塔河油田防漏堵漏技術(shù)綜述

王偉志， 劉慶來， 郭新健， 王驍男

(1.西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 輪臺 841600； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

塔河油田地處新疆維吾爾自治區(qū)輪臺縣與庫車縣境內(nèi)，塔里木盆地北部阿克庫勒凸起南端。塔河油田面臨的主要技術(shù)難題之一是嚴重的反復(fù)惡性漏失，這對塔河油田持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展都將產(chǎn)生不可忽視的影響。鉆井實踐表明，塔河油田發(fā)生井漏的幾率較高，深部地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由此引起的井下復(fù)雜較多。各層系壓力系統(tǒng)復(fù)雜，地層存在嚴重的高地應(yīng)力、徑向應(yīng)力失衡引起的井漏問題。地層的完整性較差，地應(yīng)力分布狀態(tài)不很明確，相應(yīng)的安全鉆井液密度窗口難以確定。在部分情況下會出現(xiàn)漏失復(fù)發(fā)的現(xiàn)象，這主要是由于堵漏技術(shù)與地層不相適應(yīng)所致。本文通過對近些年塔河油田防漏、堵漏技術(shù)措施進行梳理總結(jié)，以期為相關(guān)現(xiàn)場生產(chǎn)工作提供一定的參考。

1 塔河地區(qū)地質(zhì)特點

塔河地區(qū)地層分布發(fā)育有下奧陶統(tǒng)、中奧陶統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)、二疊系中統(tǒng)、三疊系、侏羅系下統(tǒng)、白堊系、第三系、第四系等。漏失地層集中在二疊系、奧陶系和志留系，二疊系與奧陶系是嚴重反復(fù)性漏失的易發(fā)井段，其特點是漏失量大，施工耗時長易出現(xiàn)復(fù)漏。上第三系、下第三系地層，巖性以細砂巖、粉砂巖、棕褐色泥巖為主；三疊系以灰色泥巖、深灰色泥巖、淺灰色砂巖為主；二疊系地層含灰綠、灰黑、灰、深灰色英安巖，底部為灰黑色玄武巖，頂部少量凝灰質(zhì)砂巖；石炭系以棕褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、黃灰色泥晶灰?guī)r為主；志留系以灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、瀝青質(zhì)細粒巖屑石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖、棕褐色泥巖為主；奧陶系為綠灰、灰褐色泥巖，灰質(zhì)泥巖、部分含泥晶灰?guī)r。

2 塔河地區(qū)井漏分析

塔河地區(qū)地層特點及其易于發(fā)生的漏失類型，大體可歸納為：(1)上部砂巖地層，具有高滲透率、地層破漏壓力低，承壓能力弱，高密度鉆井液易誘導(dǎo)發(fā)生裂縫滲透漏失；(2)二疊系地層裂縫發(fā)育豐富、地層構(gòu)造作用致使地層破碎且廣為分布，地層破漏壓力小，易發(fā)生裂縫、溶洞型井漏，為中大型漏失的發(fā)生區(qū)域，并且多數(shù)井首次封堵工作成功率不高；(3)雙峰、鹽下泥巖段為致密性泥巖，滲透性差，易誘導(dǎo)裂縫性漏失[1]。

二疊系是塔河地區(qū)防漏堵漏工作的重點地層區(qū)域。二疊系地層為破碎、縫洞型火成巖區(qū)段，地質(zhì)巖心(見圖1)資料表明，這段地層存在著縱向天然裂縫，寬度為3～5 mm[2]。鉆進至該地層時普遍存在井漏，漏速大多集中在15～50 m3/h的范圍內(nèi)，處理漏失耗時平均在15 d左右，情況較為嚴重的井在后期施工中會發(fā)生二次或多次失返性漏失[3]。二疊系地層受構(gòu)造運動以及火成巖會保留冷凝時氣泡的特性，其具備復(fù)雜地層應(yīng)力和裂隙發(fā)育的破碎形態(tài)，致使二疊系地層在塔河地區(qū)的漏失情況較為突出。再就是對二疊系的漏失認識得不充分造成該地層達不到承壓要求，后續(xù)鉆井施工極易導(dǎo)致二疊系地層的漏失通道重新被揭開，這也是造成該地區(qū)漏失多發(fā)、難處理、易反復(fù)的原因之一。

