控壓鉆井用凝膠隔段工作液性能評價及機理分析

黎凌 ， 楊夢瑩 ， 鮑學飛 ， 歐陽偉 ， 陳俊斌

（1.油氣田應用化學四川省重點實驗室，四川廣漢618300；2.中國石油集團川慶鉆探鉆采工程技術研究院，四川廣漢618300；3.中國石油測井有限公司天津分公司，天津300280）

0 引言

目前精細控壓鉆井在四川磨溪高石梯和下川東等地區應用，解決了因安全密度窗口窄引起的嚴重井漏、噴漏同存、難以鉆進的工程難題，取得了顯著效果，但在起下鉆及完井過程中缺乏有效且安全的過程控制工藝，鉆井液漏失嚴重，井控風險極高[1]。針對起下鉆過程中的鉆井液漏失情況，川渝地區常見的做法是采用重漿帽加吊灌方式[2]。但是地層孔縫發育、密度窗口窄，鉆井液密度稍高就會井漏，鉆井液密度稍低，就可能造成井涌、井噴等安全問題，并且易造成鉆井液密度不均，不利于現場情況的準確判斷。另一種方式可采用水泥塞封固產層后起下鉆，即在套管鞋附近注入水泥塞封隔下部井段，但是存在水泥塞質量不高且候凝時間長的問題[3]。

國內外控壓鉆井或者欠平衡鉆井過程中的油氣封隔技術主要包括2個方面。一是機械封隔技術，即在技術套管內安裝套管閥，利用套管閥的開關實現在起下鉆和下入完井管串時處于負壓狀態，用不壓井起下鉆裝置實現整個作業處于負壓狀態，但是這種方式的成本較高[4]。二是采用化學封隔技術，例如吐哈油田劉德基等[5]介紹了一種凍膠閥技術，在套管中形成高黏性半固體狀膠體段塞，具備一定的抗壓差性能，密封井筒油氣，但是凍膠閥的基液黏度高，需使用水泥車泵注，占用設備較多，采用化學破膠劑破膠，破膠時間長，一般在10～15 d 左右。梁大川[6]等提出聚合物凝膠封隔技術，該聚合物凝膠體系抗溫110～140 ℃，與常用鉆井液配伍，初步現場應用表明該凝膠段塞具有一定的封隔效果，但是采用化學破膠，存在破膠時間長且破膠不完全的問題[6]。美國MI Swaco公司[7]開發出一種流體壓力傳遞段塞（FPTP），這種基于交聯聚合物的鉆井液段塞是為控壓鉆井起下管柱保證井控安全設計的，目前已投入現場應用，但在中國不提供產品和技術服務。

因此，研制一種操作簡單、成本較低、封隔性好、起下鉆能快速恢復鉆進的鉆井用凝膠隔段迫在眉睫，為窄密度窗口地層安全、高效起下鉆提供技術保障。針對這一問題，基于無機水硬性膠凝理論、密實充填理論、固化增強理論[8-9]，通過室內實驗，研制出一種無機凝膠隔段工作液，重點解決了段塞工作液在不同溫度下稠化時間的調控問題，提高了段塞在套管內固化后的抗氣竄封隔能力。

1 實驗部分

1.1 膠凝隔段工作液配方

選用一種具有潛在活性材料的工業廢棄物為無機水硬性膠凝劑，通過實驗優選出其他輔助處理劑，包括流型調節劑、激活劑、固化增強劑、緩凝劑，進行了各處理劑對凝膠體系性能影響的評價，并形成了凝膠隔段配方如下。

水 +（0.3%～0.5%）流 型 調 節 劑 +（70%～100%）無機膠凝劑+（1%～3%）激活劑A+（1%～3%）激活劑B+（10%～20%）固化增強劑+（0.5%～2%）緩凝劑A+重晶石

