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严重井漏堵漏材料与技术应用

时间:2017-10-12 17:11 来源: 作者: 李智鹏 许京国
钻井作业期间发生井漏是一个非常棘手和麻烦问题,出现这种情形会使钻井作业面临很大的潜在危险。环空循环的泥浆脱离井筒、部分或全部进入地层被称作井漏。钻井作业过程中,钻井液或泥浆占去了总成本的 5~10%,因此任何的泥浆损失都会增加钻井 总 成 本, 甚 至 使 总 成 本 增 加 至25~40%,还会产生大量的非生产时间。此外,因井漏造成的有害影响如卡钻、井喷、昂贵的弃井事件都不应当忘记。当发生储层堵漏导致产量下降时,试油和试采出现的最低产量甚至都会归咎于井漏。最 近, 为 了 封 堵 大 的 裂 缝 漏层,人们使用化学活性的交联堵漏剂在井下高温高压环境下已显现出很好的堵漏效果。这些堵漏剂被交联剂、时间和温度所激活,在配制和设定恰当时,可以生成一种被形象为橡胶和海绵状的能顺应各种形状的物质,这种物质呈现出了一种良好的封堵效果,经过酸处理可以很容易地除去堵塞,这种材料不会损害地层。

严重井漏现象
 
发生井漏最棘手的问题是钻遇天然裂缝地层,遇到这种地层可能会导致泥浆全部漏失,环空无泥浆返出。在钻遇空穴或大裂缝时常常由于裂缝太大,常规堵漏材料往往无法封堵住漏层;因使用常规堵漏材料造成地层伤害则是另一个关注点。许多大的石油公司投资研究不同的解决方法,改进一些错误且损害储层的堵漏方法。治愈严重井漏的新方法是向漏层设置堵塞,堵漏浆在封堵漏层时会产生胶化或固化,与传统堵漏材料不同,可固化浆液的主要好处是不会堵塞钻头喷嘴,能够渗入或浸入各种宽度的裂缝。在堵漏浆离开井筒漏入地层时,由于流速的减慢,堵漏浆应当会迅速胶化,形成凝胶,如交联聚合物。应用水泥塞水泥塞设计用来封堵漏层,水泥浆渗入或挤入漏层、凝固和封堵地层空隙或裂缝,水泥浆也会填塞部分裸眼井段。如果水泥塞封堵失败,也可考虑其它选择。对于钻井承包商来说,堵漏是代价高昂的工艺,不但钻井液漏入地层,还可能耗费大量时间,如起下钻、侯凝等,同时,处理井漏还会花费大量资金投入。

活性剂(黏性物质)
 
被称为黏性物质的 Gunk 是一种柴油、斑脱土和水的混合物,水使混合物膨胀。水会在最后阶段加入。许多活性反应剂采用双注入液形式,实际过程中使用两种液体,活性液以高排量经钻具泵入,而第二种反应液以同样的高排量从环空注入,两种液体的交界面设计在漏层附近相遇,这种交界面的湍流或紊流使两种流体混合,通常会迅速形成粘性和胶性的固体物质,通常被称作“gink”,在环空加压,将固体物质挤入漏层。Gunk 是一种用柴油与斑脱土配制的高浓度混合物,这种流体与水混合时会产生水合作用,形成一种硬塞。Gunks 有一些缺点,第一有时很难将其注入正确的位置;第二柴油的使用对环境是不友好的,可能会违反环境法规。

交联聚合物凝胶
 
交联又称作交叉耦合,它的简单定义是:两种独立或不相干的聚合物链,通过缚住或连接两链进行的重新分组耦合,形成交联剂。配制时这种处理剂经过交叉链接被激活,形成一种被描述为像橡胶、海绵和能顺应各种形状的物质,如图1 展示的是交联聚合物凝胶。
 
终凝时间被定义为液体呈现为硬的粘弹性物质时所需的时间,这就是聚合复合物达到最大切变强度的时间。 根据漏层深度和井底温度,通过采用缓凝剂或加速剂,凝固时间是完全可控的。对于大的天然裂缝或海绵状地层发生的井漏,交联聚合物已被设计为一种混合物,由高分子量交联聚合物、交联剂和中粗纤维堵漏材料组成。随着时间和温度的激活,混合物形成一种软到中硬、类似于橡胶的、顺应形状的海绵状的固体凝胶。对于井底钻遇天然裂缝或海绵状漏层时,可以采用直接植入的方法将聚合物注入漏层,堵漏浆脱离钻头后要求迅速凝固。设计用于天然裂缝或海绵晶簇状漏层的聚合物在堵漏剂预混时加入交联剂,并进行良好的搅拌。像交联聚合物一样,混合搅拌需在同一时间进行。
 
对于诱发性裂缝或地层基质漏层,如大范围微裂缝地层或渗透性地层,交联聚合物体系已重新设计为最大的渗透能力和更高的强度。遇到这种情况,混合物包括中等分子量交联聚合物和细纤维材料,当加入生物高聚物和以交联剂、时间和温度于一体激活时,会生成一种中到硬强度、橡胶似的、顺应裂缝形状的堵塞。
 
