水力尖劈裂縫堵漏固井技術研究及應用

羅宇維 朱江林 熊紹春 艾武昌 陳 良 肖 偉 王金星

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 河北三河 065201)

水力尖劈裂縫堵漏固井技術研究及應用

羅宇維 朱江林 熊紹春 艾武昌 陳 良 肖 偉 王金星

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 河北三河 065201)

高溫高壓、非常規套管結構井環空間隙小、安全壓力窗口窄，固井時易發生水力尖劈裂縫漏失。傳統裂縫堵漏評價儀不能真實模擬井下的堵漏效果，所選取的水泥漿堵漏材料對于水力尖劈裂縫的堵漏效果差。研制了新型動態裂縫堵漏評價儀，依托該評價儀優選出新型水力尖劈堵漏材料，并制定了配套固井工藝，成功解決了中國南海鶯瓊盆地高溫高壓、非常規套管結構井固井水泥漿漏失的問題。本文研究成果已成功應用于南海高溫高壓井、深水井、東海超深井等10多口窄壓力窗口井的固井作業，有效解決了窄安全壓力窗口固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應用價值。

窄壓力窗口；水力尖劈裂縫；漏失；動態裂縫堵漏評價儀；堵漏材料；固井

傳統的固井水泥漿堵漏能力評價方法主要是割縫板法和砂盤法[2-3]。這2種堵漏評價裝置的特點是縫寬或孔喉直徑固定，與環空液柱壓力大小無關。而實際地層破裂后，液柱壓力越大，裂縫寬度越大，反之則越小，即裂縫寬度是動態變化的。動態裂縫內的水泥漿隨著井內壓力的波動會反復“吞吐”動態漏失[4]，因此，傳統方法評價水泥漿的堵漏能力雖有一定的參考價值，但不能真實模擬地層的堵漏效果，時常發生室內評價堵漏效果很好的堵漏水泥漿在施工后地層漏失依舊存在的現象。傳統的水泥漿堵漏材料主要是堅硬的大粒徑架橋材料和軟性纏繞纖維的復合材料[5-6]，其缺點是：顆粒大，容易堵塞窄環空間隙；水泥漿黏稠，摩阻大，容易憋漏地層；大顆粒復合材料附著在裂縫口附近，在裂縫“一張一合”的“吞吐”作用下容易反吐出來，尖劈裂縫的堵漏可靠性差。

針對上述堵漏評價方法和堵漏材料存在的問題，研發出了一種動態模擬水力尖劈裂縫堵漏的新型評價儀，并依托該評價儀優選出了新型水力尖劈堵漏材料及配套固井工藝。該研究成果已在我國南海鶯瓊盆地A井取得成功應用，并推廣應用到南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井作業中，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應用價值。

1 新型動態裂縫堵漏評價儀的研發

新型動態裂縫堵漏評價儀的設計思路是通過正壓和背壓的相互交替作用，模擬地層裂縫的“呼吸效應”，達到裂縫動態變化的效果，其主要目的是讓整個試驗結果更真實地反映地層漏失狀態，較常規固定裂縫寬度的儀器試驗結果顯得更具科學性。

1.1 結構組成

圖1是模擬地層裂縫大小隨井內液柱壓力動態變化的新型動態裂縫堵漏評價儀結構圖，該評價儀主要由傳動裝置、供壓裝置、調節機構和計量裝置組成。

圖1 新型動態裂縫堵漏評價儀結構Fig .1 Structural of dynamic crack sealing device

傳動裝置由錐塞、連桿、活塞組成，上部錐塞位于漏失腔體內，通過能夠上下運動的連桿將活塞伸入到驅動腔體中。供壓裝置由氮氣源、調壓閥、壓力表組成，壓力源通過驅動壓入口輸入至驅動腔體，作為活塞向上運動的驅動壓，模擬地層破裂壓力，壓力源經由測試壓力閥和節流器聯通堵漏漿腔體，模擬液柱壓力。調節機構，即螺桿，上端位于驅動腔體中，在供壓裝置未供壓情況下與傳動機構的活塞下部接觸，通過調節活塞運動行程的下限模擬尖劈裂縫喉道最大間隙，獲得裂縫張開后的最大環形漏隙。計量裝置，即量筒，測量由漏失腔體的漏失液出口流出的液體體積。

1.2 工作原理

1) 水力尖劈裂縫封堵原理。如圖2所示，當井內液柱壓力p1大于地層破裂壓力p0時，發生水力尖劈裂縫，如果堵漏材料封堵良好，則封堵材料后面的縫尖處壓力p2因液柱壓力無法補充而降低。當p2

