微膨脹封堵技術在套損井治理中的研究與應用

韓光明， 李巖芳， 謝 滔， 楊 濤

(1承德石油高等?？茖W校 2河南油田分公司工程技術管理部 3長慶油田分公司第四采油廠)

河南油田進入開發后期，因地質構造、油層出砂、油水井增產措施、修井作業等因素的綜合影響，各種類型套損井日益增多，截止2017年底，各種原因造成的套損井數達800多口，其中，套管破裂和套管腐蝕、穿孔的井占總套損井的50%以上[1]。因井內套管變形、錯斷造成原井生產管柱卡死，常規解卡打撈技術無法處理，長期關停；高含水或無產量的油井因油層上部套管錯斷嚴重，無法進行封層地質關井，影響井網注采平衡；尤其是注水注聚井，因層間壓力系數差異大，套外水泥環嚴重損壞，使得相當一部分套損井出現套管彎曲和套管多級錯斷，導致油井無法正常生產[2]。套損井的存在制約了油田增儲穩產，破壞了油田的注采平衡關系，制約著油田注采結構的進一步調整，極大地影響經濟效益的提高。目前主要采取套管補貼、取換套和超細水泥封堵等措施[3]，而常規的套管補貼、取換套作業耗時費力，超細水泥封堵工藝措施效果較差[4-5]，為此，筆者在分析河南油田套損井套損機理的基礎上，開展了一種微膨脹化學封堵技術，并在25口井實施現場試驗，效果較好。

一、套損井治理難點

(1)儲層壓力系統混亂。河南油田前期先后實施了注水、注聚、三元復合驅等多種開發方式。由于注水、注氣以及調整井開發，地層壓力特征復雜，縱向上高壓層、低壓層和正常壓力層相間存在，形成層間壓差，地層流體層間竄流問題嚴重，對修井技術要求較高。

(2)小通徑打通道施工成功率低。套管錯斷通徑若小于90 mm，因其通徑小、橫向位移量大、縱向上存在一定的斷距、易返吐破碎巖塊、斷口含有落物等原因，同時還因為井下工具配套不齊全，打通道施工難度大，且易開窗、卡鉆，造成復雜工程事故。

(3)常規的套損井治理成本高，周期長，污染大，且存在打撈工具落井的風險，易造成井下復雜的發生。

二、微膨脹封堵機理及封堵劑性能評價

1.微膨脹封堵機理

套損井修井作業過程中，在一定的泵壓下將研發的具有特殊性能的化學封堵劑(HB-ZD)和水配制成一定濃度的堵漿擠入漏層或漏點，此時堵漿中組分在一定的壓差作用下，發生化學反應，堵漿快速(20 s左右)形成互穿網絡結構，而堵漿中的其他組分如：各種柔性纖維、剛性纖維、水化產物凝膠、以及許多化學反應生產的晶體等物質互相纏繞，通過充填密實網絡結構中的空隙之中耦合成一個整體結構，加上反應生成物鈣礬石、Ca(OH)2和Mg(OH)2等的微膨脹作用,相互協同增效，使得整個互穿網絡結構具有較強的耐沖刷能力，從而實現對套損井漏層或漏點的快速有效封堵[6]。

2.微膨脹封堵劑性能評價

2.1 稠化性能

稠化性能是堵漿的重要參數，是控制施工時間的重要依據[7]。室內利用沈陽航院高溫高壓稠化儀OWC-9380B對3組不同配方的堵漿在不同溫度(30℃～160℃)、不同壓力(60～125 MPa)下的堵漿稠化時間進行了測試(如表1)，測試表明：①隨溫度升高，稠化時間縮短；②HB-ZD配置的堵漿實驗中的稠化時間均大于400 min以上，能夠滿足現場安全施工的要求。在堵漿中引入緩凝劑(HB-HN)，可以根據井身結構、漏點位置等具體情況來調整堵漿的緩凝劑加入量，從而控制堵漿的稠化時間。

表1 不同壓力溫度下堵漿稠化性能測定

2.2 三軸向應力分析

通過開展循環溫度140℃常規水泥漿與微膨脹堵劑固化體三軸應力測試(見表2)，比較了水泥漿與微膨脹堵劑的抗三維應力能力。測試結果表明：微膨脹堵漿具有較高的泊松比和較低的彈性模量值，即與常規水泥漿相比微膨脹堵漿固化體具有更好的抗三維應力的作用，更有利于實現對漏層、漏點實現長期、穩定的封堵、隔離[8]。