圖1 二疊系火成巖段巖心[2]Fig.1 Core of the Permian igneous rock section

漏失還發(fā)生在塔河油田古生界石炭系地層的鹽膏層，其埋深約5170 m，厚度達130 m左右[4]。塔河油田的鹽膏層具有埋藏深、蠕變應(yīng)力大、蠕變速度快、鹽上地層承壓能力低、鹽下地層發(fā)育全(泥盆系、志留系、桑塔木組等地層)、鹽下地層巖性復(fù)雜(發(fā)育砂巖、泥巖、灰?guī)r等地層)、承壓能力差異大、儲層埋藏深、井身結(jié)構(gòu)調(diào)整余地小等特點[5]。鉆井過程中極易發(fā)生井眼縮徑、井壁坍塌，出現(xiàn)起鉆遇阻、下鉆遇卡、漏失嚴重等現(xiàn)象。

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖地層埋深約6000 m，地層溫度達130 ℃[6]。在地質(zhì)歷史上該段地層經(jīng)歷過多次暴露，地表大氣淡水的溶蝕及再膠結(jié)作用，使得次生溶蝕作用形成的孔隙、構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫及非均質(zhì)分布的孔洞遍布該段地層[7]。存在的多套地層應(yīng)力反映到鉆井施工中是較低的地層壓力系數(shù)(1.08～1.10)，鉆井液安全密度窗口極窄。塔河奧陶系地層的客觀地質(zhì)條件早就具備“易漏、難堵”的特點。

(1)塔河奧陶系碳酸鹽巖地層歷史上經(jīng)歷了長期的巖溶地質(zhì)作用，地層裂隙、孔洞發(fā)育，而且以大的孔洞為主。據(jù)2013年的數(shù)據(jù)顯示，已完鉆的108口井中放空漏失的井?dāng)?shù)達40口，占比達37%。

(2)埋深較深，地層溫度高，地層水礦化度高等限制條件，對堵漏材料及施工都有一定的要求。堵漏材料須具備抗高溫抗鹽和抗油氣污染的特性，常用的隨鉆類堵漏材料如核桃殼、棉籽殼都會在此條件下失去強度以致失效。聚合物凝膠類材料也難以處理高溫、高壓環(huán)境下的堵漏問題。傳統(tǒng)化學(xué)固結(jié)類及水泥類堵漏方法也會因為地層中高濃度的鹽類使其固結(jié)時間、固結(jié)強度難以控制而無法有效應(yīng)用。地層孔隙的發(fā)育要求堵漏漿具備良好的滯留特點，這點也同樣限制著水泥類堵漏方法在奧陶系地層的使用。

3 塔河防漏堵漏技術(shù)

提前預(yù)防漏失的發(fā)生，無論從工程施工還是經(jīng)濟成本來看都是處理井漏問題的最好方法，這也是國內(nèi)外防漏技術(shù)得以較快發(fā)展的重要原因之一?，F(xiàn)在應(yīng)用在塔河油田的防漏手段是很有限的，主要有預(yù)測漏失方法、防塌鉆井液技術(shù)，隨鉆堵漏材料技術(shù)以及鉆井施工手段。

作為解決井漏問題的先決條件，確定井漏位置的技術(shù)方法在實際鉆井中是缺乏的。針對塔河奧陶系縫洞型碳酸鹽地層的漏失預(yù)測預(yù)防，馬駿騏等[8]指出基于碎屑巖欠壓實理論的壓力預(yù)測等方法不適用于碳酸鹽巖層系，不能用于碳酸鹽巖層系鉆前井漏預(yù)測。而是應(yīng)該充分利用地質(zhì)學(xué)方法、鉆前預(yù)測的地震方法、測井資料及鄰井資料，結(jié)合地質(zhì)上熟知的構(gòu)造理論知識，利用相似理論模擬出地質(zhì)結(jié)構(gòu)正演模型。通過試驗、分析并結(jié)合鉆井結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三維地震的相干屬型、振幅屬型及波阻抗屬型對縫洞型地層具有很好的針對性，并且結(jié)果的可信度較高。準確判斷漏層位置一定是解決漏失問題的必經(jīng)途徑，也是堵漏研究工作應(yīng)該推進的工作之一。該方法雖對塔河油田超深探井S113做出較為準確的預(yù)測，但較為復(fù)雜不具推廣性使其難以廣泛在塔河油田得到應(yīng)用。

