2. 中国石油集团工程技术研究院有限公司;
3. 中石油煤层气有限责任公司临汾分公司;
4. 中国石油大学(北京)
2. CNPC Engineering Technology R & D Company Limited;
3. Linfen Company of Petrochina Coalbed Methane Company Limited;
4. China University of Petroleum(Beijing
0 引言
深层煤层气作为煤层气开发的重要组成部分[1]，对优化我国能源结构具有重大意义[2]。鄂尔多斯东缘临汾区块存在埋藏深、地层层位多、岩性构成复杂、岩石胶结性差和井壁稳定性差[3-4]等不利因素，使该地区深层煤层气的开采难度大幅增加[5-6]。现场调研发现，该区块在深层煤层气钻井过程中，漏失和垮塌等井下复杂情况频繁出现，导致建井周期长且钻井成本提高。
针对上述问题，亟需进行深入研究，开发出适用于鄂尔多斯东缘深层煤层气井钻井漏失的堵漏技术方案，这对临汾区块深层煤层气井的开发具有十分重要的意义。重点研究内容包括新型堵漏剂的开发和新型堵漏施工工艺的设计。
1 鄂尔多斯东缘试验区块的漏失成因探究试验区块的漏失成因并进行系统性分析是堵漏研究与实际工程不可缺少的重要前提[7]，本节将从试验区块的地层信息、地层压力系数及岩心样品分析三个角度出发，对试验区块的漏失原因进行分析[7]。
1.1 试验区块地层信息试验区块位于鄂尔多斯东缘临汾区块，该区块地层情况较为复杂。根据刘国强等[8-9]的研究及中石油煤层气有限责任公司临汾分公司提供的2017年该区块钻井统计数据，该区块钻井过程中漏失严重，共出现严重漏失井27口，其中单口井最大漏失量为5 046 m3，消耗了大量人力、物力和时间。由临汾区块地层信息可知，该区块地层包含10个组，其中漏失层位主要集中在刘家沟组、石千峰组与石盒子组地层，占总漏失井数量的85%以上。因此，笔者将对这三组地层信息进行重点分析研究。
通过对试验区块地层信息进行分析，刘家沟组层厚325 m，岩性为粗-细砂岩，呈灰紫色、灰白色、暗紫红色，其中夹紫红色、棕红色泥岩(含灰质结核、细砾岩)；石千峰组层厚250 m，上部以棕红色泥岩为主，夹中厚层肉红色砂岩，下部为肉红色块状砂岩夹棕红色泥岩；石盒子组层厚370 m，上部以棕褐色、黄绿、灰色泥岩为主，下部以浅灰色含砾砂岩为主，夹棕灰、深灰色泥质砂岩。刘家沟组、石千峰组和石盒子组地层深度范围是1 124~2 069 m，岩石胶结较差且互有夹层，存在风化严重和裂缝发育等问题，地层结构不稳定，导致试验区块易发生漏失和垮塌。
1.2 试验区块地层压力系数预测除试验区块地层信息外，还可以通过地层压力系数对试验区块地层性质进行分析。地层压力系数是地层压力与静液柱压力之比，可以用来判别地层压力是否处于异常状态。当地层压力系数等于1时，属于正常地层压力；当地层压力系数大于1时，称为高压异常；当地层压力系数小于1时，则称为低压异常。高压异常地层钻井过程中要注意井喷现象的发生，而低压异常地层钻井时很容易发生井漏[10]。因此，准确预测地层压力系数对有效了解地层信息、制定合理的堵漏方案有着重要作用[10]。现阶段，地层压力系数预测已经在我国有了大量应用。例如，徐宝荣等[11]尝试在准噶尔盆地的异常地层进行压力预测并取得成功。王勇茗等[12]对安塞地区加密井进行了系统性地层压力预测研究。孙东征等[13]则对莺-琼盆地高温高压井开展了地层压力随钻预测技术研究。
本文采用Eaton法对临汾试验区块地层进行压力预测。Eaton法是目前石油行业进行地层孔隙压力计算普遍采用的方法，具有计算精度高和使用范围广等特点[13]。通过Eaton法计算得到临汾试验区块地层压力系数预测曲线，如图 1所示。由图 1可知，易发生漏失的刘家沟组、石千峰组和石盒子组地层压力系数处于0.8~0.9之间(如图 1中虚线框所示)。临汾区块深层气井钻井主要使用水基低固相聚合物钻井液，其密度为1.03~1.45 g/cm3，液柱压力大于地层压力，导致试验区块易发生漏失和垮塌。
