裂縫性地層堵漏封隔評價技術(shù)研究進展

林四元 張易成 鐘興強 李成 朱江林 羅東輝

摘 ?????要：油田生產(chǎn)開發(fā)中，裂縫性地層不僅會導(dǎo)致嚴(yán)重的泥漿漏失，而且會引發(fā)固井過程中的油、氣、水竄，造成返高不夠，進而導(dǎo)致漏封，引起井下事故。本文著力于此，綜述了國內(nèi)外堵漏封隔評價技術(shù)的發(fā)展動向，用以為裂縫性地層堵漏規(guī)律和配方的先導(dǎo)性研究提供一定的參考和借鑒。

關(guān) ?鍵 ?詞：裂縫;漏封;綜述;堵漏規(guī)律

中圖分類號：TE 925 ??????文獻標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1301-04

Abstract： In oilfield production and development of oilfield， fractured formation will not only lead to serious mud leakage， but also cause oil， gas and water channeling in cementing process， resulting in insufficient return height， which will lead to downhole accidents. In this paper， the development trend of leak plugging and sealing evaluation technology at home and abroad was summarized， which could provide some reference for the study of leak plugging law and formula in fractured formations.

Key words： Fracture; Leakage seal; Summary; Leakage plugging law

縱觀當(dāng)下石油開發(fā)的發(fā)展方向，側(cè)重點也早已逐漸由常規(guī)油藏開發(fā)到對非常規(guī)油藏的開發(fā)，而就鉆井開發(fā)上，也逐漸向低滲透、裂縫性（圖1）油氣藏邁進，目前裂縫性儲層是世界上經(jīng)濟效應(yīng)較為良好的儲層類型之一[1]。然而，由于裂縫性地層所形成的滲流通道會對井底泥漿循環(huán)以及水泥漿固井施工產(chǎn)生不利影響，易造成工作液（鉆井液、修井液、水泥漿）在作業(yè)過程中滲入地層，進而引發(fā)泥漿漏失、地層污染以及井漏等嚴(yán)重事故，而這類事故發(fā)生直接影響著最終油氣井采收率。其中，就井漏問題而言，輕則造成泥漿漏失，生產(chǎn)率降低，重則造成井壁不穩(wěn)定、鉆桿卡死，抑或是導(dǎo)致災(zāi)難性事故（井噴、設(shè)備損毀）的發(fā)生。

為此，在這一背景下，必須要對裂縫性地層有著較為準(zhǔn)確的認(rèn)知，明晰漏失成因、縫寬以及具體的漏失機理。本文就動態(tài)縫寬預(yù)測難點、漏層確定方法、防漏堵漏材料分類以及防漏堵漏評價裝置進行了系統(tǒng)性地歸納綜述。旨在為裂縫性地層堵漏規(guī)律的探究、防漏堵漏材料的選擇提供一定的參考和借鑒。

左：人為裂縫性漏失 ???????????右：天然裂縫性漏失

圖1 ?裂縫性漏失類型

Fig.1 Fracture leakage type

1 ?原因及難點分析

由于受到開發(fā)力度（增產(chǎn)處理、工作液的漏失等）及儲層應(yīng)力因素的干擾，儲層壓力會發(fā)生變化，在這一變壓環(huán)境下，縫寬也會隨井筒液柱壓力作用而不斷變化，正是處于這一實時動態(tài)環(huán)境下，為儲層動態(tài)裂縫的準(zhǔn)確預(yù)測增加了極大難度，余繼平[1]等在這一觀點下也補充認(rèn)為儲層漏失引起的縫寬變化在一定程度上也與裂縫本身的復(fù)雜性有關(guān)，同時也認(rèn)為這也是動態(tài)縫寬預(yù)測的核心要點。目前就儲層動態(tài)裂縫預(yù)測這塊，國內(nèi)外研究均較多，為了更好地了解國內(nèi)外動態(tài)裂縫寬度預(yù)測方法的發(fā)展情況，這也凸顯了進行防漏堵漏模擬試驗的重要性，為此，常常需要在模擬評價裝置精確性、堵漏材料選擇等方面入手，通過室內(nèi)開展準(zhǔn)確有效的堵漏模擬評價實驗，對堵漏材料進行合理地優(yōu)選等工作，對于鉆井工作的順利進行、安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

2 ?裂縫性漏失漏層位置確定方法

針對裂縫性地層漏層位置確定問題上，國內(nèi)多采用經(jīng)驗法，依據(jù)量化的實驗結(jié)果來總結(jié)規(guī)律，進而判斷大致漏層點，故而準(zhǔn)確性過低，缺乏說服力;國外常采用放射性測試儀、井溫測試儀等設(shè)備進行測定，結(jié)果準(zhǔn)確兼具科學(xué)性，但缺點也較為明顯，成本過高導(dǎo)致推廣困難。

