（石油与天然气工程专业论文）堵漏模拟装置研究.pdf

中文摘要 瓣黧雾挚颤幽 硕士生：刘永峰( 签名) 咝：f 翌三= ：翌 指导教师：闰文辉( 签名) f 至1 二至! bj 冶幽 摘要 井漏是钻井、固井、井下作业中常见的井下复杂事故，由于漏失机理、漏失通道形态 不同，采用的堵漏材料也不同。由于堵漏过程是不可见的，为了提高堵漏工艺的可行性与 封培效果，需要通过仪器模拟井下环境和漏失通道，来验证堵漏材料的堵漏效果，为堵漏 方案的改进与优化提供科学的试验依据。 国内采用的堵漏模拟装置，应用较多的是七十年代从美国引进的产品及其仿制产品， 这类装置没有加热功能，结构比较零散，操作不方便，试验精度不高。近2 0 年来，国内 有些单位先后研制过几种不同型式的堵漏试验装置，但由于种种原因，均未得到推广应用。 本论文研制的堵漏模拟试验装置，功能齐全，可加温至1 5 0 ，加压至7 m p a ，采用整体结 构设计，试验参数数显清晰，通过一套组合试验模块模拟漏层形态，适用范围广、操作简 便、评价结论准确，能为堵漏工艺措施的正确制定提供有力的试验依据，并能节约成本， 缩短钻井周期。 本文研制的堵漏模拟装置在实现a p i 堵漏材料试验装置全部功能的基础上，增加了以 下功能： ( 1 ) 试验结束后可直接观察堵漏材料在横向断面、纵向剖面的组分分布及封堵效果； ( 2 ) 楔型模块、立缝模块可以有效模拟诱导裂缝和纵向裂缝； ( 3 ) 渗漏试验中防扰动设计防止了堵漏浆对砂床及基浆的冲刷； ( 4 ) 堵漏试验中具有数显计时功能。 通过室内堵漏模拟试验，本文所研究的装置具有以下优点： ( 1 ) 对堵漏剂的优选，堵漏钻井液的评价以及堵漏工艺的确定，提供了一种有效的试 验评价手段，具有很好的参考和指导作用； ( 2 ) 适用范围广，通过多种试验模块单个或组合使用，能模拟孔隙、纵缝、横缝、楔 型缝等多种漏失通道，可以对各种堵漏材料进行模拟试验； ( 3 ) 操作简便，直观性好，可以直接观察堵漏材料在纵剖面、横断面上的组分分布及 封堵效果，便于堵漏剂的优选。 关键词：模拟装置堵漏堵漏材料试验评价低压易漏地层钻井 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d yo n a s p e c i a l t y ：p e t r o l e u m n a m e ：l i uy o n g f e n g i n s t r u c t o r ：y a nw e n l o s tc i r c u l a t i o ns t i m u l a t i o nd e v i c e a b s i r a c 。l 。 l o s tc i r c u l a t i o ni s a p r o b l e mf r e q u e n t l y e n c o u n t e r e dd u r i n gd r i l l i n g ，c e m e n t i n g a n d w o r k o v e ro p e r a t i o n s d i f f e r e n tl o s t c i r c u l a t i o nm a t e r i a l sa r eu s e dd u et o t h ed i f f e r e n c e so f f r a c t u r es h a 口e sa sw e l la sl o s tc i r c u l a t i o nm e c h a n i s m s d u e t ot h ei n v i s i b i l i t yo ft h ep l u g g i n g p r o c e s s ，s i m u l a t i o nd e v i c e s a r eu s e dt oi m p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t y a n de f f e c to fp l u g g i n g t e c l m i a u e sa n dt oe v a l u a t et h ep l u g g i n ge f f i c i e n c y ，b ys i m u l a t i n g d o w n h o l ec o n d i t i o na n d f r a c t u t es h a p e s i tc a np r o v i d es c i e n t i f i cd a t aa n de v i d e n c e sf o ri m p r o v i n ga n do p t i m i z i n g t h e p l u g g i n gt e c h n i q u e s t h el o s tc i r c u l a t i o ns i m u l a t i o nd e v i c ep r e s e n t e dh e r eh a s e x t e n s i v er a n g eo fa p p l l c a t l o