中国南海某深水井提高地层承压能力实践

吴旭东+袁俊亮

摘 要：影响地层承压能力的因素主要有天然因素和工程因素两方面，在天然因素不可控的情况下，通过研发新式钻井液堵漏材料并进行室内实验评价，优选出适用于不同岩性地层的封堵材料。根据中国南海某深水井的地质特点，依次介绍了STP、STRH、VANGUARD等堵漏剂的室内实验表现。结合该深水的钻井实践，阐述了深水钻井液体系防漏堵漏以及提高地层承压能力的成果，对后期深水油气田勘探开发过程中的降本增效具有较大意义。

关键词：深水钻井；地层承压能力；钻井液体系

中图分类号：TE242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0009-02

深水钻井工程中，井漏一直是制约钻井安全高效进行的主要瓶颈。由于受到千米水深的影响，浅部地层（指泥面以下1/2水深的地层）破裂压力低，井漏风险大。每年处理井漏复杂情况带来的钻井液和钻机日费损失高达数亿美元[1]。与溶洞性地层的大规模漏失不同，深水浅层的井漏通常是由井筒内裂缝扩展延伸引起的，假如不及时抑制裂缝发展，当裂缝尖端突破井眼周围一定范围后裂缝将迅速扩展。随着深水井逐渐面临高温高压以及钻定向井等难题，安全密度窗口也将越来越狭窄，因此先期提高地层承压能力，通过工程手段拓展安全密度窗口历来是学者关注的重点[2，3]。作者通过分析影响地层承压能力的因素，围绕钻井液封堵剂优选问题进行了一系列研究。

1 影响地层承压能力的因素

影响地层承压能力的因素较多，根据天然因素和人工因素区分。其中的天然因素难以通过人为改变，提高地层承压能力主要是通过调整工程因素。目前提高承压能力的方法主要是在钻进薄弱地层前，在钻井液当中添加恰当的堵漏材料，将薄弱层承压能力提高到某一程度来满足下部地层钻进。当前的研究主要关注堵漏材料的研制与现场应用，立足于钻井液体系中封堵材料的效果，通过复配不同性质、不同形状和粒径的封堵剂，实现防漏堵漏的目的。

针对不同影响因素，国内外关于提高地层承压能力的力学机理比较有代表性的有“封尾（Tip Screenout）理论”“应力笼（Stress Cage）理论”“裂缝闭合应力理论（FCS）”[4，5]，Guh等针对钻井液在裂缝尖端滤失特性进行了研究[6]，提出“封尾”作用机理，認为封堵材料位于裂缝尾部效果最好，但该方法所需参数难以获取；Dupriest等提出的“裂缝闭合应力”理论认为[7]，简单的封堵不能有效提高承压能力，还应提高裂缝闭合应力，防止裂缝重启。

目前对提高承压能力机理的认识仍处于模糊地带，所建立的数值模型及半解析模型仅适用于定性分析，现场实践难以证实理论的正确性。在目前较为公认的观点是，依靠钻井液技术，选择合理的堵漏材料加入钻井液体系中，才是实现裂缝防漏堵漏的有效手段，王贵对地层提高承压能力的钻井液堵漏机理进行了深入研究[8]，本研究围绕几类新型堵漏材料进行了实验及现场实践研究。

2 钻井液方法提高承压能力室内实验

钻井液技术提高地层承压能力的主流方法是物理封堵法，其次是化学方法。物理封堵法无论在孔隙性漏失、裂缝性漏失还是孔洞性漏失的情况下，都能够起到提高承压能力和减缓漏失的作用，是目前使用最为广泛的承压堵漏技术。物流封堵的作用机理大同小异，通常包括以下几种原理：架桥、填充、渗滤、拉筋串联、吸水膨胀原理，典型材料主要包括：核桃壳、橡胶粒等颗粒、有蛙石、云母片等片状、锯末、石棉等纤维等。

2.1 STP高失水堵漏剂室内评价实验

STP高失水堵漏剂由四种材料（封堵材料A、架桥材料B、纤维材料C、固化剂D）构成。其堵漏机理如下：封堵材料A和架桥材料B等固相颗粒粒径小，容易进入不同尺寸大小的漏失空间内，在压差作用下滤液迅速滤失，固相颗粒堆积聚集在裂缝内部及裂缝表面，分别形成“薄”而“韧”的内外滤饼，实现减缓漏失的目的，纤维材料C加强泥饼的结构性和韧性，固化剂D负责增强粘结性，在整个过程中滤饼逐步压实，由于有高失水性，滤饼中的微孔结构渗透性高，具备透气透水却不透泥浆的能力[9]。

将四种材料封堵材料、架桥材料、纤维材料、固化剂按不同比例复配后，分别通过室内实验评价体系的稳定性、滤失性、酸溶率等性能：

（1）稳定性：悬浮稳定性的测定采用100ml量筒将配置好的高失水固化堵漏浆装至100ml刻度线，静止1Min后读出浆液中固相物质沉降量，其百分比为悬浮稳定性值。一般要求堵剂液悬浮稳定性大于90%即能满足现场钻井工艺要求。

（2）滤失性：快速失水和高滤失量是STP封堵剂的特性，测试方法按照行业标准SY/T5621-93“钻井液测试程序”中滤失量的测试方法进行，由于失水速度快，30s内即滤失完毕，按照7分半时间评价滤失量并不合理，因此实验阶段直接读取滤失完毕时间和相应的滤失量，结果如表1所示：

（3）酸溶率：滤饼酸溶率高是该堵漏剂的优势之一，研究过程中采用“SY-T5559-92钻井液用处理剂通用实验方法”中酸不溶物的测定方法，可见酸溶率普遍高于80%，当堵漏浆浓度为40%时，酸溶率可达90%以上。

