鉆井漏失封堵機理研究現(xiàn)狀

何冰月

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163400）

鉆完井液漏失一直是困擾油氣田開發(fā)的世界性難題。在鉆井過程中，鉆完井液會因地層原因或工程因素在壓差作用下進入含有孔隙或裂縫的深部地層，不僅造成鉆完井液損失，更會因為處理井漏損失大量時間，甚至?xí)稹跋嚷┖髧姟眹?yán)重事故，導(dǎo)致井眼報廢、影響人身安全，給鉆井作業(yè)帶來無法估量的損失。防漏堵漏基礎(chǔ)理論研究對防漏堵漏材料研究和工藝技術(shù)進步具有重要指導(dǎo)作用。關(guān)于防漏堵漏理論的研究最早開始于19世紀(jì)20年代，當(dāng)時是“見縫就堵”，但是沒有考慮到漏失地層的復(fù)雜性和封堵材料的不確定性，沒有繼續(xù)研究封堵材料尺寸和漏失通道尺寸的相互關(guān)系，防漏堵漏效果不理想。所以，有必要對目前國內(nèi)外常用防漏堵漏機理進行總結(jié)和分析，對防漏堵漏機理研究和突破具有一定指導(dǎo)意義。

1 井漏原因分析及漏失分類

導(dǎo)致井漏的原因大致可以分為以下幾種情況：①地層中存在著天然裂縫和溶洞等，且連通性好、滲透性高，為鉆完井液漏失提供了天然通道；②鉆井液密度過高，導(dǎo)致鉆井液液柱壓力大于地層破裂壓力，引起地層原始裂縫張開或產(chǎn)生新的裂縫，形成新的漏失通道；③鉆井工程措施不當(dāng)，下鉆速度過快或開泵過猛都會引起井下壓力激動，導(dǎo)致井底壓力大于地層破裂壓力或漏失壓力；④鉆井液中起封堵作用的處理劑粒徑小于地層裂縫尺寸，無法及時有效封堵致漏裂縫，最終引起井漏。

按鉆井液漏失量多少，可以將井漏分為溶洞性漏失、裂縫性漏失和滲透性漏失幾大類。其中，溶洞性漏失是指由地下溶洞、暗河等較大致漏通道引起的一類漏失，鉆完井液只進不出，漏失速度無法控制，常規(guī)堵漏方法無法進行封堵，即使水泥漿也不能有效封堵；裂縫性漏失是指地層中存在較多裂縫和孔隙（包括天然裂縫和人為原因引起的次生裂縫）引起的一類漏失，漏失速度一般小于5m3/h，此類漏失需要停鉆作業(yè)、配制高濃度堵漏漿進行堵漏，可操作性強；滲透性漏失是指在滲透率較高的砂巖地層或礫巖地層發(fā)生的鉆完井液漏失，漏失速度一般小于1m3/h，具有漏失量小、易處理等特點，不需要停鉆堵漏，只需要在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料就能有效封堵[1]。

2 防漏堵漏機理研究現(xiàn)狀

進入21世紀(jì)以來，隨著材料科學(xué)和模擬評價方法研究不斷進步，鉆井液漏失的封堵機理研究也取得了較大發(fā)展。

2.1 剛性封堵理論

剛性封堵理論認(rèn)為，先用較大的剛性材料對漏失通道進行充填和架橋，形成一級封堵，能夠降低漏失量；第一級封堵之后的剩余孔縫再用尺寸小一點的剛性材料進行填充。最終形成剛性較強的致密封堵層，最終達(dá)到降低漏失量的目的。按封堵機理的不同，剛性封堵理論又可分為架橋封堵理論和充填封堵理論。充填封堵理論比較典型的有理想充填理論，又稱為“1/2規(guī)則”，架橋封堵理論比較典型的有“1/3規(guī)則”和“2/3規(guī)則”。

