裂縫性地層堵漏封隔評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展

林四元 張易成 鐘興強(qiáng) 李成 朱江林 羅東輝

摘 ?????要：油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中，裂縫性地層不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的泥漿漏失，而且會(huì)引發(fā)固井過(guò)程中的油、氣、水竄，造成返高不夠，進(jìn)而導(dǎo)致漏封，引起井下事故。本文著力于此，綜述了國(guó)內(nèi)外堵漏封隔評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，用以為裂縫性地層堵漏規(guī)律和配方的先導(dǎo)性研究提供一定的參考和借鑒。

關(guān) ?鍵 ?詞：裂縫;漏封;綜述;堵漏規(guī)律

中圖分類號(hào)：TE 925 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）06-1301-04

Abstract： In oilfield production and development of oilfield， fractured formation will not only lead to serious mud leakage， but also cause oil， gas and water channeling in cementing process， resulting in insufficient return height， which will lead to downhole accidents. In this paper， the development trend of leak plugging and sealing evaluation technology at home and abroad was summarized， which could provide some reference for the study of leak plugging law and formula in fractured formations.

Key words： Fracture; Leakage seal; Summary; Leakage plugging law

縱觀當(dāng)下石油開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向，側(cè)重點(diǎn)也早已逐漸由常規(guī)油藏開(kāi)發(fā)到對(duì)非常規(guī)油藏的開(kāi)發(fā)，而就鉆井開(kāi)發(fā)上，也逐漸向低滲透、裂縫性（圖1）油氣藏邁進(jìn)，目前裂縫性儲(chǔ)層是世界上經(jīng)濟(jì)效應(yīng)較為良好的儲(chǔ)層類型之一[1]。然而，由于裂縫性地層所形成的滲流通道會(huì)對(duì)井底泥漿循環(huán)以及水泥漿固井施工產(chǎn)生不利影響，易造成工作液（鉆井液、修井液、水泥漿）在作業(yè)過(guò)程中滲入地層，進(jìn)而引發(fā)泥漿漏失、地層污染以及井漏等嚴(yán)重事故，而這類事故發(fā)生直接影響著最終油氣井采收率。其中，就井漏問(wèn)題而言，輕則造成泥漿漏失，生產(chǎn)率降低，重則造成井壁不穩(wěn)定、鉆桿卡死，抑或是導(dǎo)致災(zāi)難性事故（井噴、設(shè)備損毀）的發(fā)生。

為此，在這一背景下，必須要對(duì)裂縫性地層有著較為準(zhǔn)確的認(rèn)知，明晰漏失成因、縫寬以及具體的漏失機(jī)理。本文就動(dòng)態(tài)縫寬預(yù)測(cè)難點(diǎn)、漏層確定方法、防漏堵漏材料分類以及防漏堵漏評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)性地歸納綜述。旨在為裂縫性地層堵漏規(guī)律的探究、防漏堵漏材料的選擇提供一定的參考和借鑒。

左：人為裂縫性漏失 ???????????右：天然裂縫性漏失

圖1 ?裂縫性漏失類型

Fig.1 Fracture leakage type

1 ?原因及難點(diǎn)分析

由于受到開(kāi)發(fā)力度（增產(chǎn)處理、工作液的漏失等）及儲(chǔ)層應(yīng)力因素的干擾，儲(chǔ)層壓力會(huì)發(fā)生變化，在這一變壓環(huán)境下，縫寬也會(huì)隨井筒液柱壓力作用而不斷變化，正是處于這一實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境下，為儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)裂縫的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增加了極大難度，余繼平[1]等在這一觀點(diǎn)下也補(bǔ)充認(rèn)為儲(chǔ)層漏失引起的縫寬變化在一定程度上也與裂縫本身的復(fù)雜性有關(guān)，同時(shí)也認(rèn)為這也是動(dòng)態(tài)縫寬預(yù)測(cè)的核心要點(diǎn)。目前就儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)裂縫預(yù)測(cè)這塊，國(guó)內(nèi)外研究均較多，為了更好地了解國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)裂縫寬度預(yù)測(cè)方法的發(fā)展情況，這也凸顯了進(jìn)行防漏堵漏模擬試驗(yàn)的重要性，為此，常常需要在模擬評(píng)價(jià)裝置精確性、堵漏材料選擇等方面入手，通過(guò)室內(nèi)開(kāi)展準(zhǔn)確有效的堵漏模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，對(duì)堵漏材料進(jìn)行合理地優(yōu)選等工作，對(duì)于鉆井工作的順利進(jìn)行、安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