汇总以上材料配比及评价指标得出，配方为60%封堵材料+15%架桥材料+10%纤维材料+15%固化剂体系的封堵效果最佳。

2.2 STRH复合堵漏剂评价

使用STRH堵漏剂加入到HEM体系中配制成钻井液，使用高温高压动态堵漏仪评价堵漏浆的承压效果，结果表明：加入3%的STRH后HEM体系的承压封堵能力显著提高，如图2所示。砂盘封堵实同样说明加入3%STRH后封堵效果良好。

2.3 化学方法提高承压能力技术

化学方法提高承压能力主要是利用各种聚合物自身、聚合物之间交联等性质，实现对裂缝孔洞进行封堵，该类堵漏方式主要有井下聚合堵漏技术及特种凝胶尾追水泥堵漏技术。

井下聚合堵漏技术是利用高分子材料和交联剂发生化学反应，形成具有一定的弹性，并且能够牢牢地粘在岩石壁面上而堵塞漏失通道，从而达到封堵漏層提高承压能力的目的。在封堵漏层的时候，可通过交联剂的浓度控制堵漏浆的粘度、初始固化形成凝胶的时间和形成凝胶的强度，因而不会出现固化过早或是过晚的情况。高分子材料体系在常温下反应十分缓慢，因而具有很强的可泵性，一旦出钻具与交联剂作用便开始成胶，既保证了施工安全，又避免了堵剂漏入地层太远而降低其浓度，此后体系聚合作用逐渐加强。在堵漏提压施工过程中，可根据漏失速率、漏失层位等情况控制交联剂的浓度和成胶的时间，这样就能保证凝胶的封堵效果。

特种凝胶尾追水泥堵漏技术是利用凝胶堵漏剂良好的剪切稀释性能、不与油气水相混，并且很容易在孔喉中形成凝胶体，能阻止水泥浆被冲稀、流走等特性来进行封堵裂缝。特种凝胶在高剪切速率下剪切变稀，可保证凝胶体顺利被泵送和通过钻头，而在低剪切速率下由于分子间缔合连接，粘度可高达1×104～3×104mPa.s，容易停留在裂缝中固化形成高粘度的凝胶体，并具有一定的强度，提高地层承压能力的，相关的实验数据表明：推动该凝胶体需要一定的启动压力，因而，特种凝胶堵漏剂不会被地层流体冲稀，可避免凝胶后尾追水泥浆被地层流体冲稀而不能固化等问题。

3 中国南海某深水钻井作业实践

某1深水井水深990m，12-1/4“井段完钻后井底静态当量密度为1.82g/cm3，在下入9-5/8”套管过程中发生活动池液面下降，漏速6方/小时，停泵测量静态漏速8方/小时。采取关闭上万能防喷器，启用增压泵循环调整隔水管内钻井液，将密度调整至1.76g/cm3，同时钻井液体系中添加2%PF-STRH与3%PF-QWY，静止观察环空液面，测漏速由4.4方/小时降低至0.4方/小时，缓慢开泵送套管到位，最终顺利固井。

处于同一沉积盆地的某2深水井属超深水井（水深1695m），钻前设计20“套管下至泥面以下410m，预测管鞋承压能力为1.13g/cm3；13-3/8”套管入泥深度630m，预测管鞋承压能力为1.16g/cm3，井漏风险与窄压力窗口风险极高。钻前优选泥浆堵漏剂——PF-STRH与VANGUARD，钻井过程全井段无漏失情况发生，下套管过程顺利，综合目前该盆地深水井及超深水井钻井防漏经验，推荐不同漏失风险下堵漏材料的配方如表2所示。

4 结束语

（1）针对中国南海深水区浅部地层经历的构造运动不剧

烈，天然裂缝发育程度不高，深水/超深水钻井的漏失风险在于浅部砂岩地层，提高地层承压能力重点也在于防止砂岩渗漏和产生诱导裂缝。

（2）地层承压能力取决于天然因素与工程因素两大方面，其中工程因素是唯一的可变量，现有提高承压能力的方法主要是复配不同粒径与形状的堵漏材料比例。

（3）中国南海某深水钻井实践体现深水高温高压HEM体系复配2%的STRH和VANGUARD具有较好的提高承压能力效果。

参考文献：

[1]卢小川，等.国外井壁强化技术的新进展[J].钻井液与完井液，2012，

29（6）：74-78.

[2]张希文，李爽，张洁，等.钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究进展[J].钻井液与完井液，2009，26（6）：74-76.

[3]张洪利，郭艳，王志龙.国内钻井堵漏材料现状[J].特种油气藏，2004，11（2）：1-2.

[4]Zhang， G. X.， Sugiura， Y.， Saito， K.Faliure simulation of foundation by many fold method and comparisonwith experiment[J].Journal of Applied Mechanics （JSCE），1998（1）：427-436.

[5]GuoxinZhang， YasuhitoSugiura， HirooHasegawa.Crack propragationby manifold and boundary element method[C]. proceedings of Third International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation（ICADD-3）， Colorado， USA， 1999：273-282.

[6]Guh， G-F.， Further development， field testing， and application of the wellbore strengthening technique for drilling operations.

[7]Dupriest， F.E.， Method to eliminate lost returns and build integrity continuously with high-filtration-rate fluid.

[8]王贵，蒲晓林.提高地层承压能力的钻井液堵漏作用机理[J].石油学报，2010，31（6）：1009-1012.

[9]鄢捷年.钻井液工艺学[M].石油大学出版社，2003.