順北油田二疊系火成巖防漏堵漏技術

潘軍， 李大奇

（1.中國石油化工股份有限公司油田事業(yè)部，北京 100728；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

順北油田是中石化在特深層海相碳酸鹽巖領域的重大發(fā)現(xiàn)，將成為中石化增儲上產(chǎn)的主戰(zhàn)場[1]。當前，順北油田勘探開發(fā)主要集中在順北1區(qū)的1號斷裂帶和5號斷裂帶上，由于地質(zhì)構造復雜，鉆井中存在系列鉆井技術難題，其中最為突出的是二疊系火成巖漏失難題[2-3]。井漏不但會損失鉆井液、產(chǎn)生非生產(chǎn)時間及影響鉆井安全，還限制了鉆井提速，是鉆井中最為頭疼和棘手的難題之一。為此，國內(nèi)外學者進行了大量研究和探索，開發(fā)出了非滲透劑、彈性石墨、Form-A-block、纖維水泥、吸水樹脂、熱固性樹脂、凝膠和化學固結等系列防漏堵漏材料，并形成了多種配套工藝技術[4-9]。現(xiàn)場以顆粒狀、纖維狀及片狀復合的橋接材料最為常用，但是普通橋接材料抗溫差，高溫下易炭化失效，且堵漏時需要清楚地下裂縫寬度；非滲透劑對微裂縫地層防漏效果好，對較大的裂縫防漏效果較差；吸水樹脂等膨脹類材料因為本身強度低，用于堵漏效果較好，但承壓效果差；國外Form-A-block和中國的DTR等同屬于高失水材料，對于裂縫適應性較好，但承壓一般較低；纖維水泥、熱固性樹脂等堵漏方法工藝復雜、風險大和成本高；凝膠堵漏技術堵漏適應性好，但是耐溫差，如不配合其他材料，后期易因凝膠強度降低而復漏；化學固結堵漏技術堵漏成功率高，但是堵漏施工時間相對較長。綜上所述，雖然國內(nèi)外在防漏堵漏技術方面取得了較大進展，但是針對火成巖的研究較少，還無法滿足火成巖地層防漏堵漏的需求，因此有必要深入分析順北油田二疊系火成巖的漏失特征及防漏堵漏難點，研發(fā)高效的防漏與堵漏材料，提高防漏與堵漏效果。

1 火成巖漏失特征及防漏堵漏難點

順北油田包含順北、順西、阿東和順托4個區(qū)塊，其中順北區(qū)塊又稱為順北1區(qū)。目前，順北油田大部分井部署在順北1區(qū)的1號斷裂帶和5號斷裂帶上。該區(qū)塊地質(zhì)差異性大，鉆井期間漏失及復漏頻繁，需深入認識漏失特征及防漏堵漏難題。

1.1 地層特性

順北油田二疊系地層由東到西埋深及厚度逐漸增加。東部的順北1井區(qū)二疊系頂深約4 500 m，平均厚度約480 m，巖性以凝灰?guī)r、英安巖為主，夾雜砂泥巖。西部的順北5井區(qū)二疊系頂深約4 774 m，平均厚度約565 m，巖性以英安巖、泥巖為主，夾雜凝灰?guī)r、砂巖，發(fā)育玄武巖。凝灰?guī)r是一種火山碎屑巖，常含有孔隙和節(jié)理縫。英安巖是一種中酸性噴出巖，裂縫通常十分發(fā)育。

1.2 漏失分布規(guī)律

對順北1區(qū)22口井鉆井及中途完鉆期間的漏失情況進行統(tǒng)計，如表1所示。統(tǒng)計表明，二疊系鉆井期間漏失概率為50%，平均單井漏失量高達561.7 m3。從漏失分布上看，北部漏失較輕，鉆井漏失概率為25%，鉆井平均漏失量為10.7 m3；南部漏失較重，鉆井漏失概率為80%，鉆井平均漏失量為503.5 m3；東部的1號斷裂帶漏失概率為42.9%，西部的順北5號斷裂帶漏失概率為60%，但是因為1號斷裂帶幾口井漏失特別嚴重，單井平均漏失量1號斷裂帶要大于5號斷裂帶；從巖性上看，漏點多在英安巖地層，尤其是英安巖與凝灰?guī)r交界面附近。從漏失階段看，鉆井期間漏失11口，中途完鉆期間漏失15口，且鉆井階段漏失的井在中途完鉆期間基本都發(fā)生了漏失。