较小颗粒分布的桥接材料增强了交联聚合物堵漏浆渗透进毛细孔穴或诱发性裂缝漏层的能力。压力是另一个能影响聚合物凝固时间的因素,较高的压力会缩短聚合物体系的凝固时间,会使其更快的形成凝胶。最有效的凝胶堵塞对应的配方具有最高的粘弹性质(涉及凝胶的浓度)和切变强度。如果我们考虑两板之间宾汉流体的流动,为的是模拟封堵液侵入裂缝,会看到墙壁上的切变应力最大。描述墙壁方向切变应力的方程, τ wall ,沿裂缝长度单位和裂缝宽度,w 是:为了确保有效堵漏,墙壁上的切变应力必须不超过屈服应力。屈服应力越高,能被凝胶支撑的压降值就越高。采用聚合物封堵裂缝开口可能导致不成功的其它因素还包括 pH 值、盐浓度及聚合物的比例/浓度等,这些属性应当与目标地层一致或兼容。

一种剪切敏感的
 
堵漏液(SSPF)SSPF 是一种设计研发的快速胶化堵漏液,它能在正常钻井作业中在其通过井底钻具组合(BHA)后迅速胶化,形成一种固体,治愈严重泥浆漏失。SSPF 由一个单一“松散”或“剪切敏感”的逆乳液(油包水型乳化)组成。“松散”或“剪切敏感”这个术语定义的意思是所制的乳液对高剪切力具有一定程度的不稳定性。正是这种不稳定乳液被用来创造新的技术。
 
SSPF 是从封装的交联剂在连续的油基液和水相中水溶性高分子环境下制备而成。乳化液是通过一种低浓度的亲油性表面活性剂或乳化剂来维持的, 在这种 “松散” 状态下,交联剂的表面被油弄湿并留在油相中,尽管水滴很大,表面活性剂能在水滴周围形成良好的曲率。从油相到水相交联剂出现最小的转移或迁移。 如图 2 所示, 高剪切变形前 “松散”乳液的状态。
 
为了利用这种新乳液技术,必须获得最小的剪切门槛,以激发两种活性粒子或组分的化学反应。上面介绍的 SSPF 在穿过小孔、压降大于 2.76MPa 时,“松散的”逆乳液会经历非常快速的变形,当乳液被注入井下经过钻头时,所经历的高剪切力会引发乳液的界面膜破裂,使乳液急速转变成一种更稳定的直接状态(水包油)。在这一点上,乳液反转使交联剂变成现在的水连续相,引发或触发交联反应。如图2 所示。
 
这次触发事件后的 30 秒到 30分钟之间,液体交联形成一种坚硬的凝胶结构,交联凝胶的快速定型使凝固时间几乎与温度无关。SSPF是一种无水泥的、低固相的流体,具有与许多钻井液一样的流变性能,因此,这种流体容易进入高渗透性地层或漏层。急速转变的乳液在展现出任何凝胶化特性之前很快渗入漏层,在选定凝胶的凝固时间后,预计凝胶已将漏层封住,可以继续进行正常钻进。
 
在中东一口 8  1 / 2 ′ 井眼 1,540~1,589m 的一段裂缝地层,这种材料的应用就是其中一个成功案例,漏失量超过 114m 3 /hr.,盲钻持续至 1,591m, 打 水 泥 塞 不 成 功,12.7m 3 SSPF 堵漏液以 1.35m 3 /min的排量被替入井下,跨越钻头喷嘴产生的压降达 3.4MPa,完整的替换作业完成后很快看到了稳定的泥浆返出,最后 9.5m 3 SSPF 堵漏液以0.69MPa 的压力挤了 7 分钟。上提钻具一个单根,停泵,井筒静止 60分钟,测到的漏失量为 19m 3 /hr.,漏失率降低了 80%,最后,一次水泥塞堵住了漏层。图 3 展示了堵漏的效果对比。

交联水泥
 
交 联 水 泥(Cross linkedCements 简称 CC)可以帮助临时封堵极端井段,这种井段由于极严重井漏使钻井完井作业很难顺利完成。作为普通水泥浆,CC 是一种水泥与裂缝材料结合混在凝胶液中的混合浆液。在井下环境中,CC 能获得非常好的交联裂缝堵漏液的特点,并能达到快速一次将堵漏液安置到位的效果。堵漏后可用一种简单的盐酸处理方法去除,恢复储层原有的渗透率。CC 在交联之前有一种宾汉流体的形态,而其在交联形态上的变化类似于一种携砂压裂液。
 
使用 CC 的一个范例是在阿根廷 的 内 乌 肯 盆 地。 这 个 油 田 施 工的几口井都出现了严重井漏,由于漏层位于非储层井段,因此选择了RCC(强力交联水泥浆),钻具下至漏层下方 15m,一个搅拌罐中准备了 4m 3 胶化水,是通过向水中加入千分之 35 的凝胶剂配成的,并让其水合 15 分钟;另一个搅拌罐装着所需的伴有 1.2% 缓冲液(通过凝胶体积算出的)的淡水,搅拌 10 分钟后, 加入 0.8% 交联剂、 0.2% 防泡剂,最后,需要准备的 4m 3 A 级水泥浆被添加进去,胶化水和配制的浆液以 0.5m 3 /min 的排量被分别泵入,两种流体沿排出管线混合和交联,用 1.1m 3 水作为前置液冲洗,然后用 0.8m 3 水替堵漏浆,接着泵入泥浆。上提钻具,观察堵塞顶部和堵漏效果。3 小时等待后,重获循环,继续进行钻井作业,此次堵漏使钻进持续至设计井深。

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