高温高压堵漏评价仪器的研制

2021-08-16严君凤吴金生蒋炳王永明刘建军

钻井液与完井液 2021年2期

严君凤，吴金生，蒋炳，王永明，刘建军

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734；2.海安石油科研仪器有限公司，江苏南通 226681）

随着科学钻探、深海钻探、新能源干热岩钻探工作的开展，钻孔井底温度都较高，有的甚至达到260 ℃。在堵漏技术方面，目前堵漏材料的适用温度普遍在180 ℃左右，原有的堵漏材料不适合在260 ℃高温环境下使用，容易导致形成的封堵墙强度不够，承压能力较低，封堵层失效，重新出现漏失或者使高压差层段的承压堵漏无法达到设计要求。为了解决深地钻探、干热岩钻探和深海钻探中高温堵漏的需求，为了优选高温高压下的堵漏剂，必须对其在高温高压下的堵漏效果进行评价，研制评价仪器成为一种必然。

1 堵漏评价仪器国内外现状

在堵漏评价仪器方面应用的最早最普遍的是API 堵漏实验装置[1]。针对该装置中国石油天然气总公司钻井液标准化委员会特别制定了行业标准。但随着越来越复杂的井况，结构较为简单的API堵漏实验装置无法满足人们对钻井实际状况模拟的需求。中国地质科学院探矿工艺研究所在国内首先设计了DS-2 堵漏实验装置[2]，改进了密封、调压、安全阀等，采用了锥形缝隙板。美国桑迪拉实验室对API 装置的缝隙板进行了改进，用152.4 mm 的缝隙板代替了原来厚度为6.35 mm 的缝隙板；还研制出可在高温240 ℃和动态条件下做缝隙封堵仿真实验的装置，解决了该装置只能在常温下进行静态实验的状况。

为了使模拟场景更符合钻井实际情况，实验结论有利于为现场堵漏施工提供技术方案，国内很多研究者开展了堵漏评价仪器和装置的设计、试制，通过加热模拟井内不同温度下堵漏材料的堵漏效果；利用加压装置模拟不同压力下堵漏材料的堵漏效果。目前评价仪器和实验装置主要包括：DLY-160、DLM-01、JLX-2、DL-1、DL-2H、DL-A（B）以及一些实验装置[3-9]，其实验温度在120～300 ℃、工作压力在5～40 MPa，但不具备同时满足温度达到300 ℃、压力达到40 MPa 的评价仪器。

为了使钻井堵漏的实验结果更客观、更真实地反映漏层情况，郭宝利[10]等设计了模块组；为了模拟不同漏失性质的裂缝，冯学荣[11]设计了组合型漏床，通过插入组合好的填充垫片（包括不同的裂缝基片、裂缝张开度调节片、填充片、弹性填充片），以形成不同的漏失通道可以模拟较多裂缝漏层；窦斌等[12]采用人造裂缝、圆孔模型、梯形裂缝进行堵漏评价实验，能够较真实地模拟漏失地层特征。蒋振新等[13]通过将井壁剪切速率作为流动相似准则，建立环空水力学模型，利用螺旋搅拌装置设计出能够真实模拟环空流动状态的堵漏实验装置，并采用分体式人造岩心漏失模块，解决了漏失模块与地层物性相差大的问题。

为了野外工作的需要，结构简单、体积较小、操作方便的小型堵漏评价实验仪最为实用。成都科技开发有限公司在1995 年开发袖珍仿真堵漏实验装置KP-1[14]；段明详等研制出便携式BDY-1D堵漏仪[15]；杨振杰等研制的小型堵漏评价仪XAN-D[16]，一天可以测出20 多组数据。这些便携式堵漏评价仪器可以在钻井现场开展堵漏实验工作，立即为钻井堵漏提供编制堵漏施工技术方案的数据，提高了工作效率，具有很强的实用性。

2 仪器结构及功能

2.1 仪器结构

DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器主要包括了加压水容器、注入泵、搅拌容器、测试容器、可安装不同裂缝模块的堵漏模拟装置、活塞容器和计量筒，注入泵的输入端与加压水容器连接，注入泵的输出端与搅拌容器的第一腔体连通，搅拌容器的第二腔体与测试容器的入口连接，测试容器的出口与堵漏模拟装置的入口连接，堵漏模拟装置的出口与活塞容器的第一腔体连接，活塞容器的第二腔体与计量筒连接，搅拌容器、测试容器、堵漏模拟装置上均分别设有加热套和温度传感器。如图1 所示。