表1 順北1區(qū)漏失情況

1.3 漏失類型

對順北區(qū)塊17口井、66次井漏統(tǒng)計分析表明，39%的井漏發(fā)生在鉆進過程中（含堵漏漿鉆進），26%的井漏發(fā)生在固井過程中，下套管、下鉆、循環(huán)、劃眼、提密度和起鉆等情況下漏失的為35%。另外，17口井中有5口井鉆進時未漏，但固井均發(fā)生了漏失。根據(jù)漏失工況分析可知，大部分井是鉆遇較大天然裂縫發(fā)生了壓差性漏失。例如，SHB1-1H井以1.24～1.25 g/cm3的密度鉆至井深4 557.53 m發(fā)生失返性漏失，扭矩由9～11 kN·m升高至18 kN·m憋停頂驅(qū)，使用隨鉆及橋漿堵漏后恢復鉆進，鉆至井深4 557.79 m再次發(fā)生失返性漏失，扭矩由10 kN·m升高至18 kN·m憋停頂驅(qū)，判斷鉆遇較大垂直裂縫發(fā)生壓差性漏失。部分井雖未鉆遇大的天然縫，但是后期提密度、下鉆或固井時，由于井內(nèi)液柱壓力過大導致裂縫擴展性漏失。例如，SHB1-10H井以1.25 g/cm3的鉆井液密度鉆穿二疊系未發(fā)生漏失，二疊系深度為4 483～4 933 m，然后逐漸提高鉆井液密度至1.29 g/cm3，鉆進至井深5 461 m無漏失，起鉆更換螺桿后下鉆劃眼至4 020 m井口失返，屬于典型的裂縫擴展性漏失，該井通過降低鉆井液密度，使得井筒壓力小于裂縫擴展壓力后恢復鉆進。

圖1 順北區(qū)塊漏失工況統(tǒng)計

1.4 防漏與堵漏難點

順北區(qū)塊采用了竹纖維、屏蔽暫堵劑、橋接、水泥、凝膠、化學固結和堵漏漿鉆進等技術，但應用中還存在防漏效果差異大、堵漏成功率低和易復漏等難題，單井復雜時間達10余天。

1）多尺度裂縫發(fā)育，防漏堵漏材料粒徑選擇難。通過取心觀察和成像測井等方式可以認識裂縫形態(tài)及大小，另外也可根據(jù)現(xiàn)場堵漏材料粒徑大小對裂縫大小進行推斷。由SHB5-5H巖心觀察可知，英安巖微裂縫十分發(fā)育，未充填縫的寬度普遍小于0.2 mm；由順西2井巖心觀察可知，火成巖縱向裂縫發(fā)育，縫長1.45 m，縫寬達2～5 mm；由TP44井巖心觀察可知，英安巖裂縫發(fā)育，以低角度縫和斜縫為主，裂縫寬度為1～20 μm；由順北1-1H堵漏時采用的顆?？芍?，原地裂縫最大縫寬可達10 mm以上；根據(jù)SHB3井成像測井分析可知，該井裂縫寬度大部分小于1 mm，存在鉆井誘導縫。由此可見，二疊系發(fā)育有微米、毫米、厘米多個尺度的裂縫，現(xiàn)有技術均難以實現(xiàn)對該尺度裂縫的全面有效覆蓋，導致現(xiàn)場防漏效果單井差異大，堵漏一次成功率較低。

2）現(xiàn)有技術與地層適應性差，堵漏后易復漏。順北區(qū)塊一般采用橋漿堵漏，但后期鉆進期間易復漏。據(jù)統(tǒng)計，80%以上的井存在復漏現(xiàn)象，平均單井復漏3次左右，已嚴重影響了鉆井安全和效率。復漏的主要原因為：①堵漏材料粒徑搭配不合理，在裂縫進口處形成封門，未能有效楔入裂縫中，后期受鉆井液沖刷、鉆具活動、鉆頭刮擦和井壁掉塊等影響而被破壞；②堵漏材料形成的封堵致密性差，鉆井液不斷進入裂縫中導致縫內(nèi)壓力增高，導致裂縫擴展失效；③堵漏材料耐溫性差，鉆井液長時間浸泡后堵漏材料強度降低，導致封堵失效；④鉆井液密度過高、下鉆過快、開泵過猛或鉆井液的黏度、切力較高等原因，導致井底有效壓力超過裂縫擴展壓力引起井漏。

