长庆页岩油水平井华H90-3 井超长水平段防漏堵漏技术

2022-04-08朱明明王伟良李治君

石油钻探技术 2022年2期

孙欢，朱明明，王伟良，李治君，陈宁，刘斌

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司,陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司页岩油项目组,甘肃庆阳 745100；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,陕西西安 710018）

长庆页岩油区位于陕北斜坡西南段，局部构造位于庆阳鼻褶带，构造形态为一个西倾单斜，砂体空间上主要发育长71和长72小层。受沉积相控制，河道发育不稳定，砂体厚度变化较大，储层连续性差，油藏平均埋深2105 m，地层温度58.9 ℃，原始地层压力15.8 MPa，压力系数0.75。2019 年，该油区水平段长4088 m 的华H50-7 井顺利完钻，实现了国内非常规油气开发的突破。为充分动用复杂地貌条件下的油气储量，长庆油田又部署了水平段长度超5000 m 的水平井华H90-3 井；但随着水平段延长，井漏问题开始凸显，主要表现在长裸眼井段漏层难以定位、一次堵漏成功率低和可固化堵漏液施工风险高等方面，而常规防漏堵漏技术存在防漏堵漏效果差、漏层易复发和易发生压差卡钻等问题，难以满足长度超5000 m 水平段的施工要求。为此，笔者结合华H90-3 井的具体井况，应用漏层精准定位技术和当量循环密度（ECD）监测技术，并研发了随钻堵漏工作液、阻水型可固化纤维堵漏工作液及配套堵漏工艺，形成了页岩油水平井超长水平段防漏堵漏技术。现场应用该技术对华H90-3 井漏层进行封固，顺利完成了长达5060 m 水平段的施工，取得了很好的效果。

1 超长水平段防漏堵漏技术难点

华H90-3 井采用三开井身结构：φ393.1 mm 钻头×φ339.7 mm 套管×301.00 m+φ311.1 mm 钻头×φ244.5 mm 套管×2 279.00 m+φ215.9 mm 钻头×φ139.7 mm套管×7 339.00 m。φ244.5 mm 套管下至入窗点，封固上部易漏易塌地层，目的层位为长712，设计完钻井深7 270.77 m，设计水平段长5 000.00 m，靶前距425.76 m，偏移距98.70 m。该井技术套管已封固直井段、斜井段，防漏堵漏难点集中在超长水平段，具体技术难点如下：

1）裸眼井段长，漏层位置难以判断。超长水平段裸眼井段长，井眼轨迹穿越多套砂岩与泥岩层位，发生漏失后很难对漏层位置进行精准识别，导致堵漏成功率低[1-2]。

2）循环压耗高，低承压地层和地质断层易发生漏失。分析已钻200 余口水平井的钻井数据和地质资料，发现该区域原始地层承压能力弱，但为满足钻井液携砂和防塌要求，采用了大排量、提高钻井液密度的方法，大幅增加了循环压耗，导致ECD 升高，易发生压差性漏失[3-5]；根据地震叠加剖面预测水平段存在地质断层夹持地堑，易发生恶性井漏。

3）随钻堵漏剂的选择余地小，堵漏难度大[6-8]。该井拟采用Autotrakt 旋转导向系统，但其要求随钻堵漏剂的粒径不能大于1.5 mm，而目前常用的桥塞类随钻堵漏材料粒径难以满足要求，需要起钻更换，大幅增加非生产时效，且堵漏施工风险高。

4）常规堵漏浆易被稀释分散，堵漏成功率低[9-12]。常规的桥塞、水泥类堵漏浆进入漏层后易被其中的钻井液和水稀释，破坏浆体的稳定性，堵漏成功率低；水平段存在垂直裂缝，堵漏浆因重力和起钻抽汲作用，很难在漏层滞留，无法形成有效封固段。

5）钻具在长裸眼井段带压挤封堵漏，易发生压差卡钻。常规堵漏挤封作业时将钻具起钻至直井段进行挤封，但超长水平段漏层埋藏深，为了保证挤封效果，钻具在堵漏浆上液面50～100 m 处进行带压挤封作业，此时钻具会长时间静躺于下井壁，易发生压差卡钻。

2 防漏堵漏关键技术

深入分析华H90-3 井超长水平段防漏堵漏技术难点后，提出了如下解决思路：先确定合理的钻井参数和合适的钻井液性能，避免人为因素引发井漏；发生漏失后先确定漏层位置，再依据漏失速度及漏失类型采取针对性的堵漏措施，确保超长水平段顺利施工。

