毫米缝洞承压堵漏浆配方优化及现场试验

时间：2024-09-03

李峰，黄强，黄哲，吴嘉澍，宋武强，梁永恒，陈安亮

1中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司

1 黄骅坳陷王官屯油田地质特征及井漏复杂情况统计分析

黄骅坳陷王官屯油田处于大港油田南部区块，构造位置处于黄骅坳陷孔东断裂带的两侧[1-3]。王官屯油田地层构造破碎、处于断裂带且复杂、地层变化大[4-5]。随着王官屯油田勘探开发程度的加大，钻井过程中钻井液漏失问题突出。

2009年在王官屯油田17%的井发生井漏[1]，截止2021年，井漏概率为37.41%，占大港油田总井漏损失时间的31.14%。井漏复杂情况多发生在钻进过程中，约占井漏总数的76.8%。王官屯油田井漏复杂情况以中漏(10～30 m3/h)、大漏及严重漏失(>30 m3/h)为主，约占全部井漏的72%，其次是小漏与微渗漏(<10 m3/h)，约占28%。王官屯油田的G3、G29、G997等区块的40余口井，共计发生井漏复杂情况90余次，漏失钻井液高达18 930 m3，损失作业时间达6 232 h。

2 王官屯油田井漏原因分析

2.1 明化镇组、馆陶组渗透性漏失

从岩性上看明化镇组、馆陶组主要发育粗砂岩、含砾砂岩和砂砾岩等，胶结性差，较疏松，易发生渗透性漏失。明化镇组以疏松粉砂岩发育为主，连续性好。平均孔隙度较大(>25%)，渗透率平均大于2 000 mD，属于高孔高渗地层。钻井液进入地层高渗透孔隙发生了漏失，还可能进一步地诱导出裂缝，连通其他孔隙裂缝而引起更加严重的漏失[6]。馆陶组地层以含砾不等粒砂岩、砂砾岩为主，孔隙度平均为24.89%，渗透率平均为1 900 mD，属于高孔高渗地层。

2.2 沙河街组生物灰岩裂缝性漏失

王官屯油田沙河街组沙一段、沙三段主要发育有泥岩、白云岩和生物灰岩等，其中生物灰岩天然裂缝和孔隙发育。粒内以及粒间孔隙发育，还存在溶蚀孔洞，为钻井液漏失提供天然通道[7-8]。沙河街生物灰岩上部有较多的节理和小断层，中下部发育张开的天然裂缝，局部孔洞发育[9]，构成漏失通道。沙河街组生物灰岩发育裂缝以高角度缝为主，裂缝平均长度为6～40 cm，平均宽度为1～4 mm。

2.3 现场堵漏浆效果评价分析

王官屯油田现场采用的防漏堵漏材料有：随钻防漏剂、单封、细目钙、果壳、棉籽壳、核桃壳、复合堵漏剂等。统计了现场常用的堵漏工作液配方(表1)，并采用DLM-01型堵漏模拟实验装置[10]，评价了现场常用堵漏配方的封堵性能。针对1～5 mm不同开度的裂缝，承压能力低，仅为1～4 MPa。现场所采用的堵漏材料主要为果壳、核桃壳和棉籽壳等植物类颗粒，缺少刚性颗粒，同时也缺乏柔弹性颗粒和有机纤维类材料[11-15]。

3 毫米缝洞承压堵漏浆配方优化研究

3.1 胶结固化堵漏配方研究

3.1.1 胶结固化剂研制及性能评价

研制了一种胶结固化类堵漏剂，与传统桥接堵漏剂复合使用，固化馆陶组以上的疏松砂岩，提高封堵层胶结强度，提高堵漏效率[16-18]。胶结固化堵漏剂由红泥废渣、石膏废料和高炉矿渣等工业废料组成，其中红泥废渣是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，主要成分为三氧化二铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和三氧化二铁(Fe2O3)。石膏废料是主要化学成分为硫酸钙(CaSO4)的工业废渣。高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，主要成分为三氧化二铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)。将红泥废渣、高炉矿渣和石膏干燥除水后，按照红泥废渣30%、石膏废料20%和高炉矿渣50%的比例混合，经高温烧制后加工成10～20目、20～40目和40～80目等所需的粒度，得到了胶结固化剂。