3）安全密度窗口窄，防漏與防塌相互矛盾。近年來，中國學者對漏失機理進行了深入研究，并提出壓差性漏失和壓裂性漏失的漏失壓力模型[9-10]。根據(jù)現(xiàn)場實用鉆井液密度和漏失速率情況，對現(xiàn)場漏失壓力進行反演，求得大部井的漏失壓力當量密度為1.25～1.28 g/cm3。根據(jù)SHB1-1H和SHB3等井現(xiàn)場承壓最高值，計算得裂縫擴展壓力當量密度為1.33～1.35 g/cm3。但是該井三疊系泥巖的坍塌壓力較高，實鉆密度多在1.24～1.25 g/cm3，井徑擴大率最大可達100%以上，部分井因掉塊還造成卡鉆事故。根據(jù)現(xiàn)場實鉆情況，三疊系泥巖的坍塌壓力當量密度約1.22～1.24 g/cm3。較高的坍塌壓力與較低的漏失壓力導致該井安全密度窗口極窄，限制了進一步降低密度防漏的空間，給防漏帶來一定難度，也給堵漏作業(yè)增加了風險。

2 防漏堵漏技術

由于二疊系火成巖地層具有裂隙發(fā)育、裂縫易擴展、非均質(zhì)性強的特點。防漏堵漏應堅持 預防為主、防堵結合、塌漏同治 的原則，并配合采用 合理密度、隨鉆封堵、分類專堵、打封閉漿、體系優(yōu)化和工程措施 等技術措施作為保障。

2.1 防漏技術

由于地層非均質(zhì)性強，且不同井、不同深度地層的裂縫發(fā)育程度、裂縫寬度等均不相同，裂縫大小和漏失類型鉆前均難以準確預測，因此預防井漏主要在如下方面著手：①降低當量密度；②加強隨鉆封堵；③減少激動壓力；④優(yōu)化井身結構。井身結構設計受多種因素影響，情況允許的條件下推薦采用二疊系專封。下面重點對前3個方面進行論述。

防漏與防塌是相輔相成的，應采取防漏、防塌一體化工藝技術方法。為了減輕防漏壓力，需強化鉆井液防塌性能，下拉坍塌壓力，從而確保采用較低密度鉆進時井壁穩(wěn)定，避免頻繁劃眼和頻繁起下鉆導致鉆井液密度增加、流變性變差等引發(fā)的壓力擴展性漏失。比如，通過引入納微米封堵劑、溫敏變形封堵劑和新型聚胺抑制劑來強化鉆井液封堵和抑制能力。強封堵不但可以減少壓力傳遞，防止井壁坍塌，還可以降低鉆井液濾失，避免起下鉆期間鉆井液密度顯著增加，從而起到防漏效果。目前，順北油田二疊系鉆進期間普遍采用1.24～1.25 g/cm3的鉆井液密度，該密度基本滿足防塌和防漏需求，由于同一裸眼段還存在三疊系或志留系等易塌地層，鉆井液密度進一步降低的難度和風險較大。但是，可以通過降低鉆井液的黏度和切力，來進一步降低循環(huán)壓耗。以順北1-2H井為例，采用鉆井液黏度、切力設計的下限（塑性黏度為15 mPa·s，動切力為5 Pa）和設計上限（塑性黏度為25 mPa·s，動切力為10 Pa）分別對井深5 000 m的鉆井液循環(huán)當量密度進行計算，鉆井液實際密度為1.28 g/cm3時，低黏度、低切力鉆井液的循環(huán)當量密度為1.305 g/cm3，高黏度、高切力鉆井液的循環(huán)當量密度為1.325 g/cm3（已到達裂縫擴展臨近值），可見采用低黏度、切力的鉆井液降低循環(huán)壓耗，起到預防井漏的作用。

由于裂縫大小難以預測，防漏時難以采取針對性特別強的防漏配方，只能盡量擴展鉆井液的防漏能力，增強鉆井液的廣譜防漏效果，并配合選取合理目數(shù)的振動篩。目前，順北區(qū)塊采用的防漏材料有SMPB-1、QS-2、竹纖維和高效隨鉆封堵劑SMGF-1等。由于地層非均質(zhì)性強，在沒有掌握漏失規(guī)律及分布特征的條件下，防漏材料的防漏效果是難以通過鄰井漏失情況來對比分析，室內(nèi)實驗更容易說明材料的防漏效果。0.45～0.90 mm和0.18～0.45 mm砂床的封堵實驗表明（見表2），SMGF-1比QS-2、SMPB-1和竹纖維的砂床封堵效果要好，且SMGF-1可以降低鉆井液濾失量，兼具防塌的效果。