2 ?裂縫性漏失漏層位置確定方法

針對(duì)裂縫性地層漏層位置確定問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)多采用經(jīng)驗(yàn)法，依據(jù)量化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)總結(jié)規(guī)律，進(jìn)而判斷大致漏層點(diǎn)，故而準(zhǔn)確性過(guò)低，缺乏說(shuō)服力;國(guó)外常采用放射性測(cè)試儀、井溫測(cè)試儀等設(shè)備進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果準(zhǔn)確兼具科學(xué)性，但缺點(diǎn)也較為明顯，成本過(guò)高導(dǎo)致推廣困難。

2.1 ?觀察法

觀察法通過(guò)觀察鉆進(jìn)、鉆屑以及鉆井液的變化情況進(jìn)而判斷地層裂縫分布情況。當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩、鉆壓等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，間接反饋出地層下可能出現(xiàn)孔縫或空洞。

此外，上返巖屑的巖性及粒徑大小也能在一定程度上確定地下裂縫、孔洞的發(fā)育情況;而泥漿方面則能通過(guò)密度、黏度等參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的防漏預(yù)測(cè)。

2.2 ?環(huán)空摩阻法

由于鉆井過(guò)程中泥漿的漏失會(huì)引起環(huán)空摩阻降低，同時(shí)，立管壓力也會(huì)隨之發(fā)生改變，而這一變化的程度則能在一定程度上反映漏失點(diǎn)及漏失量的大小，通過(guò)結(jié)合泥漿進(jìn)出口流量，同時(shí)結(jié)合環(huán)空摩阻公式可計(jì)算出具體的漏失點(diǎn)位。

2.3 ?轉(zhuǎn)子流量計(jì)法

采用一個(gè)小型鉆子流量計(jì)所接單根電纜插入井內(nèi)，測(cè)量井內(nèi)流體隨深度的變化，流量的激增點(diǎn)則為漏失位置。

2.4 ?井溫測(cè)量法

通過(guò)利用泥漿在井下形成的地溫梯度變化情況來(lái)判定具體的漏失位置，由于漏失點(diǎn)所反饋的地溫梯度曲線會(huì)呈現(xiàn)出較為明顯的差異性，故而常以此確定準(zhǔn)確的漏失點(diǎn)。

2.5 ?動(dòng)液壓法

利用正循環(huán)注入過(guò)程中所測(cè)泥漿流量和漏失量同反循環(huán)洗井過(guò)程中泥漿變化量進(jìn)行對(duì)比，再通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算井漏位置。

2.6 ?傳感器測(cè)量法

利用傳感器在井內(nèi)緩慢移動(dòng)時(shí)有無(wú)液體通過(guò)從而向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)以判定是否處于漏失位置，為漏失點(diǎn)判定提供準(zhǔn)確參考。

2.7 ?熱電阻法

熱電阻法多采用電阻式溫度計(jì)，遵從溫度會(huì)使得任何導(dǎo)體的電阻發(fā)生改變這一基本原理。同傳感器測(cè)量法類似，若漏失點(diǎn)位于所下入的電阻測(cè)量?jī)x的下方，工作液的漏失達(dá)志電極處，則會(huì)向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)以此判定漏層位置。

2.8 ?放射性示蹤法

利用添加至泥漿中的失蹤劑來(lái)測(cè)定漏失前后的泥漿循環(huán)周期，以此計(jì)算兩個(gè)周期的時(shí)間差，同時(shí)配合泥漿進(jìn)出口流量來(lái)求得具體的漏失點(diǎn)。

3 ?防漏堵漏材料選擇

堵漏材料的選擇是鉆完井過(guò)程中不可或缺的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，堵漏材料性能的好壞直接影響著最終裂縫性地層的封固質(zhì)量。

（1）惰性纖維材料

惰性纖維材料的加入會(huì)在漏失地層中孔隙或裂縫處形成一種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的存在能在一定程度上減少固井過(guò)程中水泥漿的漏失。李玉杰[2]等采用纖維增韌水泥漿體系，在滿足工況要求的基礎(chǔ)上，在海32油層套管固井時(shí)，起到了較好的防漏堵漏效果，通過(guò)測(cè)井聲幅解釋，優(yōu)質(zhì)率均達(dá)到了100%。

