水力尖劈裂缝堵漏固井技术研究及应用

罗宇维 朱江林 熊绍春 艾武昌 陈 良 肖 伟 王金星

(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部 河北三河 065201)

水力尖劈裂缝堵漏固井技术研究及应用

罗宇维 朱江林 熊绍春 艾武昌 陈 良 肖 伟 王金星

(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部 河北三河 065201)

高温高压、非常规套管结构井环空间隙小、安全压力窗口窄，固井时易发生水力尖劈裂缝漏失。传统裂缝堵漏评价仪不能真实模拟井下的堵漏效果，所选取的水泥浆堵漏材料对于水力尖劈裂缝的堵漏效果差。研制了新型动态裂缝堵漏评价仪，依托该评价仪优选出新型水力尖劈堵漏材料，并制定了配套固井工艺，成功解决了中国南海莺琼盆地高温高压、非常规套管结构井固井水泥浆漏失的问题。本文研究成果已成功应用于南海高温高压井、深水井、东海超深井等10多口窄压力窗口井的固井作业，有效解决了窄安全压力窗口固井的水力尖劈漏失难题，具有较好的推广应用价值。

窄压力窗口；水力尖劈裂缝；漏失；动态裂缝堵漏评价仪；堵漏材料；固井

传统的固井水泥浆堵漏能力评价方法主要是割缝板法和砂盘法[2-3]。这2种堵漏评价装置的特点是缝宽或孔喉直径固定，与环空液柱压力大小无关。而实际地层破裂后，液柱压力越大，裂缝宽度越大，反之则越小，即裂缝宽度是动态变化的。动态裂缝内的水泥浆随着井内压力的波动会反复“吞吐”动态漏失[4]，因此，传统方法评价水泥浆的堵漏能力虽有一定的参考价值，但不能真实模拟地层的堵漏效果，时常发生室内评价堵漏效果很好的堵漏水泥浆在施工后地层漏失依旧存在的现象。传统的水泥浆堵漏材料主要是坚硬的大粒径架桥材料和软性缠绕纤维的复合材料[5-6]，其缺点是：颗粒大，容易堵塞窄环空间隙；水泥浆黏稠，摩阻大，容易憋漏地层；大颗粒复合材料附着在裂缝口附近，在裂缝“一张一合”的“吞吐”作用下容易反吐出来，尖劈裂缝的堵漏可靠性差。

针对上述堵漏评价方法和堵漏材料存在的问题，研发出了一种动态模拟水力尖劈裂缝堵漏的新型评价仪，并依托该评价仪优选出了新型水力尖劈堵漏材料及配套固井工艺。该研究成果已在我国南海莺琼盆地A井取得成功应用，并推广应用到南海高温高压井和深水井、东海深井和超深井窄压力窗口10多口井的固井作业中，有效解决了窄安全压力窗口泥砂岩地层固井的水力尖劈漏失难题，具有较好的推广应用价值。

1 新型动态裂缝堵漏评价仪的研发

新型动态裂缝堵漏评价仪的设计思路是通过正压和背压的相互交替作用，模拟地层裂缝的“呼吸效应”，达到裂缝动态变化的效果，其主要目的是让整个试验结果更真实地反映地层漏失状态，较常规固定裂缝宽度的仪器试验结果显得更具科学性。

1.1 结构组成

图1是模拟地层裂缝大小随井内液柱压力动态变化的新型动态裂缝堵漏评价仪结构图，该评价仪主要由传动装置、供压装置、调节机构和计量装置组成。

图1 新型动态裂缝堵漏评价仪结构Fig .1 Structural of dynamic crack sealing device

传动装置由锥塞、连杆、活塞组成，上部锥塞位于漏失腔体内，通过能够上下运动的连杆将活塞伸入到驱动腔体中。供压装置由氮气源、调压阀、压力表组成，压力源通过驱动压入口输入至驱动腔体，作为活塞向上运动的驱动压，模拟地层破裂压力，压力源经由测试压力阀和节流器联通堵漏浆腔体，模拟液柱压力。调节机构，即螺杆，上端位于驱动腔体中，在供压装置未供压情况下与传动机构的活塞下部接触，通过调节活塞运动行程的下限模拟尖劈裂缝喉道最大间隙，获得裂缝张开后的最大环形漏隙。计量装置，即量筒，测量由漏失腔体的漏失液出口流出的液体体积。

