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钻井漏失广泛存在于开发、地质勘探、地热及煤层气等各类井的施工中, 类型主要有渗透性、裂缝性、缝洞性、溶洞性、地下暗河及破裂性等漏失[1]。堵漏方法主要有静止堵漏、随钻堵漏、高滤失浆堵漏、注水泥堵漏及化学凝胶堵漏等[2]。近年来, 江苏钻井针对不同的漏失情况, 先后开展了堵漏材料优选、颗粒集配、专用堵漏工具等大量的研究工作[3-4], 但针对裂缝性的失返漏失井, 由于堵漏方法有限, 堵漏一次成功率仍然偏低, 损失较大。根据对苏北盆地2010—2015年漏失井统计, 导致钻井液失返的裂缝性漏失虽然只占总井数的14%, 但处理时间却占井漏处理总时间的80%以上。因此, 针对裂缝性漏失, 开展了钻井井下爆炸堵漏技术的研究, 通过专用工具在漏失井段爆炸挤压漏失通道, 使裂缝减小甚至闭合, 同时工具内装有堵漏凝胶, 起到封堵和加固井壁的作用, 通过现场应用, 取得了良好的堵漏效果。
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爆炸堵漏工具也称为爆炸堵漏注射器, 主要由枪头、传爆管、导爆索、药盒及固化胶盒等组成, 如图 1所示。
图 1 爆炸堵漏注射器
Figure 1. Explosive plugging syringe
在注射器的6个方位上开有座孔, 各座孔内设置注射筒, 形成多相位井下注射器。下井前, 各座孔间填装一定量的炸药, 装上带有凝胶的注射筒, 在注射器的中心孔内设置导爆索, 将导爆索的一端与各座孔弹药腔内的炸药连接, 另一端引出到引爆控制器上。将注射器与钻杆连接, 当下到井下预定位置时, 通过钻杆内的液体给起爆器加压或通过引爆控制器点燃导爆索, 引爆各座孔弹药腔内的炸药, 带有凝胶的注射筒射入地层, 同时注射筒在压力作用下破裂, 内部的凝胶流出, 实现封堵漏失通道和巩固井壁的目的, 如图 2所示。
图 2 爆炸堵漏工作原理
Figure 2. Explosive plugging principle
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由于井下环境复杂、恶劣, 对炸药的要求不同于普通配方, 因此首先开展了炸药配方研究, 通过对常用各类炸药性能比较分析, 同时根据石油钻井井下高温、高压等条件, 对炸药的感度、威力、猛度、殉爆、安定性等主要性能进行优选[5-7], 经过优选得出了主装药配方:一定比例的HMX+高氯酸钾+氟橡胶+硬脂酸钙。由于泥岩、硬质泥岩、辉绿岩和玄武岩等地层的硬度不同, 所需药量、药盒体积容量也有区别。通过药盒的设计, 研制出装药量分别为4.2 g、5 g、6 g及6.5 g的爆炸堵漏配套药盒, 该药盒耐温可达160 ℃, 见图 3。
图 3 药盒结构
Figure 3. Structure of chemical box
为尽量模拟井下环境, 制作地面试验靶, 并对试验靶的材料、形状、尺寸、强度等进行研究, 分别制作出环靶和单靶, 见图 4, 环靶抗压强度40.5 MPa, 不同材质的单靶抗压强度分别为38.5、50、70 MPa。
图 4 单靶和环靶发火试验
Figure 4. Single-target and ring-target firing test
通过地面发火试验, 优选出针对不同地层硬度的药盒药量:4.5 g适用于硬质泥岩地层的裂缝性漏失, 6 g适用于玄武岩、辉绿岩等高硬度地层的裂缝性漏失。
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为确保爆炸后井壁稳定和封堵漏失通道, 在爆炸的同时, 向地层注入一定量的凝胶, 该凝胶应适应井下高温高压条件, 在注射筒进入地层破裂后, 凝胶接触地层时, 能迅速对井壁起到封固稳定作用。根据井下堵漏注射器结构尺寸, 设计了注射筒, 优选铝制软管作为胶筒材料, 如图 5所示。
图 5 注射筒
Figure 5. Syringe
选用了常用的凝胶类ZND、CLG、PMN和无机硅酸盐类胶结剂WJ-1、WJ-2和WJ-3作为堵漏胶液的胶结材料, 与易漏层的岩屑(模拟漏失地层)开展胶结实验。结果显示, PMN和无机硅酸盐类的WJ-2和WJ-3胶结剂作为爆炸堵漏的胶液较为合适(表 1)。再对PMN、WJ-2和WJ-3进一步试验, 发现配方“WJ-2胶结剂+10%填充剂SHF+2%促凝剂CNJ-1+1%外加剂CR”形成的胶液与岩屑胶结最好, 胶块整体, 基本无裂缝, 24 h承压能力即达到5 MPa以上、3 d承压能力达到6.32 MPa, 因此作为爆炸堵漏胶液配方。
