六盘水煤层气井牛场区块恶性漏失地层堵漏方法研究_徐堪社.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Liupanshui Energy Investment Development Co., Ltd, Liupanshui 553001, China Abstract Leaking stoppage is the key technology of optimal and fast drilling and cost saving in CBM. Aiming at the circulation loss zone of the extensively vertical and horizontal water-bearing fractures in Niuchang block in Liupanshui, in combination with field leaking stoppage practice, the analysis of leakage failure and the study of plugging have been carried out in ation with serious circulation loss, a set of integrated leaking stop- page with throw-in composite plug plus cement paste has been ed, successfully stopping the serious circulation loss in the middle of Niuchang block. The results provide a new approach for leaking stoppage during drilling CBM wells in Guizhou, have significant application and promotion value. Keywords serious circulation loss; CBM wells; leaking stoppage; integrated leaking stoppage with throw-in composite plug plus cement 牛场区块隶属于贵州织纳煤田比德–三塘向斜， 累计施工煤层气井 36 口， 中部地层 200450 m 深出 现失返性漏失井达半数以上，主要漏失层位为飞仙 关组四段T1f4，岩性为灰色–浅灰色泥质粉砂岩或 粉砂岩互层，薄至中厚层状，波状层理及水平层理， 灰岩一般有 3 套， 全层厚度大于 90 m， 地层倾角 10 左右。堵漏占每口井施工周期约 1/3 时间。如何解 决该层位恶性漏失问题，降低堵漏成本，缩短钻井 周期已成为困扰该区块煤层气钻井的难题。 前期针对飞仙关组四段T1f4恶性漏失地层分 别采用过清水强钻[1]、桥塞堵漏[2]、水泥浆堵漏[3]、 复合堵漏[4]和可控胶凝堵漏[5]等常规堵漏方法， 但堵 漏成功后地层承压能力不高，在后续钻井过程中易 重复漏失。因此探索该区域行之有效的堵漏方法， 如何提高堵漏成功率， 减少重复漏失机率迫在眉睫。 1 牛场区块恶性漏失层位理论分析 现列举某井台7口井恶性漏层对比如图1所示， 可以看出漏失层位主要集中在垂深 350380 m，7 口井失返性漏失后，测量液面均位于 80 m 左右，漏 层深度变化受地层倾角影响，但可以判断为同一裂 隙性漏失层位。 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 1 恶性漏失层段三维图 Fig.1 Three dimensional diagram of ation with serious circulation loss 如图 2 所示，通过地层岩性剖面显示，其裂隙 的产生可能是粉砂岩层受构造变形作用，在构造应 力作用下产生破裂，形成构造裂隙，同时由于区域 构造，包括断层构造和褶皱构造的影响，加上粉砂 岩层上下为灰岩地层，在地下水的长期作用下，粉 砂岩上下胶结面灰岩地层逐步溶蚀，促使了裂隙相 互贯通，从而形成了具有地下水活动纵横分布较广 的裂隙性漏失带。 图 2 漏失层段地层简图 Fig.2 Stratigraphic section of serious circulation loss zone 2 常规堵漏方法失效原因分析 2.1 清水强钻 前期遇到恶性漏失地层时，首先尝试采用清水 强钻。