縫洞型儲層段的鉆井施工，傳統(tǒng)觀點認為低固相鉆井液是保護儲層及抑制漏失發(fā)生的首要途徑。李大奇等[9]采用考慮溶洞存在和漏失動態(tài)的有限元模型對塔河油田12區(qū)進行數(shù)值模擬研究。研究表明，井筒有效壓力對縫洞型儲層裂縫寬度影響明顯：在幾兆帕的正壓差下，裂縫寬度增量便可達毫米級；鉆井液漏失改變地層裂縫的形態(tài)，會增大漏失控制的難度；縫洞型儲層的強應(yīng)力敏感性是井漏的重要原因之一?；谶@樣的認識，李大奇等認為想要控制井漏的發(fā)生關(guān)鍵在于鉆井中精細控制井筒壓力，保持井筒壓力微過平衡，并在鉆進儲層段前隨鉆加入毫米級高酸溶性暫堵堵漏材料。

井漏預(yù)測的方法仍然停留在成因分析、現(xiàn)象分析以及鄰井資料等經(jīng)驗性方法，而這些方法都是建立在鉆井工程師的工作經(jīng)驗之上，多數(shù)的判斷是具有猜測性質(zhì)的。而上述研究的開展是讓井漏問題向“可預(yù)測、可判斷、可控制”方向的有效嘗試。

漏失預(yù)防除從漏失機理角度去探索，還可以對待鉆層段進行漏失發(fā)生概率評級?？狄懔Φ萚10]針對漏失通道復(fù)雜性和隨機性的特點，采用層次分析法將控制井漏的各種地質(zhì)因素及鄰井資料等因素層次化，將各影響因素建立易量化的隸屬度函數(shù)，加權(quán)合成后得到井漏發(fā)生的概率評價值?，F(xiàn)場試驗的結(jié)果表明，對地層進行漏失評級的方法可行，有助于防漏預(yù)案的制訂和治漏方法的優(yōu)化。這種方法從概率學(xué)的角度為塔河油田的井漏防治工作提供了一套較為可行的方法，但其最大的限制條件是對地層施工數(shù)據(jù)的積累與分析，在筆者看來該方法應(yīng)該是以大量現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的分析積累之上，才能確保概率計算的準確可靠。隨著現(xiàn)今“大數(shù)據(jù)”以及機器學(xué)習(xí)等熱門技術(shù)的普及，對于這種基于海量數(shù)據(jù)分析的方法也應(yīng)該重新被塔河油田建設(shè)者們考慮。

3.1 二疊系地層

從現(xiàn)在對二疊系地層的漏失機理來看，應(yīng)使用鉀基聚磺防塌鉆井液體系[11]，采用高抑制性鉆井液是為防止井壁水化膨脹、掉塊，增強井壁穩(wěn)定，鉆井液密度盡量控制在設(shè)計下限，同時也要注意在該井段增加潤滑劑的加量。采用近平衡或欠平衡鉆井技術(shù)，排量也盡可能在低排量范圍內(nèi)調(diào)整，以降低環(huán)空循環(huán)壓耗。要嚴格控制起下鉆的速度，長時間靜止后的開泵運行要注意分段循環(huán)。在套管鞋以下，每下10立柱鉆具應(yīng)開泵循環(huán)鉆井液10～15 min，開泵循環(huán)鉆井液時，應(yīng)采用“先轉(zhuǎn)動后開泵”的操作程序，以避免因瞬時“激動”壓力過大而引起井漏；盡可能少加鉆鋌和扶正器，有利于減少井漏的發(fā)生。

塔河油田二疊系地層防漏堵漏的技術(shù)原理是要提高地層承壓能力，一般采用如下3種：橋漿堵漏技術(shù)、擠水泥漿堵漏技術(shù)和兩種方法的復(fù)合堵漏技術(shù)，但都沒有取得很好的現(xiàn)場使用效果。

