一种高回弹性井壁承压封堵剂

2020-09-18王同友张伟

钻井液与完井液 2020年3期

王同友，张伟

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北燕郊 065201）

0 引言

在钻井过程中，如何提高地层的承压能力、保证井壁稳定是作业者考虑的重点和难点之一。地层承压能力的高低是一个相对的概念，一般有以下几种情况：同一井段的上下部地层承压能力不同，必须要提高已钻地层的承压能力；钻井液的密度窗口比较窄，喷漏同层；裂缝发育及微裂缝发育的地层等等。针对上述地层作业时，基本的解决思路是从井身设计和封堵两个方面考虑，前者工程手段会大大增加作业者的总体成本，而封堵作业能选择的材料不多，一般采用颗粒类架桥材料和纤维材料相结合，当井下有压力波动和产生诱导性裂缝时，漏失的风险依然较大。

因此，在采取封堵作业的同时，如何有效地加固井壁、提高地层的承压能力是考虑的关键。就此而言，弹性石墨因为其独有的压缩回弹特性，成为提高井壁承压的首选材料，已经在国外钻井作业中得到了广泛认可，并进行了大量成功的应用。在钻井作业中随着井底压力的增加，石墨颗粒被不断压缩；一旦进入地层，随着压力的降低，石墨颗粒就会发生体积反弹，从而封堵缝隙，提高地层承压能力，实现井壁稳定，保证顺利钻井。

弹性石墨类井壁承压封堵材料长期以来在国内属于技术空白，一直由国外公司提供服务。目前由国内自主生产的弹性石墨PF-RG 已经进行了成功应用，其优良的井壁承压封堵效果得到了甲方的认可。笔者就该产品的关键性能做以评价研究。

1 弹性石墨的结构特点

弹性石墨是一种经过高温处理后的颗粒状高纯度碳质材料，具有闭孔式内部结构。其高温煅烧的生产工艺决定了该材料具有优良的惰性，不含任何烃类和重金属成分，没有磁性，不会干扰任何测井设备和井下测试工具的正常工作[1-2]。

比较普通石墨和弹性石墨的微观结构（图1 和图2）可知，普通石墨在显微镜下显示为鳞片结构，这是由于经过高强度的磨制而形成的结构特点。而在显微镜下可以明显看出，PF-RG 表面为明显凹凸的平滑体，具有非常多的小孔穴，表明内部存在非常多的彼此独立的微小空间，这也是弹性石墨之所以具有很大的压缩率和回弹率的有力证据之一。

同时弹性石墨还具有一般炭素材料的优良性能，如耐高温（500 ℃的高温不会使之软化变形）、耐腐蚀（不会在酸碱环境中发生反应）、密度小等（密度约为2.0 g/cm3，在钻井液中能够均匀分散，不易沉降）特点，尤其在高温使用时其优势更突出。

图1 普通石墨微观结构

图2 弹性石墨PF-RG 微观结构

图3 是PF-RG 的磁性评价，可以看出PF-RG没有任何磁性，这使其在钻井作业时，不会与井下设备和测井仪器互相干扰。

图3 弹性石墨磁性实验

2 弹性石墨的回弹性评价

传统的刚性颗粒封堵材料例如大理石颗粒等，虽然具有优良的承压封堵能力，但其体积大小和形状不随压力改变，因此在封堵作业时具有一定的局限性，而沥青类的封堵材料虽然具有变形的性能，但其受温度影响，同时承压能力相对较弱。弹性石墨兼具上述2 种封堵材料的优点，当井筒内的静液柱压力增加时，弹性石墨体积被不断压缩；一旦进入地层孔隙，随着压力的降低，弹性石墨的体积随之回弹，支撑缝隙，起到增强井壁承压的作用。

2.1 实验设计

称取一定质量的样品，装入岩心筒中，两端用活塞式压力杆密封，先进行手动压实，然后放在压力机上先后经过加压压缩和释压回弹两个阶段，记录样品高度随压力变化的曲线，从而计算回弹率[1]。