在基漿中加入不同濃度的SMGF-1，評價其承壓能力，結果見表3。由表3可知，鉆井液中加入3%SMGF-1后，0.45～0.90 mm砂床承壓能力可達8.5 MPa，SMGF-1具有較強的承壓能力，因此現(xiàn)場推薦加入2%～3%SMGF-1強化隨鉆防漏效果。

表2 在6%夏子街土漿中加入不同堵漏材料的砂床封堵效果

表3 砂床承壓能力評價

為了減少壓力激動，除了調(diào)整好鉆井液性能之外，現(xiàn)場更需要精細操作。具體技術措施如下：①維持好鉆井液流變性，并嚴格控制好起鉆、下鉆和劃眼速度，避免激動壓力過高壓漏地層，也避免抽吸壓力過高引起堵漏材料返吐；②開泵前先開轉盤，通過鉆柱轉動破壞鉆井液結構力，同時開泵要慢，等鉆井液返出后再逐步提高排量；③每次起鉆前需打入一段堵漏漿封閉二疊系地層，防止下鉆時壓漏地層。堵漏漿配方推薦如下：井漿+（2%～3%）SMGF-1+（1%～2%）SQD-98（ 細 ）+（2%～3%） 裂縫復合堵漏劑SMLF-1+（1%～2%）瀝青；④由于裸眼段長、滲漏量大，起下鉆后鉆井液失水會使鉆井液增稠和密度增大，應及時補入膠液，以防一次性下鉆到底開泵困難或開泵循環(huán)發(fā)生井漏；⑤下鉆應分段循環(huán)，盡量不要在二疊系地層定點循環(huán)，鉆進時控制好排量，在滿足攜巖條件下盡量降低排量。除了以上技術措施以外，要加強現(xiàn)場管理，工程和鉆井液要緊密配合，嚴防人為因素導致的井漏。

2.2 堵漏技術

堵漏一般需要清楚漏層位置、漏層性質(zhì)和漏失通道大小，從而針對性選擇堵漏技術。二疊系井漏的漏失位置和漏層性質(zhì)往往容易判斷，但是目前對火成巖漏失通道大小的研究還不夠深入，裂縫寬度往往難以準確判斷。為了使得堵漏材料能夠進入漏層一段距離，可適當承壓，但承壓值不要超過裂縫擴展壓力，承壓能力滿足后續(xù)鉆進密度即可。為了提高堵漏效果，防止橋漿堵漏后頻繁復漏，可以采用抗高溫的復合變形材料進行堵漏。如果需要大幅提高二疊系地層承壓能力或發(fā)生嚴重漏失時，可以采用化學固結堵漏技術，將裂縫完全膠結，提高地層承壓能力。

為了防止重復漏失，需要堵漏材料對裂縫具有較好的適應性，能夠進入裂縫中一段距離，并且形成致密封堵層。為此，室內(nèi)開展了大量實驗研究，研發(fā)了一種能夠致密封堵且阻止裂縫擴展的高效承壓堵漏劑SMKZD-1。該堵漏劑由耐高溫的高強度剛性顆粒、復合纖維、可變形材料和納微米封堵劑等構成。高強度剛性顆?？梢苑乐沽芽p閉合時堵漏材料被壓破，復合纖維材料可以提高封堵能力，彈性材料可以增加與裂縫的自適應程度，納微米材料可以降低裂縫封堵層滲透率，阻止壓力傳遞。室內(nèi)采用高溫堵漏儀評價120 ℃下SMK ZD-1對1～3 mm裂縫的封堵效果，結果見表4。實驗表明，SMKZD-1對1～3 mm裂縫均具有良好封堵效果，封堵層承壓大于5 MPa，且堵漏材料能夠進入裂縫深部，有效防止裂縫封門等導致的復漏。

