川南頁巖氣鉆井井漏特征及堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用

萬夫磊 王培鋼 范生林

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院；2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心）

川渝地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲量豐富，“十三五”以來，各區(qū)域勘探開發(fā)力度不斷增大，頁巖氣鉆井技術(shù)取得跨越式發(fā)展，以威遠、長寧等為代表的川南頁巖氣示范區(qū)塊成為川渝主力產(chǎn)區(qū)。由于區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，裂縫溶洞異常發(fā)育等原因，實鉆過程中井漏復(fù)雜頻繁，嚴重制約了鉆井施工提速提效。開展堵漏總結(jié)分析，優(yōu)化井漏防治措施，探索高效堵漏工藝技術(shù)，減少漏失損失，對保障川南地區(qū)頁巖氣高效開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義。

川南頁巖氣鉆井作業(yè)區(qū)主要分布在威遠、長寧、瀘州等地，地表出露層位于侏羅系涼高山組—三疊系須家河組，屬于典型的喀斯特地貌。根據(jù)音頻大地電磁法巖溶勘查結(jié)果，裂縫溶洞分布范圍廣，在須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、茅口組均有分布。在鉆井施工過程中，受縫洞發(fā)育影響，常鉆遇惡性井漏，漏失層從地表至目的層均有分布，加之鉆探區(qū)域存在地下暗河并與飲用水源連通，開發(fā)環(huán)境極其敏感，防漏治漏作業(yè)困難，極易發(fā)生環(huán)境污染事故[1-4]。堵漏一次成功率低，反復(fù)堵漏過程中容易產(chǎn)生環(huán)保事故，其中已鉆井平均井漏處理時間為243h。部分井區(qū)漏失裂縫與地表竄通，且存在推覆體和流沙層[5-6]。

中部井段主要漏失層為飛仙關(guān)組、茅口組和棲霞組。其中茅口組、棲霞組屬碳酸鹽巖地層，多發(fā)育斷層或縱向裂縫。失返性漏失占比高，漏失量大，堵漏效率低。部分層段存在高壓氣層或煤層，致使中部井段易出現(xiàn)漏塌同存、溢漏同存等矛盾性復(fù)雜情況。

下部頁巖段層理發(fā)育、褶皺斷層多，并存高角度裂縫，易發(fā)生惡性漏失。鉆進過程中氣測顯示頻繁，加之微裂縫擴展壓力限制，鉆井液安全密度窗口窄，井底壓力控制要求高，井控和防漏矛盾突出。

川南頁巖氣區(qū)塊整體地質(zhì)條件復(fù)雜，縱向上各層段均有裂縫溶洞發(fā)育，橫向上裂縫間連通性良好，裂縫開啟壓力低，整體漏失情況復(fù)雜（圖1、圖2）。漏失類型多以裂縫性漏失為主，具有漏失量大、堵漏成功率低、漏失處理周期長的特點，漏失過程并存氣侵、垮塌等風(fēng)險，井控難度大[7-11]。

圖1 川南頁巖氣區(qū)塊各層段漏失量及占比（不含強鉆漏失清水）

圖2 川南頁巖氣區(qū)塊各層段漏失損失時間及占比

1 頁巖氣鉆井井漏特征分析

川南頁巖氣區(qū)塊井漏發(fā)生頻率高，漏失層位多，從地表至目的層龍馬溪組均有漏失層，縱向上呈現(xiàn)明顯的“三段式”特征。

淺表漏失層以雷口坡組、嘉陵江組為主，漏失通道多為水蝕風(fēng)化作用形成的溶蝕縫洞，大小不均且分布無規(guī)律，既有放空性的大裂縫、大溶洞，又有漏水不漏砂的微裂縫，整體漏失量大，漏失過程常伴有地層垮塌、出水等復(fù)雜，處理難度大，損失時間長。使用水泥

2 頁巖氣分段井漏防治技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 表層井漏防治技術(shù)

如圖3所示，鉆井過程中，為保證淺表地層水不受污染，多采用清水強鉆、空氣/霧化鉆井工藝措施和水泥、商砼、多相混輸堵漏技術(shù)。使用清水強鉆、空氣/霧化鉆井方式可快速鉆穿雷口坡組、嘉陵江組等縫洞發(fā)育地層，井漏損失時間大幅降低，但會消耗大量清水，長寧地區(qū)2020年上半年表層鉆井損失累計時間僅為25h，漏失清水量則高達23931.4m3。鉆遇推覆體和流沙層時，井漏往往伴有垮塌、地層出水等復(fù)雜，無法使用空氣鉆井等技術(shù)，治理難度極大，尚未得到很好解決。