n s i t h a ss u c ha d v a n t a g e sa se a s yo p e r a t i o n ，a c c u r a t ee v a l u a t i o n r e s u l t s t h ed e v i c ed e v e l o p e d1 s i n t e g r a t e dd e s i g n e dw i t hm u l t i p l ef u n c t i o n s t h et e m p e r a t u r e c a nb eh e a t e du pt o1 5 0 a n dt h e p r e s s u r ec a nb eb u i l tu p t o7 m p a i tp r o v i d e se n h a n c e de x p e r i m e n t d a t aa n de v l d e n c e s 士o r e s t a b l i s h i n gp r o p e rp l u g g i n gt e c h n i q u e s ，w h i l ei t c u t sd o w nt h ed r i l l i n gc o s ta n ds h o 。t e n sd n l l l n g p e r i o d b e s i d e sa 1 1t h ef u n c t i o n sa v a i l a b l ef o raa p is t a n d a r ds i m u l a t i o n d e v i c e ，i ta l s oo w n st h e f o l l o w i n ge n h a n c e df u n c t i o n s ： ( 1 ) 触e rt h ee x p e r i m e n t ，t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ep l u g g i n ge f f i c i e n c y o ft h el o s tc i 。l a t l o n m a t e r i a l sc a nb ed i r e c t l yo b s e r v e da tt h el o n g i t u d i n a lt r a n s e c ta n dt h eh o r i z o n t a l s e c t l o n ( 2 ) t h ew e d g ym o d u l ea n dt h el o n g i t u d i n a lf i s s u r em o d u l e ，w h i c he f f e c t i v e l y s i m u l a et h e s h a p eo ft h ei n d u c ef i s s u r ea n dt h el o n g i t u d i n a l f i s s u r e ( 3 1a n t i t u r b u l e n td e s i g np r e v e n tt h ew a s h i n go fw o r k i n g f l u i dt ot h ec u t t i n gb e da n db a s e f l u i d ( 4 ) t h ed i g i t a ld i s p l a yh a st h ef u n c t i o no ft i m ec o u n t i n g b yi h es i m u l a t i n gt e s t 。fl o s tc i r c u l a t i 。nd e v i c e ，i t i sc o n e i u d e dt h a ti th a st h ef o l l 。w i n g a d v a n t a g e s ： ( 1 ) i tp r o v i d e sa ne f i e c t i v ea p p r 。a c h f o ro p t i m i z i n gl o s tc i r c u l a t i 。na d d i t i v e sa n de v a l u a i n g e f f e c t i v ep l u g g i n gt e c h n i q u e s ( 2 ) i th a sa ne x t e n s i v er a n g e o fa p p l i c a t i 。n i tc a nu s e dt 。s i m u l a t ep 。