海坨区块高效堵漏体系的优化与应用

2022-01-05孙威威

钻探工程 2021年12期

孙威威

（大庆钻探工程公司钻井四公司钻井液分公司，吉林松原 138000）

0 引言

近年来针对大型漏失、恶性漏失等复杂地层的堵漏技术，国内外学者开展了大量的研究工作，主要集中在堵漏工具的研制、堵漏工艺的优化、堵漏材料的制备。堵漏材料主要包括无机堵漏材料、凝胶堵漏材料、聚合物堵漏材料、机械堵漏材料等。但是，针对复杂地层的堵漏，仍存在很大挑战，多次堵漏的现象时常发生，堵漏成功率比较低。由于井漏问题导致弃井的现象时有发生，造成了巨大的经济损失［1-3］。井漏问题是困扰国内外石油钻探开发的重大工程难题［4-6］。全球井漏发生的概率占钻井总数的25%左右，其中失返性恶性漏失更是占据了漏失井的50%以上［7-11］。全世界恶性漏失导致的经济损失每年高达几十亿人民币［12］。堵漏技术是解决井漏的关键技术，近年来国内外针对井漏问题开展了大量研究，目前的堵漏技术也有多达十几种［13-17］，但是每一种堵漏技术都有局限性，因此丰富完善堵漏技术十分必要。

海坨区块位于海坨子油田的南部，构造为松辽盆地南部中央坳陷，地层破裂压力较低，存在着垂直、单斜、水平、网状等天然裂缝，且多为高角度裂缝、垂直裂缝，缝宽约0.3 mm，地层中裂缝的开度分布范围广，钻井深度达到1627～2152 m时极易发生渗透性漏失等井漏问题。前期通过不同的封堵技术，开展了大量的堵漏施工，均没有取得良好的封堵效果，单井平均漏失量达到了200 m3，造成了巨大的经济损失。针对海坨区块的漏失问题，本文制备了一种新型的随钻堵漏剂，同时研究了一种新的封堵体系有望解决海坨区块漏失问题。对于提高海坨区块的勘探开发进程具有非常重要的意义。

1 海坨区块漏失简况

1.1 漏失情况简介

近期海坨区块完成5口井，均出现不同程度井漏，漏失井段1627～2152 m（青山口组），累计漏失量800 m3左右，并有1口井因井漏引发严重掉块，导致划眼。5口井的漏失情况如表1所示。

表1 海120区块5口井漏失情况统计Table 1 Summary of recent circulation losses in the Hai 120 block

1.2 井漏情况分析

确定易漏井区漏层性质，是预防及处理井漏成功的关键。现场主要通过分析法确定漏层性质，即井漏发生后，首先确定漏层位置，并根据岩性、井深、工况、钻时、漏失井段长度、井漏程度等判断漏失性质，完井后根据测井资料结合邻井情况，进一步深入分析。

1.2.1 发生井漏的条件

（1）地层中有孔隙、裂缝，使钻井液具备通行的条件；

（2）地层孔隙中的流体压力小于钻井液液柱压力，在正压差作用下，发生漏失；

（3）地层破裂压力小于钻井液液柱压力和环空压耗或激动压力之和，将地层压裂，发生漏失。

1.2.2 发生井漏的原因

（1）钻井过程中，钻遇胶结偏差、孔隙度偏高、渗透率偏高或裂缝发育地层，易发生井漏；

（2）钻井液密度控制不理想，压漏裸眼井段中较薄弱地层；

（3）下钻或接单根时，下放速度过快，造成激动压力，压漏地层；

（4）钻井液密度、粘度偏高，导致开泵时激动压力偏大，压漏地层；

（5）快速钻进时，洗井效果不理想，岩屑浓度偏高，环空中有大量岩屑沉积，易将地层压漏；

（6）井内钻井液静止时间长，触变性差，易造成井漏。

1.2.3 漏失层位的判断

（1）钻进中井漏：钻开新地层时，井底漏；

（2）分析原来曾发生过井漏的层段，判别重新漏失的可能性；

（3）根据地层压力和破裂压力的资料对比，最低压力点是首先要考虑的位置，特别是已钻过的油、气、水层及套管鞋附近；

（4）根据地质剖面图和岩性对比，漏层往往在孔隙、裂隙发育的位置；

（5）和邻井相同井段进行对照分析。

1.2.4 井漏的类别

根据现场井漏情况，将井漏问题进行了分类，如表2所示。

表2 根据漏失速度判断井漏类型Table 2 Determination of the circulation loss type according to the loss rate

