裂縫性地層漏失機理及堵漏材料新進展*

趙洪波，單文軍，朱迪斯，岳偉民，何遠信

（1.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083；2.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083；3.中國地質調查局非常規油氣工程技術中心，北京 100083）

0 前言

井漏是任何不受控制的鉆井液、水泥漿或其他工作液在鉆井、固井、完井等階段進入地層的一種常見井下復雜情況，會導致井眼失穩和壓差卡鉆，并對周邊環境造成污染，在油氣井勘探中對儲層造成嚴重傷害。處理井漏在增加時間成本的基礎上還會使鉆井成本每米增加230～328 美元［1］。在漏速可接受的情況下，一般采取繼續鉆進并加入隨鉆堵漏劑；但當漏速不可接受時，則需要進行專門堵漏。井漏及其造成的失返卡鉆、溢流、井壁垮塌以及落魚故障，將會給繼續鉆進及后續固井帶來極大的挑戰。目前，大、中型裂縫及溶洞的堵漏成功率還很低，主要表現在：一是，對井下漏失情況不明，不清楚井下裂縫的寬度，不能優選出與地層中裂縫相配伍的堵漏材料；二是，不能確定合理漏失壓力及漏層位置；三是常規橋接堵漏材料無法在漏失通道中堆積、架橋形成有效封堵。隨著油氣勘探開發轉向深部地層，發生漏失更加頻繁與復雜。為了進一步提高鉆井效率與鉆井安全，鉆井液漏失成因探索及針對不同工況下堵漏材料和堵漏工藝方面的研究從未停止，近年來，有了新的發展和進步。

1 漏失機理研究進展

漏失發生需要3 個必要條件：正壓差、漏失通道及較大漏失空間。漏失通道開口尺寸大于外來工作液固相粒徑，因此漏失與鉆井液密度、鉆井液固相粒徑、地層壓力、地層孔、縫、洞發育情況等密切相關。由于對漏失機理認識不清，導致實際作業堵漏次數較多，小漏變成大漏，提高承壓能力效果不理想。漏失程度較低（漏速＜15 m3/h）的堵漏成功率較高，部分漏失與全部漏失堵漏成功率較低。裂縫發育有利于致密油氣藏的有效開發，但同時也是造成井漏的最常見因素。裂縫性漏失是最為普遍、復雜且難以解決的。根據裂縫性漏失發生的原因，可將其分為小型裂縫性漏失、擴展性漏失及誘導性漏失（壓裂性漏失），在實際鉆井過程中所遇到的裂縫性漏失一般為上述3種類型的相互組合。由于現場難以對漏失過程進行準確預測，導致目前擴展性漏失和誘導性漏失堵漏成功率較低［2］。李大奇針對裂縫擴展性漏失，首次提出裂縫擴展性漏失壓力，主要考慮了裂縫初始寬度、裂縫剛度及鉆井液封堵性能的影響［3］。韓耀圖等在分析裂縫性地層漏失機理的基礎上，從統計學的角度出發，探索漏失壓差與漏速分布規律，提出漏失壓差與漏失速率的相關性關系，建立了微小-小裂縫性漏失地層漏失壓力模型［4］。趙洋等開展了Griffiths天然裂縫寬度預測模型研究與分析，基于非牛頓流體鉆井液流變模型為賓漢流體的前提下，對Griffiths 方法作了改進，可以更準確地估算井漏時的天然裂縫寬度，認為漏失時間、鉆井液黏度和井內壓差等因素都會對裂縫寬度產生影響［5］。何新星等認為裂縫變形會對封堵層產生破壞，裂縫變形程度越大對封堵層的破壞越強，彈性堵漏劑能夠更好地適應裂縫變形，通過降低井筒壓力波動減小裂縫動態變形帶來的不利影響［6］。孫煒等開展了以疊前地震數據為基礎，基于方位各向異性技術預測高角度縫的分布特征，設計井身軌跡避免井漏或針對性的開展堵漏［7］。陳曉華等針對裂縫性漏失提出了基于損傷力學原理，利用ABAQUS 軟件中模擬漏失過程中裂縫的起裂和擴展，建立了三維地層裂縫性動態漏失模型，并探討了裂縫形態、井周應力及地層孔隙壓力等因素在漏失過程中的變化規律，為裂縫性漏失的堵漏施工提供技術指導［8］。邱正松等基于裂縫封堵層微觀結構受力分析，探討了5 種裂縫封堵層失穩破壞形式及微觀機理，提出了評價封堵層失穩形式的特征參數，給出了裂縫致密承壓封堵物理模型，采用合理的堵漏材料類型和粒度級配優化控制，可在裂縫入口端附近形成致密承壓封堵層，提高裂縫封堵承壓能力，減少封堵漏失量［9］。

