溢漏并存地层钻井堵剂的研究与应用

张 震 颜 超 晏智航 杨涪杰 杨成新 郭 斌 李美格

（1.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000；2.中国石化西北油田分公司概预算中心，新疆 乌鲁木齐 830011；3.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；4.成都西南石大石油工程技术有限公司，四川 成都 610500）

0 引言

当前，随着油气田新区块钻探步伐的加快，勘探开发面临更加复杂的地质情况，井漏、井溢现象发生的频率持续增加，钻探难度不断增大。目前，针对溢漏并存地层采用较多的是高失水、可硬化成塞堵漏剂、果壳为主的复合堵漏剂，多种纤维、覆膜吸水树脂的堵漏剂，可固化的纤维水泥浆等。这些堵剂中，纤维材料为纸屑纤维或石棉纤维、聚丙烯纤维、果壳、橡胶等架桥材料，由于架桥后没有很好的材料充实、密实，这种架桥结构就不稳定，容易随地层压力波动而解体，造成多次堵漏的效果不理想，封堵承压能力差。溢漏并存地层钻井HTSD堵剂就是为了克服现有封堵技术的不足而研发的一种封堵强度非常高的固化体。配制成的HTSD堵剂还可根据钻井液密度进行加重，加重的HTSD堵剂进入到漏失井段能快速形成网络结构，有效驻留在封堵层中，在一定时间内，HTSD堵剂会固化形成封堵强度较高的固化体，从而提高地层的承压能力。

1 HTSD堵剂配方

采用无机矿物颗粒、纤维、可膨胀的无机颗粒、具有活性的充填材料以及可以固化的抗温、抗盐、防窜的胶凝材料复配成钻井堵剂，即HTSD 堵剂，基本配方为：133%HTSD+2%降失水剂+4%缓凝剂+0.5 %消泡剂+62 %水，按GB／T 19139 —2012油井水泥试验方法配制堵浆，即得到密度为1.9 g／cm3的堵浆。

根据溢漏并存地层特征及其对堵剂应用的需要，还须配制加重的HTSD 堵剂。加重的HTSD堵剂是在HTSD 堵剂基本配方基础上，加入重晶石和赤铁矿粉进行加重，重晶石最大加重密度为2.2 g／cm3，超过此密度可用赤铁矿粉进行加重。因此，另需加入密度为4.2 g／cm3的425 目重晶石粉、密度为6.0 g／cm3的5～10 目的砂粒、200 目赤铁矿粉。此外还需要添外加剂，诸如水泥浆降失水剂、减阻剂、缓凝剂、消泡剂、隔离剂等。

2 HTSD堵剂关键性能评价

2.1 HTSD堵剂的性能

1）封堵强度。参照封堵强度的基本试验方法，不同温度养护48 h后进行测定（图1），HTSD堵剂1.9 g／cm3堵浆在90～160 ℃下，封堵强度为41～45 MPa，并随着温度升高封堵强度增加[1]。

图1 HTSD堵剂在90～160℃时的封堵强度图

2）膨胀性能。按照《JHPZ-II型智能膨胀仪操作规程》测试堵剂的膨胀性能，见图2，通过96 h 实验，堵剂随着时间延长，其膨胀率相应增加，堵剂膨胀率在3.2%左右，属于微膨体系[2]。

图2 HTSD堵剂的膨胀性能图

3）流变性能。堵剂按不同的水灰比配制成不同密度的浆体，参照堵剂工程性能测试方法进行试验，结果见表1。堵剂在不同密度情况下表现出较好的流变性能，现场应用时可泵性良好，有利于现场施工的顺利进行。

4）抗盐性能。在90 ℃条件下进行养护，室内选择了5 种不同矿化度的盐水，即Ca2+含量为15 000 mg／L，Mg2+含量为1 000 mg／L，Cl-含量为15 000 mg／L，总矿化度为250 000 mg／L，及饱和盐水，养护48 h后进行测定[3]，结果如图3所示。堵剂经不同矿化度的盐水养护后，其封堵强度几乎没有太大变化，表现出较好的抗盐性能。