1.2 工作原理

1) 水力尖劈裂缝封堵原理。如图2所示，当井内液柱压力p1大于地层破裂压力p0时，发生水力尖劈裂缝，如果堵漏材料封堵良好，则封堵材料后面的缝尖处压力p2因液柱压力无法补充而降低。当p2

图2 水力尖劈裂缝封堵示意图Fig .2 Schematic diagram of hydraulic fracture sealing wedge

2) 新型动态裂缝堵漏评价仪工作原理。当堵漏浆腔体压力大于驱动腔体压力时，联动机构在压差作用下向下运动，环形漏隙打开；漏浆后，压差变小，联动机构向上运动，漏失缝宽变窄；变窄后压差变大，联动机构又向下运动，环形漏隙如此“一张一合”直至堵漏浆完全堵住或完全漏完。如果堵漏浆的堵漏效果好，则堵漏浆腔体和漏失腔体的压差大，漏失量少；反之，则压差为零，浆体全部漏失。

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1.3 试验程序

1) 水力尖劈裂缝喉道设定。根据测试要求的最大环形漏隙调动来调节联动机构运动行程的下限，通常设定漏浆缝宽为0.5～1.0 mm。

2) 灌浆。断开测试压力阀，调节供压装置，模拟破裂压力为1 MPa，使联动机构在驱动压的作用下向上运动，漏隙宽度为零；将堵漏浆腔体的上盖卸下，注入堵漏浆后安装上盖。

3) 测试。接通测试压力阀，使来自供压装置的测试压在节流器的限速作用下逐渐输入至堵漏浆腔体中，模拟液柱压力。逐渐加大液柱压力，分别测试相同体积的堵漏浆在不同缝宽下的压差。

2 水力尖劈裂缝堵漏固井材料优选

水泥浆中常用的颗粒状堵漏材料有硬沥青、珍珠岩、核桃壳、炭黑，薄片状堵漏材料有赛珞玢，纤维状堵漏材料有尼龙(短纤维)。但是，在实际使用时存在各种问题，如使用硬沥青时井下温度不能超过100 ℃，而使用核桃壳类材料容易造成套管内堵塞等[7]。随着水泥浆漏失控制技术的发展，长纤维作为水泥浆堵漏材料逐渐崭露头角，并已大量应用于现场。常规的水泥浆通过与长纤维混合形成堵漏水泥浆体系[8-9]。该体系有以下特点：①在漏失地层中，长纤维有利于形成一种惰性纤维网状物，使循环恢复正常；在井底的裂缝处形成网状桥堵，有助于产生所需的滤网和相应滤饼；②纤维水泥浆适用于所有温度和水泥浆密度条件，与所有水泥浆添加剂和大多数水泥浆配方配伍；③长纤维属于惰性材料，在混浆槽中将纤维材料连续地添加到水泥浆中，容易分散，不会堵塞泥浆槽和流通管线[10]。

通过新型动态裂缝堵漏评价仪的反复模拟测试，优选出白色集束型纤维B62和颗粒级配堵漏材料B69。B62和B69封堵能力见表1，推荐加量:B62为0.4%～0.5%(BWOC)，B69为 2%～3%(BWOC)。

表1 堵漏材料B62和B69的动态裂缝堵漏效果Table 1 Dynamic crack plugging effect of B62 and B69 in lost circulation material

注:试验温度90 ℃，水泥浆密度2.20 g/cm3，基本配方为钻井水+API G级水泥+0.5%消泡剂+6%降失水剂+1%分散剂+1.7%缓凝剂+90%加重材料+35%硅粉。