表 1 无机硅酸盐/有机凝胶与岩屑胶结实验结果
Table 1. Experimental results of the bond between inorganic silicate/organic gel and debris
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采用爆炸堵漏前, 先对井下漏失情况做出判断, 确认漏失速度、漏失层位[8-10], 同时确保井下畅通等。根据井下漏速、地层岩性等情况, 优化爆炸杆长度、弹药数量及装填药量等。在开阔场地组装井下爆炸堵漏注射器, 装好后平稳起吊, 放在井口小鼠洞内, 用专用工具卡好, 逐根接好, 达到预定长度。
根据井下条件及井深, 决定采用钻杆传输或电缆传输, 在确保井下条件良好及井眼轨迹允许的情况下, 可采用电缆传输方式, 否则采用钻杆传输。
若采用钻杆传输方式, 在放置引爆雷管后, 采用专用转换接头, 把钻杆与爆炸堵漏注射器连接, 接好后放入井内, 下钻。下钻过程中, 平稳操作, 每5柱采用专用管线从钻具内水眼灌浆一次, 由于中途钻具内不能产生憋压, 因此需采用开放式灌浆, 灌满即可, 不能采取接方钻杆、顶驱等封闭式灌浆方法。下钻若遇阻不能超过10 kN, 不可硬压, 若上下活动数次仍不能下入, 需起出通井。在下至目标层位后, 先确保钻具内水眼灌满钻井液或清水, 没有多余的气柱, 根据设计起爆压力, 缓慢开泵起爆。起爆后随即上提钻具, 上提时缓慢, 注意悬重变化情况, 防止超过钻具及爆炸堵漏工具的安全值。若上提困难, 可能是弹壳及井壁部分掉块所致, 多活动几次即可。上提后, 起出1柱钻具, 根据井下情况, 可适当循环, 并观察漏失情况。
若采用电缆输送, 各工种注意配合, 起放电缆时要时刻注意电缆张力情况, 遇阻不能下行时, 起出采用钻具通井。电缆传输爆炸堵漏后, 若上提困难, 超出电缆安全负荷, 应及时采取相应措施。
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(1) X5-26井。井下爆炸堵漏技术首先在X5-26井使用。该井钻进至642 m发现井漏, 漏速为4.0 m3/h, 随钻堵漏钻进到651 m, 漏速增大到15 m3/h, 最大漏速达到30 m3/h, 采取静堵、随钻堵漏等方式钻进至860 m, 钻进、循环期间最大漏速8 m3/h, 停泵漏失下降至1 m3/h左右。讨论认为:上部的玄武岩裂缝性漏失通道未堵住, 决定在漏速最大的651 m井段采用井下爆炸堵漏技术。
下入2.0 m堵漏枪, 计102颗堵漏弹, 用钻具送堵漏注射器至651 m, 射弹有效范围649~651 m, 采用钻井液憋压启动, 启动压力11.50 MPa, 开泵循环压力为4.7 MPa。爆炸堵漏后, 起钻观察无漏失, 后下钻到底钻进, 循环观察不漏失, 堵漏成功。
(2) S20-80井。该井是定向井, 三开Ø216 mm钻头钻至1 835 m后出现辉绿岩, 在1 861 ~1 883 m辉绿岩井段, 先后发生3次井漏, 漏速为20~50 m3/h, 期间共做2次随钻堵漏和2次承压堵漏均无效, 随后使用爆炸堵漏。由于漏失点分别是1 861 m、1 881 m和1 883 m, 采用从下往上封堵的原则, 先封堵1881~1 883 m之间井段, 由于此两点相距较近, 合并1次封堵, 第2次再封堵1 861 m处漏失点。
第1段爆炸堵漏:1 881~1 886m井段。爆炸堵漏装置组合长度5.2 m, 有效长度4.84 m, 分别在6个方向上共安放204颗炮弹。下钻到底后, 向钻具内水眼灌满清水, 灌满后接方钻杆, 下放到1 881.7~1 886.86 m。开泵打压至15 MPa时起爆, 泵压随后下降, 循环1.5 h观察漏失情况, 发现漏速从上趟钻随钻堵漏时的29.76 m3/h下降到6.96 m3/h, 由此认为在1 861 m处还存在漏失。
第2段爆炸堵漏:1 861~1 865 m井段。采取同样的钻具组合及爆炸堵漏装置, 下钻至1 862.88 ~1 858.04 m井段, 灌满浆后开泵15 MPa引爆, 泵压缓慢下降, 继续开泵, 边循环边上提, 稍有挂卡, 原悬重600 kN, 逐步上提至900 kN时提出, 继续开泵循环, 排量28~30 L/s, 泵压4.5~5 MPa, 观察无漏失。
该技术又分别在FHX1[11]和Y13-2井应用, 4口井使用情况见表 2。
表 2 爆炸堵漏技术现场应用情况