回弹性评价实验使用的设备为微机控制电液伺服岩石三轴试验机TAW2000，设计示意图见图4。

图4 压弹性实验示意图

图4 中的第一个阶段表示开始缓慢加压，第二个阶段表示加压到最大值，样品体积被压缩到极限；第三个阶段表示压力缓慢释放至零，使样品体积自由回弹。

评价实验分别选取不同粒度的PF-RG 样品和普通石墨与国外弹性石墨样品作比较。PF-RG 目前按照粒度从细到粗分为PF-RG W、PF-RG F、PFRG M 和PF-RG C 等4个系列，其中PF-RG W 产品作为井壁增强随钻承压封堵剂，粒度最细，D50小于90 μm。另外3 个产品作为段塞堵漏时配合纤维类堵漏剂使用。

2.2 普通石墨和弹性石墨的回弹性能比较

首先比较同等粒度的普通石墨与PF-RG M 的压缩回弹性，实验中各称取40 g 2 种样品。图5 和图6 是2 个样品的实验照片。

图5 普通石墨压弹实验

图6 弹性石墨产品PF-RG M 的压弹实验

从图5 可以看出，当压力加至最大值时的被压缩程度和压力完全释放后的回弹程度基本没什么变化，直观说明普通石墨产品基本不具有回弹特性。

而图6 中弹性石墨产品PF-RG M 的压弹实验则可以明显看出，当压力完全释放后，上下2 个金属的活塞压力杆被大幅度弹出，说明岩心筒中的样品在压力降低后，被压缩的样品大幅度回弹。

在实验结束后，普通石墨在岩心筒中被压缩成一个整块，很难从岩心筒中取出。而弹性石墨PFRG M 则依旧呈散沙状，很容易就从岩心筒中倒出。

2.3 普通石墨和弹性石墨的压弹曲线分析

图7 为普通石墨和PF-RG M 的压弹曲线对比。

从图7（a）可以看出，经过手动压实后的普通石墨在岩心筒中被压力机压缩至极限时，活塞压力杆的进尺位移只有20 mm；而比较图7（b）可以看出，同样经过手动压实后的PF-RG M，在岩心筒中被压力机压缩至极限时，活塞压力杆的进尺位移高达44 mm，体积被压缩程度是普通石墨的2倍之多。

当压力释放至零后，图7（a）显示，普通石墨的回弹位移不到3 mm；而图7（b）显示，PF-RG M的回弹位移超过11 mm。

图7 压弹曲线比较

2.4 与国外弹性石墨的压弹性比较

图8、图9 为随钻的PF-RG W 产品和国外的弹性石墨随钻产品的粒度分布对比[3]。从图8 和图9 可以看出，弹性石墨井壁承压封堵剂PF-RG W的粒度分布和国外同类产品相似，D50小于90 μm，D90约为120 μm 左右。

图8 弹性石墨PF-RG W 的粒度分析

图9 国外弹性石墨随钻产品的粒度分析

称取同等质量的2 种样品，评价其压弹性能。由于这两个产品粒度较细，在实际实验时先进行少量装样，多次手动按压，尽可能把样品压实，实验时的最大压力设定为150 kN。图10 为2种产品的压弹曲线。

图10 国内外两种弹性石墨的压弹曲线

从图10 可以看出，2 个产品的压弹曲线基本相似，实验中活塞压力杆的进尺位移和压力释放后的回弹位移相差无几，说明PF-RG W 的回弹性能与国外同类产品相媲美。

2.5 回弹率比较

表1 为PF-RG 系列产品的回弹率。PF-RG W和国外随钻产品回弹性基本相同；随着粒度的增大，弹性石墨PF-RG 系列产品的回弹率逐渐变大。

表1 不同产品的回弹率计算

3 弹性石墨的重复压缩性

选取PF-RG F，评价该产品经过反复压缩和释压后的回弹性变化。极限压力设定为100 kN，依次经过加压—释压—再次加压—释压等4 个阶段，压弹曲线如图11 所示。

