郭新健，于培志

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

順北52X井是一口部署在塔里木盆地順托果勒低隆的四開制預(yù)探水平井，該井三開志留系地層經(jīng)歷過多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層頂部有嚴(yán)重風(fēng)化剝蝕現(xiàn)象，同時(shí)斷裂帶的發(fā)育[1-2]，致使地層坍塌壓力偏高，井漏、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況多發(fā)。志留系地層溫度高，并且有高礦化度鹽水存在，井漏發(fā)生封堵后復(fù)漏發(fā)生概率較大。目前塔河油田應(yīng)對(duì)漏失，常用的技術(shù)手段主要有橋漿堵漏、水泥漿堵漏、交聯(lián)成膜堵漏等[3-6]。橋漿堵漏在多次堵漏施工中易發(fā)生相互干擾而使上部復(fù)漏[7]；水泥漿堵漏則會(huì)因地層高壓鹽水的沖蝕、污染而影響固結(jié)性能；交聯(lián)成膜堵漏的黏結(jié)強(qiáng)度低，一般需與化學(xué)固結(jié)堵漏技術(shù)復(fù)合應(yīng)用，才能滿足地層黏結(jié)力的要求。化學(xué)凝膠在順北3井進(jìn)行承壓堵漏，將二疊系當(dāng)量密度提高到1.55g/cm3，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，然而其適用溫度范圍在70～90℃，對(duì)于高溫地區(qū)，該化學(xué)凝膠難以發(fā)揮效果，膠凝時(shí)間仍會(huì)發(fā)生驟縮，而使其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可行性受到限制[8-11]。針對(duì)塔河油田52X井漏失層高溫、高壓和高礦化度地層水的特點(diǎn)，室內(nèi)研究了一種抗高溫、兼顧堵水的井下交聯(lián)堵漏技術(shù)。新研制的凝膠技術(shù)結(jié)合懸浮劑、堵漏劑組成的無機(jī)凝膠技術(shù)和成膠劑、交聯(lián)劑組成的有機(jī)凝膠技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)克服了無機(jī)凝膠高溫反應(yīng)迅速以及有機(jī)凝膠普遍存在強(qiáng)度不夠的特點(diǎn)。通過順北52X井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功解決順北志留系斷裂帶破碎地層的井漏問題。

1 井漏特點(diǎn)分析

1.1 漏失情況

順北52X井三開井段在5235～7618m，覆蓋地層有塔塔埃爾塔格組（S1t）和柯坪塔格組（S1k），巖性主要為泥巖、砂巖和灰?guī)r分布。三開鉆遇志留系塔塔埃爾塔格組地層，斷層及裂縫發(fā)育，在5707～6233m的井段先后發(fā)生了12次井漏及3次出鹽水。三開井段前期，橋漿堵漏可滿足降低排量鉆進(jìn)；在鉆至5730m時(shí)井漏問題進(jìn)一步擴(kuò)大，用水泥漿等方式對(duì)地層封堵后，仍會(huì)出現(xiàn)上部地層復(fù)漏的問題。在119 d內(nèi)順北52X井出水和井漏井下復(fù)雜情況并存，進(jìn)尺僅900m，致使該井的工期進(jìn)度拖延。通過漏失及井下溢流情況的判斷，地層中發(fā)生井漏的主要層位集中在5930、6230m處，出水層段在5774、6210m。堵漏施工先后使用橋漿堵漏、橋漿+水泥漿堵漏、交聯(lián)成膜漿+化學(xué)堵漏漿堵漏和全井堵漏漿鉆進(jìn)方式。

1.2 井漏分析

根據(jù)前期漏失情況判斷，順北52X井三開漏失發(fā)生在5933～6232m井段地層較薄弱位置。前期的堵漏工作只是將井底最薄弱點(diǎn)封住，并未完全兼顧所有薄弱點(diǎn)。5600～6200m井段為順北52X井反復(fù)漏失的關(guān)鍵區(qū)域，為確保能夠充分封堵600m的井段，同時(shí)兼顧施工的安全性，堵漏施工采用光鉆桿下到6200m，化學(xué)凝膠出鉆具水眼后上返的方式作業(yè)，分別起鉆至5600m處和套管鞋處進(jìn)行擠注，封堵5600～6200m漏失地層的施工方式。

