第31卷第1期 2014年1月 钴井 液与 完井液 DRILLING FLUID&COMPLETION FLUID Vo1.3l NO.1 Jan.2014 doi:10.3969 ̄.issn.1001—5620.2014.O1.011 塔河油田顺西2井二叠系火成岩裂缝性地层堵漏技术 陈曾伟, 刘四海, 林永学, 刘修善, 李大奇 (中国石化石油工程技术研究院,北京) 陈曾伟等.塔河油田顺西2井二叠系火成岩裂缝性地层堵漏技术[J]_钻井液与完井液,2014,31(1):40—43. 摘要 顺西2井是位于塔里木盆地顺托果勒区块南部断背斜构造的一口重点超深探井。顺西2井三开钻遇的二叠 系火成岩厚度达316m,纵向裂缝发育,地层破碎,钻进时多次发生井漏,先后使用桥接、低密度水泥浆等堵漏11次, 堵漏效果不佳,重复漏失严重。针对该井建立了井壁纵向裂缝力学模型,通过定量分析得出,该井段封堵成功的关键 在于在裂缝内形成致密坚硬的封堵墙,分隔井筒和裂缝内的流体压力。因此采用了高强度桥接颗粒、可变形桥接颗粒、 高强度纤维材料,优化了粒径搭配,提高了堵漏材料在裂缝内的架桥效果;同时通过加入化学交联固结材料HDL一1, 将憋挤嵌入裂缝的架桥材料胶结成为高强度的致密封堵墙,并将火成岩裂缝带的破碎岩体紧密胶结,防止发生剥落掉 块导致的裂缝通道重新裸露问题,从而提高了裂缝带的承压能力和抗反吐能力。该井采用高强度交联成膜堵漏技术进 行堵漏和承压作业后,地层的承压能力得到了提高,裸眼承压能力当量密度由不足1.15 g/cm 提高到了固井要求的1.55 g/cm ,达到了井筒强化的目的。 关键词 塔河油田;裂缝;堵漏;化学交联固结;承压堵漏 中图分类号:TE282 文献标识码:A 文章编号:1001—5620(2014)01.0040—04 0 引言 结,避免发生剥落掉块导致裂缝通道重新裸露问题。 施工完成后,裸眼段承压当量密度达到设计要求的 塔河油田二叠系由于存在裂缝性地层或渗漏性地 1.55 g/cm3,达到了井筒强化的目的。 层漏失,同时地层压力复杂[】],因此承压堵漏技术成 为钻探的关键技术之一[2-3]。另外套管鞋处地层也较 1地质及工程简况 为薄弱,破裂压力梯度较低【4]。目前采用的桥浆、水 泥浆及复合堵漏的方式进行的承压堵漏效果不够理 1.1地质简况 想,一次成功率较低,堵漏施工周期较长,导致钻井 顺西2井是位于塔里木盆地顺托果勒区块南部 成本较高[5 】。可固化堵漏材料能够解决桥堵等存在 断背斜构造的一口重点探井。以志留系下统为主要目 的问题 】,还需要进一步提高堵漏浆在高漏失压差条 的层,兼探二叠系火成岩及石炭系,探索各目的层段 件下的滞留性和封堵强度。 储层发育特征、横向展布规律及含油气性。该井三开 顺西2井三开钻遇的二叠系火成岩纵向裂缝发 钻遇二叠系上中统阿恰群,二叠系自上而下分为上碎 育,二叠系的漏失压差较大。通过井筒强化的岩石力 屑岩段、火成岩段和下碎屑岩段,其中火成岩井段较 学分析,形成了加压憋挤封堵并固化裂缝的策略,对 长,达316 m(3 709~4 025 m)。岩性上部为灰色、 裂缝封堵形成的封堵墙提出了强度、致密性等物理力 深灰色凝灰岩、凝灰质细砂岩,中下部为英安岩。火 学性能要求。采用高强度交联成膜堵漏技术对二叠系 成岩段发育开口直径大小不同的裂缝,二叠系火成岩 和套管鞋进行堵漏和承压作业,不仅在裂缝内形成了 取心,心长2.33 m。火成岩纵向裂缝发育,裂缝长度 高强度的封堵墙,而且使火成岩破碎带的岩体紧密胶 为1.45 m,缝宽达到2~5 mlTl。 