图11 弹性石墨PF-RG F 的重复压弹曲线

从图11 可以看出，PF-RG F 被加压至100 kN时，活塞压力杆进尺32 mm，然后释压至零，此时样品的位移回弹至23 mm 左右；然后再次对该样品加压至100 kN 时，活塞压力杆进尺32.3 mm，再次释压至零时，样品的位移仍然回弹至23 mm左右。说明PF-RG F 经过反复压缩，其颗粒的空间结构没有被破坏，依然能够保持良好的回弹特性。

4 封堵承压能力评价

钻井液基浆为淡水+2% 膨润土+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.5%PAC-LV+0.1%PAC-HV+0.2%XC

称取一定质量的20 目～40 目的石英砂模拟地层，装入高温高压动态封堵仪中，倒入钻井液基浆，逐渐加压，观察漏失承压情况。

图12 为钻井液基浆承压曲线。由图12 可知，钻井液基浆在砂床中基本不具备承压能力，浆体在3 min 内全部漏失完毕。在上述基浆中加入2%PFRG F+1%PF-RG M，用同样质量和粒度级配的石英砂模拟地层，评价浆体的封堵承压能力，承压曲线如图13 所示。

从图13 可知，当钻井液基浆加入PF-RG 后，承压能力由原来的不到2 MPa 增大到近20 MPa，承压能力提高了近十倍，最终稳定承压超过1 h。

图13 加入弹性石墨后钻井液的承压曲线

通过上述评价实验，直观明确地证明了弹性石墨在承压封堵能力方面的优良性能。在实际作业中，针对不同孔渗的裂缝地层，优化不同粒度的弹性石墨浓度配比，会得到更好的封堵承压效果。

5 现场使用案例

弹性石墨在钻井液中具有良好的相容性，对流变性影响非常小，在降低润滑系数的同时，还可以降低钻井液的滤失量[4]。国外在增强井壁承压方面进行了广泛的应用，并获得普遍认可。PF-RG 材料目前刚进行研发，还未得到大量的现场应用。

2019 年6 月，PF-RG W 在柴达木盆地中央鼻隆带碱山构造碱探1 井的作业中首次成功应用。

由于该井密度窗口极窄，存在溢漏共存的井控风险。邻井碱1 井在井深1888.09 m、井深4670～5287.36 m 发生多次井漏及井塌；碱2 井在井深2973.0～4307.36 m 发生5 次井漏；碱3 井在井深1570.29～2881.76 m 发生4 次井溢，并在井深2912.7～3052.05 m 发生5 次井漏；尖探1 井在4678.14～4685.07 m 发生3 次井漏；尖北101 井在4748.75～4784.48 m 发生2 次井漏。参考邻井溢漏复杂井段及与本井的地层对应关系，预测本井在1300～3300 m 可能发生井漏、井溢，在3730 m，4500～4800 m（E31 下部）、5350～5800 m 可能发生井漏。

碱探1 井在二开阶段井漏不断，先后使用纤维类和颗粒类封堵剂始终不见效果，一直无法解决渗透的难题。2019 年6 月25 日钻进至3850 m 左右，钻井液密度为1.85 g/cm3，开始使用井壁增强封堵剂PF-RG W，当加入井浆内的弹性石墨浓度大约至7.5 kg/m3时，井下渗透完全解决。之后一直维持PF-RG W 的井浆浓度在10 kg/m3，井下始终保持正常，渗漏再未发生。

当现场井壁增强封堵剂PF-RG W 的备货耗尽，渗漏再次出现。服务方于2019 年7 月8 日再次调货进行紧急补充，当向井浆内加入2 t 弹性石墨后，渗漏逐渐消失，后维持15 kg/m3的浓度直至二开顺利结束并固井。