中國南海某深水井提高地層承壓能力實踐

吳旭東+袁俊亮

摘 要：影響地層承壓能力的因素主要有天然因素和工程因素兩方面，在天然因素不可控的情況下，通過研發(fā)新式鉆井液堵漏材料并進行室內(nèi)實驗評價，優(yōu)選出適用于不同巖性地層的封堵材料。根據(jù)中國南海某深水井的地質特點，依次介紹了STP、STRH、VANGUARD等堵漏劑的室內(nèi)實驗表現(xiàn)。結合該深水的鉆井實踐，闡述了深水鉆井液體系防漏堵漏以及提高地層承壓能力的成果，對后期深水油氣田勘探開發(fā)過程中的降本增效具有較大意義。

關鍵詞：深水鉆井；地層承壓能力；鉆井液體系

中圖分類號：TE242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0009-02

深水鉆井工程中，井漏一直是制約鉆井安全高效進行的主要瓶頸。由于受到千米水深的影響，淺部地層（指泥面以下1/2水深的地層）破裂壓力低，井漏風險大。每年處理井漏復雜情況帶來的鉆井液和鉆機日費損失高達數(shù)億美元[1]。與溶洞性地層的大規(guī)模漏失不同，深水淺層的井漏通常是由井筒內(nèi)裂縫擴展延伸引起的，假如不及時抑制裂縫發(fā)展，當裂縫尖端突破井眼周圍一定范圍后裂縫將迅速擴展。隨著深水井逐漸面臨高溫高壓以及鉆定向井等難題，安全密度窗口也將越來越狹窄，因此先期提高地層承壓能力，通過工程手段拓展安全密度窗口歷來是學者關注的重點[2，3]。作者通過分析影響地層承壓能力的因素，圍繞鉆井液封堵劑優(yōu)選問題進行了一系列研究。

1 影響地層承壓能力的因素

影響地層承壓能力的因素較多，根據(jù)天然因素和人工因素區(qū)分。其中的天然因素難以通過人為改變，提高地層承壓能力主要是通過調整工程因素。目前提高承壓能力的方法主要是在鉆進薄弱地層前，在鉆井液當中添加恰當?shù)亩侣┎牧希瑢⒈∪鯇映袎耗芰μ岣叩侥骋怀潭葋頋M足下部地層鉆進。當前的研究主要關注堵漏材料的研制與現(xiàn)場應用，立足于鉆井液體系中封堵材料的效果，通過復配不同性質、不同形狀和粒徑的封堵劑，實現(xiàn)防漏堵漏的目的。

針對不同影響因素，國內(nèi)外關于提高地層承壓能力的力學機理比較有代表性的有“封尾（Tip Screenout）理論”“應力籠（Stress Cage）理論”“裂縫閉合應力理論（FCS）”[4，5]，Guh等針對鉆井液在裂縫尖端濾失特性進行了研究[6]，提出“封尾”作用機理，認為封堵材料位于裂縫尾部效果最好，但該方法所需參數(shù)難以獲取；Dupriest等提出的“裂縫閉合應力”理論認為[7]，簡單的封堵不能有效提高承壓能力，還應提高裂縫閉合應力，防止裂縫重啟。

目前對提高承壓能力機理的認識仍處于模糊地帶，所建立的數(shù)值模型及半解析模型僅適用于定性分析，現(xiàn)場實踐難以證實理論的正確性。在目前較為公認的觀點是，依靠鉆井液技術，選擇合理的堵漏材料加入鉆井液體系中，才是實現(xiàn)裂縫防漏堵漏的有效手段，王貴對地層提高承壓能力的鉆井液堵漏機理進行了深入研究[8]，本研究圍繞幾類新型堵漏材料進行了實驗及現(xiàn)場實踐研究。

2 鉆井液方法提高承壓能力室內(nèi)實驗

鉆井液技術提高地層承壓能力的主流方法是物理封堵法，其次是化學方法。物理封堵法無論在孔隙性漏失、裂縫性漏失還是孔洞性漏失的情況下，都能夠起到提高承壓能力和減緩漏失的作用，是目前使用最為廣泛的承壓堵漏技術。物流封堵的作用機理大同小異，通常包括以下幾種原理：架橋、填充、滲濾、拉筋串聯(lián)、吸水膨脹原理，典型材料主要包括：核桃殼、橡膠粒等顆粒、有蛙石、云母片等片狀、鋸末、石棉等纖維等。

