抗高温化学凝胶堵漏技术在顺北52X井的应用

郭新健，于培志

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

顺北52X井是一口部署在塔里木盆地顺托果勒低隆的四开制预探水平井，该井三开志留系地层经历过多次地质构造运动，地层顶部有严重风化剥蚀现象，同时断裂带的发育[1-2]，致使地层坍塌压力偏高，井漏、井壁失稳等复杂情况多发。志留系地层温度高，并且有高矿化度盐水存在，井漏发生封堵后复漏发生概率较大。目前塔河油田应对漏失，常用的技术手段主要有桥浆堵漏、水泥浆堵漏、交联成膜堵漏等[3-6]。桥浆堵漏在多次堵漏施工中易发生相互干扰而使上部复漏[7]；水泥浆堵漏则会因地层高压盐水的冲蚀、污染而影响固结性能；交联成膜堵漏的黏结强度低，一般需与化学固结堵漏技术复合应用，才能满足地层黏结力的要求。化学凝胶在顺北3井进行承压堵漏，将二叠系当量密度提高到1.55g/cm3，取得了良好的现场应用效果，然而其适用温度范围在70～90℃，对于高温地区，该化学凝胶难以发挥效果，胶凝时间仍会发生骤缩，而使其现场应用的可行性受到限制[8-11]。针对塔河油田52X井漏失层高温、高压和高矿化度地层水的特点，室内研究了一种抗高温、兼顾堵水的井下交联堵漏技术。新研制的凝胶技术结合悬浮剂、堵漏剂组成的无机凝胶技术和成胶剂、交联剂组成的有机凝胶技术特点，同时克服了无机凝胶高温反应迅速以及有机凝胶普遍存在强度不够的特点。通过顺北52X井的现场试验，成功解决顺北志留系断裂带破碎地层的井漏问题。

1 井漏特点分析

1.1 漏失情况

顺北52X井三开井段在5235～7618m，覆盖地层有塔塔埃尔塔格组（S1t）和柯坪塔格组（S1k），岩性主要为泥岩、砂岩和灰岩分布。三开钻遇志留系塔塔埃尔塔格组地层，断层及裂缝发育，在5707～6233m的井段先后发生了12次井漏及3次出盐水。三开井段前期，桥浆堵漏可满足降低排量钻进；在钻至5730m时井漏问题进一步扩大，用水泥浆等方式对地层封堵后，仍会出现上部地层复漏的问题。在119 d内顺北52X井出水和井漏井下复杂情况并存，进尺仅900m，致使该井的工期进度拖延。通过漏失及井下溢流情况的判断，地层中发生井漏的主要层位集中在5930、6230m处，出水层段在5774、6210m。堵漏施工先后使用桥浆堵漏、桥浆+水泥浆堵漏、交联成膜浆+化学堵漏浆堵漏和全井堵漏浆钻进方式。

1.2 井漏分析

根据前期漏失情况判断，顺北52X井三开漏失发生在5933～6232m井段地层较薄弱位置。前期的堵漏工作只是将井底最薄弱点封住，并未完全兼顾所有薄弱点。5600～6200m井段为顺北52X井反复漏失的关键区域，为确保能够充分封堵600m的井段，同时兼顾施工的安全性，堵漏施工采用光钻杆下到6200m，化学凝胶出钻具水眼后上返的方式作业，分别起钻至5600m处和套管鞋处进行挤注，封堵5600～6200m漏失地层的施工方式。

2 化学凝胶堵漏机理

化学凝胶堵漏是以悬浮剂、交联剂、成胶剂和堵漏剂为主要物质组成的堵漏技术[12]，配合使用钠膨润土、缓凝剂和加重剂进行性能调节，主要是应对断裂带裂缝性漏失、失返性漏失等严重漏失情况[13]。抗高温化学凝胶是结合无机凝胶与有机凝胶技术的复合凝胶，悬浮剂与堵漏剂为无机凝胶材料，无机凝胶在成胶前黏度低，利于注入；高温成胶后具有耐高温、强度高的特点；交联剂与成胶剂为高分子有机聚合物，有机凝胶具备的热塑性，一方面可以改善无机凝胶高温快速成胶的现象；另一方面有机凝胶黏弹性好，可改善无机凝胶的脆性问题。也就是说，抗高温化学凝胶是通过无机、有机凝胶复合和缓凝剂等多方面因素，来控制凝胶强度、凝胶时间，从而保证堵漏施工的质量与安全。