Table 2. Field application of explosive plugging technology
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(1) 爆炸堵漏效果分析。从现场应用情况看, 对4口井共6个漏失层位进行了封堵, FHX1井漏速从3~5 m3/h降为1 m3/h, 有效降低了漏失速度, 其余3口井5个漏失层位, 爆炸堵漏后未漏失, 爆炸堵漏技术堵漏成功率83.33%, 有效率100%, 见表 3。
表 3 爆炸堵漏技术现场应用效果分析
Table 3. Analysis on the field application effects of explosive plugging technology
(2) 对井壁稳定性影响分析。由于爆炸堵漏采用炸药为动力, 把注射筒射入井壁, 瞬间冲击力较大, 可能对井壁产生一定影响。为验证爆炸对井壁的影响程度, 先通过爆炸后上提钻具是否顺利、后续作业在爆炸井段是否有明显阻卡等情况定性判断, 再根据完钻电测井径数据定量判断。
根据应用4口井施工情况, 爆炸堵漏后上提钻具, 只有S20-80井在第2次爆炸堵漏作业时上提钻具, 悬重从600 kN逐步上提至900 kN后提出, 挂卡300 kN, 但后期作业在此段均未出现阻卡现象, 其余井在爆炸堵漏后, 上提钻具, 挂卡都在100 kN以内, 均为正常范围。
再根据电测井径分析, 4口井爆炸堵漏井段的井径扩大率与上下相邻井段相比, 井径扩大率有大有小, 都在±2.5%范围内。因此, 爆炸堵漏对井壁稳定性影响不大, 见图 6。
图 6 爆炸堵漏及前后井段井径扩大率对比
Figure 6. Comparison of hole enlargement rate before and after the explosive plugging
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(1) 多相位井下注射器结构简单, 方便操作, 通过注入胶液封堵地层中的漏失通道, 对岩石施加挤压和剪切力使裂缝减小或消除, 从而达到堵漏和提高承压能力的目的。
(2) 通过实验对比发现, 无机硅酸盐类胶结剂形成堵漏配方与岩屑胶结要优于PMN凝胶。无机硅酸盐类胶结剂胶块整体, 基本无裂缝, 24 h承压能力即达到5 MPa以上、3 d承压能力达到6.32 MPa。
(3) 爆炸堵漏技术取得了一定的突破, 但是由于涉及的学术领域较多, 难度较大, 有些方面仍然有待提高和改进, 如爆炸过程是否会对堵漏凝胶配方造成影响、下井堵漏管串最大长度、下井过程中自动灌浆等问题仍需深入研究。
Downhole explosive plugging technology
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摘要: 现有堵漏方法对渗透性漏失较易解决，对裂缝性漏失，堵漏一次成功率低，处理过程复杂、周期较长、成本高，如近年来苏北盆地有46口井发生裂缝性漏失，平均每口井漏失钻井液641 m3、损失时间268 h。主要原因是井下裂缝宽度不一、难以确定，造成堵漏材料粒径不匹配，大粒径堵漏材料难以进入地层，小粒径堵漏材料又容易被漏失的钻井液带走，难以在漏失孔喉处形成有效的桥架结构，导致堵漏成功率低。研发了一种针对裂缝性漏失堵漏的新方法——井下爆炸堵漏技术，主要通过堵漏工作原理、堵漏注射器、药盒、胶筒及凝胶配方等方面的研究，形成钻井井下爆炸堵漏技术。该技术主要通过井下爆炸的方式，挤压地层裂缝，减小裂缝宽度，使堵漏材料“进得去、停得住”，有效提高裂缝性漏失的堵漏成功率，减少经济损失。该技术通过现场4口井共6个漏失层位的封堵应用，成功堵漏5层、有效1层，堵漏成功率83.33%，有效率100%。钻井井下爆炸堵漏技术为进一步完善堵漏工艺开辟了新的思路和方法。Abstract: Existing plugging methods are more suitable for permeable leakage.For fractured leakage, however, their one-time plugging success ratio is low and the treatment process is complex with long cycle and high cost.In recent years, for example, fractured leakage happened in 46 wells in the Subei Basin, with