r e ，l o n g i u d i n a lf i s s u r e , f i s s u r ea n dw e d g yf i s s u r ee t c i ta p p l i e st od i f f e r e n tl o s tc i r c u l a t i o n m a t e r i a l si nt h ee x p e r i n l e n t 1 】1 英文摘要 ( 3 ) i ti se a s yt oo p e r a t ea n dh i g h l yv i s i b l e b yw a t c h i n g t h ed i s t r i b u t i o no ft h el o s t c i r c u l a t i o nm a t e r i a l sb o t ho ns e c t i o na n dt r a n s e c ta n de v a l u a t i n gt h ep l u g g i n ge f f i c i e n c y ， o p t i m i z a t i o no fl o s tc i r c u l a t i o na d d i t i v et h e nc a nb ep e r f o r m e da c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nd e v i c e ，p l u g g i n g ，l o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l ，e x p e r i m e n te v a l u a t i o n ， l o wp r e s s u r ea n dt h i e fz o n ed r i l l i n g t h e s i s ：e x p e r i m e n td e v i c er e s e a r c h l v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容p j 3 , l ，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名 必 日期：卯占名。、， 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借 阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期 日期 土多、占。fo h ，占r o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 井漏是在钻井、固井、测试或修井等各种井下作业过程中，钻井液从井眼漏入洞穴、 孔洞、裂缝和高孔隙度地层而大量或全部流失的过程。在钻井液造成的液柱静压力、循环 压力、激动压力等外来压力的作用下，对于天然裂缝地层、诱导裂缝地层、高渗透非胶结 地层，只要井内钻井液对地层的总压力超过地层本身压力，而且地层缝隙比钻井液固相最 大颗粒约大2 倍时的任何井深和层位均有可能发生井漏。 井漏是钻井过程中最常见的井下复杂情况之一，井漏发生后，一方面会消耗大量泥浆 和堵漏材料，延长钻井周期，例如大天8 井为川东高陡构造碳酸盐岩特大裂缝一溶洞性漏 失，实钻中在雷口坡、嘉陵江、飞仙关地层发生严重井漏，共漏失钻井液及各种堵漏材料 1 7 2 4 2 m 3 ，处理井漏复杂共耗f s - j 1 0 8 d ，占整个钻井周期的4 2 ；另一方面，井漏还可能 引发井塌、卡钻、井喷等一系列井下事故。 井漏发生的范围较广，只要引起井漏的内因存在，井漏可以在各个井段、各种底层中 发生。一般来说，井漏大多发生在孔隙、裂缝、洞穴发育且地层漏失压力较低的地层中。 从工程角度看，长裸眼井段、多地层压力层系、天然连通裂缝、孔洞及调整井开发引起的 漏失较为严重，是困扰我国石油、天然气勘探开发的重大技术难题，也是国内外至今未能 很好解决的重大技术难题。 由于井漏发生频率较高，处理措施不当可能引发恶性井下事故，现在仍是一个复杂的 技术难题。对钻井堵漏技术进行研究，对于安全钻井及井下作业施工，提高效益，至关重 要。井漏发生在井下，不可能直接观察漏层的实际状况，只能通过借鉴以往处理井漏的经 验，进行模拟实验，分析漏层的特性，优选适用的堵漏材料及配方，制定经济适用的堵漏 方案，尽快封堵漏层。 目前，各生产、科研单位都开展了有关研究课题，力求更有效地预防或处理井漏问题。 其中漏失机理，优选堵漏材料及配方，漏层特性评价，是堵漏技术的主要内容，以上工作 的前提就是研制一种方便、适用的设备，能可靠地对堵漏技术研究内容作出正确评价，为 室内研究及现场施工提供依据，达到预防井漏和快速解决井漏事故，降低施工成本的效果。 根据调研资料，国外关于钻井堵漏的模拟实验装置很少同1 6 】，只见到美国早期的一种 ( a p i 堵漏材料试验装置) ，由于结构简单，不能模拟井下温度，使用效果不是很理想。国 内同类装置种类也不多，并且多为仿制国外或井下模拟( 地层、压力、温度) 功能不全， 不能为堵漏方案提供有力支持。本文研制的堵漏模拟装置可以模拟钻井现场的主要环境条 件，可以升温至1 5 0 。c ，加压至7 m p a ，并配备了多种可选择的实验模块模拟漏失地层特性， 实验结果直观性良好，可以分层显示堵漏材料的粒径分布和封堵层密实程度，对优化堵漏 西安石油大学硕士学位论文 剂配方和制定有效的堵漏方案具有指导意义。