表2 常規水泥漿與微膨脹堵劑固化體三軸應力測試結果對比表

2.3 抗溫性能

通過實驗室測試了20℃～200℃條件下微膨脹堵漿的第一、二界面封堵強度及抗壓強度與普通水泥漿抗壓強度進行了對比，試驗表明：①微膨脹堵漿的封堵強度隨試驗溫度的升高不斷增強，達到一定溫度后，封堵強度趨于穩定；②常規水泥漿隨著溫度的降低抗壓強度逐漸下降；③微膨脹堵漿較常規水泥漿具有更強的封堵強度，且具有較好的抗溫性能[9]。

2.4 強度性能

通過模擬井下施工條件，在礦化度25×104mg/L、95℃和150℃條件下高溫高壓養護釜養護一定時間后，測試固化體封堵強度隨養護時間的變化規律。由試驗可知：①150℃養護的堵劑固化體強度高于95℃養護的堵劑強度；②在95℃條件下，堵劑內的水化反應在120 d內持續進行；在150℃時，堵劑內的水化反應在60 d內持續進行。

三、微膨脹化學封堵修復工藝

1.未封固井段套損修復工藝

針對環空保護液以及井筒內流體腐蝕造成套管損壞的井況，有針對性的開展未封固井段套損修復技術。該技術通過在套損點下部套管下入隔離橋塞或者填砂實現對下部儲層的保護，然后采用封堵管柱將微膨脹堵劑擠入套損點，從而對未封固井段套損點進行封固，類似于二次固井工藝，堵劑充滿整個環空，由于堵劑的強粘接性和防竄性能，使套管或地層與堵劑牢牢地固結在一起，達到套損修復的目的(如圖1)。施工結束后，根據油井井身結構，選擇合適的鉆桿及磨鞋對套管內滯留的堵劑固化體進行鉆掃清除，實現井筒的全通徑即可進行后續生產或者施工作業。

圖1 未封固井段套損修復后示意圖

2.腐蝕穿孔套損修復技術

針對套管上由于內、外腐蝕造成的套損，套損點多、套損段較長，取換套、內襯小尺寸、卡封、套管補貼等工藝技術成本高、難度大的問題，開展了腐蝕穿孔套損修復技術研究[10]。采取在套損段籠統高壓擠入微膨脹堵劑工藝技術，使套損段外部形成強度較高的堵劑環，制造成人工“套管”，達到套管一樣的承壓能力，從而達到套損修復的目的(如圖2)。同樣施工結束后，需要對套管內滯留的堵劑固化體進行鉆掃清除。

圖2 腐蝕穿孔套損修復示意圖

3.錯位、錯斷、變形等套損修復技術

針對由于地質原因引起套管錯斷、變形或壓裂酸化等增產措施引起套管變形、損壞的情況，開展了錯位、錯斷、變形等套損修復工藝技術研究。此類情況首先要開展套管整形工藝，實現井筒的有效通徑，保證作業管柱能夠順利通過[11-12]。該工藝采取在套損段籠統高壓擠入微膨脹堵劑，使套損段外部形成強度很高的堵劑環，制造成人工“套管”，從而達到套損修復的目的(如圖3)。

圖3 錯位、錯斷套損修復示意圖表3 部分套損井微膨脹封堵工藝施工統計表

井號施工時間套損類型套損點深度/m堵劑用量/m3雙40??2017.11.18破裂968.407.8下新T5-23??2018.01.24腐蝕穿孔756.2511.6下T5-2??2017.10.28破裂1023.788.8魏新10??2017.07.30破裂811.6010.3趙安30??2017.07.13腐蝕穿孔1164.227.4

注：施工成功率為一次封堵。

四、現場應用及效果

河南油田進入開發后期，因地質構造、油層出砂、油水井增產措施、修井作業等因素的綜合影響，各種類型套損井日益增多，嚴重影響了油井的正常生產。為了實現河南油田套損井的清潔、高效、低成本治理，在室內評價基礎上，結合河南油田油井工程、地質特征，采用了一種微膨脹封堵堵劑，并在25口井次開展了套損井微膨脹封堵技術現場試驗(表3所示)。25口井現場試驗一次封堵成功率在96%以上，有效率100%，取得了較好的效果。

五、結論

(1)三軸應力測試結果表明，與常規水泥漿相比微膨脹堵漿固化體具有更好的抗三維應力的作用，更有利于實現對漏層、漏點實現長期、穩定的封堵、隔離。

(2)抗溫性能測試結果表明，微膨脹堵漿較常規水泥漿具有更強的封堵強度，且具有較好的抗溫性能。

(3)針對套管變形、套管錯斷、套管破裂和套管腐蝕、穿孔等套損井況開展的25口井現場試驗表明，微膨脹封堵技術一次封堵成功率在96%以上，是河南油田套損井治理的有效手段，具有較好的應用前景。