石油与天然气化工  2021, Vol. 50 Issue (5): 71-74
适合页岩气钻井堵漏的环保型堵漏剂AT-SPS性能评价与应用工艺
周井红1 , 王先兵2 , 徐兴海3 , 曹世平4 , 陈正桥5     
1. 四川长宁天然气开发有限责任公司;
2. 中国石油西南油气田公司工程技术处;
3. 四川宝石花鑫盛油气运营服务有限公司;
4. 四川华顺通能源技术开发有限公司;
5. 中国石油川庆钻探有限公司钻采工程技术研究院
收稿日期：2021-03-08
作者简介：周井红，1984年生，本科，高级工程师，2007年毕业于中国石油大学(北京)，主要从事钻井工程管理及相关科研工作。E-mail：zhoujinghong@petrochina.com.cn.
摘要：针对页岩气表层因地层风化剥蚀和裂缝发育等因素导致的恶性井漏问题，利用液体膨胀原理，采用环保型堵漏剂AT-SPS进行封堵。室内性能评价结果表明：该堵漏剂遇水即快速发生反应，体积膨胀数倍并形成不溶于水的固结体，达到填充漏失通道封堵的目的。根据该堵漏剂的膨胀特性，结合长宁页岩气表层恶性漏失多为溶洞性漏失的特点，制定了应用工艺。采用专用输送工具将堵漏剂注入漏层，堵漏剂遇地层水后快速发生反应，形成坚硬的固化体以封住漏层和水层。该堵漏剂在长宁某页岩气区块进行了4井次的应用，大幅降低了漏失，稳定了井壁，保证顺利钻进至目的井深。介绍了环保型遇水膨胀堵漏剂的基本原理、实验评价和应用工艺，为现场应用奠定了基础。
关键词：页岩气    表层漏失    堵漏剂    AT-SPS    
Performance evaluation and application process of environment-friendly plugging agent AT-SPS in shale gas drilling
Zhou Jinghong1 , Wang Xianbing2 , Xu Xinghai3 , Cao Shiping4 , Zhengqiao Chen5     
1. Sichuan Changning Gas Development Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, China;
2. Department of Engineering Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
3. Sichuan Baoshihua Xingsheng Oil & Gas Operations Service Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, China;
4. Sichuan Huashuntong Energy Technology Development Co., Ltd.;
5. Institute of Drilling Engineering Technology, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, China
Abstract: Lost circulation in the surface layer of shale gas is a significant problem caused by stratum weathering and erosion, crack development, and other factors. To address this issue, an environment-friendly plugging agent AT-SPS was used for plugging according to the principle of expansion of liquids. The results of laboratory performance evaluation showed that the plugging agent immediately reacted with water, expanded by several times, and produced a water-fast induration, which filled and plugged the leaking channel. Based on the expansion characteristics of the plugging agent and the characteristics of the karst cave leakage in Changning shale gas, the application process has been formulated. The plugging agent is injected into the leaking layer using a special transport instrument. After coming into contact with water, the plugging agent immediately engaged in rapid reaction, and produced a solid induration, which plugged the leaking layer and the water layer. The plugging agent has been applied in a shale gas well in Changning for 4 wells, which greatly reduced the leakage, stabilized the well wall and ensured that shaft drilling could proceed to the intended depth. This study introduced the basic principles, experimental evaluation, and application process of the environment-friendly water-swelling plugging agent, laying a foundation for further field applications.
Key words: shale gas    surface leakage    plugging agent    AT-SPS    

长宁页岩气区块因地层风化剥蚀和裂缝发育等因素导致表层井漏频发。其中，须家河、雷口坡、嘉陵江组易漏，经常钻遇断层或溶洞，且地下水充沛，易发生恶性漏失。漏失量大，堵漏困难，传统桥堵和注水泥浆很难解决。目前，国内外针对断层和大溶洞还没有比较好的处理方法，主要措施是采用清水强行钻进，钻过断层和溶洞，下技术套管固井封隔漏层；或者直接注入水泥浆封堵，开窗侧钻。不仅工程量大、钻井周期长、成本高，还容易造成井壁失稳垮塌、填埋工具等重大钻井事故。通过对长宁区块地质情况分析及井下成像观察，表层漏失通道主要以裂缝和溶洞为主，漏失层段地下水含量丰富。根据此特点，采用遇水即发生反应的环保型堵漏剂AT-SPS进行堵漏，将其注入漏失层段，遇水发生反应，迅速稠化失去流动性，并能产生数倍的体积膨胀，最终形成坚硬的固化体以封住漏层和水层。