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| 图 1 试验区块地层压力系数预测曲线 Fig.1 Prediction curve of formation pressure coefficient in test block |
1.3 临汾区块岩心样品分析
为了获得临汾区块更为详细的地层资料，为下一步堵漏技术研究提供数据依据，采集该区块深层煤层气试验井的岩心样品，进行岩心扫描电镜照片分析及岩心X射线衍射全矿物分析。
1.3.1 试验区块岩心扫描电镜分析在地质研究当中，扫描电镜作为一种新的技术手段越来越受到人们的重视[14-15]。扫描电镜的优势在于可以观察到样品的超微形貌，放大范围高达20万倍，便于认识岩心的发育情况。
通过对试验区块石盒子组2块岩心样品进行扫描电镜分析，结果如图 2所示。由图 2a可以看出第一块岩心呈裂缝发育(绿色曲线)。图 2b照片显示，第二块岩心样品裂缝中呈黏土矿物发育，存在手风琴状的高岭石(红色部分)和丝瓜瓤状伊蒙混层(蓝色部分)。当钻井过程中发生漏失后，裂缝中黏土矿物水化后造成井壁失稳，导致试验区块易发生漏失和垮塌。
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| 图 2 试验区块岩心样品电镜图 Fig.2 Electron micrograph of the core sample of the test block |
1.3.2 试验区块岩心X射线衍射全矿物分析
X射线衍射全矿物分析是指应用X射线衍射技术对岩心样品进行分析并获得样品的矿物组成的技术。目前该技术在油气勘探与钻井工程得到了大量应用，如黄维安等[16]与邹来方等[17]分别应用X射线衍射全矿物分析对地层组成进行了分析，为进一步研究提供了详实的数据。
对刘家沟组、石千峰组和石盒子组等8组试验区块岩屑样品进行系统性X射线衍射全矿物含量分析。分析结果表明，三个层位岩屑中石英质量分数处于42%~54%之间，处于偏高水平，岩石脆性较大，易形成微裂缝，导致试验区块易发生漏失和垮塌。X射线衍射全矿物质量分数如表 1所示。
| 样品编号 | 井深/m | 地层 | w(石英)/% | w(钾长石)/% | w(斜长石)/% | w(方解石)/% | w(白云石)/% | w(赤铁矿)/% | w(黏土矿物总量)/% |
| 1 | 1 770 | 石盒子组 | 54 | — | 5 | 2 | — | 8 | 31 |
| 2 | 1 434 | 石千峰组 | 42 | 4 | 16 | 8 | 1 | 4 | 25 |
| 3 | 1 536 | 石千峰组 | 44 | 2 | 22 | 2 | 1 | 4 | 25 |
| 4 | 1 580 | 石千峰组 | 51 | — | 22 | 2 | — | 3 | 22 |
| 5 | 1 556 | 石盒子组 | 51 | — | 13 | 2 | — | 5 | 29 |
| 6 | 1 594 | 石盒子组 | 53 | — | 14 | — | — | 8 | 25 |
| 7 | 1 186 | 刘家沟组 | 48 | 9 | 16 | 12 | 1 | 2 | 12 |
| 8 | 1 253 | 刘家沟组 | 50 | 7 | 27 | 4 | 1 | 2 | 9 |
2 新型复合堵漏剂研究
针对特定井漏问题，合适的堵漏剂是实现成功堵漏的关键性因素。对于临汾区块深层煤层气井，传统堵漏剂多采用任意配比的膨润土、石灰粉、锯末、稻草和棉籽壳等材料，若不针对漏失裂缝宽度和颗粒形态进行匹配，则封堵复杂地层漏失能力较弱。针对临汾试验区块裂缝性漏失的特性，从堵漏剂与裂缝的空间匹配角度出发，研制出一种新型复合堵漏剂配方，使堵漏剂颗粒形态及粒径大小与试验区块裂缝相匹配，大幅提升了堵漏的成功率。
