楊寬才， 王興樂， 梁 麗， 孔二偉， 李大鵬， 蔡記華

(1.河南省地礦局第四地質勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450001； 3.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510200； 4.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

基于新型中壓堵漏試驗儀的堵漏試驗研究

楊寬才1,2， 王興樂3， 梁 麗1,2， 孔二偉1,2， 李大鵬1,2， 蔡記華4

(1.河南省地礦局第四地質勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450001； 3.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510200； 4.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

堵漏試驗儀是制定防漏堵漏技術方案的關鍵實驗設備之一。針對現(xiàn)有堵漏試驗儀普遍存在的結構復雜、試驗流程繁冗、漿液用量較大、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差等問題，設計了一種中壓(試驗壓力為0～1 MPa)堵漏試驗儀。該裝置能模擬1～3 mm的條縫型漏失地層和1～4 mm的孔洞型漏失地層，封板(縫板和孔板)的實際漏失面積為0.35～2.79 cm2，孔隙率1.81%～14.24%。基于該試驗裝置，獲取了由膨脹堵漏劑、核桃殼等組成的適于不同漏失地層的堵漏漿液配方。研究發(fā)現(xiàn)，堵漏漿液的封堵效果不僅取決于裂縫或孔洞的大小，也要考慮其孔隙率。該堵漏儀及堵漏漿液配方可為鉆井防漏堵漏工作提供有益參考。

中壓堵漏試驗儀；漏失地層；孔隙率；堵漏漿液

0 引言

井漏是油氣及礦產(chǎn)鉆井作業(yè)中經(jīng)常遇到的棘手問題。鉆進過程中如果發(fā)生井漏，輕則造成鉆井液大量漏失、儲層污染，重則導致井壁坍塌甚至井眼報廢[1-8]。堵漏材料與地層是否配伍是其中的關鍵[9-10]，而在室內利用堵漏試驗儀評價堵漏漿液的封堵效果是制定防漏堵漏技術方案的重要依據(jù)。

室內堵漏試驗使用較多的是靜態(tài)堵漏試驗儀[11-15]，這種儀器通常是由液筒、人造裂縫板或人造孔隙床、閥門和壓力源組成，但大多存在結構復雜、試驗流程繁冗、試驗漿體用量較大、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差等問題。針對以上問題試制了MP-DL中壓堵漏試驗儀。該裝置具有結構簡單、小巧靈活、操作方便、試驗用漿體量小(每次試驗300 mL)攜帶方便等優(yōu)點。

1 MP-DL中壓堵漏試驗儀簡介

1.1 結構與工作原理

MP-DL中壓堵漏試驗儀結構如圖1所示。該裝置主要由漏失總成壓力管線和支架構成，可配氮氣瓶或打氣筒做氣源。其核心結構是漏失總成，主要由帶有通氣孔的上端蓋、高壓罐體、下端蓋、螺紋管以及封板(縫板或孔板)組成。所模擬漏失地層的封板尺寸及參數(shù)見表1。封板通過螺紋管壓緊在下端蓋的凹槽內模擬漏失地層。更換不同規(guī)格的封板可以模擬不同的漏失通道，利用縫板模擬裂縫型地層，可選擇開縫寬度為1～3 mm的縫板模擬不同尺寸的裂縫型漏失；利用孔板模擬孔洞型地層，可選擇開孔直徑為1～4 mm的孔板模擬不同尺寸的漏失通道。可根據(jù)地層的漏失通道類型選擇相應的封板來檢驗堵漏液的封堵效果。

1-支架；2-壓緊螺絲；3-壓力表；4-閥門；5-上端蓋；6-上密封圈；7-罐體；8-下端蓋；9-球閥；10-廢漿杯；11-封板；12-下密封圈；13-螺紋管

圖1 MP-DL中壓堵漏試驗儀結構示意圖

試驗時，首先把配制好的堵漏漿液裝入罐體中，蓋好上端蓋并擰緊壓緊螺絲。接通氣源將壓力調節(jié)至所需壓力，打開閥門，再次調節(jié)壓力至目標壓力。打開球閥，保持試驗壓力并開始計時。保持壓力1 min后或不再有漿液流出時釋放壓力，說明堵漏成功。清洗罐體并觀察封板的封堵情況，最后量出漏失液的體積。

1.2 主要技術參數(shù)

(1)最大工作壓力1 MPa；(2)試驗用漿量300 mL；(3)下端蓋開孔直徑46 mm；(4)縫板縫隙長35.5 mm、寬1～3 mm；(5)孔板孔隙直徑1～4 mm。

