裂縫性漏失地層鉆井設計研究

鄧 云

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

鉆井施工過程中經常面臨井下漏失問題，大量的鉆井液漏失到地層中，在增加鉆井液成本的同時往往還帶來井壁失穩、井涌井噴等其他井下問題。國外學者對已出版的大量文獻進行調研后得出結論：因井漏造成的成本占總體鉆井成本的10%～20%，而這些損失的90%以上發生在裂縫性地層中。天然裂縫可能存在于任何類型的地層中，在該類地層進行鉆井施工作業，會隨著井深的增加暴露更多的裂縫，從而使漏失加劇。因此天然裂縫性地層的存在是鉆井和固井施工中的一個重要難點[1-2]。

為了減少井下漏失的發生，鉆井從業者提出了多種預防措施，例如：①通過降低鉆井液密度以及改變流變參數和鉆井液流速來保持等效循環密度；②添加堵漏材料以加強地層承壓能力；③使用先進的鉆井技術，如控壓鉆井技術、欠平衡鉆井技術或隨鉆套管技術。與傳統鉆井技術相比，對于低壓力地層，可以使用低密度介質作為鉆井液，如空氣、氮氣、霧化泡沫鉆井液，從而在欠平衡的工況下減少鉆井液漏失[3-5]。

1 漏失層確定和漏失情況分類

不同地層的具體漏失情況不盡相同，高滲性、孔隙性、裂縫性和溶洞性地層均有可能存在，確定具體的漏失層位是非常重要的，只有確定具體漏層位置才能更好地采用預防或糾正措施來防止或阻止進一步的井下流體損失。

1.1 漏層位置確定

根據鉆井過程中觀察到的情況，可以初步判斷漏層位置：當在鉆進時發現鉆井液漏失，并且漏失過程中伴隨著鉆速、扭矩的明顯變化時，漏層通常在井底；在起下鉆或提高鉆井液密度時發現漏失，則漏層通常不在井底。

精確的判斷漏層的具體位置，則有助于針對具體層位進行井漏處理，從而提高效率縮短非生產時間。從設計角度出發可以采用如下方法來幫助判斷漏層：①現場地質分析；②鉆前地質分析；③地層壓力測試；④裸眼測井；⑤放射性傳感器測量；⑥溫度測量。但在實際生產過程中，其中一些方法由于成本和技術原因難以現場應用，而另一些方法則存在預測不準確的問題。

1.2 漏失情況分類

除了判斷漏層位置外，解決漏失的另一個方法是對漏失（鉆井液或水泥漿）的嚴重程度進行分類，從而幫助選擇堵漏材料的尺寸和設計堵漏方案。漏失的嚴重程度可以由漏失量確定（見表1）。

從表1 可以看出，在鉆遇裂縫性地層過程中，根據地層裂縫的大小，可能會發生部分漏失，甚至失返性漏失。漏失類型和漏失速度密切相關，而漏失速度主要取決于漏失地層的地質情況，漏失地層的裂縫或孔洞越大，相應的漏速越大，漏失越嚴重，后續的堵漏難度也越大。

表1 漏失分類表

2 鉆井設計方面可采用的技術措施

2.1 漏失前的井壁加固

通常而言，在鉆井設計過程中做好防漏預案，對易漏失地層進行井壁加固，提高地層的承壓能力，比發生漏失后再進行堵漏具有更好的效果。在鉆遇低滲透性地層時，可通過提前在鉆井液中加入一定濃度的橋接堵漏材料（如可變形石墨、細顆粒、纖維素材料等）來提高井壁的承壓能力使鉆井液不易漏失。

2.2 其他技術措施

當鉆遇高滲透地層和天然裂縫地層時，無法完全避免漏失的發生，但從鉆井設計角度可采取一定的預防措施來減少漏失，使鉆井施工順利進行。預防漏失的最有效方法是保持井筒壓力等于或非常接近地層壓力。包括欠平衡鉆井、控壓鉆井、在易漏失地層下套管封隔和井筒加固等。