2.1 ?觀察法

觀察法通過觀察鉆進、鉆屑以及鉆井液的變化情況進而判斷地層裂縫分布情況。當(dāng)鉆進過程中扭矩、鉆壓等參數(shù)發(fā)生變化時，間接反饋出地層下可能出現(xiàn)孔縫或空洞。

此外，上返巖屑的巖性及粒徑大小也能在一定程度上確定地下裂縫、孔洞的發(fā)育情況;而泥漿方面則能通過密度、黏度等參數(shù)進行及時的防漏預(yù)測。

2.2 ?環(huán)空摩阻法

由于鉆井過程中泥漿的漏失會引起環(huán)空摩阻降低，同時，立管壓力也會隨之發(fā)生改變，而這一變化的程度則能在一定程度上反映漏失點及漏失量的大小，通過結(jié)合泥漿進出口流量，同時結(jié)合環(huán)空摩阻公式可計算出具體的漏失點位。

2.3 ?轉(zhuǎn)子流量計法

采用一個小型鉆子流量計所接單根電纜插入井內(nèi)，測量井內(nèi)流體隨深度的變化，流量的激增點則為漏失位置。

2.4 ?井溫測量法

通過利用泥漿在井下形成的地溫梯度變化情況來判定具體的漏失位置，由于漏失點所反饋的地溫梯度曲線會呈現(xiàn)出較為明顯的差異性，故而常以此確定準(zhǔn)確的漏失點。

2.5 ?動液壓法

利用正循環(huán)注入過程中所測泥漿流量和漏失量同反循環(huán)洗井過程中泥漿變化量進行對比，再通過相關(guān)公式計算井漏位置。

2.6 ?傳感器測量法

利用傳感器在井內(nèi)緩慢移動時有無液體通過從而向地面?zhèn)鬏斝盘栆耘卸ㄊ欠裉幱诼┦恢?，為漏失點判定提供準(zhǔn)確參考。

2.7 ?熱電阻法

熱電阻法多采用電阻式溫度計，遵從溫度會使得任何導(dǎo)體的電阻發(fā)生改變這一基本原理。同傳感器測量法類似，若漏失點位于所下入的電阻測量儀的下方，工作液的漏失達志電極處，則會向地面?zhèn)鬏斝盘栆源伺卸游恢谩?/p>

2.8 ?放射性示蹤法

利用添加至泥漿中的失蹤劑來測定漏失前后的泥漿循環(huán)周期，以此計算兩個周期的時間差，同時配合泥漿進出口流量來求得具體的漏失點。

3 ?防漏堵漏材料選擇

堵漏材料的選擇是鉆完井過程中不可或缺的一項環(huán)節(jié)，堵漏材料性能的好壞直接影響著最終裂縫性地層的封固質(zhì)量。

（1）惰性纖維材料

惰性纖維材料的加入會在漏失地層中孔隙或裂縫處形成一種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的存在能在一定程度上減少固井過程中水泥漿的漏失。李玉杰[2]等采用纖維增韌水泥漿體系，在滿足工況要求的基礎(chǔ)上，在海32油層套管固井時，起到了較好的防漏堵漏效果，通過測井聲幅解釋，優(yōu)質(zhì)率均達到了100%。

（2）低密度填充材料

包含漂珠、空心玻璃珠、輕質(zhì)填料、泡沫低密度水泥等用以解決低壓易漏層的固井質(zhì)量問題。王楚峰[3]等開發(fā)了密度為1.1～1.2 g/cm3超低密度泡沫水泥漿體系，通過配合暫堵型前置液體系的使用，對沁水盆地南部的四口井進行了現(xiàn)場封堵試驗，固井合格率100%，優(yōu)質(zhì)率在97%以上。張華[4]等，采用進口3M玻璃微珠、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、高溫增強材料DRB-2S、高溫抗鹽外加劑、膨脹增韌材料DRE-300S等材料開發(fā)出一種低密度高強高韌防竄水泥漿體系用以應(yīng)對西南油氣田鹽膏層超深井五探1井的嚴(yán)重漏失情況，通過進行漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及對動態(tài)當(dāng)量密度的控制，有效解決了固井施工漏失情況，固井優(yōu)良，優(yōu)質(zhì)率99.8%。

（3）彈性材料

彈性材料可隨著井下壓力變化而擴張和收縮，從而滯留于裂縫中形成封堵，主要用于低滲、細(xì)小孔道，可有效降低孔隙壓力傳播。閆睿昶[5]等通過于低密度水泥漿體系中加入彈性防漏堵漏材料應(yīng)以對巴48-31井的實際漏失情況，現(xiàn)場結(jié)果表明，該體系能有效滿足產(chǎn)層壓力系數(shù)在0.3～0.4間低溫易漏層的固井要求，聲幅測井結(jié)果表明封固質(zhì)量優(yōu)異。

