智能凝胶塞在晋中3井的应用

王骁男， 张栋俊， 吕忠楷， 屈炜佳， 唐国旺

(1中国地质大学 2五普钻井分公司)

针对各种漏失问题，国内外学者开展了很多工作，主要集中研发各种堵漏材料、改进堵漏工艺等工作。但是目前的堵漏材料仍不能满足现场的需求，针对恶性漏失，常用的堵漏材料主要采用锯末、核桃壳、云母片、纤维、水泥等[1-5]，但它们不能够完全解决恶性漏失。凝胶堵漏材料是一类新型的堵漏材料，但是普通的凝胶堵漏材料的成胶时间难以控制，大大限制了应用。智能凝胶采用纤维素接枝聚合物，具有成胶时间可控、成胶强度高、滞留性好、堵漏不受缝隙大小的限制，能够进入各种缝隙和孔洞。

晋中3井是一口探井，钻至井深2 736 m时出现2.09 m的放空，钻井液失返。采用锯末、复合堵漏剂、大裂隙用堵漏剂、大粒径果壳、棉籽壳、棕绳、核桃壳等堵漏材料，先后组织进行20余次不同类型堵漏作业。经过连续2个月的不间断堵漏，累计漏失量2 067 m3，都未堵漏成功，无法进行正常的钻进。智能凝胶堵漏技术在晋中3井进行了堵漏施工，堵漏成功。智能凝胶堵漏技术有望解决晋中地区堵漏问题。对于提高晋中区块的勘探开发进程具有非常重要的意义[6]。

一、晋中地区概况

1.地质概况

晋中区块位于沁水盆地北部，区块范围在沁水盆地复式向斜的轴部，区块面积为5 413.488 km2。晋中1井在三开井段发生严重漏失，多次堵漏未成功。使用堵漏浆强行打钻，造成了巨大的经济损失。沁心2井在三开井段同样发生严重的漏失，经多次堵漏未成功，提前完钻。晋中3井与晋中1井、沁心2井地质结构近似。晋中3井下统四个组有可能发生井漏地层为：峰峰组，上马家沟组，下马家沟组，亮甲山组。

2.晋中3井地区井漏情况

晋中3井钻至井深2 736 m出现放空现象，钻压突然由40 kN回至0 kN，总悬重由720 kN上升至770 kN(理论空气中悬重为770 kN)，立压由15.9 MPa下降至0 MPa；出浆槽失返，看不见井口液面，停止钻进，下探至井深2 738.09 m开始起压放空段长2.09 m，判断为溶洞漏失。

多次采用锯末、复合堵漏剂、大裂隙用堵漏剂、大粒径果壳、棉籽壳、棕绳、桃核壳以及水泥，不断优化配比，并加大每次泵入堵漏浆方量，先后组织进行20余次不同类型堵漏作业，都未堵漏成功，无法进行正常的钻进。经过连续2个月的不间断堵漏，累计漏失量2 067 m3。

3.漏失原因分析

针对邻井晋中1井井漏情况分析和本井目前井漏情况，下马家沟组、寒武系凤山组地层灰岩层厚，溶洞、裂缝等漏失性地层广泛发育。

锯末、复合堵漏剂、大裂隙堵漏剂、大粒径果壳、棉籽壳、棕绳、桃核壳等为无机固体颗粒，与岩石井壁缺乏黏合力，同时这些堵漏受到裂缝缝隙大小的限制，无法形成致密的封闭墙。相对于2 m放空的溶洞，这些堵漏材料的粒径小，难以在洞口滞留、缺乏黏合力是上述堵漏材料堵漏失败的主要原因。

二、智能凝胶堵漏技术

1.智能凝胶的制备

1.1 材料

CMC、丙烯酰胺、功能单体、氢氧化钠、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、交联剂、催化剂、去离子水、pH试纸。