2 井漏預防與預測

井眼加固、隨鉆套管和控壓鉆進在一定程度上都可以預防漏失，巖石滲透性、孔隙率和裂縫寬度是決定橋接和井眼加固材料類型和濃度的關鍵［10］。采用蒙特卡洛模擬法基于鉆井液密度井漏風險的概率計算公式更有利于對井漏風險的評估［11］。通過分析應力狀態，孔隙壓力和儲層力學性質，建立準確的地質力學模型，基于精細的巖相、地震相與裂縫預測的研究可以準確預測漏失位置，通過避免人工壓裂或控制鉆井液密度，為優選井身結構及鉆井液優化提供了技術支持，從而減少堵漏的發生［12］。采用電法勘探監測地下暗河、溶洞，在鉆井工程設計時可以盡量避開易漏失的高風險區域，從源頭上減少上部井段井漏及可能造成的環保影響［13］。采用潛孔錘鉆進和表層套管暫封溶洞可有效解決和規避表層漏失問題［14］。針對超高壓鹽層鉆進，提出結合井下情況合理降低密度的控壓鉆進方法來防止井漏，避免超高密度堵漏的技術難題［15］。

3 漏層確定

準確定位漏失深度、評價漏失率至關重要，也是高效開展防漏堵漏作業的重要前提。對疑似漏層的早期發現可以大大提高預防和堵漏成功的幾率，表1給出了幾種常見的確定漏層方法的優缺點。

表1 幾種確定漏層方法及其優缺點

4 堵漏材料與堵漏技術

國內外對堵漏材料與堵漏技術的研究主要集中在纖維材料、新型納米材料、超分子材料等。通過綜合分析工程、地質、測井、巖屑等資料，明確了漏層深度、裂縫寬度等漏失層關鍵特性，采用隨鉆橋堵、水泥堵漏、橋接堵漏、化學固結、凝膠堵漏、高失水堵漏等堵漏工藝以及針對性研究能顯著提高地層承壓能力的致密承壓堵漏材料。常規堵漏技術在一定程度上取得了較好的應用，但面對復雜地層還存在一些問題，缺乏專用高效的堵漏材料，處理嚴重漏失時，一次堵漏的成功率不高，且易發生重復性漏失［23］。

4.1 堵漏材料

常規堵漏材料主要以剛性顆粒、彈性顆粒和纖維為主，在協同封堵過程中，剛性顆粒在裂縫較窄處形成具有較高承壓能力的骨架，彈性顆粒在裂縫較窄處形成彈性力通過彈性變形來增加裂縫與堵塞區之間的摩擦力，使封堵層更加穩定；纖維填充在顆粒之間的孔隙空間，增加了封堵層的緊密性和完整性。

4.1.1 纖維類堵漏材料

形成高質量封堵層是深層裂縫性儲集層漏失控制的關鍵，而強化封堵層結構穩定性的關鍵在于堵漏材料的選擇。纖維是橋接堵漏法采用材料的重要組成部分，常規纖維類堵漏材料因酸溶性能較差，往往不能滿足裂縫性儲層酸化解堵的技術需要。許成元等認為粒度分布、纖維長徑比、摩擦系數、抗壓能力、抗高溫能力、可溶蝕能力為深層裂縫性儲集層堵漏材料的關鍵性能參數［24］。楊振杰等以廢棄的禽類羽毛為原料研制出了天然羽毛堵漏纖維TRX-JM，在多種模擬漏失層中均具有較好的堵漏效果［25］。王敏生等基于1.2%形狀記憶聚合物與1.2%纖維組成的復合堵漏劑，具有良好的配伍性，可有效封堵地層裂縫［26］。陳家旭針對常用纖維堵漏材料無法滿足深層高溫（＞200 ℃）防漏堵漏技術的要求，研制了一種新型抗高溫堵漏纖維SDHTF［27］。