圖3 表層井漏防治施工流程

2.2 中部井段井漏防治技術(shù)

中部井段主要采用隨鉆、橋堵、水泥堵漏和清水強鉆工藝。具體施工流程見圖4，通過優(yōu)化堵漏方案（隨鉆、橋堵、水泥堵漏），縮短治漏時間，提高堵漏工序及組合規(guī)范性。在鉆遇龍?zhí)督M垮塌層時，強化鉆井液性能后降密度鉆進，鉆穿后采用水泥封固措施至中途完鉆井深；針對茅口組漏塌同存問題，采用蓋帽鉆井液+清水強鉆，上部使用鉆井液蓋帽防塌，下部清水強鉆。針對瀘州等地二疊系含高壓氣層，發(fā)生井漏后可能誘導(dǎo)溢流的問題，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，將技術(shù)套管下入層位從石牛欄組頂部優(yōu)化至棲霞組頂，優(yōu)化后未出現(xiàn)漏噴轉(zhuǎn)換情況。采用上述措施取得了較好的井漏防治效果，2020年平均單井損失時間較2019年減少62%。

圖4 中部井段井漏防治施工流程

2.3 下部井段井漏防治技術(shù)

下部井段井漏防治技術(shù)路線主要采用隨鉆、橋堵和水泥堵漏方式（圖5）。針對滲透性漏失，采用隨鉆堵漏，成功率逐年提高，達到70.8%；針對大型縫洞漏失，采用水泥堵漏，成功率為61.4%；針對失返性漏失，采用橋塞堵漏，成功率為56.7%。但是，韓家店組—石牛欄組存在低壓漏失層，部分井存在高角度裂縫，提承壓難度大；龍馬溪組安全密度窗口窄，溢漏、漏塌矛盾突出，井漏回吐現(xiàn)象突出，井控風(fēng)險大。下部井段仍存在承壓堵漏無效、龍馬溪組溢漏同存的難題。N209H33-4井在韓家店組鉆遇高角度裂縫，地層承壓能力不足1.05g/cm3，目標承壓1.80～2.00g/cm3，進行15次專項承壓堵漏作業(yè)，承壓能力只提高到1.20～1.25g/cm3，后采用膨脹管封隔未成功，被迫側(cè)鉆。

圖5 下部井段井漏防治施工流程

3 主要堵漏技術(shù)與應(yīng)用效果

3.1 橋塞堵漏技術(shù)

近年來，開發(fā)了以FDJ系列復(fù)合堵漏劑、WNDK系列剛性顆粒堵漏劑、ZR-31隨鉆堵漏劑復(fù)配形成一體化成熟防漏堵漏工藝技術(shù)，施工工藝簡便，適用于大部分孔隙型、裂縫型及縫洞型漏失，在川南地區(qū)被廣范應(yīng)用。

FDJ系列復(fù)合橋塞堵漏劑具有配制簡單、施工簡便、適用范圍廣、見效快的特點，但也存在一些不足。如對漏失層認識不清楚時，易出現(xiàn)“封門”問題，導(dǎo)致堵漏效果不佳；在高密度條件下，材料存在上浮問題，可能導(dǎo)致水眼堵塞；經(jīng)過高溫、長期浸泡后，材料強度降低。

為了解決FDJ系列材料在高溫、浸泡后堵漏效果變差的問題，研發(fā)了WNDK系列剛性顆粒堵漏劑，與FDJ復(fù)合堵漏劑復(fù)配使用，增加了堵漏劑耐溫能力，提高堵漏強度，尤其適用于承壓堵漏。WNDK特點是剛性礦物顆粒強度高，不受溫度、水浸泡影響，配制簡單，施工簡便；但由于尺寸較大的顆粒懸浮穩(wěn)定性差，易沉降，對漏失層認識不足時，易出現(xiàn)“封門”問題。

此外，還開發(fā)了ZR-31隨鉆堵漏劑，主要成分為礦物、植物粉末和植物纖維，尺寸小，用于隨鉆封堵微裂縫、孔隙，解決滲透性漏失，與WNDK復(fù)配使用時，可提高剛性顆粒懸浮能力；引入NTBase復(fù)合堵漏劑、LCM片狀堵漏材料，可防止核桃殼上浮堵水眼，增加剛性顆粒懸浮性，提高堵漏效果。