图1 DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器结构

2.2 工作原理

实验开始时，搅拌容器内第一活塞的下部加入堵漏液，且活塞容器内的第二活塞退到底部，并在容器内注满水，并将堵漏模拟装置与第二活塞的连接管线内也注满水。然后，通过注入泵将加压水容器内的水注入到搅拌容器的上部，通过搅拌容器内的堵漏液挤压到测试容器内。然后，通过封堵压力变送器将测试容器内的堵漏液送入堵漏模拟装置内的裂缝模块内，在此过程中，堵漏液在裂缝处形成堵漏层，部分通过裂缝的堵漏液会进入外筒的空腔，再经过排液阀门所处的管路进入计量筒，从而计量漏失液体积。恒速恒压泵将储液容器内的水泵入到缓冲阀门内，再对回压控制阀加压。

2.3 数据采集

DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器的数据采集工作主要由高温高压模拟堵漏实验系统完成，该系统可同时显示封堵压力，返排压力，活塞容器温度，测试容器温度，测试模块温度，如图2，为避免线条过于杂乱，数据界面最多可同时显示3 条曲线，可通过“设置”进行切换。图2 中曲线可以实时记录数据，主要包括封堵压力、返排压力、活塞容器温度、测试容器温度、测试模块温度、漏失量等。

图2 DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器数据记录

也可通过仪器上的人工智能温度控制器和人工智能压力控制器记录显示实时数据，如图3。DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器上的控制面板可以控制活塞容器温度，测试容器温度和测试模块温度，调节泵速和容器内部的2 个搅拌机，同时可以显示封堵压力和返排压力。

图3 DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器控制面板

2.4 仪器操作

1）回压泵吸液、加液。吸液：打开吸液阀，关闭排液阀，退泵充液，可将液体吸入泵腔内。排液加压：关闭吸液阀，打开排液阀，可用泵对回压阀加压。开始加压时，要求压力小于4 MPa，等待注入泵开启后才能逐渐增加压力。

2）安装实验模块。根据井下漏层的特征，选择合适的堵漏实验模块，安装到实验容器内，密封。

3）搅拌容器堵漏液的注入。打开搅拌容器上盖。拔出容器内活塞，加入堵漏液，再将活塞放入堵漏容器，密封好上盖。活塞上带有气孔，在压入活塞时应打开排气孔，压入后再密封好排气孔。

4）测试容器堵漏液的注入。打开测试容器上盖，加入堵漏液，密封好上盖。

5）活塞容器内注水。实验前需将活塞容器内的活塞拔出，并在容器内注部分水，至堵漏模块上排气孔有水出为止，模拟系统与活塞容器连接管线内也注满水。再将活塞放入容器，活塞上有气孔，在压入活塞时应打开排气孔，压入后再密封好排气孔。然后在活塞上方注满水，盖上容器上盖，密封。

6）堵漏液容器、模拟系统加热控温。打开堵漏液仪器模拟系统加热开关，在相应的温控仪或者系统中设定需要的加热温度。系统将自动加热，到所需温度自动恒温。其中搅拌容器温度为室温～150 ℃；测试容器、测试模块温度范围为室温～300 ℃。

7）加压。连通注入泵、搅拌容器、测试容器、测试模块、活塞容器到天平的管路，关闭返排阀，开注入泵，增加回压，开始测试。对压力的设定可以通过系统设定和控制面板输入2 种方式进行。

8）漏失量。漏失量由天平称重计量。

9）返排。关闭搅拌容器上阀，活塞容器连接天平的阀，开返排阀，测试容器放空阀，用泵加压返排，测试返排压力。

2.5 仪器主要参数

①工作压力：0～40 MPa；②工作温度：室温～300 ℃；③返排压力：0～40 MPa；④堵漏液用量：2 L；⑤缝板规格：1～5 mm 缝板；⑥孔板规格：1～5 mm 圆孔板；⑦功率：5 kW；⑧电源：交流380 V。

2.6 应用与效果分析

DL-3A 型高温堵漏实验仪于2019 年8 月在中国地质科学院探矿工艺研究所堵漏实验室投入使用，实验最高温度达到260 ℃，压力达到10 MPa。见图4。

图4 DL-3A 型高温堵漏实验仪在260 ℃、10 MPa 条件下工作

3 仪器研制中的主要问题及解决方法

在仪器使用过程中，由于仪器内部温度较高（260 ℃）、压力较大（常大于10 MPa），所以仪器的抗温抗压性能需要经受较大考验，在仪器的研制过程中，为了解决耐温、抗压和由于高温高压产生的衍生问题，提出了几种解决方法。

