非渗透封堵钻井液技术系列化研究与应用
时间：2023-04-21 20:45:03 来源：千叶帆 本文已影响人
李鹏程
（大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆 163000）
通过原理分析，结合室内实验，优选复合非渗透封堵剂的组成材料。通过研究，优选由植物纤维和矿物纤维组成的复合纤维作为结构材料，优选超细碳酸钙作为填充材料。再根据组成材料的不同细度，制作成三种不同型号的复合非渗透封堵剂。利用可视圆筒砂床堵漏仪，模拟不同渗透率孔隙大小的地层，完成地层孔隙匹配性实验。
不同尺寸的纤维自身具有搭桥成网作用，配合不同级配固相颗粒的填充特性，形成纤维封堵体系。
1.1 “架桥”作用[1]
当桥接堵漏材料通过孔隙通道时，首先在其凹凸不平的表面及狭窄部位（喉道）产生挂阻“架桥”，形成桥堵的基本“骨架”。研究表明，利用不同长度尺寸的纤维进行组合来形成桥堵骨架可以封堵一定开度的孔隙通道，增加形成桥堵的机会。
1.2 充填和嵌入作用
纤维架桥作用后形成了阻塞孔隙通道的基本骨架，这时，体系中较细的颗粒材料对基本骨架中的微小孔道和地层中原有的小孔道进行逐步充填和嵌入，在压差的作用下慢慢压实，形成堵塞隔墙，从而达到消除漏失、提高液柱承压能力的目的。
1.3 渗滤与拉筋作用
纤维封堵体系在压差的作用下失水形成滤饼，并被挤入漏失通道，而纤维材料被夹在滤饼中，起到强有力的拉筋作用[2]。这种含有拉筋的滤饼与基本骨架和充填嵌入材料共同在漏失通道中形成塞状封堵垫层，增强了堵塞效果，提高了液柱承压能力。
2.1 填充材料优选
复合非渗透封堵剂中可选填充材料主要有超细碳酸钙和滑石粉两种，对这两种材料进行了室内分散、沉淀实验，实验数据如表1所示。
表1 超细碳酸钙和滑石粉的分散沉淀数据
表1是在其他堵漏剂成分保持不变的条件下，随着超细碳酸钙和滑石粉的加量不同，分散、沉淀率的数据变化情况。由表中数据可以得出随着超细碳酸钙加量的增加，其分散率变小、沉淀率增大，但是变化率很小；
随着滑石粉加量的增加，其分散率变小、沉淀率增大，且变化率较大，特别是在加量达到4%时，沉淀率增加了86.6%。因此，当滑石粉作为封堵材料时，其一部分会沉入罐底，导致封堵剂利用率大大降低。由实验优选出超细碳酸钙作为填充材料的首选。
2.2 结构材料优选
植物纤维属于有机纤维，具有塑性大、脆性小等优点，但其缺点是刚性不足，而矿物纤维有刚性大、脆性大等特点，二者以一定比例混合，可以弥补二者的不足，更好的形成结构骨架。
为了证明该结论，选择植物纤维、矿物纤维和二者的复合纤维进行承压对比实验。实验选取120 目植物纤维、120目矿物纤维、二者复合纤维，加入同等量的超细碳酸钙，配置膨润土浆。采用可视圆筒砂床堵漏仪，在40～60目石英砂床的孔隙环境下，不断增加压力，直至实验浆全失，比较压力值。实验数据如表2所示。
表2 植物纤维、矿物纤维、复合纤维土浆全失实验
从实验数据可以看出，复合纤维承压能力要强于植物纤维和矿物纤维，优选复合纤维作为非渗透封堵剂的结构材料。
原有的非渗透封堵剂（非渗透封堵剂Ⅰ型）尺寸适用于高渗地层，对小孔隙地层区块封堵效果差。改进非渗透封堵剂主体思路：在保持特殊聚合物含量不变的前提下，根据不同固体颗粒的粒径尺寸和柔性纤维的长度等因素，组成不同型号的非渗透封堵复合材料，针对不同石英砂床孔径的条件进行封堵实验，优选不同型号的非渗透封堵材料，使其能够有效封堵不同孔隙大小的地层。具体非渗透封堵剂材料组成如表3所示。
表3 非渗透封堵剂型号及组成材料
配置膨润土基浆，并分成4 份，向其中的3 份膨润土基浆中分别加入2%的复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）、复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）、复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）。将配置好的4份实验浆做砂床模拟封堵实验。实验采用可视圆筒砂床堵漏仪。
（1）针对20～40目石英砂床的孔隙，做封堵模拟实验，压力调至1.5MPa，稳压30min观察实验情况。实验情况如图1所示，实验数据如表4所示。
图1 20～40目石英砂床模拟封堵实验