2.1 当量循环密度监测控制技术

因为循环压耗与钻具长度、钻具外径、井眼直径，以及钻井液的排量、密度和塑性黏度有关，所以选择合理的水力参数及钻井液性能，能够确保超长水平段安全钻井施工。长庆油田页岩油水平井超长水平段采用CQSP-RH 高性能水基钻井液施工时，其塑性黏度基本稳定，钻具组合和井眼尺寸基本不变，因此对ECD 影响最大的是泵排量和钻井液密度。分析长庆页岩油区已钻井数据可知，易漏层位的ECD 大于1.374 kg/L 时，出现不同程度的井漏；ECD 降至1.374 kg/L 以下时，则恢复正常钻进。因此，确定以ECD 1.374 kg/L 为井漏预警值。基于钻井液环空返速和钻井液的防塌防漏性能综合考虑，优选泵排量26～34 L/s，钻井液密度1.26～1.32 kg/L，通过对泵排量和钻井液密度合理匹配计算，形成了泵排量和钻井液密度的防漏预警图（如图1所示，其中红线表示ECD 井漏预警值1.374 kg/L）。

图1 泵排量和钻井液密度防漏预警示意Fig.1 Lost circulation warning signs for pump rate and drilling fluid density

从图1 可以直观看出，不同泵排量和钻井液密度对应的ECD 是否超过井漏预警值。现场施工时，在不超过井漏预警值的前提下，根据钻井需求，可以根据图1 快速确定泵排量和钻井液密度参数，避免ECD 过高引发井漏。例如，泵排量选择28 L/s时，钻井液密度不能超过1.31 kg/L。分析认为，该技术既满足钻井安全施工需求，又可实现井漏的超前预防。

2.2 漏层精准定位技术

确定漏层位置是堵漏施工的前提。漏层精准定位技术借助Autotrakt 旋转导向系统测定岩性的电阻率，通过电阻率曲线与漏失井深校验，来定位漏层[13-15]。该电阻率采用四发双收式补偿电阻率进行测定，发射频率2 MHz 和400 kHz 的电磁波。水基钻井液发生漏失时，漏层中填充有导电的钻井液，钻井液的电阻率比岩石的电阻率低很多，即低阻高导，在电阻率曲线上形成“低尖峰”，因而可以根据低电阻率数据判断漏层位置及漏层裂缝宽度，实现漏层精准判断，为堵漏提供基础数据。

2.3 随钻堵漏技术

针对小型漏失（地层裂缝宽度小于2.0 mm）采用随钻堵漏技术，不用起下钻倒换钻具组合进行专项堵漏，从而大幅缩减了非生产时间。但为了保证堵漏后Autotrakt 旋转导向系统正常工作，对随钻堵漏材料的粒径提出了更高要求。基于此，研制了一种可通过Autotrakt 旋转导向的随钻堵漏工作液。

2.3.1 随钻堵漏工作液

随钻堵漏工作液是在CQSP-RH 钻井液（视为原浆）中加入随钻堵漏材料形成的。随钻堵漏材料主要由刚性粒子FX-1(40/70 目改性石英砂）、水分散纤维XW-5 和弹性材料TX-3（橡胶颗粒）组成。其中，FX-1 具有一定的承压能力和悬浮能力，主要起架桥作用，有利于保持堵漏工作液的稳定性；XW-5主要起网状拦截作用，保证堵漏工作液滞留；TX-3主要起填充作用，在压力作用下进入微裂缝，通过自身黏弹性增大裂缝的摩擦力，有利于形成封堵墙，提高一次堵漏成功率。随钻堵漏工作液的配方为原浆+4%FX-1+3%XW-5+8%TX-3。选用粒径不大于1.5 mm 的随钻堵漏材料配成随钻堵漏工作液，在室内对其进行缝板承压试验，结果见表1。

表1 随钻堵漏工作液缝板承压能力评价结果Table 1 Pressure-bearing capacity evaluation for seam plates of working fluids for plugging while drilling

由表1可知，最容易漏失的2.0 mm 缝板，在60 ℃下承压能力为3 MPa，封闭滤失量15 mL。因此，随钻堵漏工作液满足施工要求。

2.3.2 随钻堵漏材料与原浆的配伍性

随钻堵漏材料不仅要满足封堵漏层的要求，还要与原浆CQSP-RH 钻井液有良好的配伍性。为此，在室内评价了加入随钻堵漏材料对原浆性能的影响，结果见表2。

表2 随钻堵漏材料对CQSP-RH 钻井液的影响Table 2 The effect of plugging materials on drilling fluid CQSP-RH