1 表层恶性漏失难题与堵漏机理
1.1 表层恶性漏失难题

长宁页岩气区块因地层风化剥蚀和裂缝发育等因素导致表层井漏频发，表层地质疏松，常出现井壁不稳定，掉块掉砂等情况，因无法建立循环，不能将掉块掉砂循环出来，导致现场无法强钻，停钻捞砂会花费大量的时间，严重影响钻井效率。

1.2 环保型遇水膨胀堵漏剂作用机理

堵漏剂AT-SPS是一种以聚氨基甲酸酯基团为主体结构的有机高分子化合物，它的预聚体为低黏度液体，分子链两端含有活泼的异氰酸基(—N=C=O)，该基团具有可反应的双键，非常活泼，浆液在不遇水或密闭状态下是稳定的。堵漏剂AT-SPS被注入地层遇水后，快速发生分子之间的扩气、脱气、支化与交联等化学反应(见式(Ⅰ))，在裂缝和孔隙间形成不溶于水的固结体，实现堵塞漏失通道的功能[1]。

环保型遇水膨胀堵漏剂AT-SPS呈液态状，流动性好，能进入不同类型的通道；堵漏剂发生化学反应产生的气体推动堵漏剂进入漏失通道；堵漏剂发生反应后体积膨胀5~10倍，能有效充填漏失通道，同时隔离水层；反应完成后漏失通道被填充，形成隔离墙，从而封堵漏层及水层[2]。

(1)
2 环保型堵漏剂AT-SPS性能评价
2.1 基本性能

环保型堵漏剂AT-SPS基本性能指标见表 1。

表 1    环保型堵漏剂AT-SPS基本性能指标

2.2 固化后封堵评价

为评价堵漏剂的封堵承压能力，将10 mL样品加入到长15 cm、两端有丝扣的砂管内；加入2 mL水，用玻璃棒搅拌均匀，将钢管两端用丝堵密封，放入40 ℃水浴锅中固化4 h；将固化后的样品钢管两端丝堵取下，连接到手液压泵，缓慢加压至5 MPa；停止加压并开始计时，观察30 min内压降值，即为固化后封堵剂的承压能力；重新计时，继续缓慢加压直至压力突降，该突降值，即为固化后封堵剂的突破压力，见图 1。实验结果见表 2和表 3。

图 1     封堵及压力突破实验装置

表 2    封堵承压压力变化值

表 3    封堵突破压力值

从表 2和表 3可知，在缓慢加压至5.0 MPa，停止加压后，30 min内压降0.2 MPa，压力降低了4%，表明堵漏剂形成的固结塞非常致密，能够承受住5.0 MPa的压力而不被破坏；继续缓慢加压，当压力达到8.0 MPa以后突然降低，说明固结塞被液压击穿，开始渗漏，说明堵漏剂封堵突破压力可达8.0 MPa。实验表明，堵漏剂遇水膨胀后形成的固结塞封堵承压能力强，能达到现场堵漏承压要求。

2.3 AT-SPS抗污染能力评价

为适应现场不同的反应介质，采用KCl、NaCl、NaOH分别配制成10%(w，下同)的液体与油田污水及聚合物胶液进行AT-SPS抗污染能力测试(见图 2)，观察反应时间及初凝时间是否会因为反应介质的改变导致其性能受到影响[3]。堵剂起泡体积膨胀的时间为反应时间，堵剂膨胀后开始失去流动性的时间为初凝时间。

图 2     抗污染能力评价

取300 mL蒸馏水3份倒至烧杯中，在低速搅拌下分别加入KCl、NaCl、NaOH，配制成10%的溶液，称取50 g AT-SPS及0.3%(w，下同)的催化剂，在静止状态下加入，观察反应时间及初凝时间。