该装置采用整体设计，功能较齐全，数显控 制准确，操作简便，可以作为a p i 堵漏材料试验装置的替代产品。 本文研究的堵漏模拟装置实际应用以来，在华北油田钻井工艺研究院柔性粒子复合堵 漏剂、水化膨胀复合堵漏剂和中国石油勘探开发研究院超低渗透钻井液的配方优化过程作 用中起到了重要，具有良好的应用前景。 1 2 项目背景 论文所研究的堵漏模拟装置为华北石油管理局钻井工艺研究院院级科研项目。 1 3 研究内容 研制堵漏模拟实验装置，并建立相应的实验方法及评价标准。主要研究内容包括： 1 、研究模拟实验装置的主体结构； 2 、研究模拟不同漏层地质特性的实验模块； 3 、研究温度、压力及试验时间控制系统； 4 、制定模拟堵漏实验装置实验方法； 5 、制定钻井堵漏实验效果评价标准。 第二章堵漏模拟装置国内外研究现状 第二章堵漏模拟装置国内外研究现状 2 1a p i 堵漏材料试验装置 这种试验装置是于1 9 6 2 年经工业鉴定后开始纳入a p i 标准的，但自那以后，其硬件一 直未作过较大改进。主要由试验容器、游动活塞、漏斗、顶盖、球阀和可模拟漏层裂缝的 不锈钢缝隙板等构件组成( 见图2 1 ) 。 图2 - 1a p i 堵漏材料试验装置 缝隙板规定厚度为6 4 m m ，直径为4 7 5 r a m ，规定缝隙长度为3 5 m m ，规定的一组缝隙 宽度分别为l m m 、2 m m 、3 m m 、4 m m 和5 m m ，可以模拟试验堵剂在不同地层裂缝宽度情 况下的封堵能力。漏斗规定直径为7 3 m m ，高度为5 7 m m ，下部底板钻有3 2 个直径为6 4 m m 的孔，漏斗内可装入岩屑、玻璃球、钢珠等构成填充床，可以模拟砾岩渗透岩层和微孔隙 地层。此装置可以模拟测试不同压力下的漏失量和堵漏材料的封堵能力，试验压力可达 7 m p a 。 其工作原理为，试验时将预先准备好的填充床或预先选定的裂缝板放入主体装置规定 位置，按规定把预制好的堵漏浆注入堵剂罐内，按规定开启压力源，打开球阀，在压力作 用下堵漏浆被挤入模拟的漏失通道内，如果堵剂运用得当，即能形成堵塞，继续加压至装 置额定压力，可试验所形成的堵塞的承压能力；如果堵剂运用不当，堵漏浆将全部被挤出 漏失通道。试验完成后，可卸下模拟漏失通道，观察堵剂对其封堵状况。 该装置的试验方法见中国石油天然气行业标准s y t5 8 4 0 9 3 “钻井用桥接堵漏材料 室内试验方法”。 a p i 堵漏材料试验装置最大的缺点是试验结果无复验性，原因是可使用的试样量小， 使任何试验中都可能出现相同堵漏材制颗粒尺寸分布，试验只能在静态和常温条件下进 行，在试验中不能使试样得到搅拌，从而易使颗粒排列不规则。计算累计滤液量的方法太 粗略，试验程序及数据记录要靠操作者整理和执行。 根据a p i 堵漏材料试验装置研制的试验装置还有d s 一2 型渗漏试验装置。如图2 。2 。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 2d s 一2 型渗漏试验装置结构示意图 2 2 d l y 1 6 0 堵漏模拟试验装置忉 四川石油管理局针对深井漏失中漏层的特殊情况，研制了d l y 1 6 0 堵漏模拟试验装 置，较真实的模拟了井下裂缝性地层的地质状态。 该装置由加热和机械两大部分组成。加热部分包括加热套、温度传感器、温度指示调 节仪、可控硅电压调节器等。机械部分由控制箱、岩芯、橡胶简、岩芯夹持器、压力调节 器、回压阀、压力表、压力源、围压瓶、预压瓶、堵剂瓶、阀门、管线等组成，结构见图 2 3 、图2 4 。 圈中r 一压力潭l 一谯压氯i ：一瞄压逝 、f 一聩茉飘一失持零疆一争热毒 江度传盎器1 1 2 一熙o 一压力 套 、争一压力鞠节器c 一日压一 图2 - 3d l y 一16 0 堵漏模拟试验装置原理图 第二章堵漏模拟装置国内外研究现状 田中t 1 一堵头2 寸哪捆3 一蟮帽j 一外珥 s 一圈压洳6 一霉爱埔卜- 钢垫a - - 接头 9 一岩心1 0 - - 幂田强飧】i 一丑是传为器 1 2 一蔫媛头 】3 o 椰鞠l 一辨荆1 5 一地 层水 图2 - 4 岩芯夹持器结构图 其主要参数为，承压能力1 6 m p a ；温度控制范围：o 1 6 0 c ；回压控制0 1 6 m p a ；升 压范围0 1 6 m p a ；岩芯夹持器：长1 5 1 0 m m 外径1 7 0 m m ；堵剂瓶2 1 l ；预压瓶：1 1 l ； 围压瓶1 1 l 。 2 3d l 一1 型堵漏试验装置的研制设计随 d l 一1 型堵漏试验装置( 见图2 5 ) 用对岩芯施加围压、驱压、回压来模拟井壁所受到 的挤压和静压差作用，用平板缝隙流动模拟井眼环空的流动状态，使钻井液对岩芯端面和 对井壁的剪切应力相同，从而使实验条件下与井下环境极其相似。 i 直曩爿建屯枉2 矗心董3 饼牟孟嚣量4 毫荨囊持嚣5 反豆 矗_ 缸 蕊摹式量篱，方鬈m e 簟t 州9 璃鼍母1 0 营嚣n 肆彤 誓丘一1 2 ，平鼻巍盯l ，二遗爿甚蠢一1 5 抽曩1 6 嗣动轴熏 图2 - 5d l - - 1 型堵漏试验装置结构示意图 该装置主要性能： ( 1 ) 岩芯试件尺寸为：直径2 5 4m m ，长3 0 - - - 9 0 m m 。 ( 2 ) 能够模拟钻井液在井眼环空中的流动状态，其循环流量为0 2 - - 0 5 v s 。 ( 3 ) 能在有围压、驱压和回压的条件下测量岩- 心4 q - 的漏失量，最大工作j 匝力j , 3 8 m p a 。 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) 具有反驱功能，能够检测内泥饼的反向承压能力和反排流量。 与之功能、结构相似的还有江汉石油学院化学工程系研制的j l x 一2 动态堵漏试验仪 9 3 。 2 4b d y l 便携式堵漏仪u 叫 中原石油勘探局钻井四公司研制的b d y 一1 便携式堵漏 仪( 见图2 6 ) ，工作原理与a p i 堵漏材料试验装置相同。当 选定模拟漏层后( 高渗、中渗、低渗或裂缝) ，在不同压力梯度 作用下把堵漏浆推向模拟漏层，通过回收堵漏浆的多少和封 堵时问的长短来评价封堵效果的好坏。 其工作参数为，压力范围为0 1 0m p a ，模拟漏层厚度为 2 0 3 0m m ，模拟漏层类型为：微裂缝用粒径为1 2 5 2 0 0 n l m 的砂子或钢球( 直径小于5r a m ) ；高渗漏层用粒径为 0 9 0 - - - 0 4 5i n m 的砂子；中渗漏层用粒径为0 2 8 0 4 5m m 的砂子；低渗漏层用粒径为0 1 5 o 2 8m m 的砂子。堵漏 浆总量为3 0 0 4 0 0m l 。 2 5 组合型裂缝漏床n 组合型裂缝漏床作为堵漏模拟装置地层模拟试块的一种 补充，为更真实的模拟裂缝型漏失通道提供了一种新的方法。 图2 - 6b d y - f 便携式 堵漏仪结构示意图 组合型裂缝漏床( 见图2 7 ) 主要由漏床基座和漏床填充垫片两大部分组成。其中，漏 床基座根据不同堵漏装置设计，以适应 特定的堵漏装置，同时用来插入组合好 的填充垫片，以形成不同的漏失通道； 填充垫片主要包括不同的裂缝基片、裂 缝张开度调节片、填充片、弹性填充片 等薄片，便于模拟出不同漏失性质的裂 缝。 裂缝张开度调节片由薄片部分挖空 而成，根据薄片厚度不同形成系列，为 了保证材料的强度，通常用钢材等材料 加工而成。 图2 - 7 组合型裂缝漏床填充垫片的叠装示意图 弹性填充片用弹簧钢作为基础材料，为弯曲的薄片，根据弯曲程度、弹性系数不同 形成系列。主要用于诱导裂缝、应变裂缝的模拟。 填充片根据薄片的厚度不同形成系列，用钢材等不易变形的材料制成，主要用于填充 组合裂缝片未填满的基座通道空间。 第二章堵漏模拟装置国内外研究现状 2 6 小结 目前，国内生产研究单位在进行堵漏模拟实验时，使用的实验仪器仍以a p i 堵漏材料 试验装置为主，其试验方法作为中国石油天然气行业标准s y 厂r5 8 4 0 9 3 “钻井用桥接堵 漏材料室内试验方法”推广应用，由于结构简单，砂床和漏斗容积较小，往往造成试验结 果复验性差的弊病；由于没有加热功能，不能真实模拟堵漏材料在井下温度环境的封堵特 性。因此，a p i 堵漏材料试验装置已不能满足国内深井、超深井钻井堵漏技术的要求f 1 ，】， 有必完善其功能。 国内其他堵漏模拟试验装置的种类也不多，一般沿用a p i 堵漏材料试验装置的工作原 理并有所改进，但真正在现场应用的很少，原因有：功能不全，例如没有加温功陀( d l - - 1 型堵漏试验装置、b d y l 便携式堵漏仪) ；与实际生产结合不强，造成实际操作过于复杂 甚至无法实施，例如采用岩心作为堵漏对象进行评价时，往往无法获得能够真实反映地层 漏失特性的岩芯；设计思路不清晰，造成功能浪费和装置成本的提高，例如井下实际堵漏 一般采用静压堵漏方式，有的装置将堵漏评价过程设计为模拟井下泥浆循环的动态堵漏， 有无的放矢之嫌。又如m d 新型高温高压堵漏材料试验仪可加压至1 6 m p a ，看似大大提高 了仪器的工作范围，但发生在低压漏层的堵漏施工作业是绝对不会允许堵漏施工压力超过 7 m p a 的。对国内现有堵漏模拟装置的性能对比见表2 1 。 表2 - 1国内堵漏模拟装置性能对比表 序 名称 压力温度地层模拟 反排 流体整机 研制单位 号 m p a 形式状态结构 a p i 堵漏材料试验 10 7无 模拟试块无静态简单多家 装置 d l y 1 6 0 堵漏模拟川i 局钻井 2 0 1 60 1 6 0岩芯试块有静态 复杂 试验装置院 d l 一1 型堵漏试验西南石油 3 0 8无岩芯试块有动态复杂 装置学院 b d y l 便携式堵漏 中原石油 4 0 1 0无模拟试块无静态简单 仪勘探局 m d 新型高温高压 5 0 ，1 60 1 5 0石4 5 ,有静态简单长江大学 堵漏材料试验仪 综上所述，研制新型的堵漏模拟装置，使其功能较为齐全，试验数据对现场有实际指 导意义，是很有必要的。 西安石油大学硕士学位论文 第三章漏失机理及堵漏工艺 3 1 漏失地层的漏失通道几何形态 漏失通道的存在是井漏发生的必然条件，漏失通道的主要形态为孔隙、裂缝和洞穴， 与之对应的井漏主要有三种类型：渗透型漏失、裂缝型漏失和洞穴型漏失。据有关资料统 计，自然裂缝和孔洞漏失占井漏的7 0 ，诱生裂缝约占2 0 ，其他约占l o 1 2 3 。 