由表2可知，原浆加入随钻堵漏材料后的黏度和切力基本保持稳定，且高温高压滤失量降低，表明随钻堵漏材料与原浆CQSP-RH 钻井液具有良好的配伍性，有助于井壁稳定。

2.4 阻水型可固化纤维堵漏工作液及配套工艺

水平段堵漏时存在以下问题：1）超长水平段存在地质断层，断层处有3～5 m 的裂缝群；2）由于采用注水开发模式，裂缝中存在大量动态水，易发生恶性漏失；3）常规桥塞类、水泥类堵漏浆由于密度高、稳定性差，易被外界流体稀释，不易在漏层滞留，固化后强度低、挤封完后堵漏浆出现“返吐”等问题，造成堵漏一次成功率低。为了实现超长水平段多个断层一次性封固成功，研究了阻水型可固化纤维堵漏工作液及配套堵漏工艺。

2.4.1 堵漏工作液关键处理剂优选

1）改性石英砂。研制阻水型可固化纤维堵漏工作液时，拟选用20/40 目的改性石英砂作为其支撑剂。改性石英砂制作方法：经过一定的物理化学处理后，在石英砂表面喷涂一种表面涂料，表面涂料遇水能快速溶胀，在表面形成稳固的水化层，使其具有自悬浮特性，以保证工作液的稳定性。

改性石英砂具有高承压特性，在86 MPa 压力下破碎率小于2.1%。为了保证阻水型可固化纤维堵漏工作液的性能，测定水化白土浆中分别加入不同加量改性石英砂后的密度差，评价其悬浮性。试验基浆为清水+4.0%白土+0.1% PAC-HV。试验方法：将基浆水化4 h，取4 份，各500 mL，在高速搅拌条件下（10 000 r/min）分别加入5%，10%，15% 和20%的改性石英砂，高速搅拌5 min，倒入500 mL 量筒中静置30 min，测量上部200 mL 的密度和底部200 mL 的密度，计算上下密度差，结果见表3。

表3 改性石英砂悬浮性评价结果Table 3 Suspension property evaluation of modified quartz sand

由表3可知，基浆中加入5%，10%，15% 和20% 的改性石英砂，静置30 min 后，上下密度差Δρ不超过0.03 kg/L，杯底无沉淀，改性石英砂分散在浆体中，但改性石英砂加量20% 时浆体下部可见到沉积现象，因此推荐改性石英砂的加量小于20%。

2）水分散纤维。当阻水型可固化纤维堵漏工作液进入漏层时，水分散纤维可在凹凸不平的表面及狭窄部位产生挂阻和架桥，使堵漏工作液在漏层的漏失速度逐渐减小，实现滞留。另外，含有水分散纤维的堵漏工作液固化后，纤维可形成空间网状结构，增强固化后的韧性，所以堵漏工作液中水分散纤维的含量越高，堵漏效果越好。但是，为了保证堵漏工作液现场施工的可行性和安全性，需要测试水分散纤维加量对堵漏工作液流变性能的影响，优选水分散纤维的加量，结果见表4。

表4 水分散纤维加量对堵漏工作液流变性能的影响Table 4 The effect of the dosage of water-dispersible fiber on rheological properties of working fluids

由表4可知，水分散纤维的加量大于3.0%时，堵漏工作液的流动度变差，终切力大幅增加，配制和泵送堵漏工作液时易出现堵塞风险，不利于现场施工。因此，水分散纤维最优加量为2.5%～3.0%。

2.4.2 堵漏工作液配方及特点

通过优选关键处理剂和科学调配各种试剂，确定阻水型可固化纤维堵漏工作液的配方为：50.00%～55.00%G 级水泥+0.08%～0.10% 阻水剂+10.00%～15.00%减轻剂+15.00%～20.00%改性石英砂（20/40 目）+15.00% 超细稳定剂+2.50%～3.00%水分散纤维。

该堵漏工作液具有以下特点：1）堵漏工作液密度低（1.30～1.35 kg/L），可有效降低堵漏工作液的静液柱压力，堵漏工作液能更好地在漏层滞留；2）抗污染能力强，通过加入阻水剂和超细稳定剂，增强了堵漏工作液的抗污染能力，遇到外界流体（钻井液/地层水）时不易被稀释分散，保证固化后的强度；3）纤维含量高，引入1～12 mm 多尺寸分布的水分散纤维，纤维可在漏层形成网状结构，提高固化后的韧性，且纤维本身具有柔变性，能更好地进入漏层，不易在漏层位置形成“封门”的封堵假象；4）固化后强度较高，达到3 MPa（60 ℃/12 h），当堵漏工作液进入漏层后，改性石英砂颗粒在漏层处堆积形成基本“骨架”，增强了固化后的强度。