由表1可以看出：混有B62和B69的堵漏水泥浆体系能有效封堵1.0 mm以下的动态裂缝，使得井筒承压能提高6.5 MPa以上。这是由于B62纤维材料类似于混凝土中的“钢筋”，其均匀分散到水泥浆中，具有较好的支撑和构架作用；同时水泥颗粒及堵漏材料B69被纤维所缠绕，进一步提升了浆体的内部结构力。另外，堵漏材料B62是由30～80目不同尺寸的颗粒材料组成，级配的颗粒能够较好地封堵裂缝根部，通过封堵水力尖劈裂缝的根部达到提高地层承压的目的，与传统的堵漏材料相比，不易堵塞窄环空，不易从裂缝中反吐，堵漏效果更可靠，有利于窄安全压力窗口的泥砂岩地层固井。

3 应用效果

中国南海莺琼盆地A井设计井深3 975 m，主要目的层压力系数为2.19～2.22，井底静止温度158℃，采用“φ762.00 mm套管+φ508.00 mm套管+φ355.60 mm套管+φ298.45 mm尾管+φ273.05 mm×φ250.83 mm复合套管+φ177.80 mm备用尾管+φ149.23mm备用井眼”的井身结构，如图3所示。其中φ273.05mm×φ250.83 mm复合套管井段与上层φ298.45 mm尾管重叠段长726 m，底部压力系数2.04。该井段压力窗口当量密度仅为0.18 g/cm3，套管下入后排量循环失返0.29 m3/min。

图3 南海莺琼盆地A井井身结构示意图Fig .3 Schematic diagram of Well A depth structure in Yingqiong basin,South China Sea

选取密度为2.2 g/cm3的水泥浆作为基本配方，在温度90 ℃及不同压力调节下利用本文研发的新型动态堵漏评价仪测定不同品种堵漏材料对裂缝堵漏的效果，优选出堵漏材料B69、B62。堵漏材料B69与硅粉、水泥一起干混，B62在注水泥时边混边泵；使用一体式扶正器，提高套管居中度；控制下套管速度，防止恶性漏失；套管双胶塞固井，泵入高效油基冲洗液和隔离液，低速混注水泥浆。监测数据表明：堵漏水泥浆出套管管鞋前漏失速度为7.15 m3/h；1.3 m3堵漏水泥浆出套管管鞋后漏失停止；胶塞碰压前泵压为6.05 MPa，与设计值6.10 MPa基本一致，水泥浆返至设计位置。固井后，地漏试验当量密度为2.27 g/cm3，与地质预测一致；环空套压为零；试压7 MPa条件下，环空液柱压力超出上层管鞋漏失压力3.5 MPa，稳压不漏，环空水泥封固质量良好。

随后该技术推广应用到南海高温高压井和深水井、东海深井和超深井窄压力窗口10多口井的固井作业中，有效解决了窄安全压力窗口泥砂岩地层固井的水力尖劈漏失难题。

4 结论

1) 研发了一种新型动态裂缝堵漏评价仪，该评价仪可有效评价堵漏水泥浆在水力尖劈裂缝宽度动态变化下的堵漏能力。依托该评价仪优选了复合堵漏材料B62和B69及配套固井工艺，成功解决了中国南海莺琼盆地高温高压、非常规套管结构井固井水泥浆漏失失返的问题。

2) 本文研究成果已在南海高温高压井和深水井、东海深井和超深井窄压力窗口10多口井的固井中取得成功应用，有效解决了窄安全压力窗口泥砂岩地层固井的水力尖劈漏失难题，具有较好的推广应用价值。

[1] 姚晓，周保中，赵元才，等．国内油气田漏失性地层固井防漏技术研究[J]．天然气工业，2005,25(6)：45-48． YAO Xiao,ZHOU Baozhong,ZHAO Yuancai,et al.Leak resistance techniques of thief zone cementing in domestic oil and gas fields[J].Natural Gas Industry,2005,25(6):45-48.

[2] LOW N,DACCORD G,BEDEL J P.Designing fibered cement slurries for lost circulation applications:case histories[R].SPE 84617,2003.