（4）聚合物凝膠材料

該材料不受漏失通道的制約，可通過擠壓形變進入裂縫中，具備較高的粘滯力及剪切稀釋力，或通過形成隔離凝膠段塞進行地層隔斷封堵。王廣財[6]等自主開發(fā)了一種凝膠復(fù)合防漏堵漏技術(shù)，該凝膠防漏體系可泵性良好，具有優(yōu)良的抗溫承壓能力，動、靜態(tài)下均可在1～3 mm的縫寬中形成有效封堵，減少漏失量94.5%。董強偉[7]等在橋堵失敗基礎(chǔ)上，配制配方：25 m3水+5%膨潤土+10%懸浮劑+12%成膠劑+10%堵漏劑+2%交聯(lián)劑+5%增強劑的化學(xué)凝膠堵漏配方體系。通過以橋堵漿為前置液，配合對凝膠的滯留效果，成功對工區(qū)JPH-377井漏失情況進行了修復(fù)。Vikrant Wagle[8]等研制了一種新型納米防漏堵漏凝膠材料，通過選取特定的引發(fā)劑能有效控制膠凝封堵體系遞送至目標(biāo)區(qū)域，從而進行特定層段封堵。

（5）復(fù)合型防漏堵漏材料

在上述封堵材料基礎(chǔ)上進行復(fù)合使用，例如以石英砂和瀝青作為體系原材料，其功能主要是可以進行橋漿堵漏架橋和形變充填，該法具有穩(wěn)定性好、耐溫性高，彈性好等特點。或有機復(fù)合凝膠材料、活性有機增韌 劑和活性無機膨脹增強劑。三種特殊材料的相互配合，可以精確的在漏層吸水膨脹，形成特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]。

3 ?防漏堵漏性能評價裝置

3.1 ?第一代堵漏評價儀

由漏斗、縫隙板、球閥、活塞及壓力源所組成的初代美國API靜態(tài)堵漏實驗裝置（圖2）結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，可模擬評價不同壓力條件下防漏堵漏材料的封堵能力，主要針對不同縫寬和地層條件對堵漏實驗效果的影響[10]。

該裝置主要是模擬固定裂縫寬度和大小來評價不同體系的堵漏能力。但該裝置有著本質(zhì)上的缺陷，無法進行動態(tài)實時模擬，縫寬預(yù)測尺寸同實際尺寸存在出入。同時，該法無法進行承壓試驗，嚴(yán)重影響了漏失動態(tài)模擬和堵漏材料的準(zhǔn)確評價，導(dǎo)致室內(nèi)評價結(jié)果和現(xiàn)場堵漏效果的不一致性。

劉海軒[11]等在上述常規(guī)API堵漏實驗裝置基礎(chǔ)上加裝夾持器、花板網(wǎng)格和填充物，其中填充物選取1～5 mm鋼珠或石英砂，同時還加以加壓閥桿和回壓閥桿以及氣源和升溫裝置。可快速監(jiān)測不同地溫條件下各種鉆井液或堵漏漿或堵漏劑的封堵能力、封堵效果、模擬地層承壓能力和破裂壓力。

蘭林[12]等所研制的動態(tài)縫寬堵漏儀的模擬縫寬可以實現(xiàn)動態(tài)化調(diào)整，即縫寬可調(diào)，通過聯(lián)動部件的推動和下放來調(diào)節(jié)縫寬調(diào)整板之間的縫隙大小以模擬不同的裂縫尺度，該動態(tài)縫寬堵漏儀還可以實現(xiàn)特定的縫寬模擬，且實驗操作靈活、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

楊寬才[13]等針對現(xiàn)有堵漏試驗儀普遍存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣以及復(fù)述性較差等問題，自主研發(fā)出一種新型MP-DL中壓堵漏試驗儀。該裝置能模擬1～4 mm條縫型或孔洞型漏失地層，縫板實際漏失面積為0.35～2.79 cm3，孔隙率1.8%～14.2%。

3.2 ?二代堵漏評價儀

二代堵漏評測儀在初代基礎(chǔ)上，進一步考慮了裂縫面的形態(tài)、粗糙度等漏失通道特征。

N.Kaageson-Loe[14]等概述了一種包含容納模塊柱形容器、四個接收流體的高壓容器以及一臺裝載有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高壓裂縫堵漏評價裝置。其縫寬波動小，各項壓力皆可獨立控制及測量，實驗具備一定的重復(fù)性。