1.2.5 不同井段漏失情况判断

通过分析地层特性，海坨区块井漏主要是由于垂直裂缝发育、钻井液液柱压力（钻井液密度为1.12 g/cm3）＞地层破裂压力等造成。对不同井段的漏失情况进行了汇总，如表3所示。

表3 海120区块漏失性质分析Table 3 Analysis of the nature of circulation loss in the Hai 120 block

2 随钻堵漏剂YTZ的制备及其特点

2.1 材料

纤维素、淀粉、天然高分子木质素、氢氧化钠、增塑剂（聚乙烯醇、聚乙烯乙烯醇共聚物（甘油））、泥炭、pH试纸。

2.2 随钻堵漏剂YTZ制备过程

将上述各组分按照质量配比混合均匀，40%纤维素，35%淀粉，15%木质素和10%增塑剂。使用过氧化二苯甲酰作为引发剂，在130℃、常压下反应2.5 h，即可获得天然可降解高分子复合材料。将该复合材料作为母料，加工成纤维，在加工过程中应除去引发剂。纤维需在水中漂洗30～60 min。实验结束后可以对制备的随钻堵漏剂YTZ定型。

2.3 随钻堵漏剂YTZ的使用方式

将随钻堵漏剂按照质量比加入到钻井液中。用量控制在1%～3%。确保随钻堵漏剂的加入不会影响钻井液的流变性，充分搅拌混合均匀。

2.4 随钻堵漏剂YTZ的特点

该堵漏剂系改性天然植物高分子复合材料，具有良好的水溶胀、桥接封堵功能，粘附性强，不受粒径“匹配”限制，与聚合物钻井液体系配伍良好。能够很好地封堵裂缝，具有较高的应用价值，值得进一步推广应用。

3 堵漏材料的室内封堵性评价

根据地层特点和前期施工经验，通过室内试验，对抑制剂、防塌剂、降滤失剂、流型调节剂进行优选，有效改善钻井液性能并提高稳定井壁能力；优选防漏堵漏材料，科学确定复配比例，以满足不同漏失性质井段的防漏、堵漏施工要求。

3.1 最优钻井液配方优选

通过对不同类型助剂的性质及试验数据的综合分析，形成了适合海坨区块地层特点的防漏堵漏钻井液基本配方：5%膨润土+0.05%纯碱+2%铵盐+1%腐殖酸类降滤失剂+0.3%聚丙烯酰胺钾盐+2%聚脂物+3%沥青共聚物。

3.2 堵漏材料的性能评价

3.2.1 随钻堵漏材料堵漏机理

随钻堵漏技术适用于钻进过程中漏速较低的情况，主要是在钻井液中添加颗粒直径较小的纤维类、可变形颗粒类堵漏材料，在钻井液柱正压差的作用下，使堵漏材料在地层孔隙上架桥、填充和封堵，堵塞流体流动通道，达到堵漏效果。随钻堵漏机理如图1所示。

图1 随钻堵漏机理Fig.1 Plugging-while-drilling mechanism

3.2.1.1 YTZ随钻堵漏剂

该堵漏剂系改性天然植物高分子复合材料，具有良好的水溶胀、桥接封堵功能，粘附性强，不受粒径“匹配”限制，与聚合物钻井液体系配伍良好。利用QD-2型堵漏装置进行封堵试验，模拟渗漏实验压差分别为0.1、0.3和0.69 MPa。在20、40和100目的砂床中进行漏速测试，实验结果如图2所示。实验结果证明，砂床目数越大，钻井液的漏速越低。实验压差越大，钻井液的漏速越大。但是基浆中加入YTZ随钻堵漏剂后，能够有效提高钻井液的封堵能力，并且随着加量的增多，封堵能力逐步提高。基于长期的实验经验加入YTZ随钻堵漏剂超过2%时会影响钻井液的流变性，本研究最大量取2%YTZ随钻堵漏剂。