漏失通道按其形成的原因可分为两大类，一类是自然通道；另一类是人为漏失通道， 是由于井眼压力高于地层承受能力( 地层破裂压力) 时而在井眼周围地层中诱发出的裂缝。 3 1 1 裂缝 裂缝主要存在于碳酸盐岩与砂、砾岩。裂缝在地层中的形状表现为直线型、曲线型， 按走向可分为水平裂缝和垂直裂缝。裂缝的表面可以光滑，也可以粗糙，大裂缝的长度可 以从几米到几十米不等。中等大小裂缝是引起漏失的最常见原因，也是防漏堵漏措施重点 解决的对象。 依据裂缝的开度划分的裂缝级别见表3 1 ，单位：1 3m 。 表3 - 1 裂缝级别 类别 宽、大裂缝中裂缝小裂缝 岩性 碳酸盐岩 4 0 0 01 0 0 0 4 0 0 0 1 0 05 0 1 0 0 6 0um ) ，中孔( 3 0 6 01 3m ) ，小孔( 3 01 3n 1 = 三种。 3 1 3洞穴 天然洞穴、大裂缝形状不规则，大小从0 2 m 至十几米都有报道。洞穴主要存在与碳酸 盐岩、火成岩、变质岩。洞穴有封闭式的，也有连通性的，包括连通的大裂缝和地下暗河。 溶洞和大裂缝漏失都是灾难性的，很难处理引。 根据钻井液的漏失速率，可以将井漏分为以下几种情况，见表3 2 。一般认为只要漏 失速率超过1 6m 3 h 就应采取紧急补救措施。 第三章漏失机理及堵漏工艺 表a - 2 漏速划分表( 单位m 3 h ) 渗漏小漏中漏 大漏 严重漏失 特大漏失 1 0 2 0 5 0 8 0 失返 3 2 漏失机理 井漏的发生，应该存在以下几个条件，存在正压差( 即井筒中工作液的压力大于地层 孔隙、裂缝或溶洞中的流体的压力) ；在压差作用下存在液体流动的漏失通道；漏失通道 的开口尺寸应大于外来工作液固相的颗粒。 3 3 堵漏原理 堵漏材料进入漏失通道之后，在压力、高温或化学反应等作用下，以机械堆砌方式或 化学生成物的堆积，建立起具有一定机械强度、并与漏失通道牢固粘结的堵塞层，形成封 堵。 在钻井作业中，除了存在天然裂缝外，当钻井液的液柱压力过大时，将压裂地层，形 成人为的次生裂缝，钻井液会在井筒与地层之间的压差作用下，沿裂缝漏入地层，造成井 漏。高压差给井漏处理工艺带来了难题，尤其是发生在低压地层中的井漏，其处理难度就 更加复杂，采用常用的堵漏措施难以满足其特殊要求。 许多典型的漏失地层，虽属于低压砂岩的孔隙漏层，但是由于存在较高的压差，故常 会诱发裂缝，这就是处理此类漏层的难点所在，因此封堵机理应以裂缝为对象。标准泥浆 是由中等颗粒粘土固相及细粒的基液( 包括液体及胶粒) 组成的。其滤失机理则是其中的中 等颗粒者形成滤饼而防止细粒基液的渗漏。假如泥浆中引入较大尺寸的第三种材料而由三 种不同尺寸材料( 大的材料、中的泥浆颗粒及细的基液) 组成复合体而形成较大数量比例的 防漏材料，从而可实现大颗粒材料防止泥浆颗粒漏失而泥浆颗粒防止基液漏失，特别是对 诱发裂缝可以增加裂缝扩延的阻力，完成阻止泥浆漏进裂缝和孔隙并建立具有一定承受力 的封堵层。这样就可达到完全制止漏失并增加地层强度的目的。对很大的孔隙和天然裂缝， 防漏材料则可作为堵塞材料使用。在渗漏层中，防漏材料是一种经常有效的原始和扩张裂 缝的抑制剂，其井眼破裂压力可增；0 n 9 5 8 6k g m 3 ，裂缝扩张压力增3 n ( 3 5 9 4 8 7 1 8 9 6 ) k g m 3 。在低压渗透性地层中使用防漏材料，不但可以有效地封堵地层，制止泥浆漏失，而 且可以消除由于高压差引起的卡钻、缩径等井下复杂情况，尤其在储层中钻进可减轻损害 1 1 4 1o 3 4 堵漏材料 目前常用的堵漏材料主要有桥接堵漏材料、高失水堵漏材料、暂堵材料、化学堵漏材 料、无机凝胶堵漏材料、软硬塞堵漏材料等。从国内外堵漏材料的研究应用状况看，化学 堵漏剂发展较快，桥堵和软塞堵漏材料受到高度重视，兼有堵漏和防水功能的两用堵漏剂 西安石油大学硕士学位论文 得到广泛的研究和应用。用于大溶洞和大裂缝的堵漏剂较缺乏川。 由于井下漏失是各种因素的综合结果，单一堵漏材料的适用面较窄，因此一种堵漏剂 很少单独使用，一般都是多种材料的级配，以适用不同条件下的堵漏。目前发展的堵漏材 料适用的温度超过1 5 0 ，压力超过2 5 m p a 。 3 4 1 桥堵材料 桥接堵漏是利用不同形状、尺寸的惰性材料，以不同的配方混合于泥浆中直接注入漏 层的一种堵漏方法。桥堵属于机械封堵，具有经济价廉，使用方便，施工安全的优点，可 以解决由孔隙和裂缝造成的部分漏失和失返漏失。 桥堵材料是最常用的堵漏材料，按形状分为颗粒状材料、纤维状材料、片状材料。颗 粒状材料有核桃壳、橡胶粒、硅藻土、沥青等；纤维状材料有锯末、棉纤维、亚麻纤维等； 片状材料有云母片、谷壳等。 颗粒状材料在堵漏过程中封堵住漏失通道，起到“架桥”作用。架桥粒子具有一定的 强度，一般抗压能力在2 1 7 m p a 之间，是封堵漏失通道的骨架。一般认为，颗粒状材料的 最佳尺寸是地层中漏失通道开口尺寸的1 3 ，此时可以形成稳定的桥堵。颗粒状材料在使用 中由粗、中、细三种规格混合而成。纤维状材料在形成的堵塞中互相交错，起到“拉筋” 作用，可以提高堵塞层的强度。片状材料用于填塞架桥后的微细通道。 各种堵漏材料的耐温性能不同，因此制定堵漏方案时应考虑温度对桥堵材料强度的影 响，大多数桥堵材料在1 2 0 。