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目“深井复杂地层漏失与井壁失稳机理及预测”(2010CB226705)、国家 十二五重大专项“海相碳酸盐岩大中型油气田分布规律及勘探评价”(2011ZX05005-006)资助。 第一作者简介:陈曾伟,工程师,2010年毕业于北京大学,现在主要从事钻井井筒强化的理论及现场技术服务工作。地址: 北京市朝阳区北辰东路8号北辰时代大厦1O层;邮政编码100101;电话(010)84988198;E-mail:chenzw.sripe ̄}sinopec.corn。 第31卷第1期 1.2工程简况 陈曾伟等:塔河油田顺西2井二叠系火成岩裂缝性地层堵漏技术 < 4l (1) 顺西2井三开采用4,215.9 mm钻头从井深3 705 式中, 为I型裂缝尖端应力强度因子,MPa・m ; 为岩石的I型断裂韧性,MPa・m 。 m钻至井深5 785 m,下人西177.8 I13I/1油层套管。 该井三开套管鞋处(井深3 705 m)为上碎屑岩段的 砂泥岩,地层较为薄弱,地破实验得到的地层破裂 压力梯度为1.50 g/cm 。三开在二叠系火成岩破碎带 钻进时,分别在井深3 810 m、3 951 m处发生井漏, 发生井漏时的钻井液密度为1.15 g/cm ,进行过桥塞 堵漏,暂时恢复钻进。 钻穿火成岩地层后,在火成岩下部地层钻进时发 生6次井漏,漏失层位仍为二叠系。先后进行了桥接、 低密度水泥承压等累计l1次的堵漏作业,虽然能够 恢复钻进,但是火成岩段封堵墙容易失效,频繁发生 重复漏失。在钻进至井深4 925 m时又发生失返性漏 失。根据三开固井要求,套管鞋处和二叠系承压能力 均需要达到1.55 g/cm 。 2承压堵漏技术难点 1)二叠系井段长达316 m,纵横向裂缝发育, 漏失通道大小差别大,堵漏浆容易沿着漏失通道较大 的地方漏失,而漏失通道较小的地方堵漏材料很难进 人,或仅少量进入,传统的堵漏方法难以达到一次封 堵和承压成功。 2)该井在三开套管鞋处地层较为薄弱,设计要 求套管鞋处和二叠系的承压能力当量密度达到1.55 g/cm。,超过了套管鞋处的地层破裂压力,二叠系漏 失压差较大,达16~17 MPa,对堵漏材料的抗压强 度有较高的要求,对井筒强化技术提出了很高的要求。 3)火成岩地层破碎,容易坍塌掉块造成裂缝重 新裸露,堵漏材料必须进入地层一定深度,且需要较 强的胶结地层能力,防止地层掉块。 3承压堵漏技术对策 为了研究井壁附近裂缝起裂和延伸的规律,国 内外学者建立了裂缝地层井壁岩石力学模型[8-91,可 以定量分析封堵墙的性能对裂缝扩展和井筒强化的影 响。模型假定岩石为均质各向同性的弹性材料,且裂 缝为I型张开断裂,诱导裂缝为无限大板内孔轴对称 垂直双翼裂缝,井壁纵向裂缝力学模型如图1所示。 根据线弹性岩石断裂力学,当裂缝尖端应力强度 因子小于地层岩石的断裂韧性时,裂缝停止延伸,即 裂缝的止裂条件为: 图1井壁纵向裂缝断裂力学模型示意图 计算无限大板内单翼缝长为 的拉伸裂缝尖端 应力强度因子的一般公式为: =一 √7【厶  ̄fOy(x,0)l【Lf一 J l dx (2) 式中, (X,0)为裂缝面上的法向应力。 封堵墙的致密性是通过影响裂缝内压力来影响封 堵效果的。如果封堵墙的致密性较好,裂缝内的流体 压力可以远低于井筒压力;如果封堵墙的致密性差, 裂缝内的流体压力则接近井筒压力。当封堵位置一定 时,裂缝内压力大小对裂缝尖端应力强度因子有明显 影响。 