化学凝胶堵剂承压堵漏技术在顺北3井的应用

方俊伟， 吕忠楷， 何仲， 李圆， 于培志

顺北区块位于塔里木盆地北部坳陷中西部，其中顺北1断裂带近期部署的6口井均获高产油气流，表明顺北区块具有良好的油气勘探前景，近几年已成为中石化西北油田分公司增储上产的重要区块。由于二叠系火成岩裂缝发育，承压能力弱[1-3]，钻井时普遍发生井漏，井漏复杂的处理严重影响了顺北区块的钻井速度。同时，下套管施工过程中，水泥浆返高较低，导致中途完钻固井质量普遍较差。因此要求钻穿二叠系地层后进行承压堵漏作业[4-5]。目前现场采用桥浆、水泥浆及复合堵漏等方式进行承压堵漏，一次堵漏成功率低，堵漏周期较长[6]。室内研究了一种化学凝胶堵剂，其具有稠化时间可调（4～20 h）、滞留能力强、承压能力强（24 h可达12 MPa以上）、密度可调（0.8～2.25 g/cm3）等特点，在顺北3井二叠系地层进行了现场试验，应用效果良好，一次堵漏成功，地层承压能力当量密度达到1.55 g/cm3，满足设计要求，成功地解决了顺北3井二叠系的漏失问题。

1 顺北3井概况

1.1 工程概况

顺北3井是位于塔里木盆地顺托果勒低隆北缘构造的一口勘探井，设计井深为7 804 m，目的层为奥陶系中统鹰山组，井身结构见表1。二开长裸眼井段钻遇白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系等多套地层，其中二叠系井深在4 437～4 845 m，厚度为408 m，二叠系火成岩裂缝发育，地层破碎、胶结性差，承压能力弱，在进行固井施工作业时，因漏失常常造成水泥浆返高不够，严重影响固井质量，因此要求在钻穿二叠系之后进行承压堵漏作业[7-9]。

表1 顺北3井井身结构

1.2 漏失情况

顺北3井二叠系钻进期间，共发生了6次井漏，井深分别在4 525、4 577、4 585、4 750、4 768、4 850 m处，虽然采取多种堵漏方式进行堵漏施工，但还是累计漏失942.13 m3钻井液（其中含堵漏浆338.15 m3）。为提高二叠系承压能力，现场先后采用桥浆堵漏及水泥浆堵漏工艺，其中水泥浆硬度较大，在施工中可能会出现新井眼；桥浆堵漏材料在高温高压下长时间浸泡易水化变软变形，导致反复漏失的现象[10]。因此为了有效地提高二叠系承压堵漏效果，开展了化学凝胶堵剂承压堵漏技术的研究，在顺北3井二叠系井段进行了现场试验。

2 化学凝胶堵剂承压堵漏技术

2.1 承压堵漏原理

化学凝胶堵剂承压堵漏浆是由多种特殊纳米级材料配制而成，主要包括悬浮剂XF-1、交联剂GJ-1、成胶剂CJ-1、堵漏剂DL-1和缓凝剂HN-1等组成，命名为HND-1。该堵漏浆容易进入地层，在地层温度和压力的作用下，各组分之间发生不同程度的物理、化学反应，充分发挥各组分之间的最佳协同效应。HND-1浆体在进入漏失通道一定深度时，先发生滞留、堆积、架桥、填充加固，然后形成封堵率高、填充加固能力强的承压封堵带，从而提高了漏失地层的胶结能力及封堵承压能力，达到了承压堵漏的目的。

HND-1技术优点：①针对水泥浆稠化时间不易控制、常规的化学堵漏浆稠化时间短的难点，采用了一种低分子量聚合物作为缓凝剂，HN-1是一种由甲基硅油改性而成的有机硅醇类产品，该分子能延缓化学凝胶堵剂的交联反应，实现交联时间可调的特点。②“多元协同封堵”大幅提高地层的承压能力，首先大分子交联剂形成的致密网状结构起到架桥封堵作用，然后小分子成胶剂与交联剂分子发生化学反应进一步封堵地层，最后无机颗粒状堵漏剂填充小间隙，加固封堵层（如图1所示）。 “多元协同封堵”形成封堵率很高、填充加固能力强的承压封堵带，大幅提高漏失地层的承压能力。

2.2 化学凝胶堵漏浆性能评价

在实验室模拟漏失井下地层温度、压力条件，评价HND-1浆体的稠化时间、固结强度及与井浆的配伍性能。

图1 化学凝胶堵剂“多元协同封堵”原理图

HND-1浆体配方为：水＋8% XF-1+2%GJ-1+（8% ～ 12%） CJ-1+（8% ～ 10%） DL-1+2% 流 型调节剂+（0.6%～1.5%） HN-1