2.1 STP高失水堵漏劑室內(nèi)評價實驗

STP高失水堵漏劑由四種材料（封堵材料A、架橋材料B、纖維材料C、固化劑D）構成。其堵漏機理如下：封堵材料A和架橋材料B等固相顆粒粒徑小，容易進入不同尺寸大小的漏失空間內(nèi)，在壓差作用下濾液迅速濾失，固相顆粒堆積聚集在裂縫內(nèi)部及裂縫表面，分別形成“薄”而“韌”的內(nèi)外濾餅，實現(xiàn)減緩漏失的目的，纖維材料C加強泥餅的結構性和韌性，固化劑D負責增強粘結性，在整個過程中濾餅逐步壓實，由于有高失水性，濾餅中的微孔結構滲透性高，具備透氣透水卻不透泥漿的能力[9]。

將四種材料封堵材料、架橋材料、纖維材料、固化劑按不同比例復配后，分別通過室內(nèi)實驗評價體系的穩(wěn)定性、濾失性、酸溶率等性能：

（1）穩(wěn)定性：懸浮穩(wěn)定性的測定采用100ml量筒將配置好的高失水固化堵漏漿裝至100ml刻度線，靜止1Min后讀出漿液中固相物質沉降量，其百分比為懸浮穩(wěn)定性值。一般要求堵劑液懸浮穩(wěn)定性大于90%即能滿足現(xiàn)場鉆井工藝要求。

（2）濾失性：快速失水和高濾失量是STP封堵劑的特性，測試方法按照行業(yè)標準SY/T5621-93“鉆井液測試程序”中濾失量的測試方法進行，由于失水速度快，30s內(nèi)即濾失完畢，按照7分半時間評價濾失量并不合理，因此實驗階段直接讀取濾失完畢時間和相應的濾失量，結果如表1所示：

（3）酸溶率：濾餅酸溶率高是該堵漏劑的優(yōu)勢之一，研究過程中采用“SY-T5559-92鉆井液用處理劑通用實驗方法”中酸不溶物的測定方法，可見酸溶率普遍高于80%，當堵漏漿濃度為40%時，酸溶率可達90%以上。

匯總以上材料配比及評價指標得出，配方為60%封堵材料+15%架橋材料+10%纖維材料+15%固化劑體系的封堵效果最佳。

2.2 STRH復合堵漏劑評價

使用STRH堵漏劑加入到HEM體系中配制成鉆井液，使用高溫高壓動態(tài)堵漏儀評價堵漏漿的承壓效果，結果表明：加入3%的STRH后HEM體系的承壓封堵能力顯著提高，如圖2所示。砂盤封堵實同樣說明加入3%STRH后封堵效果良好。

2.3 化學方法提高承壓能力技術

化學方法提高承壓能力主要是利用各種聚合物自身、聚合物之間交聯(lián)等性質，實現(xiàn)對裂縫孔洞進行封堵，該類堵漏方式主要有井下聚合堵漏技術及特種凝膠尾追水泥堵漏技術。

井下聚合堵漏技術是利用高分子材料和交聯(lián)劑發(fā)生化學反應，形成具有一定的彈性，并且能夠牢牢地粘在巖石壁面上而堵塞漏失通道，從而達到封堵漏層提高承壓能力的目的。在封堵漏層的時候，可通過交聯(lián)劑的濃度控制堵漏漿的粘度、初始固化形成凝膠的時間和形成凝膠的強度，因而不會出現(xiàn)固化過早或是過晚的情況。高分子材料體系在常溫下反應十分緩慢，因而具有很強的可泵性，一旦出鉆具與交聯(lián)劑作用便開始成膠，既保證了施工安全，又避免了堵劑漏入地層太遠而降低其濃度，此后體系聚合作用逐漸加強。在堵漏提壓施工過程中，可根據(jù)漏失速率、漏失層位等情況控制交聯(lián)劑的濃度和成膠的時間，這樣就能保證凝膠的封堵效果。