4.1.2 凝膠類堵漏材料

常規抗高溫高鹽凝膠堵漏材料與技術在國內外有廣泛的應用。凝膠類堵漏材料尤其是交聯聚合物凝膠，可不受漏失通道的限制，在漏層中滯留形成具有三維網絡結構的黏彈體，能夠提高天然裂縫或碳酸鹽巖溶洞地層近井地帶的強度，在解決惡性漏失及含地下水的漏層方面具有廣闊的應用前景［28］。膠凝時間和膠凝強度是影響凝膠封堵效果的關鍵因素［29］。Li 等認為根據油氣井漏失情況通過改變膨潤土、氧化鈣、氧化鎂等組分物質的比例能夠調節新型可固化凝膠堵漏液體系的沉降穩定性和剪切稀化性，并提高抗壓強度［30］。王勇等根據超分子化學理論研發了一種超分子堵漏新材料，可以分散到水中溶脹成各種粒徑大小不一的凝膠顆粒，凝膠顆粒有彈性、易變形，可以進入地層孔隙或裂縫，配合常規架橋顆粒對發生漏失層位進行復合封堵，能夠適應不同深度、不同溫度的地層，起到良好的堵漏效果，承壓最高能夠達到7.0 MPa［31］。蘇俊霖等開發了適合表層漏失的“特種凝膠ZND+凝膠強度調節劑TD-1+常規隨鉆橋堵材料”凝膠隨鉆堵漏技術和“ZND 調剖堵漏劑+耐腐蝕超細水泥漿”調剖封堵劑體系，對開度4.0 mm×3.5 mm 裂縫封堵的承壓能力最小為3.6 MPa，漏失量小，且封堵在裂縫腰部，適合非均質惡性漏失并可實現隨鉆堵漏［32-33］。郭新健等提出將有機凝膠與無機凝膠復合形成的抗高溫化學凝膠用以解決深層高溫地層的滲透性、裂縫性漏失，提高地層承壓能力的堵漏施工方案［34］。李輝等研制了可實現自破膠返排的抗高溫堵漏凝膠，起到了環保安全的效果［35］。顏幫川等研制了基于自由基聚合的以丙烯酰胺、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺為單體合成的具有高溫延遲成膠時間（1～4 h）可調的交聯聚丙烯酰胺凝膠堵漏劑來封堵裂縫型惡性漏失［36］。Jiang 等采用樹脂包封的方法由丙烯酰胺單體、交聯劑和引發劑經自由基聚合制備了一種凝膠時間可調、凝膠強度高的交聯聚合物凝膠HTCMG，在150 ℃下的承載力峰值可達9.8 MPa，能有效地封堵5 mm 寬的縫隙。HTCMG 具有封堵時間短、封堵成功率高、經濟成本低等特點，對解決高溫情況下漏失具有重要意義［37］。但由于對于聚合物凝膠體系的封堵機理尚不明確，聚合物凝膠體系與其他堵漏材料的相容性也不清楚。交聯聚合物隨鉆堵漏方面也有待進一步研究。

4.1.3 納米堵漏材料

納米堵漏材料的研究一直受到國內外的關注。Huang 等認為核殼結構的納米丙烯酸樹脂/納米SiO2復合材料（AR/SiO2）水基鉆井液因與頁巖基質的良好結合，在頁巖氣鉆井過程中可提高頁巖孔隙的封堵效率，減少流體侵入，增強井眼穩定性［38］。Ghanbari等采用孔隙壓力傳遞技術（PPT）研究納米二氧化硅顆粒在水基鉆井液中的封堵行為，認為納米二氧化硅顆粒能有效地堵塞孔隙喉道，降低鉆井液滲透到巖石的孔隙壓力［39］。