2.1.1 充填封堵理論

充填封堵理論認(rèn)為，不同功能的封堵材料可以在漏失通道內(nèi)逐步架橋和堆積，最終形成的封堵層能夠提高承壓漏失能力，降低漏失層的滲透率。該理論認(rèn)為由不同功能和粒徑組成的封堵材料對漏失通道充填后，當(dāng)形成的封堵層越致密越能最大程度地降低漏失量。這種封堵理論的核心就是要確定不同封堵材料的用量比：首先確定封堵材料的篩分級數(shù)，最后根據(jù)得到的粒徑比值和漏失地層的孔隙度計算出不同封堵材料的用量比，確定封堵材料配方，實現(xiàn)封堵漏失地層。充填理論雖然在當(dāng)時取得了一定的效果，引導(dǎo)了防漏堵漏技術(shù)發(fā)展，但仍有許多問題沒有得到解決。例如，如何控制較大剛性顆粒按一定次序和規(guī)則侵入地層的漏失通道，如何控制最小的剛性材料能夠有效填充次級漏失通道等[2]。

2.1.2 架橋封堵理論

架橋封堵理論最初是由國外研究人員于20世紀(jì)80年代提出來的一種理論。先用剛性材料在漏失通道內(nèi)形成骨架封堵層，再用小一級的剛性材料在剩下的空間中架橋，最大程度提高封堵承壓能力，降低滲透率。在較多架橋封堵理論中被廣泛接受和認(rèn)可的是“1/3規(guī)則”，在確定漏失通道尺寸的情況下，選擇的封堵材料粒徑不能小于漏失通道尺寸的1/3，同時架橋封堵材料的最低濃度不低于5%，這樣形成的封堵層才能具有最大的承壓能力[3]。

國內(nèi)研究人員在“1/3規(guī)則”基礎(chǔ)上，以封堵人造巖芯孔隙尺寸與封堵材料的匹配關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，將封堵材料按粒徑大小劃分區(qū)間，形成了一種新的理論體系。認(rèn)為一級架橋材料的最低尺寸應(yīng)該不低于漏失通道尺寸的2/3，架橋材料的最低濃度不低于3%；二級填充材料的尺寸應(yīng)該在漏失通道尺寸的1/4～1/2之間最合適，且最低濃度不能低于2%，經(jīng)過合理級配之后，才能形成致密的封堵層。還有研究人員認(rèn)為當(dāng)架橋材料粒徑與裂縫寬度“相當(dāng)”，即70%～100%，濃度大于3%，此時橋堵層穩(wěn)定，這些研究成果被統(tǒng)稱為“2/3規(guī)則”。

2.2 柔性封堵理論

柔性封堵理論認(rèn)為，形狀不固定的柔性材料、聚合物等封堵材料，在井底高溫高壓條件下，會通過物理和化學(xué)等變化而發(fā)生諸如膠聯(lián)、膨脹、吸附、凝固等作用，封堵地層漏失通道的理論。以這種封堵理論形成的封堵材料含有吸水樹脂、瀝青類等彈性較好的材料，都是利用軟化材料封堵地層的典型代表。

柔性封堵目的是封堵非均質(zhì)地層中分布廣泛的、剛性材料無法封堵的較小的漏失通道、架橋材料間孔隙，降低漏失層滲透率，增強承壓能力，適用于封堵不需要測定地層漏失通道的漏失地層。但柔性材料也存在明顯的不足，如井底溫度、液柱壓差、漏失通道體積以及有些材料會對儲層造成較大傷害等[4]。

2.3 減壓防漏理論

減壓防漏理論，是指利用低于地層孔隙壓力的液柱壓力實施鉆完修井作業(yè)，減弱漏失驅(qū)動力，防止地層漏失的理論。目前，利用減壓理論實施防漏的作業(yè)方式主要為純氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井、可循環(huán)微泡鉆井、控壓鉆井等。

減壓鉆井理論認(rèn)為，減弱了漏失驅(qū)動力，可以實現(xiàn)防漏的同時，有利于提高機械鉆速、減少儲層傷害。減壓防漏理論具有3個特點：①最早利用氣體、泡沫等流體的自身低密度，有效降低了液柱壓力；②泡沫類、油基等低密度流體具有較好的流變性，通過增加漏失阻力，增強巖屑攜帶能力；③應(yīng)用減壓防漏理論，一般需要使用低密度流體、專用設(shè)備。