[3] 王德玉，蒲晓林，施太和，等.DL-1型堵漏试验装置及评价方法[J].石油钻采工艺，1996,18(5):44-48 WANG Deyu,PU Xiaolin,SHI Taihe,et al.Introduction and evaluation of mode DL-1 device for lost circulation control[J].Oil Drilling & Production Technology,1996,18(5):44-48.

[4] 胡玉国，袁继存.油井堵漏材料的应用[J].钻井液与完井液，2000,17(3):38-40. HU Yuguo,YUAN Jicun.Application of plugging materials for lost circulation in petroleum drlling[J].Drilling Fluid and Completion Fluid,2000,17(3):38-40.

[5] 赵正国，蒲晓林，王贵，等.裂缝性漏失的桥塞堵漏钻井液技术[J].钻井液与完井液，2012，29(3):44-46. ZHAO Zhengguo,PU Xiaolin,WANG Gui,et al.Bridge plug plugging drilling fluid technology of fractured leakage[J].Drilling Fluid and Completion Fluid,2012,29(3):44-46.

[6] WHITFILL D.Lost circulation material selection,particle size distribution and fracture modeling with fracture simulation software[R].SPE 115039,2008.

[7] 邹建龙，屈建省，吕光明，等.纤维水泥堵漏性能评价研究[J].钻井液与完井液，2007，24(2):42-44. ZOU Jianlong,QU Jiansheng,LV Guangming,et al.Laboratory evaluation of fiber cement in resuming lost circulation[J].Drilling Fluid and Completion Fluid,2007,24(2):42-44.

[8] EFFENDHY，JUNAIDI H,ABBAS R,et al.Fibers in cement form network to cure lost circulation[J].World Oil,2003,224(6):48-50.

[9] EL-HASSAN H I,ABBAS R,MUNK T.Using a novel fiber cement system to control lost circulation:case histories from the middle east and the far east[R].SPE 85324,2003.

[10] 余婷婷，邓建民，李键，等.纤维堵漏水泥浆的室内研究[J].石油钻采工艺,2007,29(4):89-91. YU Tingting,DENG Jianmin,LI Jian,et al.Laboratory research on use of fiber cement slurry to prevent lost circulation[J].Oil Drilling & Production Technology,2007,29(4):89-91. 收稿日期：2016-03-27 改回日期：2016-06-10

(编辑：孙丰成)

Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing

LUO Yuwei ZHU Jianglin XIONG Shaochun AI Wuchang CHEN Liang XIAO Wei WANG Jinxing

(COSLOilfieldChemicalsDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

High temperature and high pressure (HTHP) wells with an unconventional casing program have a small annulus and a narrow safety window, and are likely to incur lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing. Conventional fractural lost-circulation evaluation apparatus could not simulate the real downhole conditions, therefore the LCMs selected will not satisfactorily prevent the lost-circulation in many cases. A new dynamic fractural lost-circulation evaluation apparatus was developed, with which suitable LCMs were selected and applied together with the corresponding cementing technology in HTHP wells with an unconventional casing program in Yingqiong basin of South China Sea successfully. The above technology has been applied in over 10 wells including HTHP wells, deep water wells in South China Sea, and ultra-deep wells in East China Sea. It effectively solved the hydraulic fractural lost-circulation problem in wells with narrow safety windows and has good potential for dissemination.

narrow safety window; hydraulic fracture; lost-circulation; dynamic fractural lost circulation apparatus; LCMs; cementing

罗宇维，男，教授级高级工程师，中国海洋石油总公司钻完井专家， 2003年毕业于原江汉石油学院，现为中海油田服务股份有限公司油田化学事业部总工程师，主要从事固井工艺技术研究和现场作业技术支持。地址：河北省三河市燕郊开发区行宫西大街中海油田服务股份有限公司油田化学事业部(邮编：065201)。E-mail：luoyw@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0057-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.009

TE256+.1

A

罗宇维,朱江林,熊绍春，等.水力尖劈裂缝堵漏固井技术研究及应用[J].中国海上油气，2017,29(3)：57-60.

LUO Yuwei,ZHU Jianglin,XIONG Shaochun,et al.Study and application of preventing technology against lost-circulation into hydraulic fractures induced by primary cementing[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):57-60.