在进行井底清水强钻过程中，井口回灌泥浆， 保持漏层以上井段为钻井液，使钻井液液柱压力平 衡漏层压力，保护井壁；而漏层下部采用清水强钻， 并将所钻岩屑带入漏层起到岩粉堵漏的目的。通过 一口直井试验，由于漏层裂隙分布广，岩屑被清水 带入漏层裂隙深处不能有效降低漏失，同时煤系地 层为松软煤，有明显垮塌现象，增加了井内卡钻、 埋钻风险，不适合清水强钻。 2.2 桥塞堵漏 桥塞堵漏技术是将钻井液和不同形状、大小不 一、数量不等的多边角坚硬果壳、云母及各种植物 纤维等惰性物质配成的复合堵漏剂，采用泥浆泵入 漏层。通过桥接堵漏材料 4 种状态来封堵裂隙，即 封门状态、封侯状态、封腰状态和封尾状态进行封 堵[6]。现场试验过程中，由于牛场区块漏层含水且 裂缝分布较广，桥接堵漏材料被堵漏浆带入裂隙深 部或直接经孔洞流失，不能在漏层入口附近堆积， 从而起不到及时有效的堵漏作用，致使堵漏完成后 钻进过程中反复漏失。 2.3 水泥浆堵漏 钻井过程中发生严重井漏时，经常采用水泥浆 堵漏，水泥浆堵漏是行之有效、便于操作的堵漏方 法，通常分为挤入法或自然平衡法[7]，通过水泥浆 进入漏失通道，填充裂隙空间，终凝后形成高强度 水泥墙达到堵漏目的。由于牛场区块恶性漏失地层 富含水，堵漏水泥浆进入漏层尚未初凝，即被漏层 裂隙水稀释或直接带到裂隙深处，不能在井眼周围 形成有效的水泥墙，致使堵漏完成后探不到水泥塞 面，或者重复漏失。 2.4 可控胶凝堵漏 可控胶凝堵漏剂为一种有触变性的堵漏材料， 属于水泥速凝类堵漏剂[8]。主要为铝酸盐、碳酸盐 或硅酸盐，与无机盐类复合成高碱性粉状制剂，可 通过加入缓凝剂或速凝剂来调节控制初凝、终凝时 间，从而达到快速堵漏目的，适用于溶洞、裂隙等 恶性漏失地层。由于牛场区块漏层属于纵横分布较 广的裂隙性漏失带，初凝较快的可控胶凝堵漏浆优 先进入大裂隙，且在裂隙口形成堵漏墙，进入小裂 隙的可控胶凝堵漏浆较少， 不能形成有效的封堵墙， 加之漏失地层富含水，不断稀释、冲散小裂隙的堵 漏浆，后期钻进过程中，在井内液柱压力及钻具震 动的影响下，小裂隙开始出现漏失，随后抗压强度 低的堵塞隔墙遭到破坏，从而再次出现漏失。通过 该区块一口直井试验 3 次，堵漏完成后钻进过程中 反复漏失，均以失败告终。 2.5 复合堵漏 复合堵漏是利用多种堵漏材料和不同堵漏方法 之间的协同作用，分为快速驻留和胶结固化 2 个封 堵段塞进行堵漏。第一步驻留段塞是由高浓度凝胶 或高浓度桥塞堵漏浆等组成，进入漏层后形成有效 驻留，为后续固化封堵提供驻留支撑；第二步固化 ChaoXing 第 2 期 徐堪社等 六盘水煤层气井牛场区块恶性漏失地层堵漏方法研究 37 段塞通过高膨胀活性材料进入漏层后快速失水富 集，形成网状结构，并在井底温度和固化剂作用下 快速固化，形成高强度封堵层，从而保证封堵的效 果[9]，能有效解决含水漏层、气层漏失、长段裸眼 井漏失及大裂隙漏失等问题。复合堵漏法常用复合 方式见表 1。 表 1 复合堵漏法常用复合方式 Table 1 Composite metheod of lost circulation control 复合方式 处理漏失对象 化学凝胶水泥浆 水层漏失、严重井漏 桥堵泥浆水泥浆 大裂隙漏失 重晶石塞桥堵泥浆水泥浆 水层漏失、大裂隙漏失 柴油膨润土浆屏蔽暂堵剂 低压高孔渗砂岩水层漏失 其他混合型桥接剂 水层漏失、大裂隙漏失 针对牛场区块恶性漏失，采用复合堵漏方法， 首先利用高黏度稠浆作为基浆，加入随钻堵漏剂、 锯末、棉籽壳及复合堵漏剂等，配置体积分数 2030，配置量 15 m3，注入井内作为后续固化 封堵提供驻留支撑作用，随后注入比重 1.80 的水泥 浆 4 m3作为固化段塞。与上文所述堵漏方法比较， 复合堵漏成功率明显提高，但仍存在桥塞堵漏浆和 水泥浆全部流失，探不到水泥塞面，或者钻进过程 漏层重新打开，主要原因为a. 起驻留支撑的高浓 度桥塞堵漏浆被稀释，不能有效起到架桥、阻挡、 分割等作用；b. 水泥浆固化段塞仍存在被水稀释、 冲散，导致凝结强度大幅降低，抗压能力差，同时 水泥封堵墙厚度不够， 随着下一步钻井工作的深入， 在随钻压力及钻具撞击的作用下发生二次漏失。 综上所述，现用的清水强钻、桥塞堵漏、水泥 浆堵漏和复合堵漏等常规堵漏方法无法解决牛场区 块恶性漏失。经分析研究，为解决该区块具有地下 水活动的纵横分布较广的裂隙性漏失带，第一驻留 支撑剂能有效在裂隙附近滞留堆积、桥接、阻挡和 隔离裂隙水，为后续水泥浆提供保护作用；第二水 泥浆固化塞能有效进入大小裂隙，不能被稀释，同 时能有效在漏层入口附近形成厚度和强度满足后续 施工要求的水泥墙，且不易被破坏。 