1.3 裝置特點

MP-DL中壓堵漏試驗儀結構簡單、操作簡捷、試驗效率高、試驗漿液用量少，使用方便，可以較準確地評價堵漏防漏漿液(水泥漿)在裂縫型漏失和孔洞型漏失地層中的堵漏效果。實驗證明，該堵漏儀的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好，通過該裝置所選出的堵漏技術方案可為現(xiàn)場提供試驗依據(jù)。

2 基于新型中壓漏失儀的堵漏配方試驗

MP-DL中壓堵漏試驗儀將封板設置為大尺寸孔板(2～4 mm)、大尺寸縫板(2～3 mm)以及小尺寸孔、縫板(1 mm)3種類型，可以分別模擬不同尺寸的孔洞型漏失地層和條縫型漏失地層，有針對性地進行堵漏漿液的配方優(yōu)化。根據(jù)目前現(xiàn)場泥漿的使用經(jīng)驗，基漿配方為：水+7.2%鈉膨潤土+0.29%純堿。

2.1 大尺寸(2～4 mm)孔洞型地層堵漏配方

前期的試驗結果表明，大尺寸孔洞型地層堵漏成功的關鍵在于膨脹堵漏劑，所以首先從改變膨脹堵漏劑的加量入手，設計配方并進行試驗測試，結果見表2。

表2 模擬大尺寸孔洞地層的堵漏試驗結果

設計配方如下：

配方1號：4%細粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方2號：3%細粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方3號：2%細粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

由于膨脹堵漏劑加量較大，對于2 mm和3 mm孔板而言(孔隙率分別為14.24%、11.88%)，配方1號的堵漏效果更優(yōu)；而對4 mm的孔板(孔隙率為10.88%)，配方1號與配方2號漏失量相差不大，配方2號的漏失量甚至還要更小。結合技術與經(jīng)濟性考慮，可考慮用配方2號封堵4 mm的孔洞型漏失地層更優(yōu)，其中細粒膨脹堵漏劑的加量應不低于3%。

2.2 小尺寸(1 mm)孔洞型和條縫型堵漏配方

基于對大量堵漏實驗結果的分析，發(fā)現(xiàn)對于1 mm縫板，起到主要堵漏作用的是植物纖維中的木屑和細粒膨脹堵漏材料，于是把優(yōu)化重點放在改變膨脹堵漏劑的加量上。另由于對于1 mm縫板而言，核桃殼的作用并不明顯，因而在實驗中嘗試了不使用核桃殼。通過改變細粒膨脹堵漏劑的加量，共設計了3種配方，結果如表3所示。

表3 小尺寸孔、縫板的堵漏效果

設計配方如下：

配方4號：3%細粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

配方5號：2%細粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

配方6號：1%細粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維。

對于1 mm孔板，配方4號和5號的封堵效果差別不大，而配方6號效果較差。對于1 mm縫板，3個配方都能形成有效的封堵?？紤]技術經(jīng)濟性，1 mm孔板的最優(yōu)配方為配方5號，1 mm縫板的較優(yōu)配方為配方6號。

2.3 大尺寸(2～3 mm)條縫型地層堵漏配方

試驗發(fā)現(xiàn)，對于2 mm和3 mm縫板，只用常規(guī)惰性堵漏材料即可實現(xiàn)有效封堵，加入膨脹堵漏劑后封堵效果并沒有明顯提升。可見堵漏漿液的封堵效果主要與惰性材料的配比有關，于是從核桃殼的粒徑和加量兩個方面進行優(yōu)化設計。首先對比了2種含不同粒徑核桃殼的堵漏配方在不加膨脹堵漏劑時的堵漏效果。結果見表4。

表4 2種粒徑核桃殼配方實驗結果

設計配方如下：

配方7號：2%細粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

在“十二五”期間，我國政府部門根據(jù)我國的國情提出了能源審計計劃以及節(jié)能規(guī)劃方案。而在“十三五”期間，我國政府部門建立起完善的能源管理機構。在實際推進節(jié)能降耗戰(zhàn)略計劃實施的過程中，節(jié)能政策制度的制定對該計劃的落實有重要的意義，同時，政府部門要發(fā)揮應有的主導作用，綜合分析產(chǎn)業(yè)結構的實際情況，并通過能源計量工作權衡社會經(jīng)濟發(fā)展需求，從而優(yōu)化能源配置。

配方8號：2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

對于2 mm的縫板，使用細粒核桃殼的配方漏失量更小，而3 mm縫板則相反。因而配方7號更適合2 mm縫板，而配方8號對3 mm縫板的封堵效果更佳。隨后又對使用不同加量的細粒核桃殼的配方進行了測試。結果見表5。