表4 堵漏材料封堵效果評價

盡管根據(jù)井下裂縫寬度進行堵漏方案設計是最合理的，但是地下裂縫寬度往往難以準確判斷，因此建議根據(jù)漏速大小和對區(qū)塊裂縫的認識，采取合理技術措施：①漏速小于5 m3/h，強化隨鉆封堵 ，井 漿 中 補 充（1%～2%）SMGF-1+（2%～3%）GQJ-6+ 2%SQD-98（細）；②漏速小于30 m3/h，采用高效承壓堵漏技術，高效承壓堵漏劑SMKZD-1具有較高的彈性，在壓差下可變形進入裂縫中，能有效解決3 mm內(nèi)裂縫的漏失問題，可采用靜止堵漏或間歇式承壓工藝，但承壓值要小于裂縫擴展壓力；③對于漏點較多、橋漿能夠暫時堵住漏層的情況，可以采用堵漏漿鉆進技術，但需要優(yōu)選對鉆井液性能影響小的堵漏材料；④發(fā)生失返性漏失、反復性漏失、橋漿封堵無效及堵漏漿鉆進時仍嚴重漏失時，建議采用化學固結堵漏。

高效承壓堵漏劑SMKZ D-1在順北4井和夏河1井等多口井進行了現(xiàn)場試驗，堵漏均一次成功，后期鉆進及下套管期間均沒有發(fā)生復漏。堵漏漿鉆進技術在SHB1-2H等多口井進行了現(xiàn)場應用，確保了有效鉆穿二疊系地層。

3 現(xiàn)場應用

順北A井是中石化部署在順北區(qū)塊的一口井深達8 593 m的超深預探井，該井二開為φ444.5 mm大尺寸井眼，實鉆二疊系地層厚度為531 m（4 762～5 293 m）。根據(jù)順北區(qū)塊漏失情況，二疊系火成巖裂縫發(fā)育，具有較大的漏失風險。由于二疊系地層鉆井液安全密度窗口窄，過低則增加井壁失穩(wěn)風險，過高則增大漏失風險。為了兼顧防漏與防塌需求，A井鉆井液密度選擇為1.24～1.25 g/cm3。為了確保該密度下井壁穩(wěn)定，優(yōu)選了納米封堵劑SMNF-1和溫敏變形封堵劑SMNA-1，同時通過加入1%～2%新型聚胺抑制劑SMXJA-1和3%～5%KCl來提高鉆井液抑制性。該井前期采用常規(guī)的超細、竹纖維等材料進行防漏，使用密度為1.25 g/cm3的鉆井液鉆進至井深4 804.35 m，鉆壓由44.3 kN下降至37.5 kN，立管壓力由24.7下降至24.2 MPa，發(fā)生失返性漏失，漏失類型為天然裂縫引起的壓差性漏失。井內(nèi)泵入30 m320%SMKZD-1堵漏漿，下鉆到底大排量循環(huán)不漏，一次性堵漏成功。為了防止后續(xù)揭開的火成巖地層漏失及前期井漏的復漏，試驗了高效隨鉆封堵劑SMGF-1，加入2%SMGF-1后鉆井液消耗量減少50%以上，鉆井液封堵能力明顯提高，且進一步加強了井深4 004.35 m處封堵層的致密性，后期488.65 m火成巖鉆進和下套管期間無漏失發(fā)生，且固井中漏失量也較低，確保了該井二開大尺寸井眼安全高效鉆進及固井施工的順利進行。鄰井順北B井采用常規(guī)防漏及橋接堵漏技術進行堵漏，至中途完鉆下套管期間發(fā)生3次井漏，其中復漏2次，且固井期間發(fā)生嚴重漏失。

4 認識與建議

1.順北二疊系火成巖具有非均質(zhì)性強、裂縫發(fā)育及裂縫易擴展的特點，該認識對順北油田防漏堵漏具有重要指導意義。

2.順北油田漏失具有一定分布規(guī)律，北部區(qū)域漏失較輕，南部區(qū)域漏失較嚴重，該規(guī)律對新井防漏堵漏方案的制定具有參考價值。

3.二疊系主要存在2種漏失機理，即壓差性漏失和裂縫擴展性漏失，通過引入優(yōu)選的新型防漏堵漏材料SMGF-1，可望有效減少二疊系鉆井液漏失問題，提高防漏效果。

4.室內(nèi)研發(fā)了防止復漏的高效承壓堵漏劑SMKZD-1，該材料具有良好的廣譜封堵效果，可以進入不同尺寸裂縫之中，從而有效解決復漏難題。