圖2 水力尖劈裂縫封堵示意圖Fig .2 Schematic diagram of hydraulic fracture sealing wedge

2) 新型動態裂縫堵漏評價儀工作原理。當堵漏漿腔體壓力大于驅動腔體壓力時，聯動機構在壓差作用下向下運動，環形漏隙打開；漏漿后，壓差變小，聯動機構向上運動，漏失縫寬變窄；變窄后壓差變大，聯動機構又向下運動，環形漏隙如此“一張一合”直至堵漏漿完全堵住或完全漏完。如果堵漏漿的堵漏效果好，則堵漏漿腔體和漏失腔體的壓差大，漏失量少；反之，則壓差為零，漿體全部漏失。

一方面，從消費市場看，無論是音樂網絡用戶的人數，還是觀看音樂會的次數，以及購買相關音樂產品的數量，自2012年以來，持續穩定上漲。同時，隨人們物質生活的提高，人們更愿意在音樂產品上進行投資。據2017年中國音樂產業發展報告統計，2016年音樂付費人數比2012年增長三倍，逐步為該新型產業注入新的動力。另一方面，從音樂產業內部的發展狀況看，2017年阿里巴巴完成對大麥網和蝦米音樂的收購、網易音樂完成新一輪的融資、騰訊音樂獲得全球音樂的獨家版權等，充分說明音樂產業自身未來良好的發展前景，而且促進多產業的融合發展。

1.3 試驗程序

1) 水力尖劈裂縫喉道設定。根據測試要求的最大環形漏隙調動來調節聯動機構運動行程的下限，通常設定漏漿縫寬為0.5～1.0 mm。

2) 灌漿。斷開測試壓力閥，調節供壓裝置，模擬破裂壓力為1 MPa，使聯動機構在驅動壓的作用下向上運動，漏隙寬度為零；將堵漏漿腔體的上蓋卸下，注入堵漏漿后安裝上蓋。

3) 測試。接通測試壓力閥，使來自供壓裝置的測試壓在節流器的限速作用下逐漸輸入至堵漏漿腔體中，模擬液柱壓力。逐漸加大液柱壓力，分別測試相同體積的堵漏漿在不同縫寬下的壓差。

2 水力尖劈裂縫堵漏固井材料優選

水泥漿中常用的顆粒狀堵漏材料有硬瀝青、珍珠巖、核桃殼、炭黑，薄片狀堵漏材料有賽珞玢，纖維狀堵漏材料有尼龍(短纖維)。但是，在實際使用時存在各種問題，如使用硬瀝青時井下溫度不能超過100 ℃，而使用核桃殼類材料容易造成套管內堵塞等[7]。隨著水泥漿漏失控制技術的發展，長纖維作為水泥漿堵漏材料逐漸嶄露頭角，并已大量應用于現場。常規的水泥漿通過與長纖維混合形成堵漏水泥漿體系[8-9]。該體系有以下特點：①在漏失地層中，長纖維有利于形成一種惰性纖維網狀物，使循環恢復正常；在井底的裂縫處形成網狀橋堵，有助于產生所需的濾網和相應濾餅；②纖維水泥漿適用于所有溫度和水泥漿密度條件，與所有水泥漿添加劑和大多數水泥漿配方配伍；③長纖維屬于惰性材料，在混漿槽中將纖維材料連續地添加到水泥漿中，容易分散，不會堵塞泥漿槽和流通管線[10]。

通過新型動態裂縫堵漏評價儀的反復模擬測試，優選出白色集束型纖維B62和顆粒級配堵漏材料B69。B62和B69封堵能力見表1，推薦加量:B62為0.4%～0.5%(BWOC)，B69為 2%～3%(BWOC)。

表1 堵漏材料B62和B69的動態裂縫堵漏效果Table 1 Dynamic crack plugging effect of B62 and B69 in lost circulation material

注:試驗溫度90 ℃，水泥漿密度2.20 g/cm3，基本配方為鉆井水+API G級水泥+0.5%消泡劑+6%降失水劑+1%分散劑+1.7%緩凝劑+90%加重材料+35%硅粉。

由表1可以看出：混有B62和B69的堵漏水泥漿體系能有效封堵1.0 mm以下的動態裂縫，使得井筒承壓能提高6.5 MPa以上。這是由于B62纖維材料類似于混凝土中的“鋼筋”，其均勻分散到水泥漿中，具有較好的支撐和構架作用；同時水泥顆粒及堵漏材料B69被纖維所纏繞，進一步提升了漿體的內部結構力。另外，堵漏材料B62是由30～80目不同尺寸的顆粒材料組成，級配的顆粒能夠較好地封堵裂縫根部，通過封堵水力尖劈裂縫的根部達到提高地層承壓的目的，與傳統的堵漏材料相比，不易堵塞窄環空，不易從裂縫中反吐，堵漏效果更可靠，有利于窄安全壓力窗口的泥砂巖地層固井。