表1 HTSD堵剂的常规流变性能测定表（60 ℃）

图3 HTSD堵剂的抗盐性能图

5）稠化实验。按GB／T 19139 — 2012 油井水泥试验方法进行稠化实验，得到1.90 g／cm3堵浆，实验条件为：温度110 ℃，升温时间75 min，压力70 MPa，堵浆密度1.9 g／cm3，结果见图4。HTSD堵浆稠化时间是447 min，通过添加外加剂可任意调节堵剂的稠化时间，以满足现场施工需要，确保施工安全。

2.2 加重HTSD堵剂的主要性能

1）封堵强度。制成不同密度的堵浆，90～160℃养护48 h后进行测定[4-5]，结果见图5。从图5可以看出，加重后堵浆固化后的封堵强度，不同的密度表现出不同的封堵强度，但随着温度升高，封堵强度都呈现增加趋势；封堵强度在33～42 MPa 时，表明有很好的封堵效果。

2）抗压强度。制成不同密度的堵浆，在90℃下养护24～72 h后，按照GB／T 19139—2012油井水泥试验方法，测定固化模块的抗压强度，结果如图6所示。加重后堵浆固化后的抗压强度，不同的密度表现出不同的抗压强度，但随着时间延长，抗压强度都呈现增加趋势，抗压强度在1.8～5.2 MPa 范围，说明堵剂固化后，表现其本体强度。这表明，堵剂在井筒内的本体强度较低，应该远低于堵剂封堵的封堵强度或低于地层的破碎压力，也就是在扫塞（钻塞）时，不会产生新的井眼。

图4 HTSD堵剂的稠化曲线图

图5 加重HTSD堵剂的封堵强度图

图6 加重HTSD堵剂的抗压强度图

3）膨胀性能。制成不同密度的堵浆，在90 ℃下按照《JHPZ-II型智能膨胀仪操作规程》进行实验，结果见图7。加重后堵浆不同的密度表现出不同的膨胀率，同一种加重材料，随着密度增加，其膨胀率降低，膨胀率在1.8%～3.3%，属于微膨胀体系。

图7 加重HTSD堵剂的膨胀性能图

4）污染评价包括：①加重堵浆与半饱和盐水的污染评价。重点选择部分不同密度的堵浆，与半饱和盐水进行污染实验，按照GB／T 19139—2012油井水泥试验方法[6]测定，结果如表2 所示。堵浆与半饱和盐水接触后，稠化时间有所缩短。随着堵浆密度增加，稠化时间也有缩短趋势。随着污染程度加剧，稠化时间缩短程度加大。现场应用时，堵浆若与地层中半饱和盐水接触，会有稠化时间缩短的风险，为了保证现场施工安全，要延长堵浆与半饱和盐接触后的稠化时间，必须增加缓凝剂的加量；②加重堵浆与饱和盐水的污染评价。重点选择部分不同密度的堵浆，与饱和盐水进行污染实验，按照GB／T 19139 — 2012 油井水泥试验方法测定，结果如表3所示。堵浆与饱和盐水接触后，稠化时间有所缩短。随着堵浆密度增加，稠化时间亦有缩短趋势。随着污染程度加剧，稠化时间缩短程度加大。堵浆与饱和盐水污染程度比半饱和盐水要大。现场应用时，堵浆如果与地层中饱和盐水接触，会造成稠化时间缩短的风险，为了保证现场施工安全，要延长堵浆与饱和盐接触后的稠化时间，也必须增加缓凝剂的加量；③加重堵浆与不同类型钻井液体系的污染评价。重点选择与现场钻井液体系密度相近的堵浆，按照GB／T 19139—2012油井水泥试验方法进行测定。现场钻井液体系的基本性能如表4所示。隔离液的基本性能如表5所示。

