KPD堵漏技术在东胜气田的应用

艾 昆 张军义 贾光亮 刘 福

(中石化华北石油工程有限公司， 郑州 450006)

0 前 言

东胜气田严重漏失层位主要集中在和尚沟组底部、刘家沟组中下部和石千峰组上部，平均埋藏深度为1 980～2 415 m，漏失井段长150～350 m左右。其中部分区块地层发育大量破碎带及高角度裂缝，导致钻井作业中漏失情况严重[1-3]，主要漏失层刘家沟组的漏失当量密度为1.15～1.20 g/cm3。目前多采用常规配方水泥浆进行封堵，成功率不高，候凝时间过长，水泥塞强度较高，扫塞难度大。为此，在调研先进堵漏技术的基础上[4-9]，讨论基于可膨胀堵漏剂的KPD堵漏技术(可控膨胀堵漏技术)及其在东胜气田的应用。采用KPD堵漏技术，可通过钻杆将可膨胀堵漏浆挤入漏失部位，堵漏浆在进入漏层后会黏附、凝结于岩石表面，与地层凝为一体，从而迅速封堵漏失部位。

1 东胜气田漏失层堵漏难点分析

东胜气田位于鄂尔多斯盆地北缘，横跨伊盟隆起、伊陕斜坡和天环向斜这3个一级构造单元。在多次地壳运动的影响下，区内断层和裂缝充分发育[10-14]。该区块自上而下从侏罗系、三叠系到二叠系地层发育多套泥岩，整体地质条件比较复杂,气田储层发育特征如图1所示。部分地层为含砾粗砂岩，石盒子组(主要指盒1段)、山西组地层中石英含量较高。山1组地层中石英的体积分数高达86.9%，在多个层位发育有大段泥岩。石千峰组地层垂厚约290 m，且以棕红棕褐色泥岩为主。石盒子组以灰绿色、灰褐色泥岩为主，山西组、太原组存在大段硬脆性泥岩。

图1 东胜气田储层发育特征示意图

面对该气田漏失层，堵漏作业中主要应解决以下漏失问题：

(1) 裂缝性漏失。区域内二叠系刘家沟组地层与底部地层均为砂泥岩互层，地层破碎，微裂缝发育，安全钻进泥浆密度窗口小。因此，地层对当量钻井液密度的变化比较敏感，易发生裂缝性漏失，从而对钻井液性能与钻井工艺的适用性要求极高。

(2) 重复性漏失。在堵漏层水平裂缝和垂直裂缝发育，在停泵状态下裂缝闭合；当井内液柱压力增加时，裂缝又重新开启，从而导致堵漏层段产生重复性漏失。

(3) 新形成的漏失。由于气侵等原因，现场测量出的井内钻井液比重数据有可能失真，从而导致堵漏浆密度设计错误，在施工过程极易因憋漏而形成新的漏失点。

(4) 反复性漏失。漏失井段较长，约150～350 m，漏点较多且难以确定，堵漏工艺及堵漏浆选择不当时极易造成反复性漏失。

2 KPD堵漏水泥浆性能评价

结合东胜气田漏失层地质特征，以漂珠、微硅为外掺材料,以膨胀剂、降失水剂和缓凝剂为外加剂,以多尺度纤维为堵漏剂,优选了用于漏失性地层的KPD堵漏水泥浆，其配方为：84.00%水泥+8.00%漂珠+8.00%微硅+1.80%降失水剂+1.00%膨胀剂+1.00%短纤维+2.00%长纤维+0.22%缓凝剂+0.05%聚丙烯酰胺钾盐+85.00%水。为了确定堵漏水泥浆的物理性能，在对主要区块漏失层地层温度特征进行室内实验分析的基础上，用高温高压稠化仪、六速旋转黏度计、高温高压失水仪对KPD堵漏水泥浆的物理性能作了测试，结果如表1所示。

表1 KPD堵漏水泥浆物理性能测试结果

2.1 KPD堵漏水泥浆稠化性能评价

结合东胜气田主要区块漏失层地质及工程特征，利用高温高压稠化仪在70 ℃、30 MPa室内实验条件下对KPD堵漏浆的稠化性能作了测试[15]，其稠化时间曲线如图2所示。在漏失层循环温度和施工压力条件下，KPD堵漏浆的初始稠度为15.1 Bc，稠化时间为180～200 min，能够满足现场施工要求。