1.2 實驗方法

按標準API RP 10B—1997《油井水泥試驗推薦作法》配制凝膠隔段工作液（密度為1.74 g/cm3）。參照此標準測定凝膠隔段工作液的常規性能參數。

2 結果與討論

2.1 凝膠隔段工作液性能評價

2.1.1 流變性

在室溫條件下考察了初配制的凝膠隔段工作液的流動度及流變參數，另外也模擬升溫后不同時間節點凝膠隔段工作液的流動度及流變參數，性能參數見表1。

表1 凝膠隔段工作液流動性能參數

實驗結果表明：初配制的低、中、高密度凝膠隔段工作液都具有良好的流動度和流變參數，滿足泥漿泵泵送要求；在120 ℃、2 h老化后工作液變稠，但是流動度和流變參數仍然滿足安全泵送施工時間要求；在120 ℃、5 h老化后工作液固化成塞，不再具備流動性。

2.1.2 穩定性

測試凝膠隔段工作液在室溫下靜置不同時間后的密度差、析水量、攪動后流動性恢復狀況，結果見表2。實驗結果表明：靜置168 h后，工作液上部和下部密度差小于0.03 g/cm3，析水量小于1.4%，說明工作液穩定性能好；攪動后流動性恢復，進一步說明靜置時間對工作液整體性能影響小，滿足現場罐配和長時間靜置后攪動恢復使用的優異性能。

表2 凝膠隔段工作液靜置后的穩定性評價

2.1.3 稠化時間

不同加量緩凝劑對稠化時間的調控見圖1。

圖1 不同緩凝劑A加量的稠化曲線（120 ℃、70 MPa）

結果表明：緩凝劑A對凝膠隔段工作液具有很好的時間調控作用，并隨著緩凝劑A加量的增加，時間調控效果增強。從圖1 a）可以看出，緩凝劑加量為0.5%和1%，120 ℃、70 MPa稠化條件下，工作液初始稠度為25 Bc，當時間到90 min、107 min時，工作液突然呈現出直角稠化特性，稠度迅速上升。從圖1 b）可以看出，緩凝劑加量為2%和3%，120 ℃、70 MPa稠化條件下，工作液初始稠度為25 Bc，當時間到150 min、240 min后，工作液稠化曲線緩慢上升。通過調整緩凝劑的加量為0～3%，實現了40 Bc稠化時間在0.5～4 h可控。

2.1.4 抗鉆井液污染

評價了凝膠隔段工作液抗鉆井液污染能力，數據見表3。實驗結果表明：凝膠隔段工作液與聚磺鉆井液不同比例混合后，漿體在常溫下流動性良好，未出現增稠的現象，同時污染后高溫高壓（120 ℃、70 MPa）稠化實驗表明，混合后初始稠度為21 Bc，120 min后稠度為26 Bc，聚磺鉆井液不會導致凝膠隔段工作稠化時間縮短；當混合比例低于50%時，漿體仍然可以固化，并且具有一定的抗壓強度；當混合比例高于50%后，漿體不再具有固化成塞的能力，說明凝膠隔段工作液表現出良好的抗聚磺鉆井液污染能力。

表3 凝膠隔段工作液與聚磺鉆井液混合后性能

2.2 凝膠隔段工作液固化段塞性能評價

2.2.1 綜合強度

凝膠隔段工作液固化后段塞的抗壓強度及其與套管壁面的膠結強度是關鍵指標，直接影響封固段的質量，因此室內評價了不同養護溫度和時間條件下形成固化段塞的抗壓強度和膠結強度變化，結果見表4。實驗結果表明：不同溫度養護2 h內，凝膠工作液未固化成塞且流動性能良好，滿足現場安全施工時間要求，同時繼續延長養護時間，工作液內膠凝顆粒迅速水化，快速形成結構，稠化曲線呈現直角稠化特性，80 ℃養護4 h到10 h，抗壓強度由2.52提高到5.86 MPa，膠結強度由0.45提高到0.61 MPa/m2；120 ℃養護4 h到10 h，抗壓強度由4.13 提高到8.02 MPa；膠結強度由1.25提高到1.45 MPa/m2。說明不同養護溫度下，凝膠隔段工作液中活性成分呈現出活性不同，表現出來的物理化學性能都不一樣，養護溫度越高，段塞工作液固化后段塞強度越高。