2 化學(xué)凝膠堵漏機(jī)理

化學(xué)凝膠堵漏是以懸浮劑、交聯(lián)劑、成膠劑和堵漏劑為主要物質(zhì)組成的堵漏技術(shù)[12]，配合使用鈉膨潤土、緩凝劑和加重劑進(jìn)行性能調(diào)節(jié)，主要是應(yīng)對(duì)斷裂帶裂縫性漏失、失返性漏失等嚴(yán)重漏失情況[13]。抗高溫化學(xué)凝膠是結(jié)合無機(jī)凝膠與有機(jī)凝膠技術(shù)的復(fù)合凝膠，懸浮劑與堵漏劑為無機(jī)凝膠材料，無機(jī)凝膠在成膠前黏度低，利于注入；高溫成膠后具有耐高溫、強(qiáng)度高的特點(diǎn)；交聯(lián)劑與成膠劑為高分子有機(jī)聚合物，有機(jī)凝膠具備的熱塑性，一方面可以改善無機(jī)凝膠高溫快速成膠的現(xiàn)象；另一方面有機(jī)凝膠黏彈性好，可改善無機(jī)凝膠的脆性問題。也就是說，抗高溫化學(xué)凝膠是通過無機(jī)、有機(jī)凝膠復(fù)合和緩凝劑等多方面因素，來控制凝膠強(qiáng)度、凝膠時(shí)間，從而保證堵漏施工的質(zhì)量與安全。

成膠劑在水中發(fā)生水解，在交聯(lián)劑作用下，高分子聚合物發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。懸浮劑與堵漏劑構(gòu)成的無機(jī)凝膠中的SiO2顆粒，分散到高分子聚合物空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，分子間的氫鍵發(fā)生反應(yīng)，使該復(fù)合材料呈現(xiàn)均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并提高其相容性和強(qiáng)度[14]。有機(jī)凝膠的熱塑性、對(duì)無機(jī)化學(xué)凝膠的稀釋作用以及改性甲基硅油的緩凝作用，共同構(gòu)成了復(fù)合化學(xué)凝膠的抗高溫性能?？垢邷鼗瘜W(xué)凝膠弱于地層的強(qiáng)度使其易于掃塞，能避免發(fā)生鉆頭錯(cuò)位，鉆出新井眼的風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)凝膠堵漏漿具有獨(dú)特的流變固化特性，其觸變性可保證其在配漿、注漿過程中保持流動(dòng)狀態(tài)，不發(fā)生稠化固結(jié)現(xiàn)象，施工工藝簡(jiǎn)便、安全。

3 堵漏漿性能評(píng)價(jià)

化學(xué)凝膠堵漏屬于膠凝固結(jié)類堵漏技術(shù)，結(jié)合對(duì)順北52X井漏的認(rèn)識(shí)，其堵漏施工需具備抗高溫、能堵高壓鹽水的能力，同時(shí)也為保證化學(xué)凝膠堵漏施工的安全，在實(shí)驗(yàn)室通過建立對(duì)漏失層溫度、壓力的模擬模型，對(duì)其流變性、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和抗污染性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；瘜W(xué)凝膠堵漏劑漿配方如下。

水+3%鈉膨潤土+10%懸浮劑+2%交聯(lián)劑12%成膠劑+10%堵漏劑+5%增強(qiáng)劑+1%緩凝劑+ 重晶石

3.1 流變性能

對(duì)化學(xué)凝膠的可注入性以及體系懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。考察化學(xué)凝膠黏度隨體系密度的變化，研究凝膠的加重對(duì)體系流變性的影響。按上述配方配制化學(xué)凝膠，通過重晶石的加量來調(diào)節(jié)其配方的密度，在室溫下測(cè)定化學(xué)凝膠的黏度（見表1）?？芍瘜W(xué)凝膠的黏度總體保持在低黏水平，體系具有良好的可泵注性，隨重晶石加量的增大而增大，但提黏的效果逐漸減弱，動(dòng)塑比可保持在0.4 Pa/（mPa·s）以上，凝膠體系形成空間網(wǎng)架能力很強(qiáng)，這就意味著化學(xué)凝膠體系可在較為寬泛的密度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，從而適應(yīng)于更深的井段。

