料不易分散均匀、易抱团；在水泥浆中加入堵漏材料时也存在易抱团、加量受限制、浆体增稠和导致附件失灵等问题[2-7]。

多数的堵漏手段都依赖于固井前的钻井液堵漏，在下完套管后缺乏切实有效的堵漏措施[8-12]。国内外目前对于隔离液堵漏的研究和应用也不成熟，为了解决固井过程中的防漏堵漏难题，提高固井的一次成功率，开展了MS型堵漏隔离液的研究攻关。通过优选堵漏材料，利用纤维的架桥作用，结合颗粒级配理论，配制出具有良好综合性能的MS型堵漏隔离液，并在塔河油田和川东北地区应用53井次，取得了良好的堵漏效果。

1 堵漏隔离液配方优选

依据优选颗粒级配原理，实现颗粒的最紧密堆积，使其在流动性能和稳定性能之间取得最佳平衡。利用先架桥再填充堵漏的原理,实现MS型堵漏隔离液对裂缝和孔隙的封堵。

1.1 颗粒级配研究

进行颗粒级配的主要目的是保证颗粒最紧密堆积。理想的颗粒非连续紧密堆积可以采用几何学加以推导，但堵漏不仅兼顾流动性和稳定性，还要考虑镶嵌、骨架、填充及体系内各个部分的相互作用。试验发现，对于确定的缝隙，同一尺寸的颗粒无法完成堵漏任务，相对粒径越大，其镶嵌阻力也就越大，位移的能垒也就越高，移动后所释放的能量易引发其他颗粒的运动，导致整个体系堵漏失败。实际应用中，材料颗粒需在一定的粒径范围内采用连续级配，从而使颗粒之间达到紧密堆积的合理状态。根据试验结果，确定了不同类型缝隙的堵漏材料颗粒的级配比例(见表1)。

表1 堵漏材料的粒径级配结果

该级配比例仅适用于相对应的孔道、裂缝和一定孔隙度的地层，针对不同的地层孔道堵漏时，应根据孔隙度的大小作相应的调整。

根据现场堵漏要求和应用情况，隔离液助剂主要选用了MS隔离液加粉末高温助剂作为前置液基础配方，并进行了耐温性、流变性、悬浮性能等方面的试验，确定相适应的隔离液配方为：水+10.0％MS+1.5％高温助剂+10.0％微硅。

1.2 纤维堵漏材料的选择

考虑现场施工过程中既要不影响设备的正常工作，又要能达到良好的架桥作用，选用 C-IR 丙纶纤维，长度4.2 mm，加量0.5％。为防止纤维聚结，对纤维进行表面处理，称取适量丙纶纤维，加入到一定浓度的脂肪醇表面活性剂溶液中浸泡，干燥后待用[13-16]。加有纤维的前置液在93 ℃温度下养护20 min后，观察纤维的分布情况。结果发现，经过表面处理后的丙纶纤维在MS加高温助剂的前置液体系中不结团，分散好。

1.3 堵漏颗粒的选择

选用颗粒外径为0.15～2.50 mm的蛭石作为堵漏剂。蛭石颗粒在隔离液中分布均匀、无沉淀，使用温度大于900 ℃，耐碱性良好，吸水率26％。

1.4 缝隙板堵漏试验

采用 QD-1 型堵漏材料试验仪，按照《钻井液用桥接堵漏材料室内试验方法》(SY/T 5840—2007)的要求，用1.0 mm缝隙板作为垫床来模拟漏失地层中缝宽不大于1.0 mm的地层裂缝，对MS型堵漏隔离液堵漏性能进行评价。堵漏隔离液配方为10.0％MS+1.5％高温助剂+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏剂+0.5％丙纶纤维。

缝隙板堵漏试验总漏失量350 mL，表明采用纤维和蛭石堵漏剂配出的堵漏隔离液效果良好。MS加高温助剂与0.5％的丙纶纤维、5.0％的蛭石堵漏剂可形成良好的架桥匹配，堵漏承压能力达8 MPa。

1.5 砂床堵漏试验

采用 QD-1 型堵漏材料试验仪，根据《钻井液用桥接堵漏材料室内试验方法》(SY/T 5840—2007)的要求，用粒径为0.45～1.00和1.00～2.00 mm的石英砂填制一定渗透率的砂床模拟高渗透性地层，封堵试验结果见表2。