賀云超[15]等研制了一種模擬高溫高壓環(huán)境的可視堵漏儀，該設(shè)備在不需要人工干涉的情況下能自動實現(xiàn)恒壓、增減氣體壓力，不僅提高了壓力調(diào)節(jié)的精確性、穩(wěn)定性以及實時性，且能有效節(jié)約人工成本。

李大奇[16]介紹了一種高溫高壓鉆井液漏失動態(tài)評測儀，該設(shè)備試驗溫度最高可達200 ℃，承壓區(qū)間為0～20 MPa，縫寬規(guī)格為1～10 mm。測定準(zhǔn)確度高。

褚奇[17]等研制了一種用以評價水平井堵漏效果的防漏堵漏評測儀，該裝置由水平缸體、模擬鉆具、鉆具位移驅(qū)動泵、盛液罐、循環(huán)泵以及漏液接收器組成，評測表明其可有效模擬地層變溫環(huán)境，縫寬可調(diào)，可根據(jù)模擬漏失情況從而對堵漏配方進行調(diào)整，具體實驗裝置如圖3所示。

4 ?結(jié) 論

通過系統(tǒng)且針對性地對堵漏評價進行調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，目前絕大多數(shù)的室內(nèi)堵漏評價儀所選定的往往是固定的參數(shù)指標(biāo)，但實際地層鉆完井是一個動態(tài)變化過程，故而這類設(shè)備無法對實際堵漏情況進行準(zhǔn)確的判斷，進而直接影響堵漏材料的合理選擇。現(xiàn)存問題主要集中在以下幾點：

（1）著力于研制能有效模擬動態(tài)堵漏過程的評價裝置。

（2）提升設(shè)備的裂縫開度規(guī)格，涵蓋對微米和毫米級縫寬試驗。

（3）提升更寬泛的溫度和壓力適用空間。

參考文獻：

[1]佘繼平， 張浩， 洪成云， 等. 鉆完井過程中儲層動態(tài)裂縫寬度研究進展[J]. 鉆采工藝， 2012， 35（6）：18.

[2]李玉杰. 纖維防漏堵漏水泥漿技術(shù)研究[D]. 大慶石油學(xué)院， 2008.

[3]王楚峰， 王瑞和， 楊煥強， 等. 煤層氣泡沫水泥漿固井工藝技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探， 2016， 44（2）：116-120.

[4]張華， 丁志偉， 肖振華， 等. 窄密度窗口及小間隙超深井尾管固井技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液， 2018， 35（4）.

[5]閆睿昶， 李長榮， 郭志強， 等. 巴48-31井防漏堵漏水泥漿固井技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液， 2005， 22（3）：77-78.

[6]王廣財，雍富華，朱夫立，王品德，劉禧元，張振宇，許軍.致密油藏長段水平井防漏堵漏技術(shù)[J].油田化學(xué)，2018（04）：587-591.

[7]董強偉. 東勝氣田JPH-377井化學(xué)凝膠防漏堵漏過程及分析[J]. 化工管理， 2018， No.488（17）：252.

[8]Vikrant Wagle， Rajendra Kalgaonkar et al. Nanoparticle-based chemical treatment for preventing loss circulation[R]. the SPE Kingdom of Saudi Arabia Annual Technical Symposium and Exhibition held in Dammam， Saudi Arabia， 23–26 April 2018.

[9]楊建， 熊瀟. 涪陵頁巖氣藏防漏堵漏技術(shù)研究[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2018（24）.

[10]徐同臺，劉玉杰，申威，等. 鉆井工程防漏堵漏技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，1997.

[11]劉海軒， 劉峰偉， 王大偉，等. 一種地層漏失模擬裝置：CN ， 204782996U[P]. 2011-04-13.

[12]蘭林，戚斌，夏海英，等.一種可調(diào)縫寬堵漏儀：CN， 106526076A [P].2017-03-22.

[13]楊寬才，王興樂，梁麗，孔二偉，李大鵬，蔡記華.基于新型中壓堵漏試驗儀的堵漏試驗研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017，44（02）：49-52.

[14]N.Kaageson-Loe N M，et al. Particulate-Based Loss-Prevention Material- The Secrets of Fracture Sealing Revealed[J]. SPE112595，presented at SPE drilling & completion，2009，24（04）：581-589.

[15] 賀云超， 韓天夫， 趙建剛， 楊銳， 李偉， 程婧格. 高溫高壓可視堵漏儀的研制[J]. 地質(zhì)裝備， 2017， 18 （01）： 24-26.

[16]李大奇. 裂縫性地層鉆井液漏失動力學(xué)研究[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2012：45-142.

[17] 褚奇， 楊帆， 孔勇， 石秉忠， 等. 一種用于評價水平井堵漏效果的實驗裝置： ?CN207499866U[P]. 2018.06.15