2.4 提高地層承壓能力理論

封堵材料在井底形成封堵以后，能否長期發(fā)揮封堵作用的關(guān)鍵在于在后期作業(yè)中能否保持較高的承壓能力。所以在多種封堵理論基礎(chǔ)上，又有研究人員提出了提高地層承壓能力理論，也被稱為預(yù)處理承壓理論。這種理論認(rèn)為在準(zhǔn)確預(yù)測出漏失層位基礎(chǔ)上，對該層位的漏失特點和漏失通道尺寸進行分析，從而確定各封堵材料的尺寸和粒徑級配，最終在漏失層位四周井壁上形成一個壓力隔離帶，提高井壁周向應(yīng)力和井壁微裂縫的重啟壓力，控制漏失。

這種理論認(rèn)為使用鉆井液固相封堵裂縫，隔離裂縫尖端壓力傳遞，可提高裂縫重啟壓力和井壁周向應(yīng)力，穩(wěn)定裂縫。存在裂縫的井壁巖石的抗張強度為零，而使用固相、膠體或凝膠的鉆井液隔離裂縫尖端壓力傳遞，可使裂縫穩(wěn)定。

預(yù)處理承壓理論的特點是預(yù)封堵地層裂縫孔隙，理論基礎(chǔ)是裂縫穩(wěn)定機理，關(guān)鍵是用合理配比的封堵材料提前封堵處理，或采用膠聯(lián)聚合物，隔離尖端的壓力傳遞。

2.5 模糊封堵理論

以上介紹的4種封堵理論，受限于當(dāng)時研究條件，都存在著一定的局限性，但也在一定程度上指導(dǎo)了當(dāng)時鉆井堵漏技術(shù)進步。在進入21世紀(jì)后，隨著井漏問題重視程度提高，各油田和研究機構(gòu)對防漏堵漏機理研究進入新的階段。在這種背景下，誕生了一種全新的封堵理論—模糊封堵理論（絨囊封堵機理）。

研究人員認(rèn)為由于地層具有非均質(zhì)性，無法對漏失通道形態(tài)、尺寸進行準(zhǔn)備預(yù)測，有效封堵漏失通道需要從模糊數(shù)學(xué)角度來認(rèn)識地層漏失通道、封堵材料、封堵方式，所以提出了模糊封堵的概念。這種理論的基礎(chǔ)就是認(rèn)為封堵材料大小、形狀、數(shù)量屬于集合分類；漏失通道大小、形態(tài)可以利用測井等技術(shù)手段進行測量，確定在一定的范圍[5]；漏失量的大小、漏失的種類也具有不確定性；漏失通道也可以是地層中的天然裂縫，也可以是認(rèn)為因素造成的次生裂縫。在諸多不確定因素下，封堵方式和強度也具有不確定性，可以是單一一種方式，也可以是多種方式結(jié)合。封堵后可能是分解、消耗，也可能是支撐漏失壓力。但不能精確區(qū)分在某一漏失通道內(nèi)的封堵方式，也不可能清楚地區(qū)分封堵材料在某一漏失通道的存在方式和作用。

模糊封堵理論的核心是以自然形成的材料封堵天然的地層漏失通道，還要利用地層壓力和地層溫度增強封堵能力。

3 結(jié)論

（1）鉆井漏失是石油勘探開發(fā)過程中較難處理的技術(shù)難題，每年給鉆井行業(yè)帶來無法估量的損失。封堵機理研究對提高防漏堵漏工藝技術(shù)水平具有非常重要的指導(dǎo)作業(yè)，經(jīng)過多年發(fā)展，先后形成了剛性封堵、柔性封堵、減壓防漏等多種封堵理論。這些理論在一定時期都發(fā)揮了較大作業(yè)，也為鉆井防漏堵漏技術(shù)發(fā)展和進步起到了推動作用，但也各種存在著一定缺點，無法適用于所有的鉆井漏失情況。

（2）隨著深井、超深井勘探開發(fā)數(shù)量的增多，以及四川頁巖氣等易漏地區(qū)鉆井作業(yè)增多，防漏堵漏基礎(chǔ)理論研究還需要加大研究。研究的重點應(yīng)該是對漏失地層的特點和方式進行深入分析，從而確定封堵材料優(yōu)選范圍；同時，應(yīng)該研究如何讓封堵材料“進的去、停的住、能解堵”，既要能封堵住漏層，還要能夠不傷害儲層；最后，室內(nèi)防漏堵漏模擬評價方法要充分考慮地層特點和現(xiàn)場施工實際情況，才能為封堵材料優(yōu)選提供準(zhǔn)備的試驗手段。