2.2.1 欠平衡鉆井技術

如果使井筒中的鉆井液液柱壓力保持在地層孔隙壓力以下，呈欠平衡狀態，則可以避免漏失的發生，但也存在地層流體流入井筒的風險。為了實現低于地層孔隙壓力的鉆井液循環密度，需要使用非常規的鉆井流體，例如空氣、霧、泡沫、充氣鉆井液、微泡沫鉆井液。在某些特殊情況下，欠平衡鉆井是唯一可用的鉆井設計方案，但由于存在多相流體流動，欠平衡鉆井設計方案比傳統鉆井或控壓鉆井更復雜。過平衡鉆井時，密度窗口介于孔隙壓力和地層破裂壓力之間，而在欠平衡鉆井過程中，密度窗口介于井眼穩定壓力和地層孔隙壓力之間。欠平衡鉆井可以提高機械鉆速、鉆頭壽命和油井產能，但在欠平衡鉆井過程中，需要額外的設備和人員，會增加相應的成本。

2.2.2 控壓鉆井技術

部分地層的孔隙壓力和破裂壓力十分接近，使用常規的鉆井工藝很難完成預期目標。在這種情況下，需要更好地優化和精確控制環空壓力，從而避免井控、漏失或卡管等井下問題。因此，為了確保安全無故障的鉆進該類的地層，有必要在靜態和動態條件下保持適當的環空壓力。

控壓鉆井用于精確控制和維護整個井眼的環空壓力分布。除了在鉆井過程中使用該技術外，還可以將控制壓力技術用于鉆井以外的各種施工作業（如下套管、固井、測井、起下鉆等）。這種相對較新的鉆井技術將低鉆井液密度與施加在環空中的額外壓力相結合，從而實現安全鉆進。根據所選的控壓鉆井方案，鉆機必須配備附加設備，如旋轉控制裝置、止回閥、閘板、連續循環系統等。據統計，與常規鉆井相比，在易漏失地層使用控壓鉆井技術可使鉆井液損失減少20%以上，鉆速可提高5%以上，平均生產效率提高25%以上。

2.2.3 套管鉆井技術

隨鉆套管鉆井技術是一種相對新穎的鉆井施工技術，該技術使用套管來代替傳統鉆具組合中的鉆桿和鉆鋌。這種類型的鉆井技術被認為是高效和低成本的鉆完井方法之一。

套管鉆井技術減少了與鉆桿相關的成本，并避免了在鉆桿起下鉆作業期間可能出現的潛在復雜問題（包括循環漏失、井壁穩定和井控事故）。此外，這種方法可以實現鉆井液的連續循環。這種方法的主要優點是減少了非鉆井生產時間，減少了潛在的漏失問題和井壁失穩問題。此外，套管的直徑遠大于常規鉆井中使用的鉆桿直徑，這導致環空中泥漿流動的面積更小，會出現一種稱為“抹灰”的效果，它會增強井筒穩定性：套管外徑與井眼尺寸的比率是發生抹灰效應的主要因素，在有限的環形間隙中，鉆屑在套管和井筒之間被研磨成更細的顆粒，大幅度增加了鉆井液中的粒度分布。較高的鉆井液顆粒濃度和粒度分布有助于通過抹灰作用對井壁進行橋接和裂縫閉合，從而幫助形成一層薄而不可滲透的泥餅，形成屏障并防止流體流失。因此，套管鉆井過程中發生的抹灰效應增加了裂縫梯度并改善了井壁的穩定性。

3 結論和建議

（1）天然裂縫性地層的地質特點使鉆井施工面臨很大的挑戰，從鉆井設計層面對鉆井施工進行整體規劃，是有效解決漏失問題的方法之一。

（2）確定具體的漏失層位是非常重要的，只有確定具體漏層位置才能更好地采用預防或糾正措施來防止或阻止進一步的井下流體損失。

（3）井壁加固技術、欠平衡鉆井技術、套管鉆井技術、控壓鉆井技術均是減少漏失發生率，提高鉆井效率的有效技術方案。