表4 不同溫度養護后段塞抗壓強度和膠結強度

2.2.2 抗氣竄封隔評價

凝膠隔段工作液注入套管后，若自身固化膠結強度不高或者與套管膠結強度差，就會出現微裂縫或者微環隙，這樣控壓鉆井起鉆過程中地層流體就會隨著微裂縫或者微環隙上竄。為了模擬膠凝隔段工作液在套管中膠凝固化后對地層流體（包括氣體）的封隔能力，加工了抗氣竄封隔測試儀（尺寸φ177.8 mm×2 m，見圖2），將密度為1.70 g/cm3凝膠隔段工作液注入其中，將該測試儀放入CQDT22高溫高壓井下工具模擬實驗裝置中（見圖3）。

圖2 抗氣竄封隔測試儀

圖3 高溫高壓井下工具模擬實驗裝置

模擬井下不同溫度、壓力條件下凝膠段塞工作液固化成塞，冷卻后，取出抗氣竄封隔測試儀，將其固定在底座上，于室溫條件下評價凝膠工作液成塞后對流體的封隔能力，見圖4。從圖4可以看出，隨著養護溫度的升高，最終固化成塞后的承壓封氣能力，呈現增強的趨勢，且隨養護時間的延長，承壓封氣能力也提高，這是由于溫度能夠促進凝膠顆粒水化并縮短固化時間，最終形成強度更高、更加密實的固化段塞，承壓封氣能力也會隨之升高。

圖4 凝膠隔段在不同溫度養護后承壓封氣能力

2.2.3 可鉆性評價

實驗結果表明：固化段塞的PDC和三牙輪鉆頭可鉆性級值均為1，說明凝膠隔段工作液固化后形成的隔段具有良好可鉆性，這樣精細控壓鉆井安全起下鉆后通過鉆頭可以快速鉆除隔段，并恢復鉆進，見表5。

表5 凝膠隔段可鉆性級值數據表

3 作用機理分析

取無機膠凝劑粉狀物和凝膠隔段工作液固化后隔段切片做掃描電鏡分析，可以看到未固化顆粒表面呈現分散狀態，表面粗糙、凹凸不平，粒-粒膠結為主；在激活劑作用下無機膠凝劑水化分散并固化成段塞，表面光滑，以粒-面膠結為主，增加膠結強度同時修飾表面形貌，減少了間隙，這樣不僅增強了隔段整體抗壓強度，還起到填補裂縫、減小微孔隙的功能，為提高隔段承壓封氣能力起到保障作用，見圖5。

圖5 固化隔段前后表面SEM照片

4 結論

1.通過處理劑和加量優選形成了脆性可鉆凝膠隔段工作液配方，該工作液適用密度范圍為1.41～2.13 g/cm3，使用溫度范圍為80～150 ℃。

2.凝膠隔段工作液流動性好，靜置后性能穩定，調整緩凝劑的加量實現稠化時間（0.5～4）h可控，同時可以抗聚磺鉆井液污染，不會出現增稠現象。

3.在120 ℃養護10 h，凝膠隔段固化段塞抗壓強度為8.02 MPa，自身膠結強度為1.45 MPa/m2，抗氣竄封隔能力不小于2.69 MPa/m，承壓封隔流體的能力較好，保障了控壓鉆井安全起下鉆操作。

4.凝膠隔段工作液固化后段塞可鉆性級值為1級，可通過鉆頭快速鉆除破膠。

5.無機膠凝劑在激活劑作用下具備水硬性固化成塞特性，微觀結構分析膠凝劑水化分散并固化成段塞，增加膠結強度同時修飾表面形貌，減少了間隙，這樣不僅增強隔段整體抗壓強度，還起到填補裂縫、減小微孔隙的功能，為提高隔段承壓封氣能力起到保障。