表2 半饱和盐水的污染实验结果表

表3 饱和盐水的污染实验结果表

表4 现场钻井液体系的流变性能测试表（90 ℃）

表5 隔离剂的流变性能表（90 ℃）

堵浆与现场钻井液体系的污染评价见表6。HTSD 堵剂通过加重，得到与隔离液密度相同的堵浆；如果不使用隔离液，堵浆与钻井液体系直接按7∶3 比例混合，稠化时间非常短，表现在堵浆与聚磺钻井液体系污染稠化时间只有49 min，与有机盐钻井液体系污染稠化时间只有41 min，与油基钻井液体系污染稠化时间只有74 min。如果引用表5中列举的相对应钻井液密度（密度近似）的隔离液体系，按照堵浆∶隔离液∶钻井液＝7∶2∶1或1∶1∶1或7∶1∶2等多种配比，其污染后稠化时间均大于300 min 不稠；试验表明，HTSD 堵浆必须引入隔离液，HTSD堵浆对钻井液体系才不会造成污染，才能达到现场安全施工的目的。

3 现场应用效果分析

中秋1井位于塔里木盆地库车坳陷秋里塔格构造带中秋段中秋1号背斜构造上，是一口风险评价井，该井为六开井深结构，设计井深为6 300 m。五开钻进至5 477 m 和5 535 m 多次发生井漏，先后采用6 次LCC高强度承压堵漏、2次随钻堵漏、常规水基／油基桥堵（各1次）的方式，将承压能力提高至折合地层当量密度2.25 g／cm3，钻遇盐岩地层，仍蹩停顶驱，当前钻井液密度不能满足盐层段安全钻井需求。用钻井液密度为2.19 g／cm3钻进至5 668 m发生井漏，分析还是5 477～5 383 m井段漏失，由于下步钻遇盐膏层须提高钻井液密度至2.27 g／cm3，决定采用HTSD堵剂进行现场应用。

基于井漏程度，现场应用前将HTSD堵剂加重到2.21 g／cm3，115 ℃下稠化时间205 min，强度15 MPa，各种配比的污染稠化时间均大于300 min 未稠，一切试验数据合格之后，现场配制密度为2.21 g／cm3的隔离液和配浆药水。根据现场施工，预计漏层位置在5 477～5 540 m，实际施工时间4 h，理论塞面5 392 m，实探塞面位置5 403 m，钻塞井段

表6 堵浆与现场钻井液体系的污染评价表

5 403～5 553 m，钻压1～4 t，分三段试压，其中5 403 m 及5 480 m 试压6.2 MPa，15 min 不降；5 543 m试压6.2 MPa，15 min降至5.7 MPa。实现5 543 m 以上漏失严重层段有效封堵，地层承压能力达到5.7 MPa，折合地层当量密度2.30 g／cm3，满足下部钻进盐膏层所需的钻井液密度应达2.27 g／cm3的要求。

4 结论

1）研制出HTSD堵剂最大配制密度是1.90 g／cm3，在90～160 ℃下，封堵强度为41～45 MPa，膨胀率在3.2%左右，属于微膨体系。

2）HTSD 堵剂稠化时间是447 min，可以通过外加剂进行调整，稠化时间任意可控；HTSD堵剂通过重晶石粉加重，可配制2.20 g／cm3堵浆，通过赤铁矿粉加重，可配制2.60 g／cm3堵浆。封堵强度在33～42 MPa；高密度堵浆的抗压强度在1.8～5.2 MPa范围，表现其本体强度，膨胀率为1.8%～3.3%，属于微膨胀体系。

3）通过中秋1井的现场应用，实现了5 543 m以上漏失严重层段的有效封堵，地层承压能力达到5.7 MPa，折合地层当量密度2.30 g／cm3，可以满足下部钻进盐膏层所需的钻井液密度应达2.27 g／cm3的要求。HTSD堵剂可有效封堵严重漏失层段，为塔里木油田山前地地区溢漏并存地层钻井提供了一项新的技术手段。