图2 YTZ随钻堵漏剂堵漏效果评价Fig.2 Evaluation of plugging effect of YTZ drilling-while-plugging agent

3.2.1.2 复合植物纤维XA

该堵漏剂主要组成为：改性酰胺聚合水解而成的XA-1型膨胀体、0.1～0.5 mm的核桃壳固体颗粒、适应漏层地温的沥青LQ-1、通过200目筛网的石灰石颗粒SHF-1。利用QD-2型堵漏装置进行封堵实验，模拟渗漏试验压差分别为0.1、0.3和0.69 MPa。实验结果如图3所示。实验结果证明，砂床目数越大，钻井液的漏速越低。实验压差越大，钻井液的漏速越大。但是基浆中加入XA后，能够有效提高钻井液的封堵能力，并且随着加量的增多，封堵能力逐步提高。考虑到加入过量的堵漏材料会影响钻井液的流变性，本研究最大量取2%XA随钻堵漏剂。

图3 复合植物纤维XA堵漏效果评价Fig.3 Plugging effect evaluation of composite plant fiber XA

3.2.1.3 快速封堵剂KFD

该助剂主要成分为60%～90%膨化稻壳、5%～20%高分子变性纤维素、2%～12%两性纤维素、4%～20%碳酸氢钙。利用QD-2型堵漏装置进行封堵实验，模拟渗漏实验压差分别为0.1、0.3和0.69 MPa。实验结果如图4所示。实验结果表明，砂床目数越大，钻井液的漏速越低。实验压差越大，钻井液的漏速越大。基浆中加入KFD快速封堵剂后，能够有效提高钻井液的封堵微裂隙能力，并且随着加量的增多，封堵能力逐步提高。考虑到加入过量的堵漏材料会影响钻井液的流变性，本研究最大量取2%快速封堵剂KFD。

图4 快速封堵剂KFD堵漏效果评价Fig.4 Evaluation of plugging effect of fast plugging agent KFD

3.2.2 桥接堵漏材料

钻进过程中漏失量较大时，主要采用桥接堵漏技术进行处理。利用多种堵漏材料按照一定配比配制堵漏浆，使固体颗粒堵塞裂缝、孔隙通道，其中刚性颗粒在漏失通道中起架桥和支撑作用，纤维和片状堵漏剂在刚性颗粒间起连接封堵作用，可变形堵漏剂起填充作用，通过挤压变形堵塞刚性颗粒、纤维、片状堵漏剂封堵后的孔隙空间，降低封堵渗透率，达到堵漏目的，堵漏机理如图5所示。

图5 桥接堵漏机理示意Fig.5 Bridge plugging mechanism

目前解决海坨区块恶性漏失问题的主要方式是应用桥接堵漏技术，涉及到的材料主要为：YTZ随钻堵漏剂，快速封堵剂KFD和复合植物纤维XA。复配堵漏配方为：5%膨润土+0.05%纯碱+2%铵盐+1%腐殖酸类降滤失剂+0.3%聚丙烯酰胺钾盐+2%聚脂物+3%沥青共聚物+2%随钻堵漏剂YTZ+2%快速封堵剂KFD+2%复合植物纤维XA。利用QD-2型堵漏装置进行封堵实验，模拟渗漏实验压差分别为0.5、0.75和1.0 MPa。实验结果如图6所示。结果表明，砂床目数越大，钻井液的漏速越低；实验压差越大，钻井液的漏速越大。但是基浆中加入复配好的堵漏剂，能够有效提高钻井液的封堵微裂隙能力，并且随着加量的增多，封堵能力逐步提高。考虑到加入过量的堵漏材料会影响钻井液的流变性，本研究最大量取6%复配堵漏剂。