c 以下性能基本稳定，大于1 2 0 。c 后强度或性能会有不同程度的 下降。颗粒材料在堵漏剂中的含量要小于5 ，小于这一尺寸的其它9 5 颗粒的粒度分布应 宽广；在混合堵漏剂中颗粒材料与片状、纤维状的堵漏剂混合比例一般采用2 - 1 为宜，而 且混合堵漏剂在钻井液中有一极限浓度，并非浓度越高越好。 采用桥堵有时效果并不明显，主要原因是：漏层位置确定不准，漏层特点掌握不清， 堵漏材料选用不当，井眼内激动抽汲压力使得堵漏材料在地层中形成的“封堵墙”始终 处于一个交变的受力状态，从而使得“架桥颗粒”形成的“架桥骨架”在正、负压差作用 下而容易破坏。“架桥骨架”破坏的主要原因是“架桥颗粒子之间没有形成足够大的“内 静摩擦力”，即使起钻后静候，由于堵剂本身在钻井液中不能产生巨大的内胀力，封堵层 也会因不能承受住井眼内的外冲击而产生破坏u 刨。 3 4 2 高失水堵漏材料 高失水堵漏剂配成的浆液进入漏失段后，在钻井液液柱压力和地层压力所产生的压差 作用下，迅速失水，浆液中的固相组分聚集、变稠，形成滤饼，继而压实，堵塞漏失通道。 同时由于所形成的堵塞具有高渗透性的微孔结构和整体充填特性，能透气透水，但不能透 过钻井液，因此钻井液在塞面上迅速失水，形成光滑平整的泥饼，起到进一步严密封堵漏 失通道的作用。高失水堵剂材料有渗滤性材料、纤维状材料、硅藻土、多孔惰性材料、助 1 0 第三章漏失机理及堵漏工艺 滤剂和聚凝剂等。 由于堵漏浆在渗透层才产生失水，对不渗层无影响，因此高失水堵漏材料用于漏层位 置不清的渗漏和部分漏失，主要用于随钻堵漏。另一方面，由于厚泥饼的存在，容易引起 压差卡钻，因此这种材料现在应用较少。 3 4 3 暂堵材料 对于油气产层发生的漏失，要求堵漏材料具有封堵漏层能力的同时，在后续开采过程 中能通过反向压差、油溶或酸溶等方式实现解堵，达到保护油气层的效果。主要用于随钻 堵漏过程中处理渗漏和局部漏失。 暂堵材料有作为桥堵材料的不同粒级细粒碳酸钙，用于涂敷层的软化材料磺化沥 青、氧化沥青、磺化酚醛树脂及其改性产品，兼有桥堵、涂敷和粘接作用的油溶性树脂等。 单向压力封闭剂有d 卜1 、d c 卜1 等；酸溶性堵剂有石灰乳( 泥浆) 用于堵漏材料、q s 一2 、 p c c 、d 卜9 3 、a s c 一1 等；油溶性堵剂有o p 一1 、y d l 等。 3 4 4 化学堵漏材料 化学堵漏材料利用高聚物在界面上的静力、界面分子间作用力、化学键力，增大了漏 失通道的流动阻力，并使聚合物在界面处形成粘接，通过控制化学反应时间( 胶联剂、 改变p h 值、剪切破乳等) ，在漏层处形成所需的堵漏材料。化学堵漏材料大致可分为凝胶、 树脂和膨胀聚合物三大类。 化学堵漏材料是一种无固相材料，不受漏失通道形状和尺寸的影响。由于化学堵漏材 料形成的聚合物不溶于水，因此常常用于水层漏失的封堵。 3 4 5 无机凝胶堵漏材料 无机胶凝堵剂以水泥为主，包括各种特殊水泥、混合水泥稠浆等。水泥是钻井防漏堵 漏中最常用的材料之一，其特点是封堵漏层之后，具有较高的承压能力。近年来在各种水 泥添加剂和改善灌注工艺等方面做了大量工作，在水泥浆的可泵性、缩短凝固时间、提高 水泥石早期强度和稳定性方面取得了很大进展。特别是各种快干水泥、触变性水泥、膨胀 水泥以及速凝剂、缓凝剂的研究，拓宽了水泥的适用范围。这种方法主要用于处理张开 值为8 r a m - - 3 0c ，1 1 的自然横向裂缝、破碎石灰岩及砾石层的漏失7 。 3 5 堵漏工艺 3 5 1 常规井漏处理方法 井漏的一般处理方法有静止堵漏，颗粒桥塞堵漏，高失水浆液堵漏，暂堵法，无机胶 凝物质堵漏法，复合堵漏技术，强行钻进套管封隔技术等。由于漏层特性和引起井漏的原 因各不相同，因而对不同类型的井漏有其相应的处理方法。一般说来有以下原则：浅部地 层井漏，在条件允许的情况下，采用清水强行钻进，下套管封隔漏层，如果清水强钻条件 西安石油大学硕士学位论文 不具备，最有效的办法是用水泥堵死，免除后患；产层漏失，必须选用具有保护油气层作 用的堵漏剂；而由地层因素引起的井漏，如钻遇天然裂缝、高孔隙、溶洞发生的井漏。一 般利用堵漏剂封堵漏失通道；由钻井工程因素引起的井漏，可利用起钻静置、控制起下钻 速度、改变钻井液性能、降低排量等办法处理；若压井、试压堵漏或加重钻井液过程中发 生压裂性漏失，被压漏的地层一般不能恢复原来的承压能力，这时最好的办法是下套管封 隔。 3 5 2 复杂井漏的处理方法 特大洞穴、裂缝、盐层底部地层、多套压力体系地层、又喷又漏的地层、低压地层、 水层、调整井的漏失是世界公认的难题，是钻井事故中的灾难性事故。 特大洞穴和裂缝漏失一般比较严重，但到目前为止，还没有准确测量溶洞和裂缝大小 的方法，其封闭性或连通性也不好确定，并且有些裂缝还与地下暗河相连。处理这类井漏 的方法一般用清水强钻套管封隔技术、速凝水泥堵漏技术、井口充砂技术、复合堵漏袋、 尼龙袋堵漏工具、投入用水溶性壳体组成的堵漏物质等。 水层漏失堵漏要取得成功，必须具备以下条件：堵漏材料不能被稀释、冲散或者冲走， 在漏失通道中必须能建立起能承担正负压差的封隔层。一般采用连续灌注或者快速凝固法 堵漏。对于高压水层，可用堵漏压井同步法；如果条件允许，也可采用清水强钻法。 