4.1.4 高溫堵漏材料

在深井、超深井的鉆井過程中，井漏處理是深部鉆井面臨的一項重大難題，堵漏材料的高溫老化失效造成裂縫封堵層結構破壞并在儲層段易發生重復性漏失［40］。深井高溫地層堵漏技術對堵漏材料的抗/耐溫能力、抗壓強度和沉降穩定性等提出了更高要求［41］。田軍等針對常規堵漏材料高溫不穩定易降解造成封堵層失效重復漏失的問題，研制了在漏層壓差下快速濾失后能富集成網、膠凝固化的快速濾失固結堵漏材料ZYSD［42］。陳家旭等研制了一種抗高溫型高酸溶纖維堵漏劑SDSF，協同高酸溶顆粒狀橋接堵漏材料組成的可適應不同開度楔形裂縫的高酸溶纖維堵漏工作液，在水基鉆井液中的分散性良好，耐堿性能優良［43］。韓成等通過優選抗高溫堵漏材料，針對誘導性裂縫將抗高溫剛性堵漏材料DXD 與彈性堵漏材料TXD 復配，形成了一套適用于高溫高壓井誘導裂縫堵漏的鉆井液體系［44］。蘇曉明等針對塔中區塊異常高溫高壓裂縫性溶洞漏失問題，選用了耐高溫、高剛度（＞8 MPa）、低磨損的剛性顆粒材料GZD，形成的耐高溫、高強度的新型復合堵漏材料SXM-I 表現出較好的高溫高壓封堵性能［45］。Ettehadi 等在研究裂縫寬度與堵漏機理、堵漏效果關系時，認為鉆井液作為堵漏材料的載體，在屈服點、凝膠強度和觸變性等流變特性方面具有重要意義。海泡石水基鉆井液體系在高溫高壓條件下具有良好的流變性、高固體懸浮性能以及合適的屈服點和凝膠強度值，含碳酸鈣海泡石鉆井液在193 ℃也能迅速堵塞裂縫［46-47］。

以上幾種抗高溫堵漏材料的封堵性能總結于表2。

表2 幾種抗高溫堵漏材料的封堵性能

4.1.5 油基鉆井液堵漏材料

油基鉆井液相比水基鉆井液在水平井等應用中具有良好的效果，油基鉆井液具有良好的潤滑性，更容易進入巖石弱面產生水力學劈裂，井壁的親油通道表面流動阻力小，易漏失且堵漏難度更大。應用油基鉆井液時堵漏成功的關鍵在于研發出適用于油基鉆井液的堵漏劑。近年來針對油基鉆井液的堵漏材料研究也得到了進一步的發展。許明標等研發了一種油基橋架堵漏劑Dual GUARD，通過顆粒逐級架橋、纖維成網、逐級填充，在漏失壓差下形成韌性封堵層，成功解決了漏速小于30 m3/h的井漏問題，為解決涪陵頁巖氣田的油基鉆井液漏失問題提供了技術支撐［48］。錢志偉等以剛性單體（苯乙烯）、柔性單體丙烯酸酯類、丙烯酸、丁二烯和丙烯腈）為主單體，以改性石英粉為凝結核，在引發劑過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉和偶氮二異丁脒鹽酸鹽作用下，通過乳液聚合研制的具有彈性的油基鉆井液用納米封堵劑，粒度級配（60～500 μm）合理，與油基鉆井液有良好配伍性，突破壓力達10 MPa 以上［49］。梁文利研制的一種具有自我調整的“進留顆粒粒徑”能力的T150系列堵漏劑，與油基鉆井液具有良好的配伍性，配合國外油基堵漏劑聯合堵漏，承壓能力可從1.75 g/cm3提高至1.85 g/cm3［50］。路宗羽等在油基鉆井液中加入復合封堵劑（1%封堵劑FD-L+1%碳酸鈣（600 目）+0.5%石墨粉）和3%油溶性膨脹堵漏劑形成的高密度防漏型油基鉆井液具有良好的封堵性能和防漏性能［51］。

此外，通過模擬地層溫度、壓力和井筒環空流動狀態，能夠準確評價堵漏材料的適用性和封堵效果［52］。暴丹等利用“熱-機械變形”基本原理，研制了不同粒徑的熱致形狀記憶智能型堵漏劑。受溫度影響，其結構可從片狀膨脹成立方體的三維結構，在一定范圍內可自適應匹配裂縫寬度在3～5 mm漏層，實現自適應架橋封堵［53］。馬川針對裂縫性漏失常規橋塞堵漏材料與漏層裂縫開口匹配難以達到良好的堵漏效果，通過將類彈性顆粒堵漏材料的網狀泡沫材料變形擠入裂縫與方解石顆粒等剛性顆粒材料以及隨鉆封堵材料SDQ-98 配合使用，使得漏失通道變窄，可促進封堵層形成，達到良好的堵漏效果［54］。