1.2 胶液合成过程

将32 g CMC溶解于400 g水中，得到4%水溶液；再向溶液中加入32 g丙烯酰胺(AM)，搅拌使之充分溶解，将混合液倒入三角烧瓶中，继续搅拌并加热到55℃，保温30 min；向混合液中加入0.70 g过硫酸铵和0.25 g亚硫酸氢钠引发聚合反应，反应4～6 h，得到黏稠状液体。

1.3 智能凝胶的配制

将胶液用去离子稀释一倍，可交联聚合物 ∶交联剂 ∶催化剂=100 ∶3 ∶0.4的比例加入交联剂和催化剂，充分搅拌混合均匀；将混合液放入老化罐，并将老化罐放入烘箱中，观察成胶情况。

2.智能凝胶的特点

智能凝胶是由可交联聚合物、交联剂、催化剂组成。可交联聚合物的黏度比较低，表观黏度在100 mPa·s以下。加入交联剂和催化剂成胶后，形成高强度凝胶，完全失去流动性。通过调节交联聚合物的浓度、交联聚合物与交联剂、催化剂的配比，能够实现成胶时间在1～20 h可控。智能凝胶具有优异的抗盐、抗原油污染能力。可用氯化钾加重到1.2 g/cm3，几乎不影响成胶性能和成胶强度。

智能凝胶是一种流动态液体。智能凝胶堵漏技术不受地层缝隙大小的影响，能够自由流入任何孔隙，是一种可用于封堵裂缝、大孔洞的广谱性堵漏体系。该堵漏体系不会发生“封口”而堵漏浆不能进入漏层现象；也不会造成堵漏浆在漏失空间流失和扩散；其活性组分能与地层矿物有效吸附固结作用，在漏层通道快速形成“隔断墙”，提高地层承压能力；智能凝胶胶液的黏度比较低，能够满足各种注入方式的施工要求[7-8]。智能凝胶能够用氯化钾加重到1.2 g/cm3；不仅能够用于钻井堵漏，还可以用于修井作业的各种堵漏。

3.智能凝胶性能评价

3.1 智能凝胶的流变性能

施工中最重要的就是保证施工的顺利进行，因此流变性就变得至关重要；通过流变性能相关参数，能够显示堵漏液能否正常泵入，为顺利施工带来保证；流变性能如表1所示。

表1 智能凝胶流变性能测定

通过上叙试验可以确定本次堵漏液可以顺利泵入漏层中。

3.2 智能凝胶成胶性能

3.2.1 交联剂对成胶时间的影响

通过调整交联聚合物的交联剂的加量，可实现在相同温度下实现预定时间内交联(20 min～4 h)。室内通过Fan50高温流变仪验证了交联剂对成胶时间的控制。充分说明了复合凝胶的成胶时间可控，为现场的安全施工提供了有力的支持，如图1所示。

图1 交联剂加量的改变对成胶时间的影响

图1中100代表基液加量百分比，1.2代表催化剂加量百分比，6，8，10代表交联剂加量百分比的改变。图1中清晰的展示了交联剂的改变对成胶时间的影响。

3.2.2 温度对成胶时间的影响

室内通过改变试验温度，测试温度对成胶时间的影响。为了确保实验的可靠性，本次试验设计了两组，配方一为100 ∶9 ∶1.2；配方二为100 ∶13 ∶1.2。分别测试他们在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃下的成胶时间，具体情况如图2所示。

图2 不同温度对成胶时间的影响

通过图2数据可以显示，100 ∶9.0 ∶1.2和100 ∶13 ∶1.2的重复试验可以明显的看出温度对智能凝胶的时间有绝对的影响。温度越高成胶时间越短，温度越低成胶时间越长；从侧面也可以看出交联剂加量越大，成胶时间越短。