2.1 匹配研究在系统分析各种堵漏材料特点的基础上，笔者选择高强度果壳材料用于不规则大裂缝的架桥，再选取纤维材料(由聚乙烯、木质纤维和无机纤维等构成)、片状材料(如云母等)及颗粒状材料(由无机矿物和植物粉末等构成)用于架桥中的微小孔道和地层中的原有小裂缝的嵌入与堵塞。最后根据临汾区块地层漏失特点，对上述堵漏材料进行配比，形成新型复合堵漏剂。新型复合堵漏剂具有如下优点：
(1) 新型复合堵漏剂颗粒形态呈现线形、片形、球形和不规则多边形等，可以匹配各种形态的裂缝。
(2) 新型复合堵漏剂90%以上的颗粒粒径都分布在500~6 000 μm之间(筛分法测定新型复合堵漏剂的粒径分布如图 3所示)，具有宽广的封堵范围，这是传统堵漏剂无法比拟的。
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| 图 3 筛分法测定新型复合堵漏剂的粒径分布图 Fig.3 Identification of particle size distribution of the new composite lost circulation materials by sieving method |
(3) 新型堵漏剂的堵漏强度较高，持续稳定性较好。
2.2 模拟堵漏试验为了验证新型复合堵漏剂的效果，针对临汾区块漏失地层进行了模拟堵漏试验，同时使用传统堵漏剂作为对照组。模拟堵漏试验可以对各种堵漏剂进行模拟堵漏，是一种简便、有效的评价手段，便于堵漏剂的优选，在实际工程中得到广泛应用[18]。模拟堵漏试验条件如下。
模拟堵漏仪器型号：DLM-01；
模拟裂缝宽度：1、2、3、4及5 mm；
堵漏剂液量：2 000 mL；
试验温度：30 ℃；
试验初始压力(保持10 min)：0.5 MPa；
升压时间：40 min；
保持10 min后的压力：5 MPa。
模拟堵漏试验数据如表 2所示。
| 堵漏剂类型 | 漏失量/mL | ||||
| 1 mm 裂缝 |
2 mm 裂缝 |
3 mm 裂缝 |
4 mm 裂缝 |
5 mm 裂缝 |
|
| 新型堵漏剂 | 88 | 112 | 119 | 136 | 167 |
| 传统堵漏剂 | 176 | 211 | — | — | — |
试验结果表明，新型堵漏剂与传统堵漏剂的漏失量与裂缝宽度均呈正相关。对于新型堵漏剂，在模拟裂缝宽度5 mm、最终压力为5 MPa情况下，漏失量仍然保持在200 mL以下水平，符合DLM-01型堵漏仪的堵漏标准，验证了新型堵漏剂的高效封堵能力。而对于传统堵漏剂，封堵1 mm裂缝的漏失量为新型堵漏剂的2倍；当裂缝宽度为2 mm时，漏失量达到211 mL，超出标准值11 mL；而当裂缝宽度为3 mm及以上时，堵漏浆全部漏失。相对于传统堵漏剂，新型堵漏剂在封堵宽度1~5 mm的裂缝时均具有显著优势。
3 加压堵漏施工新技术 3.1 加压堵漏技术常规堵漏技术除了随钻堵漏法之外，大部分为静止堵漏法。静止堵漏法的工作原理是：通过泵将堵漏剂循环至漏失层后停泵，使堵漏浆中的堵漏剂在自身重力作用下随着流体漏失进入漏失层裂缝进行封堵。由于重力作用的驱动能力有限，堵漏剂粒子大部分堆积在裂缝浅表层而无法进入裂缝深部，继续钻进后，堵漏剂很容易随着钻具或钻井液流失，导致再次漏失，甚至对建井后煤层气的产量产生不良影响[19]。近年来，国内不少专家在堵漏施工技术改进方面做出了许多有意义的尝试。陈磊等[20]在新疆乌苏市巴音沟煤层气勘探井成功应用了护壁堵漏技术。徐堪社等[21]针对六盘水煤层气井牛场区块恶性漏失地层堵漏采取了投入式复合堵漏塞+水泥浆综合堵漏法。
加压堵漏法是近年来新兴的堵漏技术，目前仅在少数区块进行了试验[22]。加压堵漏法的工作原理是：当堵漏剂循环至漏失层后，在常规静止堵漏工艺技术基础上，利用封隔器将井筒环形空间进行封闭，使井筒环形空间内形成高压环境，可驱动堵漏浆中的堵漏剂更好地填补到裂缝中，从而提高堵漏的效率。