4.2 堵漏技術

橋接堵漏法是處理裂縫性儲層鉆井完井液漏失較常用的方法。王在明等針對常規復合堵漏材料之間無膠結、易被鉆井液沖刷、使用油井水泥堵漏會造成新井眼的問題，研究開發了井壁強化與堵漏雙作用的可鉆水泥，將超細碳酸鈣粉體加入膠凝材料硫鋁酸鹽水泥中，調節膠凝材料的可鉆性，所形成的堵漏泥漿體系可明顯增強體系的堵漏性能［55］。侯士立等提出了高濾失承壓堵漏技術，以清水配制的高濾失堵漏劑FPA為堵漏漿，在壓差作用下堵漏漿在近井壁端迅速濾失形成濾餅，鉆井液在濾餅的塞面上形成致密的泥餅，阻止鉆井液進一步漏失，井壁得到強化，承壓能力達到7 MPa，堵漏一次成功率高達71%［56］。楊虎提出充氮氣欠平衡鉆井技術正成為防止裂縫性儲層井漏、提高機械鉆速的重要技術手段。根據裂縫性儲層漏失壓力和坍塌壓力，確定鉆井流體安全密度窗口，設計氮氣注入參數和欠平衡專用設備需求量［57］。鄧柯等提出將常規充氮氣鉆井與連續循環鉆井技術相結合，實現了充氣流體介質的連續循環，在BY1井深部地層（3740～3846 m）減少漏失的同時鉆速提高了1.6倍［58］。梁文利認為將瞬間堵漏劑+水泥球+稻草節堵漏方法應用于地熱水資源勘查具有良好的堵漏效果［59］。朱金智等針對長裸眼井段存在多套砂泥巖互層及復雜壓力系統，形成了雷特隨鉆承壓堵漏工藝技術［60］。中國石化華東石油工程公司提出了一種井下爆炸堵漏技術。該技術通過井下爆炸的方式擠壓地層裂縫，減小裂縫寬度，使堵漏材料“進得去、停得住”，在蘇北46口井裂縫性漏失中得到了有效應用［61］。黎凌等針對長寧喀斯特地貌頁巖氣鉆井失返性漏失采用“膨脹+交聯+充填”堵漏工藝形成遇水快速膨脹膠凝堵漏漿，解決表層出水漏失難題［62］。王軍等采用“剛性粒子+高失水材料”復合橋接堵漏技術，通過多種材料相互協同增效實現封堵結合配套井控技術，解決鉆遇深部海相裂縫性地層噴漏共存處理難度和井控風險極大的問題［63］。陳軍等根據提高承壓能力封堵理論，針對楔形效應，建立了井周應力-溫度方程，通過降低鉆井液或濾液的冷卻作用，形成不滲透封堵層，可以提高堵漏成功率［64］。基于尖點突變理論，建立了影響封堵層穩定性（地層參數、裂縫面接觸參數和封堵層參數）的可用于預測井漏的最大承壓壓力模型。對于天然裂縫，在堵漏材料中摻入纖維或采用低摩擦系數的剛性顆粒有利于提高封堵層的最大承壓壓力。但對于誘導性裂縫，應采用高摩阻、高強度的堵漏材料來提高堵漏層的最大承壓壓力，以達到控制漏失的目的［65］。

5 結論與展望

隨著對油氣能源需求的不斷增加及可開采油氣的不斷減少，油氣資源從常規油氣轉向非常規油氣，常規儲層轉向碳酸鹽巖、砂巖儲層為代表的特殊儲層，新區新層系非常規油氣勘探將成為今后油氣資源勘探開發的主要戰場。碳酸鹽巖儲層往往存有天然裂縫，砂巖和碳酸鹽巖在鉆井作業中都可能產生誘導裂縫，極易發生漏失，使得堵漏材料及工藝的研究趨向于復雜。裂縫性地層漏失方面還存在許多挑戰，鉆井液漏失理論研究比較薄弱，遠未達到模型化、定量化和科學化的程度。鉆井技術的最新進展將重點放在高溫高壓砂巖和碳酸鹽巖地層中的非常規深層裂縫性儲層，這些苛刻的條件限制了傳統堵漏材料對自然裂縫和誘導裂縫的封堵。此外，堵漏的概念將從局部封堵提升到井眼強化。