20～40目石英砂床属于模拟高渗地层，根据表4的数据可以看出，复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）砂床侵入深度最小，相比复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）和复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）封堵效果最好。
表4 20～40目石英砂床模拟封堵实验数据
（2）针对40～60目石英砂床的孔隙，进行模拟封堵实验，压力调至1.5MPa，稳压30min观察实验情况。实验情况如图2所示，实验数据如表5所示。
图2 40～60目石英砂床模拟封堵实验
40～60目石英砂床属于模拟中渗地层，根据表5的数据可以看出，复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）砂床侵入深度最小，相比复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）和复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）封堵效果最好。
表5 40～60目石英砂床模拟封堵实验数据
（3）针对60目以上石英砂床的孔隙，进行模拟封堵实验，压力调至1.5MPa，稳压30min观察实验情况。实验情况如图3所示，实验数据如表6所示。
图3 60目以上石英砂床模拟封堵实验
60 目以上石英砂床属于模拟低渗地层，根据表6的数据可以看出，复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）砂床侵入深度最小，相比复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）和复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）封堵效果最好。
表6 60目以上石英砂床模拟封堵实验数据
根据实验结果，针对渗透率不同的地层，选择不同型号的复合非渗透封堵剂。复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）对高渗地层封堵效果最好，复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）对中渗地层封堵效果最好，复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）对低渗地层封堵效果最好。
4.1 区块非渗透封堵剂选型方案
针对今年施工的钻井区块，结合地质资料，根据区块地层特点采用不同型号的非渗透封堵剂，形成非渗透封堵钻井液技术系列化。
4.2 现场应用方案
现场非渗透封堵剂加量为每口井3t，使用层段为加重后至完钻。具体加法为：在加重后调整好钻井液性能，一次性加入非渗透封堵剂2t。为保持钻井液内封堵剂的有效含量，加重后在钻进中陆续进行补充，完钻前补充完1t非渗透封堵剂。
截止10 月份，在公司共计应用80 口井，其中采油一厂、采油二厂、采油三厂、采油六厂区块共计应用22口井，采油四厂、采油五厂、采油七厂、采油九厂区块共计应用52 口井，采油八厂、榆树林区块应用6 口井。2020 年易漏区井漏共计6 口井，2021 年易漏区井漏共计3口井，易漏区井漏发生率降低50%。固井优质井段比例为97.05%，相较2020年91.77%提高了5.28%。
（1）优选超细碳酸钙作为填充材料。在实验环境下，随着超细碳酸钙含量的增加，其分散率变小、沉淀率增大，但是变化率很小。
（2）优选由植物纤维和矿物纤维混合形成的复合纤维作为结构材料。复合纤维能克服植物纤维刚性小、矿物纤维脆性大的缺点，作用时能更好的建立强度大、塑性大的网状结构。
（3）复合非渗透封堵剂（Ⅰ型）对高渗（孔隙大小20～40 目）地层封堵效果最好，复合非渗透封堵剂（Ⅱ型）对中渗（40～60目）地层封堵效果最好，复合非渗透封堵剂（Ⅲ型）对低渗（60目以上）地层封堵效果最好。
（4）针对孔隙大小不同的地层，选择不同型号的复合非渗透封堵剂，形成非渗透封堵钻井液技术系列化。通过现场应用情况，井漏发生率较去年有明显的下降，固井优质井段比例较去年有明显的增加。
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