成胶剂在水中发生水解，在交联剂作用下，高分子聚合物发生缩聚反应，形成空间网状结构。悬浮剂与堵漏剂构成的无机凝胶中的SiO2颗粒，分散到高分子聚合物空间网状结构中，分子间的氢键发生反应，使该复合材料呈现均匀的网络结构，并提高其相容性和强度[14]。有机凝胶的热塑性、对无机化学凝胶的稀释作用以及改性甲基硅油的缓凝作用，共同构成了复合化学凝胶的抗高温性能。抗高温化学凝胶弱于地层的强度使其易于扫塞，能避免发生钻头错位，钻出新井眼的风险。化学凝胶堵漏浆具有独特的流变固化特性，其触变性可保证其在配浆、注浆过程中保持流动状态，不发生稠化固结现象，施工工艺简便、安全。

3 堵漏浆性能评价

化学凝胶堵漏属于胶凝固结类堵漏技术，结合对顺北52X井漏的认识，其堵漏施工需具备抗高温、能堵高压盐水的能力，同时也为保证化学凝胶堵漏施工的安全，在实验室通过建立对漏失层温度、压力的模拟模型，对其流变性、稠化时间、抗压强度和抗污染性进行评价。化学凝胶堵漏剂浆配方如下。

水+3%钠膨润土+10%悬浮剂+2%交联剂12%成胶剂+10%堵漏剂+5%增强剂+1%缓凝剂+ 重晶石

3.1 流变性能

对化学凝胶的可注入性以及体系悬浮稳定性进行测试。考察化学凝胶黏度随体系密度的变化，研究凝胶的加重对体系流变性的影响。按上述配方配制化学凝胶，通过重晶石的加量来调节其配方的密度，在室温下测定化学凝胶的黏度（见表1）。可知，化学凝胶的黏度总体保持在低黏水平，体系具有良好的可泵注性，随重晶石加量的增大而增大，但提黏的效果逐渐减弱，动塑比可保持在0.4 Pa/（mPa·s）以上，凝胶体系形成空间网架能力很强，这就意味着化学凝胶体系可在较为宽泛的密度范围内发挥作用，从而适应于更深的井段。

表1 不同密度化学凝胶的流变性及悬浮稳定性

3.2 稠化性能

化学凝胶堵漏施工，泵注堵漏浆后，需将钻杆从堵漏浆中提升出来，以避免“灌香肠”、“插旗杆”等问题，因而需准确掌握化学凝胶的稠化时间。室内模拟顺北52X井的地层温度和压力，在高温增压稠化仪对化学凝胶堵漏浆进行稠化实验见表2。由表2可知，化学凝胶堵剂的稠化时间可以控制在2～10 h，能够满足不同漏失层堵漏的安全施工时间。由图1可知，该配方的稠化时间为4 h，完全可以满足稠化时间大于4 h的堵漏设计要求。

表2 化学凝胶堵剂稠化时间

根据邻井资料，确定顺北52X井志留系地层温度为145～150℃，堵漏浆密度为1.40g/cm3。进行了150℃条件下的稠化试验，结果见图1。

图1 3#配方施工配方稠化试验

3.3 抗压强度

在150℃、20.7mPa下，对化学凝胶进行养护强度随时间的变化，结果见表3。由表3可知，缓凝剂的加入对凝胶的强度影响较小，其最终强度与未添加缓凝剂对照组相差不大，缓凝剂加量为1.0%时，其配方强度满足顺北52X井的堵漏施工。

表3 化学凝胶在不同养护时间下的强度

3.4 抗污染性能

顺北52X井中具有高压盐水层，化学凝胶需具备抗高矿化度盐水的能力。且在施工条件下，有大量井浆存在，对井浆的污染性的研究也是必要的。采用施工配方化学凝胶堵漏浆与饱和盐水、现场井浆混合后进行成胶情况测试，实验结果见表4。由表4可以看出，化学凝胶与50%饱和盐水混合以及40%井浆混合情况下，均能保证其胶凝，可承受一定量盐水及井浆的影响而不失效，满足现场堵漏施工需要。