2.2.1 稠化时间

为了保证施工安全，在进行化学凝胶堵剂堵漏施工时，注完堵漏浆后，需上提钻具至堵漏浆液面之上进行憋压挤注作业，因此需要控制堵漏浆的稠化时间，防止出现“灌香肠” 、“插旗杆”等井下复杂的发生[11]。室内模拟地层温度和压力，进行了HND-1浆体的稠化实验，结果见表2。由表2可知，化学凝胶堵剂浆体的稠化时间在4～20 h可控，能够满足不同漏失层堵漏的安全施工要求。

表2 HND-1浆体的稠化性能

根据邻井的井温资料，确定顺北3井二叠系的地层温度为90 ℃，HND-1浆体密度为1.25 g/cm3。根据上述实验结果，选择4#配方进行了稠化实验，结果见图2。由图2可知，该配方的稠化时间为8 h，完全可以满足稠化时间不小于4 h的堵漏设计要求。

2.2.2 固结强度

在90 ℃、20 MPa下，考察了HND-1浆体固结物强度随时间的变化，结果见表3。由此可知，化学凝胶堵漏浆固化后，12 h内强度可达到5 MPa以上，16 h内可达到8 MPa以上，24 h内强度可达到12 MPa以上，可以满足承压4.5 MPa以上的堵漏设计要求。

图2 顺北3井HND-1浆体稠化曲线

表3 HND-1浆体固结强度随时间的变化

2.2.3 与井浆的配伍性

采用化学凝胶堵剂浆体4#配方，考察了化学凝胶堵剂与现场井浆混合后的成胶效果实验，结果见表4。由表4可知，井浆对化学凝胶堵漏浆的成胶性能基本没影响，表明化学凝胶堵剂与井浆的配伍性很好，满足现场承压堵漏要求。

表4 HND-1浆体与井浆混合后的成胶效果

3 现场应用

顺北3井实钻二叠系井段为4 437～4 845 m，二叠系火成岩裂缝发育，地层破碎、承压能力弱，钻井时发生6次井漏，现场采用桥接、水泥浆堵漏方法共进行9次堵漏，均未见明显效果。后采用化学凝胶堵漏承压技术，成功封堵住漏失层位，承压值不小于4.5 MPa，满足了正常钻进的要求。

3.1 堵漏施工过程

化学凝胶堵剂浆配方：根据邻井的井温资料，确定顺北3井二叠系地层温度为86.8～91.5 ℃，通过室内实验确定采用4#配方。堵漏浆密度为1.25 g/cm3，稠化时间为8 h，固化强度达12 MPa。

为确保化学凝胶承压堵漏顺利进行，防止憋压挤注过程出现大的漏失，在化学凝胶堵漏浆顶部补充浓度为38%的桥浆，桥浆配方为：井浆+3%核桃壳（中粗）+3%核桃壳（细）+3%SQD-98（粗）。

施工过程：①挤注堵漏浆：下光钻杆至井深4 850 m处，小排量开泵循环，泵入30 m3浓度为38%的桥浆，随后注35 m3化学凝胶堵剂入井，替44.5 m3井浆，保证环空堵漏浆充满二叠系井段，钻杆内预留10 m3，防止起钻过程中井浆污染化学凝胶堵剂。②关井憋压候凝：起钻至套管内（井深3 570 m），关井憋压进行挤注堵漏浆作业，累计泵入7 m3堵漏浆，施工最高泵压为5.36 MPa，停泵后压力稳定在5 MPa，候凝10 h。③扫塞试压：扫塞至原井深（5 991.16 m），未发生漏失。随后提钻至套管内关井憋压验堵，试压5 MPa，30 min压力降至4.8 MPa后稳定，压降为0.2 MPa，符合工程设计要求，承压值不小于4.5 MPa，达到二叠系承压堵漏施工要求[12-13]。

3.2 承压堵漏效果

顺北3井替浆到位后，开始关井憋压挤注作业，采用间歇式憋压挤注工艺，经过5次作业。憋压过程及变化情况见表5。

表5 顺北3井二叠系憋压过程及变化情况

4 结论与建议

1.化学凝胶堵剂具有稠化时间在4～20 h内可调、24 h强度可达12 MPa以上、密度在0.8～2.25 g/cm3之间可调等特点，可根据地层的漏失程度及承压要求，调整承压堵漏浆的稠化时间和承压强度。

2.化学凝胶堵剂属于纳米级材料，既能封堵渗透性漏失，又能提高裂缝性和溶洞型漏失地层的承压能力，特别适合长裸眼段地层的承压堵漏施工。

3.在顺北3井现场应用，根据扫水泥塞和试压情况，化学凝胶堵剂承压效果良好，停泵立压5 MPa，30 min后压降0.2 MPa，二叠系当量密度达到1.55 g/cm3，满足了后续钻井施工要求。

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