取300 mL油田污水、天然海水及聚合物胶液各1份，称取50 g AT-SPS及0.3%的催化剂，在静止状态下加入，观察反应时间及初凝时间。

图 2表明，堵漏剂AT-SPS对K+、Na+、Cl-、油田污水中的污质、聚合物等均有很强的抗污染能力。因为堵漏剂分子含有活跃的亲水基团，遇水即可快速发生化学反应，其他成分对反应影响很小。

2.4 环保性评价(生物毒性评价)

将固结体取样20 g浸泡在100 mL清水中，在150 ℃下热滚24 h，取热滚后的水样做生物毒性评价，评价结果见表 4。

表 4    生物毒性评价

表 4表明，堵漏剂AT-SPS无生物毒性，对环境友好，属于环保型堵漏剂，符合现场应用环保要求。

3 AT-SPS的应用工艺
3.1 堵漏剂注入工具

输送堵漏剂AT-SPS工具主要由阀体部件、蓄料部件、释放蓄料部件3部分组成。该工具用泥浆泵提供压力作动力源，通过泥浆泵加压打开启动阀。带压泥浆通过启动阀进入蓄料总成处，继续加压，从而打开下阀体通道，堵漏剂通过下阀体释放至泄漏部位堵漏。堵漏完毕后，再打开泥浆泄放口将泥浆压力卸掉。输送工具工作原理见图 3。

图 3     输送工具工作原理

3.2 施工工艺

堵漏剂AT-SPS现场施工工艺为：首先下入堵漏工具至漏点或者漏层，再根据施工要求泵入堵漏剂至漏点或者漏层，然后起钻候凝。施工示意图如图 4所示。

图 4     现场施工示意图

堵漏剂用量一般为2~4 m3(根据现场漏失情况确定加量)，工具长度由堵漏剂加量决定，容量为0.4 m3/10 m。

4 AT-SPS现场应用情况

环保型膨胀堵漏剂AT-SPS在长宁页岩区块应用了4井次，均用于表层恶性井漏，成功3次。另外一次未完全堵漏成功，但能建立循环，后期清水强钻至一开完钻井深，成功率75%，有效率100%。与常规堵漏剂相比，该产品堵漏成功率高，封堵范围广且封堵速度快，施工简便，效率高。

以某典型井为例，该井一开设计200 m，钻进至79 m发生严重漏失，砂面63.86 m，液面43.86 m，通过3次水泥浆堵漏未能成功，改用桥堵浆堵漏也失败，常规堵漏剂已不能满足该井堵漏需求，故采用环保型遇水膨胀堵漏剂AT-SPS进行堵漏。将2 t环保型遇水膨胀堵漏剂装入专用设备，用钻杆将堵漏工具输送至57 m，启动泥浆泵，加压至25 MPa，剪断安全阀，堵漏浆释放，顶替2 m3清水，起钻至井口，每隔30 min灌浆一次，3 h后灌满，井口循环无漏失，下钻扫塞至井底，循环无漏失，堵漏成功，恢复钻进。

5 结论

(1) 环保型遇水膨胀堵漏剂AT-SPS是由起泡剂、匀泡剂、催化剂及填充料组成的一种化学类堵漏剂，遇水后体积快速膨胀，发生交联反应，形成结构。

(2) AT-SPS产生的气体推动堵漏剂进入漏失通道形成固结体，实现封堵漏失的功能，达到堵漏目的。

(3) AT-SPS抗污染能力强，能抗10%的K+、Na+、Cl-等污染，无生物毒性，对环境友好。

(4) AT-SPS采用专用输送工具施工，在长宁页岩气区块现场实施应用，达到了堵漏效果。

参考文献
[1]
徐同台, 刘玉杰, 申威, 等. 钻井工程防漏堵漏技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 1997.
[2]
黄汉仁. 钻井流体工艺原理[M]. 北京: 石油工业出版社, 2016.
[3]
蒋希文. 钻井事故与复杂问题[M]. 北京: 石油工业出版社, 2001.
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