以顺西2井二叠系(水平最小主应力c『b为55 MPa)为例,计算了不同裂缝流体压力P 下,裂缝 尖端应力强度因子随裂缝长度延伸的变化规律。如图 2所示,Pf= 时,裂缝处于临界稳定状态;当Pf<crh 时, < ,裂缝稳定,不会发生进一步的断裂延 伸;当P >oh时, >xi ,裂缝将进一步断裂延伸, 且P 值越大, 值越大,裂缝延伸越快。 10 p 60MPa 8 蹇 p尸58MPa 区0 p 55MPa _2 p尸52MPa 礤_4 藤 2 3 4 裂缝长度佛简直径 图2不同裂缝内流体压力下强度因子与裂缝长度的关系 由图2可知,只有裂缝的封堵墙渗透率低才能分 隔井筒压力和裂缝压力,即P <ah时,才能阻止裂缝 的延伸,且该压力值越低,裂缝延伸长度越短。采用 传统的桥接堵漏方式时,堵漏颗粒之间存在缝隙,裂 缝与井筒之间流体连通性较好,P 与井筒压力接近; 采用水泥堵漏时,由于水泥固化时的收缩作用,与裂 缝壁结合不紧密,容易产生微裂隙,不利于压力隔离, 42 钻井液与 完井液 2014年1月 不利于裂缝的止裂和封堵的成功。 由此可知,该井堵漏和强化井筒的关键是利用密 2 1 +5%HDL一1 3 1 10%HDL.1 实的封堵墙的流体隔离作用,降低裂缝内的流体压力, 减小裂缝尖端断裂强度因子,使得裂缝不再扩展和延 伸。高强度交联成膜堵漏技术原理如图3所示,使用 配方 表1 交联成膜堵漏浆抗反排实验结果 泥饼磁cm 泥饼雌 gM Pa 不同粒径的高强度颗粒在裂缝内架桥,使用高强度纤 维在颗粒之间填充拉筋,最后使用化学交联固结材料 将颗粒、纤维和岩石本体紧密胶结固化,形成理想的 致密不渗透的封堵墙,既可提高封堵墙的稳定性和抗 反吐能力,又可以分隔井筒流体压力和裂缝尖端处的 流体压力,阻止裂缝的延伸,从而提高井筒承压能力。 图3高强度交联成膜堵漏技术原理示意图 4 堵漏与承压方法的室内实验 交联成膜堵漏是在桥接堵漏原理的基础上,使 用不同粒径的高强度抗高温桥接堵漏材料(GQJ1、 GQJ2、GQJ3、GQJ4、GQJ5)代替常规的桥接材料, 解决桥接堵漏抗温性能差、强度低的问题。将高强纤 维材料(SW-1、SW-2)引人配方,提高封堵墙的韧性。 将化学交联固结剂HDL一1引入高强度桥接堵漏配方 中,HDL一1是正电纳米级Ba.A1一Si材料,具有很高 的胶结固化强度,使得颗粒材料之间以及颗粒材料与 地层紧密胶结,以解决桥接堵漏易返吐、封堵漏失层 易反复漏失问题,形成了抗高压抗返吐的桥接堵漏技 术,即交联成膜堵漏技术。 由于顺西2井二叠系火成岩段裂缝发育地层破 碎,为了增强胶结破碎地层的效果,提高了化学交联 固结剂HDL一1的加量,交联成膜配方如下。交联成 膜堵漏浆抗反排实验结果如表1所示。 基浆井浆+2%高强度支撑剂GQJ—l+3%高强 度支撑剂GQJ一2+3%高强度支撑剂GQJ一3+2.5%高强 度支撑剂GQJ.4+3.5%高强度支撑剂GQJ一5+3%FST-1 +0.5%SW-I+0.5%SW-2+6%超细碳酸钙+l0%化学交 联固结剂HDL.1 1 基浆+30%不同粒径颗粒材料+0.5%粒径 为3 mm纤维 通过表1可以看出,单纯的桥堵配方(1 配方) 的正向承压能力较低,特别是抗反排能力仅为0.35 MPa;2 配方正向承压能力由7.2 MPa提高到了9.1 MPa,抗反排能力也提升到了3.15 MPa;3 配方封 堵墙的正向承压能力提高到了13-3 MPa,抗反排能 力也提升到了5.43 MPa。 