通過現(xiàn)場的實踐證明，雷特堵漏是應(yīng)對塔河二疊系漏失較為有效的技術(shù)手段，將該井段的堵漏施工成功率提高到100%[12-13]。雷特堵漏劑是片狀橋接堵漏材料，最大直徑分布在3～5 mm。其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗高溫高壓性能，架橋后承壓高達2000 psi(13.78 MPa)以上，與各類鉆井液配伍性良好。雷特堵漏劑對于裂縫型漏失的作用機理分為顆粒架橋、楔入承壓、封門加固3個階段[13]。大量層片狀顆粒在堵漏漿中無序排列，遇地層漏失時很容易以合適的角度楔入地層裂縫中形成架橋，為后續(xù)堵漏材料加固地層奠定了基礎(chǔ)。隨著堵漏材料的不斷堆積，壓差作用下后續(xù)的堵漏顆粒會繼續(xù)楔入到前面堆積的顆粒中，雷特層片狀顆粒會被進一步擠密壓實，從而在井壁周圍形成一層穩(wěn)定的高承壓層。其次，片狀顆粒會覆蓋在漏失井段井壁表面以及泥餅上，進一步降低漏失，提高承壓能力。

3.2 石炭系鹽膏地層

塔河地區(qū)石炭系鹽膏層的防漏堵漏處理方法應(yīng)以鹽上地層承壓堵漏與欠飽和鹽水鉆井液的復(fù)合方式進行。

在進入鹽膏層5 m前要依據(jù)鉆進鹽膏層需要的密度進行先期承壓實驗，鹽膏地層的敏感性要求在進入地層前要對鉆井液進行調(diào)整，控制鉆井液密度，以平衡地層壓力。對鹽上裸眼段地層進行承壓堵漏，是人工修復(fù)疏松地層和不完善的井壁，從而促使井內(nèi)建立高強度的井壁，以保證在鹽層鉆進時的地層可承受較高壓力[14]。分析TK1125、TK1126以及AT16到AT23井的承壓堵漏施工可看出，鹽膏層承壓堵漏應(yīng)分兩個階段，首先使用中、小顆粒、濃度控制在8%～15%的堵漏漿進行先期承壓，以小排量的方式進行擠注工作，確保消除“激動”壓力對堵漏施工的影響，讓小顆粒盡可能得侵入地層的縫隙內(nèi)，為后續(xù)的大顆粒堵漏材料的擠注打好基礎(chǔ)。而后再用濃度為18%～30%的大、中、小顆粒材料組成的堵漏漿，在第二階段要注意軟硬搭配，兼顧彈性堵漏材料的使用，盡量保證堵漏漿在粒徑、形狀、剛性與彈性顆粒的復(fù)配。在首階段堵漏取得一定成效后逐漸將高濃度復(fù)合堵漏漿注入漏層，同樣采用小排量的方式進行擠注，施工過程中保證以比較穩(wěn)定的速率均勻打壓，達到目標壓力后，注意壓力可維持時間，泄壓階段同樣也要保證慢而穩(wěn)，最好采用梯度泄壓的方式進行此項工作，根據(jù)壓力回落的穩(wěn)定程度來判斷地層承壓能力。然后將鉆井液轉(zhuǎn)換為欠飽和鹽水鉆井液，采用欠飽和鹽水鉆井液的目的在于溶解部分鹽巖，擴大井徑、抑制地層蠕變。另一方面要嚴格控制Cl-質(zhì)量濃度，使鹽膏層塑性蠕變速度與溶蝕速度達到一個動態(tài)平衡，控制鹽膏層的溶蝕速度。鹽膏層鉆井液密度控制在1.6～1.65 kg/L比較合適，欠飽和鹽水鉆井液在鉆井過程中Cl-質(zhì)量濃度維持在10×104～17×104mg/L，確保鉆井、測井和下套管作業(yè)的安全。

3.3 奧陶系碳酸鹽巖地層

奧陶系為塔河油田儲層段，地層孔隙通道復(fù)雜，存在放空、失返等嚴重井下事故，而且此段地層對于堵漏技術(shù)的抗溫性、抗鹽性、儲層保護性都有著苛刻的要求。文獻調(diào)研得出處理該段地層漏失的方法主要有交聯(lián)固結(jié)堵漏方法[15-18]，暫堵堵漏技術(shù)[19]以及欠平衡鉆井技術(shù)[20-21]。塔河奧陶系碳酸鹽地層還分布著較為廣泛的出水層，從文獻中提及的堵漏方法中，采用交聯(lián)固結(jié)類堵漏方法較為行之有效。