2.4.3 堵漏工作液抗污染性能评价

由于漏失通道被钻井液或地层水填充，常规堵漏浆进入漏层后被稀释，导致堵漏浆性能被破坏，达不到预期的堵漏效果，因此要求堵漏工作液具有较强的抗外界流体污染的能力。为此，进行了堵漏工作液抗污染性能评价。取500 mL 阻水型可固化纤维堵漏工作液和500 mL 常规水泥堵漏浆，分别快速倒入装有等体积水的量筒中，静置30 min，观察二者被水污染后的状态。

观察可知，常规水泥堵漏浆被水稀释分散，固结后不承压，而阻水型可固化纤维堵漏工作液基本保持原始形态，承压可达2.6 MPa（60 ℃/12 h）。这说明阻水型可固化纤维堵漏工作液抗污染能力强，可保证其进入漏层固化后的强度。

2.4.4 堵漏工作液配套堵漏工艺

堵漏施工时，需要考虑泵入堵漏浆后井筒内堵漏浆的返高位置、钻具的挤封位置、挤封量及挤封时间等问题。综合考虑以上问题，通过对常规堵漏挤封工艺进行优化，形成了安全高效的堵漏施工工艺，可以解决堵漏浆由于重力和起钻抽汲作用易“返吐”、带压进行挤封作业时易发生压差卡钻等技术难点，保证安全钻井施工。

安全高效堵漏工艺的具体流程为：井口安装旋转防喷器，泵入堵漏工作液和顶替液后，关闭旋转防喷器，控制起钻速度；钻具起至堵漏工作液液面以上50～100 m 后进行带压挤封作业，挤封作业时旋转钻具，避免长时间带压挤封发生压差卡钻。

3 现场应用

华H90-3 井完钻井深7339 m，水平段长5060 m。水平段钻进中共发生4 次大型漏失，其中3 次为恶性漏失，另外1 次漏失速度为10～15 m3/h。采用ECD 监测控制技术，实现井漏超前预警；通过分析电阻率异常数据，对漏层位置进行精准判断，采用随钻堵漏技术和阻水型可固化纤维堵漏工作液及配套堵漏工艺，对漏层进行了有效封堵和固化，保证了超长水平段的顺利钻进。与水平段长4 088 m的华H50-7 井对比，堵漏时间缩短45.25%，堵漏费用降低32.53%，效果显著。

1）随钻堵漏技术应用效果。华H90-3 井钻至水平段849 m 处发生漏失，漏失速度10～15 m3/h，继续抢钻15 m，测得漏失井深处的电阻率从正常值降至3 Ω·m，地质预告岩性泥质含量增高，判断漏层在砂泥岩交界处，此处承压能力低，导致发生漏失。采用随钻堵漏技术，泵入25 m3随钻堵漏工作液，漏失速度逐渐降低，循环2 h 后钻井液消耗量正常，Autotrakt 旋转导向系统仪器正常工作，堵漏成功，恢复钻进。钻至水平段1532 m 时发生失返性漏失，泵入20 m3随钻堵漏工作液，漏失速度降至6～8 m3/h，继续钻进15 m，测得漏失井深处的电阻率从正常值降至0.5 Ω·m，通过前期勘探数据预测在水平段1500～1850 m 地层岩性突变，还存在多个断层，为暴露更多漏层，便于后期集中进行堵漏施工，采取随钻堵漏、降排量措施钻进。

2）阻水型可固化纤维堵漏工作液技术应用效果。钻至水平段1657 和1728 m 时出现恶性漏失，电阻率、伽马数值异常，抢钻至水平段1850 m，起钻采用阻水型可固化纤维堵漏工作液对3 个断层进行集中堵漏。在水平段1640 m 处泵入30 m3阻水型可固化纤维堵漏工作液，保证3 个断层均能兼顾，泵入堵漏工作液后采用旋转防喷器起钻，起至挤封井深后控压活动钻具挤封，最终稳压6.2 MPa，带压候凝12 h，室内试验数据显示阻水型可固化堵漏漏工作液已固化，开井循环，井筒未出现“返吐”现象，继续候凝24 h 扫塞，钻井液消耗正常，堵漏成功，恢复钻进。

3）ECD 监测控制技术防漏效果。长庆页岩油区已钻井数据分析表明，ECD 超过1.374 kg/L 会诱发漏失，因此每次调整钻井液性能和水力参数时，控制ECD 低于1.374 kg/L。该井施工时应用ECD 监测控制技术，未发生因ECD 过高引起的漏失，保证了5 060 m 超长水平段的顺利施工。