图6 桥接堵漏材料堵漏效果评价Fig.6 Evaluation of plugging effect of bridge plugging materials

4 现场应用

4.1 防漏

钻进过程中发生井漏是不可避免的，但可通过调整钻井液性能进行预防。在钻井过程中处理井漏问题坚持预防为主的原则，主要包括降低井筒内激动压力、提高地层承压能力等技术措施。

4.1.1 保持较低的液柱压力

根据施工区块地层压力情况，科学确定同一裸眼井段所需钻井液密度，合理控制液柱压力，避免压漏。

4.1.2 提高地层承压能力

对于轻微渗透性漏失井段，进入漏层前适当提高钻井液粘度、切力，增大漏失阻力；对于较严重漏失井段，进入漏层前在钻井液中加入堵漏材料，在压差作用下，堵漏剂进入漏失通道，提高地层的承压能力。

4.1.3 降低钻井液环空压耗和激动压力

在保证携带钻屑的前提下，尽可能降低钻井液粘度。钻井过程中，定期清理沉砂罐，强化固控设备的使用效果，最大限度清除有害固相。加入沥青、封堵类助剂，进一步改善泥饼质量，降低滤失量，防止因井壁泥饼较厚引起环空间隙较小，导致压耗增大。快速钻进井段做到早开泵晚停泵，每钻进一单根划眼1次，确保井眼畅通。易漏井段起下钻作业过程中，下钻到底开泵要上下活动钻具，并开动转盘，以破坏静切力，降低循环压耗。钻井液加重时，控制加重速度，并且加量均匀。

4.2 堵漏

井漏发生后，根据现场情况，制定“安全、快速、有效”的处理措施，对近井筒漏失通道进行有效封堵。

4.2.1 处理井漏的规程

（1）详细掌握并分析井漏发生的原因，确定漏层位置、类型及漏失程度。

（2）根据实际情况，若可强行钻进，尽量钻穿漏层，避免重复处理。

（3）合理配制堵漏浆，并通过科学计算，确保堵漏材料进入漏层近井筒处。

（4）施工过程中要不停地活动钻具，避免卡钻。

（5）使用粒径较大的桥堵材料，要卸掉循环管线及泵中的滤清器、筛网等，防止憋泵。

（6）憋压试漏时要缓慢进行，压力不能过大，避免发生新的诱导性井漏。

4.2.2 处理井漏方法

（1）合理控制密度：研究分析裸眼井段各组地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压力、漏失压力，确定防喷、防塌、防漏的最低钻井液密度窗口，有效降低井底静液柱压力。

（2）合理控制钻井液粘度、切力，钻进砂泥岩胶结差的地层发生井漏时，可通过提高钻井液粘度、切力，增大钻井液进入漏层的流动阻力控制井漏。下部井段钻进过程中发生井漏，在保证井壁稳定和携带与悬浮岩屑的前提下，通过降低钻井液粘度、切力来减低环空压耗和下钻激动压力控制井漏。

（3）静止堵漏：漏失量不大时，将钻具起出漏失井段或起至技术套管内或将钻具全部起出静止一段时间（一般4～16 h），定时向井内灌注钻井液，防止裸眼井段地层坍塌，通过漏进地层的井浆具有触变性，随静切力增加，起到了粘结和封堵裂缝的作用，从而控制井漏。在发生部分漏失的情况下，循环堵漏无效时，在起钻前替入堵漏钻井液封闭漏失井段，增强静止堵漏效果。下钻时，控制下钻速度，尽量避开在漏失井段开泵循环。恢复钻进后，钻井液密度和粘切力不宜立即作大幅度调整，要逐步进行，控制加重速度，防止再次发生漏失。

（4）漏失量较大时，综合分析漏速、漏层压力、液面深度和漏层段长、漏层形状等因素，合理选择级配和浓度的惰性材料，配成堵漏浆直接注入漏层，在漏失通道中形成“架桥”。