3 應用效果

中國南海鶯瓊盆地A井設計井深3 975 m，主要目的層壓力系數為2.19～2.22，井底靜止溫度158℃，采用“φ762.00 mm套管+φ508.00 mm套管+φ355.60 mm套管+φ298.45 mm尾管+φ273.05 mm×φ250.83 mm復合套管+φ177.80 mm備用尾管+φ149.23mm備用井眼”的井身結構，如圖3所示。其中φ273.05mm×φ250.83 mm復合套管井段與上層φ298.45 mm尾管重疊段長726 m，底部壓力系數2.04。該井段壓力窗口當量密度僅為0.18 g/cm3，套管下入后排量循環失返0.29 m3/min。

圖3 南海鶯瓊盆地A井井身結構示意圖Fig .3 Schematic diagram of Well A depth structure in Yingqiong basin,South China Sea

選取密度為2.2 g/cm3的水泥漿作為基本配方，在溫度90 ℃及不同壓力調節下利用本文研發的新型動態堵漏評價儀測定不同品種堵漏材料對裂縫堵漏的效果，優選出堵漏材料B69、B62。堵漏材料B69與硅粉、水泥一起干混，B62在注水泥時邊混邊泵；使用一體式扶正器，提高套管居中度；控制下套管速度，防止惡性漏失；套管雙膠塞固井，泵入高效油基沖洗液和隔離液，低速混注水泥漿。監測數據表明：堵漏水泥漿出套管管鞋前漏失速度為7.15 m3/h；1.3 m3堵漏水泥漿出套管管鞋后漏失停止；膠塞碰壓前泵壓為6.05 MPa，與設計值6.10 MPa基本一致，水泥漿返至設計位置。固井后，地漏試驗當量密度為2.27 g/cm3，與地質預測一致；環空套壓為零；試壓7 MPa條件下，環空液柱壓力超出上層管鞋漏失壓力3.5 MPa，穩壓不漏，環空水泥封固質量良好。

隨后該技術推廣應用到南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井作業中，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題。

4 結論

1) 研發了一種新型動態裂縫堵漏評價儀，該評價儀可有效評價堵漏水泥漿在水力尖劈裂縫寬度動態變化下的堵漏能力。依托該評價儀優選了復合堵漏材料B62和B69及配套固井工藝，成功解決了中國南海鶯瓊盆地高溫高壓、非常規套管結構井固井水泥漿漏失失返的問題。

2) 本文研究成果已在南海高溫高壓井和深水井、東海深井和超深井窄壓力窗口10多口井的固井中取得成功應用，有效解決了窄安全壓力窗口泥砂巖地層固井的水力尖劈漏失難題，具有較好的推廣應用價值。

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(編輯：孫豐成)

Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing

LUO Yuwei ZHU Jianglin XIONG Shaochun AI Wuchang CHEN Liang XIAO Wei WANG Jinxing

(COSLOilfieldChemicalsDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

High temperature and high pressure (HTHP) wells with an unconventional casing program have a small annulus and a narrow safety window, and are likely to incur lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing. Conventional fractural lost-circulation evaluation apparatus could not simulate the real downhole conditions, therefore the LCMs selected will not satisfactorily prevent the lost-circulation in many cases. A new dynamic fractural lost-circulation evaluation apparatus was developed, with which suitable LCMs were selected and applied together with the corresponding cementing technology in HTHP wells with an unconventional casing program in Yingqiong basin of South China Sea successfully. The above technology has been applied in over 10 wells including HTHP wells, deep water wells in South China Sea, and ultra-deep wells in East China Sea. It effectively solved the hydraulic fractural lost-circulation problem in wells with narrow safety windows and has good potential for dissemination.

narrow safety window; hydraulic fracture; lost-circulation; dynamic fractural lost circulation apparatus; LCMs; cementing

羅宇維，男，教授級高級工程師，中國海洋石油總公司鉆完井專家， 2003年畢業于原江漢石油學院，現為中海油田服務股份有限公司油田化學事業部總工程師，主要從事固井工藝技術研究和現場作業技術支持。地址：河北省三河市燕郊開發區行宮西大街中海油田服務股份有限公司油田化學事業部(郵編：065201)。E-mail：luoyw@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0057-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.009

TE256+.1

A

羅宇維,朱江林,熊紹春，等.水力尖劈裂縫堵漏固井技術研究及應用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：57-60.

LUO Yuwei,ZHU Jianglin,XIONG Shaochun,et al.Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):57-60.