特種凝膠尾追水泥堵漏技術是利用凝膠堵漏劑良好的剪切稀釋性能、不與油氣水相混，并且很容易在孔喉中形成凝膠體，能阻止水泥漿被沖稀、流走等特性來進行封堵裂縫。特種凝膠在高剪切速率下剪切變稀，可保證凝膠體順利被泵送和通過鉆頭，而在低剪切速率下由于分子間締合連接，粘度可高達1×104～3×104mPa.s，容易停留在裂縫中固化形成高粘度的凝膠體，并具有一定的強度，提高地層承壓能力的，相關的實驗數(shù)據(jù)表明：推動該凝膠體需要一定的啟動壓力，因而，特種凝膠堵漏劑不會被地層流體沖稀，可避免凝膠后尾追水泥漿被地層流體沖稀而不能固化等問題。

3 中國南海某深水鉆井作業(yè)實踐

某1深水井水深990m，12-1/4“井段完鉆后井底靜態(tài)當量密度為1.82g/cm3，在下入9-5/8”套管過程中發(fā)生活動池液面下降，漏速6方/小時，停泵測量靜態(tài)漏速8方/小時。采取關閉上萬能防噴器，啟用增壓泵循環(huán)調整隔水管內(nèi)鉆井液，將密度調整至1.76g/cm3，同時鉆井液體系中添加2%PF-STRH與3%PF-QWY，靜止觀察環(huán)空液面，測漏速由4.4方/小時降低至0.4方/小時，緩慢開泵送套管到位，最終順利固井。

處于同一沉積盆地的某2深水井屬超深水井（水深1695m），鉆前設計20“套管下至泥面以下410m，預測管鞋承壓能力為1.13g/cm3；13-3/8”套管入泥深度630m，預測管鞋承壓能力為1.16g/cm3，井漏風險與窄壓力窗口風險極高。鉆前優(yōu)選泥漿堵漏劑——PF-STRH與VANGUARD，鉆井過程全井段無漏失情況發(fā)生，下套管過程順利，綜合目前該盆地深水井及超深水井鉆井防漏經(jīng)驗，推薦不同漏失風險下堵漏材料的配方如表2所示。

4 結束語

（1）針對中國南海深水區(qū)淺部地層經(jīng)歷的構造運動不劇

烈，天然裂縫發(fā)育程度不高，深水/超深水鉆井的漏失風險在于淺部砂巖地層，提高地層承壓能力重點也在于防止砂巖滲漏和產(chǎn)生誘導裂縫。

（2）地層承壓能力取決于天然因素與工程因素兩大方面，其中工程因素是唯一的可變量，現(xiàn)有提高承壓能力的方法主要是復配不同粒徑與形狀的堵漏材料比例。

（3）中國南海某深水鉆井實踐體現(xiàn)深水高溫高壓HEM體系復配2%的STRH和VANGUARD具有較好的提高承壓能力效果。

參考文獻：

[1]盧小川，等.國外井壁強化技術的新進展[J].鉆井液與完井液，2012，

29（6）：74-78.

[2]張希文，李爽，張潔，等.鉆井液堵漏材料及防漏堵漏技術研究進展[J].鉆井液與完井液，2009，26（6）：74-76.

[3]張洪利，郭艷，王志龍.國內(nèi)鉆井堵漏材料現(xiàn)狀[J].特種油氣藏，2004，11（2）：1-2.

[4]Zhang， G. X.， Sugiura， Y.， Saito， K.Faliure simulation of foundation by many fold method and comparisonwith experiment[J].Journal of Applied Mechanics （JSCE），1998（1）：427-436.

[5]GuoxinZhang， YasuhitoSugiura， HirooHasegawa.Crack propragationby manifold and boundary element method[C]. proceedings of Third International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation（ICADD-3）， Colorado， USA， 1999：273-282.

[6]Guh， G-F.， Further development， field testing， and application of the wellbore strengthening technique for drilling operations.

[7]Dupriest， F.E.， Method to eliminate lost returns and build integrity continuously with high-filtration-rate fluid.

[8]王貴，蒲曉林.提高地層承壓能力的鉆井液堵漏作用機理[J].石油學報，2010，31（6）：1009-1012.

[9]鄢捷年.鉆井液工藝學[M].石油大學出版社，2003.