将胶结固化堵漏剂放入圆柱体模具中，两端具有孔隙便于水与胶结固化堵漏剂接触发生反应，经过一定温度和时间反应后，将固结体从模具中取出，采用三轴压力机测试固结体抗压强度。由图1可知，温度为100 ℃时，随着固化时间延长，固结体抗压强度增大，20～40目胶结固化堵漏剂24 h固化后抗压强度达到7.23 MPa。

图1 不同时间条件下抗压强度

由图2可知，温度低于100 ℃时，20～40目胶结固化堵漏剂在2 h内固结体抗压强度<1.2 MPa，随着时间延长，固结体强度增大，因此在配制及泵送过程中能满足施工安全。

图2 不同温度条件下抗压强度

由图3可知，随着胶结固化堵漏剂粒度减小，固结体抗压强度增大。测试了胶结固化堵漏剂与不同类型地层岩石的胶结程度，将20～40目胶结固化堵漏剂与20～40目灰岩、泥岩和砂岩混合(胶结固化堵漏剂质量分数为20%)，测试抗压强度。

图3 不同目数条件下抗压强度

由图4可知，不同类型的岩样均能与胶结固化堵漏剂固化成整体，且24 h后抗压强度大于5 MPa，有利于在井底与不同类型岩样的漏失通道固结，提高堵漏成功率。

图4 不同岩样混合后抗压强度

3.1.2 胶结固化堵漏机理

胶结固化堵漏剂常温下为分散的固体颗粒(如图5a所示)，在高温条件下，与水接触后可与其他类型堵漏材料以及地层发生胶结固化，固结成整体。颗粒状的胶结固化堵漏剂还可在裂缝中架桥封堵，提高堵漏成功率及承压强度。胶结固化堵漏剂水化反应方程式如下所示:

(1)3CaO+3Al2O3+3CaSO4+38H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(钙矾石)+4Al(OH)3(氢氧化铝凝胶)

(2)2CaO+2SiO2+2H2O=CaO·SiO2·H2O(C-H-S凝胶)+Ca(OH)2

胶结固化堵漏剂的主要成分有三氧化二铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)和硫酸钙(CaSO4)等，与水接触后发生水化反应，产物有钙矾石、水化硅酸钙凝胶(C-H-S凝胶)和氢氧化铝凝胶等。钙钒石形成水化物的坚硬骨架，使得固结体具有较高的抗压强度，并决定固结体初期抗压强度。水化硅酸钙凝胶(C-H-S凝胶)和氢氧化铝凝胶等呈纤维状、针状等结构(如图5b所示)，纤维状、针状结构彼此之间发生搭接和填充作用，提高整体强度。随水化时间的延长，纤维状、针状体的数量不断增加，在相互链接作用下使得固结体结构更加致密，抗压强度随之增加，决定了固结体后期具有较高的抗压强度。

图5 胶结固化堵漏剂实物及水化产物扫描电镜图

3.1.3 胶结固化堵漏配方及评价

将胶结固化堵漏剂与单封、细目钙、果壳、核桃壳和复合堵漏剂等混合：10%单封+10%细目钙+10%胶结固化堵漏剂(20～40目)+20%胶结固化堵漏剂(40～80目)+15%核桃壳(中)+15%果壳(中)+20%复合堵漏剂，测试固结体抗压强度。由图6可知，胶结固化堵漏剂可与传统桥接堵漏剂固化成整体，且24 h后抗压强度大于3 MPa，有利于在漏层中将其他类型堵漏材料胶结固化在一起，提高堵漏成功率和承压强度。