single-well average leakage of 641 m3 and leakage time of 268 h.The reasons for the fractured leakage are as follows.The downhole fracture width is different and cannot be determined, so the grain sizes of lost circulation materials are not matched.The lost circulation materials of large grain size cannot move into the formation easily and those of small grain size are carried easily with the lost drilling fluid.As a result, the effective bridging structure cannot be formed at the leakage pore throat, and consequently the success ratio of plugging is low.In this project, a new method was innovatively developed for plugging the fractured leakage, i.e., downhole explosive plugging technology, by investigating plugging principle, plugging syringe, chemical box, rubber cylinder and gel formula.By virtue of this technology, the formation fracture is compressed and its width is decreased, so that the lost circulation materials can "move in and stay".Thus, the plugging success ratio of fractured leakage is improved effectively and the economic loss is reduced.This technology was applied to 6 leakage zones in 4 wells.And 5 zones are plugged successfully and 1 zone is plugged effectively, with plugging success ratio and effectiveness ratio of 83.33% and 100%, respectively.This downhole explosive plugging technology provides a new idea and method for the further improvement of plugging technologies.
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图 6 爆炸堵漏及前后井段井径扩大率对比
Figure 6. Comparison of hole enlargement rate before and after the explosive plugging
表 1 无机硅酸盐/有机凝胶与岩屑胶结实验结果
Table 1. Experimental results of the bond between inorganic silicate/organic gel and debris
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表 3 爆炸堵漏技术现场应用效果分析
Table 3. Analysis on the field application effects of explosive plugging technology
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图(6) / 表 (3)
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