表5 不同細粒核桃殼加量的堵漏效果

設計配方如下：

配方9號：3%細粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

配方10號：1%細粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

相比于配方7號，配方9號在使用3 mm縫板時漏失量方面略有減少。結合表4和表5，考慮技術經(jīng)濟性，2%的細粒核桃殼是較優(yōu)加量。綜上所述，對于2 mm的條縫型漏失地層，配方7號是較優(yōu)配方；對于3 mm的條縫型漏失地層，配方8號是較優(yōu)配方。

2.4 堵漏效果分析

(1)1 mm條縫型漏失地層：基漿+2%細粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(2)2 mm條縫型漏失地層：基漿+2%細粒(1～2 mm)核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(3)3 mm條縫型漏失地層：基漿+2%粗粒(2～4 mm)核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(4)1 mm孔洞型漏失地層：基漿+2%細粒膨脹堵漏劑+1%云母片+1%植物纖維；

(5)2～3 mm孔洞型漏失地層：基漿+4%細粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維；

(6)4 mm孔洞型漏失地層：基漿+3%細粒膨脹堵漏劑+2%粗粒核桃殼+1%云母片+1%植物纖維。

漏失地層的特征分析是成功堵漏的關鍵，包括漏失地層的巖石類型、孔隙的類型和尺寸、孔深等。一般來講，地層縫隙越大、漏速越大時，堵漏材料的加量亦應越大。為了提高堵塞能力，往往將各種類型和尺寸的堵漏劑混合加入，但各種材料的比例要掌握適當。

對于條縫型漏失地層，其孔隙率較相同尺寸下的孔洞型漏失地層要小，封堵的難度較小，因而采用細粒(1～2 mm)或粗粒(2～4 mm)的核桃殼(起骨架和支撐作用)，輔以可變形的植物纖維和云母片即可有效封堵；對于孔洞型漏失地層，需要在上述基礎上引進可吸水膨脹的堵漏材料(如膨脹堵漏劑或吸水樹脂)，這樣才有可能取得較好的堵漏效果。

3 結語

(1)MP-DL中壓堵漏試驗儀具有結構簡單、操作簡捷、試驗效率高，試驗漿液用量少，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，使用方便。

(2)在堵漏作業(yè)中，堵漏漿液的封堵效果不僅取決于裂縫或孔洞尺寸的大小，也要考慮其孔隙率的大小。在相同尺寸條件下，裂縫型地層的封堵難度要小于孔板模擬的孔洞型地層。

(3)本文獲取的針對不同尺寸的孔洞型和條縫型漏失地層的堵漏漿液配方，可為現(xiàn)場堵漏作業(yè)提供參考。

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Lost Circulation Tests Based on New Type Medium Pressure Lost Circulation Simulator/

YANGKuan-cai1,2，WANGXing-le3,LIANGLi1,2,KONGEr-wei1,2,LIDa-peng1,2,CAIJi-hua4

(1.Fourth Geological Exploration Institute of Henan Geology & Mineral Bureau, Zhengzhou Henan 450001, China; 2.Engineering Ttechnology Rresearch Ccenter of Sslim Ddiameter Ddrilling in Henan Province, Zhengzhou Henan 450001, China; 3.Fourth Harbour Engineering Investigation and Design Institute of the Ministry of Transport, Guangzhou Guangdong 510200, China; 4.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

Lost circulation simulator is one of the key apparatus to formulate technical plans for lost circulation prevention and plugging. This new type medium pressure (0-1MPa) lost circulation simulator was designed to improve the complex structure, tedious test procedures, large volume mud and low data reappearance of existing lost circulation simulators. With this device, 1-3mm fracture leakage formation and 1-4mm cavern leakage formation can be simulated. The actual leakage area is totally 0.35-2.79cm2with porosity of 1.81%-14.24%. By using this experimental device, the plugging slurry formulas, being composed of swelling plugging agents and walnut shells, etc., is obtained, which is suitable for different leakage formations. The sealing effect of plugging slurries not only depends on the size of fractures or cavern, but also on the total porosity of leakage formation. This lost circulation simulator and the plugging slurry formula can offer beneficial reference for lost circulation prevention and plugging in drilling process.

medium pressure lost circulation simulator; leakage formation; porosity; plugging slurry

2016-05-04；

2017-01-10

中國石油科技創(chuàng)新基金項目“納米材料增強頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的作用機理研究”(編號：2014D-5006-0308)；湖北省自然科學基金重點項目“水基鉆井液增強頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的理論與方法”(編號：2015CFA135)

楊寬才 ，男，漢族，1983年生，工程師，碩士在讀，主要從事巖心鉆探技術及管理工作，河南省鄭州市高新技術開發(fā)區(qū)科學大道81號地質科技大廈12樓1209室，157099086@qq.com。

TE254

A

1672-7428(2017)02-0049-04