表1 不同密度化學(xué)凝膠的流變性及懸浮穩(wěn)定性

3.2 稠化性能

化學(xué)凝膠堵漏施工，泵注堵漏漿后，需將鉆桿從堵漏漿中提升出來，以避免“灌香腸”、“插旗桿”等問題，因而需準(zhǔn)確掌握化學(xué)凝膠的稠化時(shí)間。室內(nèi)模擬順北52X井的地層溫度和壓力，在高溫增壓稠化儀對(duì)化學(xué)凝膠堵漏漿進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)見表2。由表2可知，化學(xué)凝膠堵劑的稠化時(shí)間可以控制在2～10 h，能夠滿足不同漏失層堵漏的安全施工時(shí)間。由圖1可知，該配方的稠化時(shí)間為4 h，完全可以滿足稠化時(shí)間大于4 h的堵漏設(shè)計(jì)要求。

表2 化學(xué)凝膠堵劑稠化時(shí)間

根據(jù)鄰井資料，確定順北52X井志留系地層溫度為145～150℃，堵漏漿密度為1.40g/cm3。進(jìn)行了150℃條件下的稠化試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 3#配方施工配方稠化試驗(yàn)

3.3 抗壓強(qiáng)度

在150℃、20.7mPa下，對(duì)化學(xué)凝膠進(jìn)行養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，結(jié)果見表3。由表3可知，緩凝劑的加入對(duì)凝膠的強(qiáng)度影響較小，其最終強(qiáng)度與未添加緩凝劑對(duì)照組相差不大，緩凝劑加量為1.0%時(shí)，其配方強(qiáng)度滿足順北52X井的堵漏施工。

表3 化學(xué)凝膠在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的強(qiáng)度

3.4 抗污染性能

順北52X井中具有高壓鹽水層，化學(xué)凝膠需具備抗高礦化度鹽水的能力。且在施工條件下，有大量井漿存在，對(duì)井漿的污染性的研究也是必要的。采用施工配方化學(xué)凝膠堵漏漿與飽和鹽水、現(xiàn)場(chǎng)井漿混合后進(jìn)行成膠情況測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可以看出，化學(xué)凝膠與50%飽和鹽水混合以及40%井漿混合情況下，均能保證其膠凝，可承受一定量鹽水及井漿的影響而不失效，滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工需要。

表4 化學(xué)凝膠抗污染性實(shí)驗(yàn)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1 堵漏施工工藝

根據(jù)鄰井的井溫資料，確定順北52X井志留系地層溫度為145～150℃，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定的配方如下。

水＋3%鈉膨潤土+10%懸浮劑+2%交聯(lián)劑+ 12%成膠劑+10%堵漏劑+5%增強(qiáng)劑+1.0%緩凝劑+重晶石，堵漏漿密度為1.40g/cm3。