如图4所示,通过室内实验研究了封堵墙随时间 的变化情况。实验表明,封堵固结物在72 h内的强 度可以提高到20 MPa左右,能够满足高漏失压差条 件下对封堵墙强度的要求。 25 20 l5 lO 5 O 如 图4高强度交联成膜堵漏封堵强度实验 5现场施工效果 顺西2井堵漏采用交联成膜堵漏浆填充整个裸眼 井段(3 709~5 340 m),堵漏浆出钻具后井口返浆 正常,然后使用井口加压憋挤的方法诱导井壁裂缝张 开,最高加压12.7 MPa,共挤进地层11.24 m。堵漏浆, 颗粒和纤维材料在裂缝内形成高强度架桥,堵漏浆进 入裂缝一定深度,并形成高强度、高致密性的胶结封 堵墙。憋挤结束后关封井器,自然泄压后开井口,下 光钻杆循环筛除堵漏材料后,对整个裸眼段进行了试 压,试压达8.2 MPa,压降为0.4 MPa/30 min,折合 地层承压当量密度为1.55 g/cm ,达到了设计要求的 承压值,满足了后续施工的要求。 6 结论 1.封堵墙的渗透性对能否阻止裂缝的延伸、延展 第3l卷第l期 陈曾伟等:塔河油田顺西2井二叠系火成岩裂缝性地层堵漏技术 43 起着关键的作用,如果封堵墙的致密性较差,封堵墙 就无法起到分隔井筒压力和裂缝内压力的作用,通过 分析计算可知,裂缝会扩展,导致堵漏墙容易失效, technology for S 1 05 well in Tahe Oilielfd[J].Petroleum Drilling Techn却ues,2004,32(2):65.66. [4】马玉芬.塔河油田盐上地层承压堵漏工艺技术[J].钻采工 艺,2005,27(2):lO4—1O5. Ma Yufen.High pressure circulation lost techniques for 漏失会重复发生。传统的桥接和水泥堵漏均存在着致 密性不好、裂缝内压力和井筒压力分隔较差的问题。 2.该憋挤堵漏工艺在承压堵漏时,通过憋挤方式 salt beds in the Tahe Oilifeld[J].Drilling&Production Technology,2005,27(2):104.105. 使得裂缝张开,堵漏材料挤入、支撑裂缝,并在井筒憋 压条件下胶结固化,有助于增加裂缝的抗张强度,从而 [5】赵炬肃.塔河油田盐下探井三开长裸眼井壁稳定问题的 探讨[J].钻井液与完井液,2005,22(6):69.72. Zhao Jusu.Research on wellbore stability of third opening 增加裂缝重新开启的压力。 and long naked hole in the Yanxia exploration well[J1. 3.高强度交联成膜堵漏技术对井筒强化的效果较 好,形成的封堵墙满足强度、致密性等要求,可以在 Drilling Fluid&Completion ,2005,22(6):69—72. 高漏失压差下封堵裂缝,并提高了井筒的承压能力, 使得裂缝地层和薄弱地层的井筒得到强化。 参考文献 J].石油钻采工 [1] 孙明光.塔河油田盐上裸眼承压堵漏技术[艺,2007,29(4):91-94. Sun Mingguang.Pressure sealing technology of open holes [6]刘庆来,何振奎,蒋建宁,等.塔河油田沙l16井钻井 液技术[J].钻井液与完井液,2006,23(1):47.50. 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