交聯(lián)固結(jié)類堵漏方法中的水泥堵漏，易于被地層水沖刷而滯留困難并且稀釋后的水泥漿會嚴重影響其固結(jié)強度。聚合物交聯(lián)堵漏方法利用反應(yīng)增稠增加其滯留地層的能力，并且其具有較好的抗鹽性，但限制其在塔河地區(qū)使用的主要是抗溫性能及承壓性能不能很好地滿足現(xiàn)場需要。

針對新疆塔河油田縫洞性漏失，陳曾偉等[15]在塔河油田TH12179CH井采用的化學(xué)交聯(lián)固結(jié)堵漏技術(shù)顯示出對縫洞型高溫、高礦化度水層、高漏失地層的封堵效果。該方法由SF-1與HDL-1兩種試劑組成，SF-l的作用利用高礦化度水中的無機金屬離子發(fā)生交聯(lián)增粘反應(yīng)，從而提高堵漏漿液滯留地層和隔離地層水的能力。SF-1與高礦化度水會產(chǎn)生部分交聯(lián)，形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的半固態(tài)高粘度凝膠塞。高粘彈性膠塞可有效填充到地層的縫洞中，加強地層的完整性，HDL-l則是在此基礎(chǔ)之上進一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化成高強度固體。

TH12179CH井是塔里木盆地阿克庫勒凸起的一口老井側(cè)鉆井，其設(shè)計井深為6232 m，在鉆至6007 m時發(fā)生失返性漏失，井內(nèi)有高礦化度地層水嚴重污染鉆井液，鉆井工作被迫暫停。先期采用橋堵、水泥堵漏，漏失的狀況沒有得到有效控制，分析失敗的原因后，決定采用針對性更好的化學(xué)固結(jié)堵漏技術(shù)。施工結(jié)束靜止24 h后，以13 L/s的排量循環(huán)驗漏，沒有漏失再次發(fā)生，同時泵壓已經(jīng)能夠達到21.5 MPa，該井一次堵漏成功，保證了順利完鉆。

4 結(jié)語

西北油田分公司自對塔河油田的開發(fā)力度加大和對主體鹽區(qū)的快速開發(fā)以來，面臨的技術(shù)難題主要是復(fù)雜構(gòu)造地層的認知不足和防漏堵漏施工周期長等。塔河地區(qū)地層在二疊系層位多套壓力系統(tǒng)并存，地層應(yīng)力集中，地層壓力敏感性較強，通過對文獻的調(diào)研分析，采用雷特堵漏技術(shù)能夠提高地層的承壓能力，有效控制二疊系井段的漏失。石炭系地層的鹽膏層同樣也是鉆井施工難以處理的地層之一，為此而進行的鹽上地層的長裸眼井段承壓堵漏工作又常會引起井漏等施工風(fēng)險。在石炭系鹽膏層鉆井液的密度控制就顯得尤為關(guān)鍵，為保證鹽膏層的順利鉆進，采用設(shè)計下限的密度會降低整個施工中的漏失風(fēng)險。石炭系地層是塔河地區(qū)的儲層地段，地層中溫度、壓力、高礦化度水以及地層中富集的孔洞，都是漏失發(fā)生以及堵漏工作難以開展的客觀原因所在。而一種新型抗高溫、抗鹽污染、能承壓并且具備良好滯留地層能力的化學(xué)交聯(lián)固結(jié)凝膠體系，在現(xiàn)場成功應(yīng)對惡性漏失的案例，也看到了克服奧陶系地層惡性漏失的希望。

對塔河油田井漏防漏堵漏的研究還在進行，但現(xiàn)今的技術(shù)手段仍很難針對性地解決塔河油田的系統(tǒng)性漏失問題?，F(xiàn)有的堵漏技術(shù)中有部分已經(jīng)在抗溫、承壓、抗污染等性能上可以滿足實際生產(chǎn)需要，這是未來解決塔河油田井漏的希望。為了加快塔河油區(qū)的發(fā)展于開發(fā)，建立專業(yè)化、制度化的堵漏技術(shù)規(guī)程是很有必要的。同時在專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，取少數(shù)典型井廣泛開展現(xiàn)場實驗，探索出適合于塔河油田的井漏防治處置技術(shù)施工規(guī)范，以推動塔河油田的快速、高效、可持續(xù)發(fā)展。