表2 填砂床堵漏试验结果

砂床堵漏试验结果表明，采用纤维和蛭石堵漏剂配出的堵漏隔离液效果良好。10.0％MS+高温助剂+0.5％纤维+5.0％蛭石堵漏剂可形成良好的架桥匹配，堵漏承压能力大于8 MPa。

缝隙板和砂床堵漏试验评价结果表明，堵漏承压能力均大于8 MPa，封堵效果良好。据此，确定MS型堵漏隔离液的基本配方为：10.0％MS+1.5％高温助剂+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏剂+0.5％丙纶纤维。

2 综合性能评价

为了满足现场需要，需对MS型堵漏隔离液进行加重，选择重晶石粉为加重材料，对MS型堵漏隔离液各项性能进行综合评价。

2.1 流变性能

堵漏隔离液不仅要具有较好的堵漏效果，还要有良好的流变性能。运用高速搅拌器配制出不同密度的MS型堵漏隔离液，使用六速旋转黏度计测定其流变性能，不同密度的MS型堵漏隔离液流变性能见表3。

表3 MS型堵漏隔离液流变性能

从表4可以看出：1)MS型堵漏隔离液在室温和93 ℃养护后，均具有较好的流动性能，养护后的流性指数大于0.6，流动度20～24 cm，具有良好的可泵性能；2)随着MS型堵漏隔离液密度的增大，其剪切应力略有增大，但仍具有良好的流动性能；3)MS型堵漏隔离液在93 ℃条件下养护后流变性能明显优于室温下的流变性能，说明浆体在井内温度条件下具有较好的流变性，有利于提高水泥浆的顶替效率。

2.2 稳定性

在MS型堵漏隔离液基浆中加入不同量的重晶石粉，配制不同密度的MS型堵漏隔离液，分别在93 ℃下养护20 min，倒入1 000 mL的量筒中，静置2 h后，用移液管分3次从量筒中取出不同层的液体，并测量每次取出液的密度，结果见表4。

表4 MS型堵漏隔离液的沉降稳定性能

从表4可以看出，不同密度的MS型堵漏隔离液均具有很好的悬浮能力和沉降稳定性能，上下密度差不大于0.01 kg/L。

将MS及高温助剂在浆杯中用高速搅拌仪在4 200 r/min的转速下搅拌均匀，依次加入微硅、蛭石堵漏剂和纤维，再次搅拌后，堵漏材料在浆体内不漂浮、不聚集、分布均匀，稳定性好。

2.3 相容性

MS型堵漏隔离液以不同比例与水泥浆混合，充分搅拌后， 在93 ℃条件下养护20 min，测量混合液的流变参数，结果见表5。

表5 MS型堵漏隔离液与水泥浆的相容性

从表5可以看出，MS型堵漏隔离液与水泥浆混合后，其流动度为21～26 cm，混合液基本未出现絮凝、闪凝等现象，说明MS型堵漏隔离液体系与水泥浆具有良好的相容性能。

2.4 冲洗效果

将钻井液滤饼固定在 Fan-35 型旋转黏度计外筒上，用 300 r/min转速冲刷10 min，然后采用称重法计算MS型堵漏隔离液对滤饼的冲洗效果：1)清水对钻井液滤饼的冲洗率为43.0％；2)配方1为水+10.0％MS+1.5％MS-R+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏剂+80.0％加重材料+0.5％丙纶纤维，其对钻井液滤饼的冲洗率为77.0％；3)配方2为水+10.0％MS+1.5％MS-R+10.0％微硅+5.0％蛭石堵漏剂+105.0％加重材料+0.5％丙纶纤维，其对钻井液滤饼的冲洗率为86.0％。从试验结果可以看出，MS型堵漏隔离液对钻井液滤饼的冲洗效果较好。分析认为，MS型堵漏隔离液中含有惰性固相粒子和非离子表面活性剂，改善了滤饼的润湿性，增强了对滤饼的摩擦冲刷作用，提高了MS型堵漏隔离液的冲洗能力。