图2 KPD堵漏水泥浆稠化时间曲线

2.2 KPD堵漏水泥浆可膨胀性能评价

按照上述KPD堵漏浆配方制成堵漏水泥浆，并使其在施工压力条件下候凝成型。测定不同时期的试件长度及相应龄期的竖向微膨胀量，计算和评估KPD堵漏水泥浆的可膨胀性能。其膨胀率的计算如式(1)所示:

(1)

式中：Ep—— 膨胀率，%；

L1—— 某时期的试件长度，cm；

L0—— 初始试件长度，cm；

L—— 标准试件长度，一般取25 cm。

图3所示为70 ℃条件下KPD堵漏水泥浆的膨胀性能变化。在70 ℃条件下，养护20 h，堵漏水泥浆的膨胀率达3%以上，自膨胀封堵性能较好。

图3 70 ℃条件下KPD堵漏水泥浆的膨胀性能变化

该区块刘家沟组地层的循环温度为70℃左右，因此在KPD堵漏水泥浆抗压强度室内实验中设定养护温度为70 ℃，养护时间为24 h。在高温高压养护釜内养护一定时间，观察KPD堵漏水泥浆封堵强度随养护时间的变化规律[16-17](见图4)。在地层条件下养护之后，KPD堵漏水泥浆的封堵强度达到10.6 MPa，有效地增大了地层的压力安全窗口。

图4 70 ℃条件下KPD堵漏水泥浆封堵强度随时间变化规律

3 KPD堵漏漏点预测

针对实钻井分别统计漏失速度与漏失压差、裂缝孔隙度，观察它们之间的关系(见图5)。可以看出，漏失速度会随着漏失压差和裂缝孔隙度的增大而不断加快，与裂缝孔隙度之间基本满足线性关系，而与漏失压差之间的线性关系并不明显。

图5 漏失速度与漏失压差、裂缝孔隙度的关系

刘家沟组地层漏失速度与漏失压差、裂缝孔隙度的关系用式(2)表示：

q=0.027 2φfΔp2.83

(2)

式中：q—— 漏失速度，m3/h；

φf—— 裂缝孔隙度，%；

Δp—— 漏失压差，MPa。

运用非线性拟合方法分别拟合漏失速度与漏失压差、裂缝孔隙度的关系，统计实测点与拟合点的漏失速度(见图6)，结果显示两者拟合程度均较高。

图6 实测点与拟合点漏失速度统计对比

为了验证拟合方法的准确性，对JXX井、J58PXX井的实钻漏失情况进行了对比。结果显示，实钻漏失点与计算所得漏失压力薄弱点的分布基本一致(见图7)。

图7 两井实钻漏失点与计算漏失压力薄弱点的分布

4 现场应用效果

东胜气田钻井工程地质特征复杂,由此引起的井漏问题比较突出，如三叠系底部刘家沟组漏失压力低，二叠系石千峰组、石盒子组坍塌压力高，防漏、防塌矛盾突出，井漏频繁。刘家沟 — 石千峰层的漏失比例占全井段漏失的90%以上，尤其是在两地层交界面上下50 m范围内漏失严重。为此，结合刘家沟组的地层地质特征，将KPD堵漏浆应用于东胜气田，工艺实施效果较好。现场共实施20井次，其中一次封堵成功18井次，作业成功率达90%。

5 结 语

针对东胜气田地层地质特征，讨论了适用于该气田的KPD堵漏工艺。采用该工艺配方，堵漏水泥浆的承压能力可达10.6 MPa,有效地增大了井下压力安全窗口，且在地层条件下稠化时间为180～200 min，完全满足现场施工的要求。根据漏失速度与漏失压差、裂缝孔隙度的非线性拟合关系，确立了东胜气田主要漏失层段刘家沟组漏失压力统计预测模型，以准确预测漏失点位置。现场应用结果表明，KPD堵漏技术一次封堵作业的成功率达90%以上，效果良好。