由于漏失層的復(fù)雜性及認識不足，導(dǎo)致材料對其適應(yīng)性較差，橋塞堵漏技術(shù)現(xiàn)場實施效果不佳。如圖6所示，2020年1—9月的入井堵漏試驗中，橋塞堵漏成功率僅為48.5%，此外，部分井漏施工中存在低密度堵漏材料上浮導(dǎo)致堵水眼的問題，需要對橋塞堵漏劑進一步優(yōu)化。

圖6 2020年各堵漏技術(shù)堵漏成功率對比

3.2 水泥堵漏技術(shù)

針對失返性漏失、破碎帶、大裂縫、溶洞漏失等，采用水泥堵漏技術(shù)，通過優(yōu)化水泥漿，添加纖維，形成纖維水泥漿，提高水泥漿在漏失層駐留能力，提高水泥石韌性，效果較好。水泥堵漏強度高，適用范圍廣，在川南地區(qū)應(yīng)用平均堵漏成功率為64.3%，較橋塞堵漏成功率高。其中，N區(qū)塊注水泥堵漏應(yīng)用次數(shù)最多，在裂縫性漏失、溶洞性漏失分別使用注水泥堵漏27次、42次，一次堵漏成功率分別達66.7%、59.5%。

注水泥堵漏需專業(yè)設(shè)備支撐，存在施工周期長、安全風(fēng)險大的問題。NH11-3井鉆進至井深514.89m出口失返，反復(fù)注水泥漿堵漏、候凝、鉆塞，用清水強鉆至542.48m，使用橋塞堵漏漿堵漏3次、注水泥堵漏13次（快干水泥6次）、注智能凝膠堵漏1次，均未堵漏成功，水泥封井暫堵，耗費周期64d。

3.3 多相混輸堵漏工藝技術(shù)

針對頁巖氣區(qū)塊表層大裂縫、溶洞型井漏，研究并試驗多相混輸堵漏工藝技術(shù)。該工藝技術(shù)在水泥漿中加入大尺寸多相介質(zhì)堵漏劑，應(yīng)用礫石凝膠體配制、泵送設(shè)備，將高密度、高稠度、剛性凝膠工作液（能懸浮10～40mm的剛性材料）通過大排量柱塞泵送至漏失層，實現(xiàn)大直徑剛性堵漏材料以流體的形式進入漏失層，技術(shù)原理如圖7所示。研制的多相混輸堵漏設(shè)備可自主完成配漿、泵送等工作，實現(xiàn)了人員遠程控制、讀秒精確供水、自動上料、井口轉(zhuǎn)換連接等一系列智能便捷的操作模式。

圖7 多相混輸堵漏工藝技術(shù)原理示意圖

N216H3-1井鉆至14.36m發(fā)生井漏失返，強鉆至22.81m，現(xiàn)場拍攝漏失層照片，顯示為縫洞，其尺寸超過10cm；由于漏失嚴重，現(xiàn)場供水困難，采用基于多相混輸設(shè)備的三元剛性凝膠堵漏技術(shù)，向井筒內(nèi)泵入15.1m3堵漏漿，堵漏漿返至距井口2.5m，候凝12h后鉆塞，鉆塞期間無漏失，成功封堵淺層縫洞漏失層。

3.4 遇水快速凝固堵漏技術(shù)

為解決大裂縫含水漏失層堵漏難題，研制了遇水膨脹堵漏劑（CQ-DCPU）和密閉輸送工具，遇水膨脹率為60%～230%，膠凝時間為10～4200s可控，堵漏劑遇水發(fā)生反應(yīng)，快速膨脹，同時中間產(chǎn)物發(fā)生交聯(lián)，形成彈性固結(jié)體，占據(jù)漏失通道，成為大裂縫含水漏失層快速封堵的新手段。

在N217H井直改平井進行現(xiàn)場試驗，側(cè)鉆點至石牛欄組底部地層，鉆井液當(dāng)量密度僅為1.25～1.40g/cm3，遠遠低于鉆開龍馬溪組需滿足密度1.80g/cm3的承壓要求，前期采取水泥漿、橋漿、HHH型堵漏材料等進行多次承壓堵漏，地層承壓僅提高至1.54g/cm3。通過膨脹凝固堵漏劑+橋漿堵漏工藝，在2670.08m堵漏一次成功，承壓能力由1.56g/cm3提高至1.80g/cm3，承壓能力提高6.3MPa。

3.5 油基鉆井液堵漏技術(shù)