由于临汾区块地层漏失的复杂性，在该区块深层煤层气井首次尝试使用新型堵漏剂结合加压堵漏法，制定了完善的堵漏方案[23]。
3.2 新型加压堵漏施工技术新型加压堵漏施工技术由堵漏浆配制、堵漏浆灌注及井口加压三部分组成。
3.2.1 堵漏浆配制工艺在进行加压堵漏施工前，需配制基于新型复合堵漏剂的堵漏浆。具体做法是：将一定量的新型堵漏剂加入到由水、膨润土和增黏剂配制的基液中，形成滴流状堵漏浆。
3.2.2 堵漏浆灌注工艺完成堵漏浆配制后，需通过钻井泵向漏失层位灌注堵漏浆。根据漏失层位的深度，分别采用两种堵漏浆注入方法：
(1) 当漏失层位处于上部地层时，通过井口灌注堵漏浆。
(2) 当漏失层位处于下部地层时，通过下入光钻杆在漏失层上部注入堵漏浆。
3.2.3 井口加压工艺煤层气藏属于非高压气藏[22]，试验区块不存在硫化氢气体，未安装防喷器，应用传统加压堵漏工艺存在很大困难。根据试验区块井身结构特点，开发了在井口加装转换接头后直接连接方钻杆加压的新型堵漏工艺。具体实施方案为：
(1) 当堵漏浆从井口返排出来需立即停泵，同时应安装转换接头和方钻杆。
(2) 启泵加压，使压力缓慢由1 MPa加至3 MPa左右。
(3) 保持压力5 h以上，如果压力无明显降低，则表示堵漏成功。
新型加压堵漏方法解决了静止堵漏法的种种问题，简化了鲜保安等[22]研究中的膨胀分割器装置，具有无需特殊工具、操作简单、劳动强度低和堵漏效率高等优点。新型加压堵漏技术示意图如图 4所示。
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| 1—压力表；2—方钻杆；3—转换接头；4—表层套管。 图 4 新型加压堵漏技术示意图 Fig.4 Schematic diagram of the new pressurized lost circulation control technology |
3.3 新型堵漏技术现场试验
为了验证新型堵漏技术的可行性，2018年8—9月对临汾试验区块两口深层煤层气井(吉2-52向5井和吉2-39向7井)进行堵漏试验。新型堵漏技术与传统堵漏技术效果对比如表 3所示。
| 堵漏方案 | 堵漏剂选用 | 1#试验井堵漏浆用量/m3 | 2#试验井堵漏浆用量/m3 | 1#井堵漏效果 | 2#井堵漏效果 |
| 加压堵漏法 | 新型复合堵漏剂 | 10 | 22 | 1次堵漏成功 | 1次堵漏成功 |
| 静止堵漏法 | 传统堵漏剂 | 50 | 120 | 8次堵漏均失败 | 7次堵漏均失败 |
其中1#与2#试验井均发生失返性漏失，在现场施工人员相同的情况下，1#试验井应用新型堵漏技术的堵漏浆用量比传统堵漏技术节省约40 m3，1次堵漏成功；2#试验井节省堵漏浆约100 m3，1次堵漏成功。现场试验结果表明：新型堵漏技术在堵漏浆用量和堵漏成功率方面均比传统堵漏技术具有显著优势；新型堵漏技术操作简单，劳动强度低，可以为其他区块深层煤层气井堵漏提供参考，具有广阔的应用前景。
4 结论(1) 针对鄂尔多斯东缘地区临汾试验区块深层煤层气井堵漏难度大的现状，收集整理了现场施工数据，系统地应用Eaton法进行了区块地层压力预测，完成了岩心样品扫描电镜分析及X射线衍射全矿物分析。对比取心数据和岩心分析结果获得了该区块漏失机理，为研究新型堵漏技术提供了理论依据。
(2) 基于堵漏剂与漏失缝隙空间匹配的设计思路，开发出一种适用于临汾试验区块钻井堵漏的新型复合堵漏剂。堵漏模拟试验结果表明，研制的新型堵漏剂与传统堵漏剂相比，具有裂缝形态匹配性好、封堵范围广及封堵强度高等优点。
(3) 临汾区块深层煤层气井开创性地应用了新型加压堵漏技术并取得成功，有效解决了静止堵漏法成功率低、操作复杂及成本高等问题，可为其他堵漏工艺或相关工程技术研究提供参考。
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