堵漏施工過程如下。①下光鉆桿至6210m，循環(huán)測(cè)漏速，80沖排量情況下驗(yàn)漏，未發(fā)現(xiàn)漏失情況，考慮到之前漏失在5600～6200m處反復(fù)發(fā)生漏失，同時(shí)為保證施工質(zhì)量，仍然對(duì)此段地層進(jìn)行堵漏施工；②注入3m3濃度8%的膨潤土漿作為化學(xué)凝膠的前置液；③泵入20m3化學(xué)凝膠堵劑，泵沖60沖。④泵入2m3濃度8%的膨潤土漿作為后置液。⑤總替漿66m3，其中密度1.46g/cm3鉆井液為27m3，井漿為39m3。80沖排量替漿過程中無漏失，逐漸提高到85、90沖無漏失，再提泵沖到95沖井漏。井隊(duì)鉆井工程師結(jié)合以前井漏情況，隨即降低泵沖到80沖，無漏失?？紤]到堵漏效果，化學(xué)凝膠必須進(jìn)入漏層才有效果，決定再提泵沖，逐漸提高到95沖，井不漏。此時(shí)替漿快結(jié)束，決定用95沖將化學(xué)凝膠全部替出鉆具水眼。⑥起鉆到5676m。接頂驅(qū)，關(guān)環(huán)形防噴器。正擠最高到4.8mPa，向地層擠入3.69m3。⑦起鉆到套管內(nèi)，接頂驅(qū)，關(guān)環(huán)形防噴器。正擠最高到4.8mPa，向地層擠入3.16m3。⑧候凝24 h。下鉆探塞面在5794m，85沖排量不漏，也無鹽水。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

施工過程中憋壓可穩(wěn)定在5mPa左右，候凝24 h后。光鉆桿更換鉆頭，下鉆探測(cè)塞面在5794m，85沖排量不漏，也無鹽水，鉆進(jìn)恢復(fù)正常。該井志留系地層的化學(xué)凝膠堵漏施工表明，化學(xué)凝膠堵漏劑密度小，其可調(diào)節(jié)的范圍較大，并具有較為特殊的凝膠條件，其后采用化學(xué)凝膠堵劑承壓堵漏技術(shù)，成功封堵住漏失層，承壓值不小于4.8mPa，滿足了正常鉆進(jìn)的要求。

4.3 施工優(yōu)化建議

1.本次堵漏施工之前，考慮到施工前驗(yàn)漏會(huì)導(dǎo)致堵漏漿配制量不夠。沒有在施工前進(jìn)行驗(yàn)漏，因此堵漏施工過程風(fēng)險(xiǎn)較高。建議施工前堅(jiān)持驗(yàn)漏，確保施工安全。

2.在化學(xué)凝膠堵漏漿前部以及掃塞過程中，可考慮引入常規(guī)橋接堵漏漿，參考配方為：井漿+3%核桃殼（中粗）+3%核桃殼（細(xì)）+3%SQD-98（粗），目的是防止化學(xué)凝膠堵漏漿從地層中返排出來，減少掃塞過程中重新形成泥餅時(shí)的濾失量。

3.建議將化學(xué)凝膠的交聯(lián)時(shí)間延長，如6500m左右的井，化學(xué)凝膠的交聯(lián)及稠化時(shí)間可延長到8 h左右，采用小排量替入，起至安全作業(yè)井段，根據(jù)交聯(lián)稠化時(shí)間分批量關(guān)井?dāng)D入的方式，這樣做的好處是：一是施工相對(duì)安全；二是交聯(lián)稠化前分批量擠入，此時(shí)化學(xué)凝膠具有較高黏度和切力，堵漏漿的滯留能力強(qiáng)，能將孔隙全面充滿并采用憋擠方式，不留微小孔隙，承壓能力相對(duì)較高。

5 結(jié)論

1.以有機(jī)凝膠與無機(jī)凝膠復(fù)合形成的抗高溫化學(xué)凝膠，其抗高溫原理是利用有機(jī)凝膠的熱塑性、2種凝膠的復(fù)合作用以及改性甲基硅油對(duì)無機(jī)凝膠的緩凝作用。

2.抗高溫化學(xué)凝膠具有利于注入、施工簡(jiǎn)單、密度可調(diào)、稠化時(shí)間可調(diào)、適中抗壓強(qiáng)度和抗污染性好等特點(diǎn)，是有效解決深層高溫地層的滲透性、裂縫性漏失，提高地層承壓能力的堵漏施工方案。

3.抗高溫化學(xué)凝膠在順北52X井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，根據(jù)掃塞和試壓情況，堵漏效果良好，停泵立壓為4.8mPa，沒有發(fā)生漏失，30min后壓降為0.2mPa，一次堵漏成功，滿足了后續(xù)鉆井施工要求。