3.5.1 LCM堵漏技術(shù)

LCM堵漏劑呈片狀，具有微膨脹性，在油基鉆井液中不上浮、不沉降，分散均勻；同時，LCM堵漏劑在高密度鉆井液中的固相容量上限高，對流變性影響小，抗溫能力好，強度高，形成堵塞后不易復(fù)漏，克服了傳統(tǒng)水基堵漏劑在油基鉆井液中分散性差、不膨脹的缺點，有效提高了油基鉆井液的堵漏成功率。該技術(shù)已在長寧、昭通、威遠頁巖氣區(qū)塊成功應(yīng)用上百口井，堵漏成功率達66%，油基堵漏技術(shù)實現(xiàn)從無到有的突破。

3.5.2 吸油膨脹膠結(jié)堵漏技術(shù)

基于樹脂類聚合物吸油膨脹特性，研發(fā)出吸油膨脹膠結(jié)劑+親油性堵漏材料的吸油膨脹膠結(jié)堵漏劑WNPDL-Ⅲ，140℃情況下膨脹率可達62%（圖8），承壓能力大于5MPa。在Z201H2-2等井應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用一次堵漏成功率達62.8%。同時該技術(shù)可集成LCM堵漏技術(shù)使用，以提高LCM堵漏技術(shù)的適用范圍和應(yīng)用效果。

圖8 3種吸油膨脹膠結(jié)堵漏劑不同溫度下膨脹率對比

3.6 綜合防漏治漏方案

基于現(xiàn)場實踐經(jīng)驗積累，結(jié)合室內(nèi)研發(fā)攻關(guān)及新技術(shù)工藝引進，集成上述堵漏技術(shù)成果，形成了復(fù)合橋塞堵漏、橋塞+高濾失堵漏、橋塞+水泥漿堵漏、凝膠+水泥漿堵漏等綜合堵漏工藝技術(shù)，實現(xiàn)從單項堵漏技術(shù)應(yīng)用到單項技術(shù)集成應(yīng)用轉(zhuǎn)型，有效提高了堵漏成功率，基本滿足了天然裂縫、誘導(dǎo)裂縫、采空區(qū)、漏水同層、噴漏同層、多壓力系統(tǒng)共存等復(fù)雜井漏防治的需要。

4 存在的問題

通過技術(shù)攻關(guān)，川渝地區(qū)防漏治漏取得一定成果，大部分井漏能夠獲得有效控制，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)難題有待攻克，部分復(fù)雜井存在漏失治理難度大、時間長的問題，影響了鉆井施工的順利進行。

（1）環(huán)境敏感，表層堵漏手段受限，無快速有效的處理方法。在長寧區(qū)塊，某些井表層鉆遇溶洞、裂縫+推覆體、流沙層地層，出現(xiàn)出水、井漏、垮塌，地下暗河與地表河道連通性好，考慮環(huán)境保護，清水強鉆、空氣鉆井、膨潤土漿鉆井均無法實施，防漏治漏工藝有限，處理周期長，仍無有效的快速處理方法。

（2）地層從上至下均存在漏失層，漏失層位置及特征判斷難度大。井漏發(fā)生后，缺乏對漏失層的整體認知，尤其針對長裸眼多壓力層段，堵漏措施針對性不強，堵漏效果差。目前僅能實施環(huán)空液面監(jiān)測，其他漏失層性質(zhì)均靠經(jīng)驗判斷，難以滿足現(xiàn)場高效堵漏需求，堵漏方法選擇、鉆具下深、堵漏漿配制、施工壓力等工藝參數(shù)無法準確確定，導(dǎo)致現(xiàn)場堵漏施工存在一定的盲目性和不可預(yù)見性。

（3）頁巖層壓裂誘導(dǎo)性井漏治理難度大。高壓含氣層與龍馬溪組同裸眼，龍馬溪組發(fā)生井漏并有反吐現(xiàn)象，屬典型的壓裂誘導(dǎo)性漏失，控壓鉆井不足以降低鉆井液密度，井漏及井控難度大、風(fēng)險大。同時防漏堵漏材料種類少，針對惡性井漏的承壓、吸油膨脹及油凝膠類段塞材料的現(xiàn)場應(yīng)用尚不成熟，堵漏效果有待提升。

（4）缺少對地層承壓能力評估的有效模型或方法，長裸眼、薄弱地層提承壓難度大。部分區(qū)塊韓家店組—石牛欄組存在高角度裂縫，堵漏過程中存在堵不牢、揭開新地層又發(fā)生井漏、承壓能力低、易復(fù)漏等問題，尚無有效的承壓堵漏方法。