（2）低密度填充材料

包含漂珠、空心玻璃珠、輕質(zhì)填料、泡沫低密度水泥等用以解決低壓易漏層的固井質(zhì)量問(wèn)題。王楚峰[3]等開(kāi)發(fā)了密度為1.1～1.2 g/cm3超低密度泡沫水泥漿體系，通過(guò)配合暫堵型前置液體系的使用，對(duì)沁水盆地南部的四口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)封堵試驗(yàn)，固井合格率100%，優(yōu)質(zhì)率在97%以上。張華[4]等，采用進(jìn)口3M玻璃微珠、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、高溫增強(qiáng)材料DRB-2S、高溫抗鹽外加劑、膨脹增韌材料DRE-300S等材料開(kāi)發(fā)出一種低密度高強(qiáng)高韌防竄水泥漿體系用以應(yīng)對(duì)西南油氣田鹽膏層超深井五探1井的嚴(yán)重漏失情況，通過(guò)進(jìn)行漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及對(duì)動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度的控制，有效解決了固井施工漏失情況，固井優(yōu)良，優(yōu)質(zhì)率99.8%。

（3）彈性材料

彈性材料可隨著井下壓力變化而擴(kuò)張和收縮，從而滯留于裂縫中形成封堵，主要用于低滲、細(xì)小孔道，可有效降低孔隙壓力傳播。閆睿昶[5]等通過(guò)于低密度水泥漿體系中加入彈性防漏堵漏材料應(yīng)以對(duì)巴48-31井的實(shí)際漏失情況，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，該體系能有效滿足產(chǎn)層壓力系數(shù)在0.3～0.4間低溫易漏層的固井要求，聲幅測(cè)井結(jié)果表明封固質(zhì)量?jī)?yōu)異。

（4）聚合物凝膠材料

該材料不受漏失通道的制約，可通過(guò)擠壓形變進(jìn)入裂縫中，具備較高的粘滯力及剪切稀釋力，或通過(guò)形成隔離凝膠段塞進(jìn)行地層隔斷封堵。王廣財(cái)[6]等自主開(kāi)發(fā)了一種凝膠復(fù)合防漏堵漏技術(shù)，該凝膠防漏體系可泵性良好，具有優(yōu)良的抗溫承壓能力，動(dòng)、靜態(tài)下均可在1～3 mm的縫寬中形成有效封堵，減少漏失量94.5%。董強(qiáng)偉[7]等在橋堵失敗基礎(chǔ)上，配制配方：25 m3水+5%膨潤(rùn)土+10%懸浮劑+12%成膠劑+10%堵漏劑+2%交聯(lián)劑+5%增強(qiáng)劑的化學(xué)凝膠堵漏配方體系。通過(guò)以橋堵漿為前置液，配合對(duì)凝膠的滯留效果，成功對(duì)工區(qū)JPH-377井漏失情況進(jìn)行了修復(fù)。Vikrant Wagle[8]等研制了一種新型納米防漏堵漏凝膠材料，通過(guò)選取特定的引發(fā)劑能有效控制膠凝封堵體系遞送至目標(biāo)區(qū)域，從而進(jìn)行特定層段封堵。

（5）復(fù)合型防漏堵漏材料

在上述封堵材料基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合使用，例如以石英砂和瀝青作為體系原材料，其功能主要是可以進(jìn)行橋漿堵漏架橋和形變充填，該法具有穩(wěn)定性好、耐溫性高，彈性好等特點(diǎn)。或有機(jī)復(fù)合凝膠材料、活性有機(jī)增韌 劑和活性無(wú)機(jī)膨脹增強(qiáng)劑。三種特殊材料的相互配合，可以精確的在漏層吸水膨脹，形成特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]。

3 ?防漏堵漏性能評(píng)價(jià)裝置

3.1 ?第一代堵漏評(píng)價(jià)儀

由漏斗、縫隙板、球閥、活塞及壓力源所組成的初代美國(guó)API靜態(tài)堵漏實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，可模擬評(píng)價(jià)不同壓力條件下防漏堵漏材料的封堵能力，主要針對(duì)不同縫寬和地層條件對(duì)堵漏實(shí)驗(yàn)效果的影響[10]。