图6 固化堵漏剂与堵漏材料复配后抗压强度

采用DLM-01型堵漏仪，温度为80 ℃，评价了胶结固化堵漏配方对裂缝和孔隙的封堵能力，见表2。由表2实验结果可知，胶结固化堵漏配方能封堵2～4 mm开度的裂缝和直径为2 mm的孔隙模块，裂缝承压能力达到8 MPa，漏失量低，且形成了固化体，具有较高强度。因此胶结固化堵漏体系可有效解决明化镇组、馆陶组等孔隙、裂缝型严重漏失。

表2 胶结固化堵漏剂与桥接堵漏剂复配封堵实验结果

3.2 沙河街组裂缝堵漏配方优化

通过刚性颗粒、柔弹性颗粒和有机纤维材料结合，提高封堵效果。方解石颗粒刚度大，抗压强度大，有利于形成封堵层骨架，且酸溶率>99%，便于储层后期酸化解堵。将废弃轮胎加工成不同目数的颗粒，优选其作为柔弹性颗粒，在井底压力作用下挤入裂缝进行封堵，优选的聚合物有机纤维长度6 mm，能快速、均匀的分散于钻井液中,有利于提高封堵层韧性和稳定性。

沙河街组生物灰岩发育裂缝开度为1～4 mm,选择1～4 mm开度的裂缝模块，优化不同开度裂缝堵漏体系。由表3可知，承压能力高达8 MPa，漏失量小，达到封堵及提高地层承压能力效果。现场应用中，钻遇沙河街组裂缝性漏失，遇到小漏(<10 m3/h)，采用1 mm开度堵漏配方；遇到中漏(10～30 m3/h)，视情况采用2～3 mm堵漏配方；遇到大漏(>30 m3/h)，采用4 mm堵漏配方。

表3 不同裂缝开度的堵漏配方实验评价结果

4 现场防漏堵漏应用效果

GY-10井位于官68区块，完钻井深3 110 m，目的层孔三段。在钻至馆陶组1 420 m时发生严重渗透性漏失，漏失速率42 m3/h，发生漏失后降低排量试钻进。漏速降低至12 m3/h，随后逐渐提高排量钻进，提排量后漏速不减，加入单封、细目钙和高强度随钻防漏剂后，漏速仍不减，随后采用胶结固化堵漏体系进行静止堵漏，配方为：10%单封+10%细目钙+10%胶结固化堵漏剂(20～40目)+20%胶结固化堵漏剂(40～80目)+15%核桃壳(中)+15%果壳(中)+20%复合堵漏剂，总加量为8%。单独隔开一个泥浆罐，按照配方加入堵漏材料，最后加入胶结固化堵漏剂，共配制堵漏浆20 m3，下光钻杆至漏层顶部30 m，注入堵漏浆，注浆过程中观察钻井液返出情况，钻井液循环顶替至封闭漏层，上提钻具关井进行憋压，静止压力平稳，下钻通井，继续钻进，穿过馆陶组没有发生漏失，堵漏成功。

GZ-21井是王官屯官997区块的一口生产井，进入沙河街1 780 m处发生漏失，钻遇生物灰岩裂缝性漏失，漏失为38 m3/h。采用配方：8%方解石颗粒(6～10目)+4%方解石颗粒(10～40目)+4%方解石颗粒(40～160目)+4%废旧轮胎颗粒(20～160目)+0.3%有机纤维(6 mm)+4%单封，开展静止堵漏。配制堵漏浆共60 m3，为保证堵漏材料良好悬浮性，先按照单封、有机纤维、废旧轮胎颗粒、方解石颗粒的顺序加入泥浆罐中。下光钻杆至漏层底部，注入堵漏浆，钻井液循环顶替至完全封闭漏层，然后起钻至套管内，采用静止憋压堵漏。首先挤入堵漏浆2.0 m3，憋压3.5 MPa，经过30 min后压力下降了0.7 MPa，然后静止压力平稳，下钻通井，继续钻进没有漏失发生，堵漏成功。