（5）堵漏漿量化評價不足。目前，所有堵漏劑在漏失層適應(yīng)性和承壓能力方面均有量化評價數(shù)據(jù)，但對不同類型、尺寸和加量的堵漏材料配制的復(fù)合堵漏漿缺乏綜合量化評價。例如：不同復(fù)合堵漏漿對漏失層的適應(yīng)性和承壓能力缺少數(shù)據(jù)支撐；由于鉆具組合日趨復(fù)雜，缺乏復(fù)合堵漏漿的鉆具通過性評價等。

5 結(jié)論與建議

川南地區(qū)整體漏失類型以裂縫性漏失為主，上部地層溶蝕縫洞發(fā)育良好，環(huán)保要求高；中下部井段地層易塌，微裂縫應(yīng)力敏感性強，鉆井液安全密度窗口窄，堵漏施工難度大。通過開展井漏特征分析，明確不同層段漏失特點，針對性進行防漏治漏技術(shù)攻關(guān)。針對淺層漏失，使用清水強鉆或空氣/霧化鉆井工藝，快速鉆穿淺表漏失層，在大幅減少損失時間的同時極大減小了對當(dāng)?shù)販\表水源的污染。針對中深部地層，研究形成綜合防漏治漏工藝，集成LCM、吸油膨脹膠結(jié)、多相混輸堵漏工藝等多項堵漏技術(shù)，實現(xiàn)大尺寸縫洞的快速封堵，堵漏成功率高。

本文針對川南地區(qū)漏失復(fù)雜情況開展室內(nèi)研究及現(xiàn)場試驗，提出并試驗了適用于川南地區(qū)地層情況的綜合堵漏工藝技術(shù)，頁巖氣鉆井百米漏失鉆井液量由15.8m3降至9.05m3，百米損失時間降幅達71.6%，整體堵漏成功率提高至56%，防漏治漏成效顯著。為進一步提高川南頁巖氣鉆井開發(fā)效率，降低復(fù)雜時效，針對部分井仍存在表層漏失處理工藝受限、井漏治理時間長、缺乏精確的漏層診斷技術(shù)等問題，建議繼續(xù)開展以下防漏治漏技術(shù)措施及配套工藝研究。

井漏發(fā)生后，缺少對漏失層壓力、漏失層位置、漏失層流體、漏失通道尺寸的測量評估手段，堵漏措施針對性不高，可進一步優(yōu)化研究，提高漏失層認識，針對性堵漏，提高堵漏成功率。建議開展隨鉆式流量測試法、示蹤劑法、井下成像法等漏失層診斷技術(shù)研究，利用井漏后井筒內(nèi)鉆井液流量變化數(shù)據(jù)分析漏失層位置，向鉆井液中添加示蹤劑，通過測量示蹤劑侵入地層的位置判斷漏失層，利用攝像機直接拍攝井壁基本情況。

由于地層縫洞情況復(fù)雜，應(yīng)力敏感性強，各層段均存在漏失問題。建議針對漏失層位置、漏失通道尺寸及延伸狀況難以判斷的情況，研發(fā)對漏失通道適應(yīng)能力強的堵漏材料，實現(xiàn)對多尺寸、多層位漏失層的高效封堵，減少堵漏施工次數(shù)，減少時間損失。

區(qū)域鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組合中大都帶有MWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、螺桿等工具和儀器，限制了堵漏材料的選擇。建議開展材料堵漏能力評價，研發(fā)堵漏模擬評價裝置，模擬防漏堵漏材料動態(tài)循環(huán)，實現(xiàn)對固結(jié)過程的觀測；建立材料堵漏能力數(shù)據(jù)庫，開展堵漏材料類型、尺寸、配比、濃度等參數(shù)對不同尺寸模擬漏失層堵漏效果影響實驗，明確材料與漏失層參數(shù)及原鉆具之間的關(guān)系，開展堵漏材料通過不同尺寸螺桿、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及鉆頭的能力，為現(xiàn)場堵漏施工提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

繼續(xù)研發(fā)新型堵漏材料、工具及配套工藝。例如，開展形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、可膨脹聚合物材料等能夠精確控制尺寸變化的可膨脹材料研究，實現(xiàn)堵漏材料可以順利通過井下儀器、鉆頭，同時具備封堵較大漏失層的能力。