3 现场应用

川东北地区上部陆相地层上沙溪庙组、自流井组、须家河组地层较厚，砂岩、泥岩互层频繁，地层倾角大，并且部分夹有煤层，裂缝发育，断层交错，极易发生井塌、井漏，特别是三叠系嘉陵江组缝洞发育，地层压力较低，发生井漏的概率大。以前对漏失井固井时，采用在冲洗液和水泥浆中加入堵漏材料的堵漏方式，存在堵漏材料不易添加和分散不好等问题，固井一次成功率低。MS型堵漏隔离液采取在地面用过渡罐批混工艺，保证了纤维、堵漏材料在隔离液中均匀分散，入井浆体密度均匀。

在使用MS型堵漏隔离液前，川东北地区固井过程中发生漏失共计27井次，固井质量一次合格率只有74.6％。在使用MS型堵漏隔离液后，该地区固井过程中漏失概率大大降低。

河坝107井一开φ298.4 mm套管下至井深2 883 m，二开井深5 240 m，钻头直径266.7 mm，φ219.1 mm套管下深5 238 m，悬挂位置2 733 m，尾管封固段长2 505 m。钻井液密度1.38 kg/L，黏度71 s，初切力7 Pa ，终切力22 Pa。在二开钻井期间，从钻开上层套管鞋后就开始发生裂缝性漏失，先后共发生较大的漏失21次，累计漏失钻井液超过了1 000 m3。同时，该井共钻遇21层气层，气层显示活跃，固井的最大难题就是防漏防气窜。决定采用一次上返注水泥浆技术方案，并使用MS型堵漏隔离液。现场应用过程中，用批混罐将堵漏隔离液进行一次混配， MS型堵漏隔离液密度1.38 kg/L，流动度24 cm，用量15 m3，顺利完成了固井施工，固井全过程未发生漏失。全井段封固平均声幅30％～45％，固井质量合格率达到100％。

截至目前，MS型堵漏隔离液在塔河油田和川东北地区累计使用53井次，各井水泥浆返高均达到设计要求，固井质量一次合格率达到96％。

4 结论及建议

1)室内试验评价和现场应用表明，MS型堵漏隔离液性能稳定，具有良好的堵漏防漏作用，能够提高易漏失井固井的一次合格率。

2)MS型堵漏隔离液具有较好的流变性能和优良的冲洗作用，有利于提高顶替效率，提高水泥环的胶结质量。

3)堵漏隔离液中堵漏材料单一，限制了承压能力的提高，建议对MS型堵漏隔离液进行进一步的研究，扩大堵漏材料的选型和加重材料的选择范围，并进行现场试验与应用。

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ResearchandApplicationofMSSpacerFluidforPlugging

ChuYongtao1，2

(1.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong)，Qingdao，Shandong，266580，China；2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

In order to solve the leakage problem in cementing operation,a new plugging spacer fluid has been developed.The particle size and range of plugging material were determined according to the theory of grain composition,and Vermiculite particles and Polypropylene fiber selected as plugging materials.Taking MS spacer as a base fluid,made by MS chemicals and high temperature additive,the rheological property,stability,distribution of fiber,compatibility and flushing ability were evaluated.Plugging ability of the spacer was also evaluated with crack-plate plugging and sand bed plugging experiment.The results show that the performance of the MS plugging spacer fluid meets all the requirements for cementing,and its plugging pressure-bearing ability reaches 8 MPa.The MS plugging spacer fluid was applied successfully duringφ219.1 mm liner cementation in Well Heba107.Field applications of 53 wells in northeastern Sichuan area and Tahe Oilfield have got good plugging results.

grain distribution；plugging；lost circulation；spacer fluid；pressure-bearing capacity

2013-03-11；改回日期2013-05-12。

初永涛(1980—)，男，山东烟台人，2004年毕业于石油大学(华东)石油工程专业，在读硕士研究生，工程师，主要从事固井水泥浆与固井工艺方面的研究工作。

联系方式：15983862338，956653173@qq.com。

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之专题“海相油气井固井完井技术”(编号：2011ZX05005-006-004)部分研究内容。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.017

TE256+.1

A

1001-0890(2013)03-0089-05

[编辑 滕春鸣]