多压力层系井漏的处理关键是确定主漏层的位置和压力，对于这种漏失，可采用循环 堵漏法，水泥浆推进堵漏等。 调整井防漏堵漏技术，关键是搞清生产对地层压力的影响及影响程度，重新建立地层 压力剖面，以防为主。一旦漏失，首要问题是要注意保护油气层【1 8 】。 3 6 堵漏材料性能评价试验 实例l ：无机胶凝堵漏材料 堵漏材料：无机胶凝堵漏材料。j s r 作为一种增稠软塞堵剂，因其具有高塑性强度的 封堵能力，用于处理裂缝、洞穴地层和大孔隙高渗透性地层发生的钻井液完全漏失。其基 本配方为：柴油2 3 + 水4 0 + 乳化剂h y 5 5 + s n 2 5 + 膨润土2 8 + 高聚物1 。 试验仪器：a p i 堵漏评价装置模拟裂缝 承压能力试验：在裂缝深度为8 0 r a m 条件下，笔者进, 1 2 7 堵漏剂封堵裂缝承压能力的 评价试验，当裂缝宽度为l 、2 、3 、4 、5 m m 时，承压能力为0 7 5 、0 6 1 、0 4 7 、0 3 0 、0 2 4 m p a 。 可见，堵漏剂所能承受的最大压差随裂缝的宽度增大而减小引。 实例2 ：化学堵漏材料+ 桥接剂 堵漏材料：化学堵漏材料+ 桥接剂。新型多功能复合凝胶堵漏材料可有效对付大漏、 失返、返出量太小( 漏速在每小时几十方以上) 的裂缝性、溶洞性、破碎性地层漏失。该堵 剂的配制是在多功能聚合物溶液中加入适量的交联剂，以及刚性无机材料，堵漏机理是配 第三章漏失机理及堵漏工艺 制好的堵剂在可控时间内在漏失层形成粘度、切力、弹性和静结构足够大的凝胶段塞，由 于其具有极强的粘附能力和长度，最终形成的极高流动阻力足以抵抗外来j r ( 漏失压差) 的 破坏，最终成功堵住漏层。 实验仪器：d l 型堵漏材料试验装置。 承压能力试验： ( 1 ) 将一定量的聚合物浓溶液充分溶解于蒸馏水中，加入适量n a c l 后调节聚合物溶液的 p h 值，再加入一定量的交联剂，最后将整个聚合物体系放进a p i 堵漏材料试验装置中静候 成胶2 4h 后按照操作规程测试凝胶体系的承压能力与突破能力。 ( 2 ) 将一定量的聚合物浓溶液充分溶解于蒸馏水中，加入适量n a c l 后调节聚合物溶液的 p h 值，再加入各种刚性无机材料，而后加入一定量的交联剂，最后将整个混合体系放进 a p i 堵漏材料试验装置中静候成胶2 4h 后按照操作规程测试凝胶体系的承压能力与突破能 力2 。 实0 i j 3 ：桥堵材料 桥堵材料的堵漏实验一般采用a p i 堵漏材料试验装置，实验方法见中国石油天然气行 业标准s y t5 8 4 0 9 3 “钻井用桥接堵漏材料室内试验方法”。 实例4 ：充气钻井液 堵漏材料：充气钻井液利于提高钻进效率、保护油气层、增大油气产量。尤其在低压 渗漏地层，充气钻井液能有效地减少乃至消除漏失，减少井内事故，提高钻井速度。充气 钻井液以聚合物泥浆为基浆，加入泡沫剂或空压机充气起泡而成。 试验仪器：a p id s 一2 型渗漏装置。 模拟渗漏试验：试验分别在1 m p a 、2 0 0 k p a 、6 1 k p a 三种渗漏压差下进行。为进行渗 漏量对比，同时进行了相同基浆配方的聚合物钻井液和无固j ：i i ( p h p ) 钻井液的渗漏试验眩 2 2 2 3 o 实例5 ：水化膨胀复合堵漏材料 堵漏材料：化学堵漏材料。新型堵漏剂采用的技术原理是利用材料本身遇水高倍膨胀 的特性( 膨胀率大于8 倍) ，材料的抗拉强度大于2 m p a 。漏层内的封堵层经过一定时间后， 桥塞颗粒间形成强大的内静摩擦力，增大堵层的抗内外压差的能力，从而达到堵漏的目的。 试验仪器：自制简易模拟试验装置。 堵漏试验：辽河油田目的层砂、砾岩中孔隙度为1 8 4 5 ，裂缝大小为1 5 m m ，漏速 为5 - 一2 0 m 3 h 。为此，要制成不同胶结物含量，不同孔隙度，不同裂缝大小的地层模拟 岩芯。按试验设备要求，制成高8 0 m m ，直径1 5 5 m m 约圆柱形岩芯。将制成的岩芯放进直 径相等、高度略大的能承受一定压力的圆柱型容器内，一端用管线与柱塞泵联接以泵入钻 井液，另一端管线是钻井液出口，可测量漏速。柱塞泵端安装有压力表，可测得压力变化 情况。通过泵压、漏速随时间的变化，就可以判断出不同情况下堵漏的效果们。 实例6 ：无机复合速凝堵漏剂 西安石油大学硕士学位论文 堵漏材料：y h l 0 3 复合堵水堵漏剂是一种高强度非选择性无机复合速凝堵水、堵漏剂。 与其它同类型的堵剂比较，它具有封堵强度高、热稳定性好、有效期长等优点。用它既 可对无开采价值的高含水层、纯出水层非选择性一次封堵，又可用于封堵套管漏失。 试验仪器：自制模拟装置。 封堵强度试验：用中1 9 m m x 0 5 m 的高压管，内装石英砂模拟人造岩芯，在9 5 下挤 入堵剂，候凝2 4 h 后，测定其堵剂封堵强度。从表看出，堵剂具有很高的封堵能力，无论 是孔隙或裂缝，封堵后渗透率下降均在9 9 9 以上眩钔。 实例7 ：沥青类暂堵材料 堵漏材料：沥青类防漏堵漏剂o p 一1 ，软化点6 0 ，颗粒为不规则体，粒度6 0 - - 2 0 0 目的颗粒约占9 0 。 试验仪器：d l 一1 型模拟堵漏试验仪。 模