3 投入式复合堵漏塞水泥浆综合堵漏法 3.1 投入式复合堵漏塞 通过对该区块恶性漏失地层理论分析，以及常 规堵漏方法失败原因探讨，针对具有地下水活动纵 横分布较广的裂隙性漏失带堵漏，首先应该解决高 浓度桥塞堵漏浆被稀释的问题，真正起到驻留支撑 作用。 由于现场混浆漏斗配置浓度低，为了提高驻留 段塞浓度，通过现场试验，将重晶石粉、随钻堵漏 剂、锯末、纯棉籽壳、复合堵漏剂和综合堵漏剂按 1∶1∶3∶3∶2∶2 搅拌比例可依据裂隙大小进行 调整，为了提高复合堵漏塞的胶凝程度并加入聚丙 烯酰胺、高黏羧甲基纤维素钠、高黏堵漏剂，准备 3 m3并装袋。 加工井口灌入式漏斗，从井口漏斗均匀投入井 内，并利用泥浆泵和方钻杆小流量冲刷携带，保证 体积分数达 60以上，使用泥浆罐计量灌入量。为 了防止“封门”，下一柱钻具关封井器，采用挤压法 方式进行间隙挤压，即每间隔 1020 min 挤压一次， 确保将复合堵漏塞全部压入漏层，从而达到在裂隙 中堆积、桥接、阻挡和隔离裂隙水，为后续注水泥 浆做准备。 3.2 水泥浆固化塞 对于恶性裂隙性漏失，常规打水泥塞堵漏效果 不佳，水泥浆虽具有良好的凝固强度，但堵塞作用 有限，在漏速较大的裂隙性漏层中，虽然通过复合 堵漏塞能起到阻隔、留驻作用，但大部分水泥浆未 凝固之前，已被稀释和冲散，失去堵塞作用。若选 择凝固时间较短的速凝水泥，现场自行配浆、注浆 时间难以准确掌控，风险较大。因此选择膨润土水 泥浆既能降低水泥浆的流动性，又有较强的堵塞作 用，也能有一定的强度。 为防止水泥浆与井筒内泥浆混浆，下光钻杆至 漏层位置， 配置体积质量 1.8 的膨润土水泥浆 4 m3， 注浆完成后替浆起钻 120 m，关井挤压 2/3 水泥浆， 候凝 48 h 正常钻进。 4 投入式复合堵漏塞水泥浆综合堵漏法优化研 究及应用 投入式复合堵漏塞水泥浆综合堵漏法解决该 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 46 卷 区块纵横分布较广的含水裂隙性漏失带取得了理想 效果，但完钻时全井做地层承压试验时，该漏层承 压能力弱易被压开。主要是由于膨润土水泥浆降低 了水泥塞的抗压强度，加之该漏层小裂隙水泥浆进 入少，形成的水泥墙较薄，经不起地层 5 MPa 的承 压试验。 由于现场自行注浆水泥浆量少，前期未做精准 计量，加上上下混浆量，真正进入漏层裂隙的有效 水泥量有限，降低了综合堵漏的效果。 为了提高漏失井段的承压能力，根据该区块地 层漏失特性和原理，将膨润土水泥浆更换为聚丙烯 纤维水泥浆，如图 3 所示，每方水泥浆各混合 3 mm 和 6 mm 聚丙烯纤维 2 kg，配浆后聚丙烯纤维无序、 均匀地分散在浆体中，封堵裂缝时，纤维在裂缝内 架桥结网，水泥颗粒则充填网孔，水泥水化胶凝后 与裂缝固结，起到堵漏承压的作用[10]。 图 3 候凝 24 h 的聚丙烯纤维水泥试样 Fig.3 Polypropylene fiber cement specimen with condensation of 24 h 为了提高堵漏效果，保证水泥浆最大量进入漏 层，注浆过程中须精准计量井口返出的泥浆量，以 便判断关井挤压前水泥浆进入漏层量，并计算替浆 量及光钻杆起至水泥塞面的高度，同时也应考虑起 出钻具的体积，从而做到精准关井挤压，最大限度 的提高堵漏效果。 通过 3 口井试验优化后的投入式复合堵漏塞 水泥浆综合堵漏方法，堵漏一次成功率达到了 100；地层承压试验均达到 3 MPa 以上，满足固井 要求，为牛场区块恶性漏失地层堵漏开辟了新的途 径，同时大大节约了堵漏成本及堵漏时间。 5 结 论 a. 针对纵横分布较广的含水裂隙性漏失带复 杂地质条件，结合现场实践，形成了投入式复合堵 漏塞水泥浆综合堵漏法， 有效解决了该地区恶性漏 失地层堵漏问题，为同类漏失地层堵漏提供参考依 据，具有重要应用意义和推广价值。 b. 通过六盘水牛场区块4种常规堵漏方法失效 原因分析，为后续适当的堵漏方法优化研究及应用 起到了至关重要的作用。 c. 漏失地层特性、漏失量、漏失类型等决定 着堵漏材料、堵漏方法的选择，为提高堵漏效率， 节约成本，堵漏前应充分研究漏层特性，防止盲 目堵漏。 d. 堵漏过程中， 各种数据计算正确， 精准施工， 是保证堵漏成功率的关键，同时也是防止井下事故 的必要保障。 参考文献 [1] 肖建波， 晏凌. 井底清水强钻处理恶性井漏的方法[J]. 钻采工 艺，2000，23496–97. 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