3.3 70℃下成胶强度情况

前期在室内也做了一系列评价试验，主要是确定智能凝胶的成胶时间和成胶强度；通过室内试验可以确定智能凝胶的成胶时间可控，成胶强度满足施工要求[9-14]。

三、现场应用

1.现场材料配方优化

现场施工要求70℃条件下成胶时间不小于3 h，承压能力大于13 MPa。实验采用现场材料，进行了优化：①100 ∶2.5聚合物交联剂 ∶1.2聚合物催化剂；②100 ∶4.0聚合物交联剂 ∶1.2聚合物催化剂；③100 ∶5.0聚合物交联剂 ∶1.2聚合物催化剂。综合比较，由于100 ∶2.5 ∶1.2的成胶强度较低；100 ∶5.0 ∶1.2的成胶时间过短；现场井中温度最大为70℃，为了保证有效安全施工，从上面配方中优选出最佳配方100 ∶4.0 ∶1.2。

2.优选最佳配方

综合成胶时间和成胶强度两个主要因素，通过室内的试验和现场的重复试验，结合现场实际工况，可以优选出最佳配方为：100(3%龙翔聚合物CP) ∶4.0聚合物交联剂 ∶1.2聚合物催化剂，配方成胶效果良好。

3.现场配置

(1)准备并清洗好一个用于复合凝胶塞的配制罐(带搅拌器)。

(2)按设计要求，储备配制用水(水位应低于罐高的2/3，配置过程液体体积增大1/3左右)。

(3)首先在一定计量水中加入设计量的交联聚合物CP，按比例稀释后搅拌均匀，边搅拌边加入适量的加重剂(加重剂为KCl)，KCl充分溶解后备用。

(4)当需要施工作业时，在上述溶液中边搅拌边通过砂泵加入配方设计量的交联剂、催化剂和随钻堵漏剂，搅拌均匀，之后测量其黏度、密度等参数。

(5)各项性能指标满足设计要求后即可准备注入工作。

4.现场施工

(1)光钻杆下钻至漏层。

(2)泵入10 m3膨润土浆，排量16 L/s。

(3)泵入10 m3复合凝胶塞。如果正常泵入一次性泵入10 m3，替膨润土浆10.2 m3，静止10 h。如果泵入过程中立压过高，达到安全立压后停泵，替膨润土浆10.2 m3，静止5 h；继续泵入剩余的复合凝胶，替膨润土浆10.2 m3，静止5 h。

(4)复合凝胶出水眼前环空注浆，提升静液面压力，保证堵漏浆正常进入漏层。注完凝胶之后，静止10 h。裸眼段静止期间要活动钻具。

(5)现场泵入施工时的相关数据如表2所示。

表2 现场智能凝胶的具体施工情况

5.施工效果

堵漏完成10 h后开始循环验漏，环空灌浆5.4 m3开始返浆，下光钻杆至2 726 m在漏层以上开始钻杆内灌浆，泵入2 m3时开始起压，4 m3时开始返浆，并且立压不断上升，泵入7.5 m3时测出漏速为0。间歇性的提升泵冲，立压不断上升，最终立压达到15 MPa。

晋中3井钻遇马家沟组期间，在复合凝胶堵漏成功的前提下，保持补加随钻堵漏剂，使堵漏剂的浓度维持在15%，起钻前配一罐封闭浆，泵入下马家沟组井段对地层进行封堵，封闭浆配方：10%膨润土浆+7%DF-2+8%FD。在钻进下马家沟组期间，晋中3井只有正常的渗漏消耗，渗漏消耗速度小于2 m3/h，整个下马家沟井段未发生漏失，安全钻达了下一个地层。复合凝胶在晋中3井应用成功，从根本上解决了晋中地区下统的井漏问题，大大节约了钻井成本，有望在晋中地区推广应用。

四、结论

(1)合成的智能凝胶是一种液状流体，成胶前黏度低、成胶后强度高、与地层井壁黏合力强等特点；具有成胶时间可控，能够满足比较宽的温度范围。

(2)智能凝胶堵漏技术易于注入、注入时间可控、能够顺利进入各种缝隙和孔洞、能够形成高强度的封堵墙。

(3)与其他堵漏方法相比较，智能凝胶在晋中3井中取得了良好的堵漏效果，堵漏成功。智能凝胶堵漏技术有望解决晋中地区堵漏问题，对于提高晋中区块的勘探开发进程具有非常重要的意义，具有广阔的应用前景。