3.1 仪器缸体材质

缸体材质选用316L 型不锈钢，具有优秀的耐腐蚀性，热导率高，且高温强度较好。

3.2 密封圈

高温密封始终是一大难题，该仪器需要承受较大压力的密封圈主要有2 处，都需承受高温高压的条件。一是测试容器的密封，二是测试模块的密封。由于石墨具有较为优秀的抗温性能，热膨胀系数小，其强度随温度提高而加强，所以选择石墨作为制作密封圈的材料是最为理想的。

3.3 测试容器容积

仪器运行过程中，在测试容器内直接使用活塞加压，对密封提出的要求过高，暂时无法达到要求，且常温水不能直接接触测试容器内的260 ℃高温基浆，否则会造成实验温度偏差。解决方法主要为增加活塞容器，并在活塞容器上增加加温模块，可加温至150 ℃。这样既规避了测试容器体积小的问题，又解决了活塞容器和测试容器温差过大的问题。相比于常温基浆，活塞容器中的150 ℃基浆在压力作用下进入测试容器后不至于使测试容器内的基浆温度下降过多。

3.4 仪器实际应用与性能评价

3.4.1 实际应用

在实验室中配制耐高温基浆，基浆配方为水+1%膨润土+2%海泡石+2%凹凸棒土+3%NaCl，并选用了HTD-2 型和HTD-3 型2 种高温堵漏材料来对DL-3A 型高温堵漏实验仪模拟高温高压环境的性能进行了测试，同时也对堵漏材料的堵漏性能进行了测试。

1）HTD-2 型高温堵漏材料。在耐高温基浆中加入15%HTD-2 型高温堵漏材料。HTD-2 型高温堵漏材料主要用于模拟中等漏失情况下的堵漏，其含81.5%颗粒状堵漏材料，含11%的纤维状堵漏材料，7.5%的片状堵漏材料。搅拌均匀后加入到测试容器中，并在加压容器中加入高温基浆，连接仪器，将温度升至260 ℃后逐步开始加压，按照一次加压1 MPa 的梯度逐步加压至10 MPa，在每次加压完成后打开活塞容器阀门，以检查架桥后的堵漏材料是否被击穿。在压力10 MPa 后需至少保持300 s。具体实验情况见图5～图7。

图5 15%HTD-2 堵漏材料实验中温度曲线

图6 15%HTD-2 堵漏材料实验中压力曲线

图7 15%HTD-2 堵漏材料实验中漏失量曲线

由图5～图7 可以看出，测试容器温度在70～80 min 时间段可以上升到指定温度，测试模块在15～20 min 即可上升至指定温度，且保持稳定，封堵压力和返排压力均可上升至10 MPa 以上，以对测试容器加压，模拟深海地层堵漏高压环境。DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器在高温高压环境模拟方面能够达标，而从HTD-2 型高温堵漏材料的漏失量情况来看，该堵漏材料能在高温高压环境下达到较好的堵漏效果，漏失量为6.27 g。

2）HTD-3 型高温堵漏材料。在耐高温基浆中加入10%HTD-3 型高温堵漏材料。HTD-3 堵漏材料主要用于模拟大型漏失情况下的堵漏，其含82%颗粒状材料，10%纤维状材料，8%片状材料，实验结果见图8～图10。

图8 10%HTD-3 堵漏材料实验中温度曲线

图9 10%HTD-3 堵漏材料实验中压力曲线

图10 10%HTD-3 堵漏材料实验中漏失量曲线

由图8～图10 可以看出，在使用HTD-3 进行实验时，测试容器温度在45～50 min 左右到达了预设的260 ℃并保持稳定，测试模块在10～15 min 到达了预设的260 ℃并保持稳定，封堵压力和返排压力也都能顺利到达10 MPa 以上，DL-3A 型高温高压堵漏评价仪器在此次实验中很好地模拟了高温高压环境。而HTD-3 堵漏材料堵漏后的漏失量为5.88 g 左右，有较好的堵漏效果，实验结果达到预期。

3.4.2 仪器的性能评价

在仪器运行过程中，测试容器和测试模块温度均稳定在260 ℃，误差不超过3 ℃，测试准确性较好。通过近一年的实验工作，DL-3A 型高温高压堵漏评价仪先后进行了超过50 次模拟堵漏实验，测试数据精准，且在一年的使用过程中，仪器并未因高温度、高压力的工作条件而出现结构件的损坏，整体可靠性较好。