表4 化学凝胶抗污染性实验

4 现场应用情况

4.1 堵漏施工工艺

根据邻井的井温资料，确定顺北52X井志留系地层温度为145～150℃，通过室内实验确定的配方如下。

水＋3%钠膨润土+10%悬浮剂+2%交联剂+ 12%成胶剂+10%堵漏剂+5%增强剂+1.0%缓凝剂+重晶石，堵漏浆密度为1.40g/cm3。

堵漏施工过程如下。①下光钻杆至6210m，循环测漏速，80冲排量情况下验漏，未发现漏失情况，考虑到之前漏失在5600～6200m处反复发生漏失，同时为保证施工质量，仍然对此段地层进行堵漏施工；②注入3m3浓度8%的膨润土浆作为化学凝胶的前置液；③泵入20m3化学凝胶堵剂，泵冲60冲。④泵入2m3浓度8%的膨润土浆作为后置液。⑤总替浆66m3，其中密度1.46g/cm3钻井液为27m3，井浆为39m3。80冲排量替浆过程中无漏失，逐渐提高到85、90冲无漏失，再提泵冲到95冲井漏。井队钻井工程师结合以前井漏情况，随即降低泵冲到80冲，无漏失。考虑到堵漏效果，化学凝胶必须进入漏层才有效果，决定再提泵冲，逐渐提高到95冲，井不漏。此时替浆快结束，决定用95冲将化学凝胶全部替出钻具水眼。⑥起钻到5676m。接顶驱，关环形防喷器。正挤最高到4.8mPa，向地层挤入3.69m3。⑦起钻到套管内，接顶驱，关环形防喷器。正挤最高到4.8mPa，向地层挤入3.16m3。⑧候凝24 h。下钻探塞面在5794m，85冲排量不漏，也无盐水。

4.2 现场应用及效果评价

施工过程中憋压可稳定在5mPa左右，候凝24 h后。光钻杆更换钻头，下钻探测塞面在5794m，85冲排量不漏，也无盐水，钻进恢复正常。该井志留系地层的化学凝胶堵漏施工表明，化学凝胶堵漏剂密度小，其可调节的范围较大，并具有较为特殊的凝胶条件，其后采用化学凝胶堵剂承压堵漏技术，成功封堵住漏失层，承压值不小于4.8mPa，满足了正常钻进的要求。

4.3 施工优化建议

1.本次堵漏施工之前，考虑到施工前验漏会导致堵漏浆配制量不够。没有在施工前进行验漏，因此堵漏施工过程风险较高。建议施工前坚持验漏，确保施工安全。

2.在化学凝胶堵漏浆前部以及扫塞过程中，可考虑引入常规桥接堵漏浆，参考配方为：井浆+3%核桃壳（中粗）+3%核桃壳（细）+3%SQD-98（粗），目的是防止化学凝胶堵漏浆从地层中返排出来，减少扫塞过程中重新形成泥饼时的滤失量。

3.建议将化学凝胶的交联时间延长，如6500m左右的井，化学凝胶的交联及稠化时间可延长到8 h左右，采用小排量替入，起至安全作业井段，根据交联稠化时间分批量关井挤入的方式，这样做的好处是：一是施工相对安全；二是交联稠化前分批量挤入，此时化学凝胶具有较高黏度和切力，堵漏浆的滞留能力强，能将孔隙全面充满并采用憋挤方式，不留微小孔隙，承压能力相对较高。

5 结论

1.以有机凝胶与无机凝胶复合形成的抗高温化学凝胶，其抗高温原理是利用有机凝胶的热塑性、2种凝胶的复合作用以及改性甲基硅油对无机凝胶的缓凝作用。

2.抗高温化学凝胶具有利于注入、施工简单、密度可调、稠化时间可调、适中抗压强度和抗污染性好等特点，是有效解决深层高温地层的渗透性、裂缝性漏失，提高地层承压能力的堵漏施工方案。

3.抗高温化学凝胶在顺北52X井现场应用，根据扫塞和试压情况，堵漏效果良好，停泵立压为4.8mPa，没有发生漏失，30min后压降为0.2mPa，一次堵漏成功，满足了后续钻井施工要求。