該裝置主要是模擬固定裂縫寬度和大小來(lái)評(píng)價(jià)不同體系的堵漏能力。但該裝置有著本質(zhì)上的缺陷，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬，縫寬預(yù)測(cè)尺寸同實(shí)際尺寸存在出入。同時(shí)，該法無(wú)法進(jìn)行承壓試驗(yàn)，嚴(yán)重影響了漏失動(dòng)態(tài)模擬和堵漏材料的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，導(dǎo)致室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)堵漏效果的不一致性。

劉海軒[11]等在上述常規(guī)API堵漏實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上加裝夾持器、花板網(wǎng)格和填充物，其中填充物選取1～5 mm鋼珠或石英砂，同時(shí)還加以加壓閥桿和回壓閥桿以及氣源和升溫裝置。可快速監(jiān)測(cè)不同地溫條件下各種鉆井液或堵漏漿或堵漏劑的封堵能力、封堵效果、模擬地層承壓能力和破裂壓力。

蘭林[12]等所研制的動(dòng)態(tài)縫寬堵漏儀的模擬縫寬可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化調(diào)整，即縫寬可調(diào)，通過(guò)聯(lián)動(dòng)部件的推動(dòng)和下放來(lái)調(diào)節(jié)縫寬調(diào)整板之間的縫隙大小以模擬不同的裂縫尺度，該動(dòng)態(tài)縫寬堵漏儀還可以實(shí)現(xiàn)特定的縫寬模擬，且實(shí)驗(yàn)操作靈活、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

楊寬才[13]等針對(duì)現(xiàn)有堵漏試驗(yàn)儀普遍存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣以及復(fù)述性較差等問(wèn)題，自主研發(fā)出一種新型MP-DL中壓堵漏試驗(yàn)儀。該裝置能模擬1～4 mm條縫型或孔洞型漏失地層，縫板實(shí)際漏失面積為0.35～2.79 cm3，孔隙率1.8%～14.2%。

3.2 ?二代堵漏評(píng)價(jià)儀

二代堵漏評(píng)測(cè)儀在初代基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了裂縫面的形態(tài)、粗糙度等漏失通道特征。

N.Kaageson-Loe[14]等概述了一種包含容納模塊柱形容器、四個(gè)接收流體的高壓容器以及一臺(tái)裝載有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高壓裂縫堵漏評(píng)價(jià)裝置。其縫寬波動(dòng)小，各項(xiàng)壓力皆可獨(dú)立控制及測(cè)量，實(shí)驗(yàn)具備一定的重復(fù)性。

賀云超[15]等研制了一種模擬高溫高壓環(huán)境的可視堵漏儀，該設(shè)備在不需要人工干涉的情況下能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒壓、增減氣體壓力，不僅提高了壓力調(diào)節(jié)的精確性、穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性，且能有效節(jié)約人工成本。

李大奇[16]介紹了一種高溫高壓鉆井液漏失動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)儀，該設(shè)備試驗(yàn)溫度最高可達(dá)200 ℃，承壓區(qū)間為0～20 MPa，縫寬規(guī)格為1～10 mm。測(cè)定準(zhǔn)確度高。

褚奇[17]等研制了一種用以評(píng)價(jià)水平井堵漏效果的防漏堵漏評(píng)測(cè)儀，該裝置由水平缸體、模擬鉆具、鉆具位移驅(qū)動(dòng)泵、盛液罐、循環(huán)泵以及漏液接收器組成，評(píng)測(cè)表明其可有效模擬地層變溫環(huán)境，縫寬可調(diào)，可根據(jù)模擬漏失情況從而對(duì)堵漏配方進(jìn)行調(diào)整，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

4 ?結(jié) 論

通過(guò)系統(tǒng)且針對(duì)性地對(duì)堵漏評(píng)價(jià)進(jìn)行調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，目前絕大多數(shù)的室內(nèi)堵漏評(píng)價(jià)儀所選定的往往是固定的參數(shù)指標(biāo)，但實(shí)際地層鉆完井是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，故而這類設(shè)備無(wú)法對(duì)實(shí)際堵漏情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，進(jìn)而直接影響堵漏材料的合理選擇。現(xiàn)存問(wèn)題主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）著力于研制能有效模擬動(dòng)態(tài)堵漏過(guò)程的評(píng)價(jià)裝置。

（2）提升設(shè)備的裂縫開(kāi)度規(guī)格，涵蓋對(duì)微米和毫米級(jí)縫寬試驗(yàn)。

（3）提升更寬泛的溫度和壓力適用空間。

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