錢洪強，王娟*，孫玉東，王震凱，袁博

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250）

天津地區(qū)地熱鉆井中地層漏失分析及堵漏方法選擇

錢洪強，王娟*，孫玉東，王震凱，袁博

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250）

天津地區(qū)地熱鉆井中，井漏是常見的現(xiàn)象。按照地層差異，井漏可以分為孔隙型漏失和裂隙、溶洞型漏失兩種，孔隙型漏失主要發(fā)生在砂巖、砂礫巖中，漏失量小，處理起來比較簡單，裂隙、溶洞型漏失漏失量大，堵漏工藝復雜，且不易奏效。本文通過兩種地熱井漏失的成因分析，分別列舉了它們各自的堵漏方法和施工中的注意事項，重點對堵漏難度大的裂隙、溶洞型漏失進行了漏層判定分析和堵漏方法介紹，并通過兩項施工實例來加以佐證。此研究對地熱鉆井中的地層漏失及堵漏工藝有一定的借鑒作用。

地熱鉆井；鉆井液漏失；裂隙；堵漏方法

在地熱資源的開發(fā)利用過程中，鉆井是必不可少的手段［1］。鉆井屬于地下工程，存在著大量的模糊性、隨機性和不確定性問題［2］，井漏就是地熱井鉆井、完井過程中常見的井下復雜情況之一。輕微的漏失會造成材料消耗增加，鉆井成本上升，嚴重漏失則會造成生產(chǎn)間斷，引起井塌、卡鉆等井下事故的發(fā)生，甚至導致整個地熱井的報廢。目前，天津地區(qū)地熱鉆井中對于地層漏失及堵漏方法的研究，主要基于石油鉆井中遇到漏失所采用的方法，但開采石油和開采地熱流體存在著很多區(qū)別。本文試圖通過分析地熱鉆井漏失原因，針對不同類型漏失情況，歸納總結(jié)出一套對地熱鉆井有針對性的處理措施，并通過實例加以驗證。

1　地熱井漏失原因分析

地熱鉆井中，發(fā)生鉆井液漏失的地層，必須具備兩個條件：一是地層中有鉆井液通行和貯存的條件，比如裂隙、斷層、孔洞、溶洞等；二是地層孔隙壓力小于鉆井液液柱壓力，在壓差的作用下，發(fā)生漏失［3］。

因此，常見的井漏原因有兩種，即天然原因形成和人為因素造成。前者包括膠結(jié)差的砂巖形成的孔隙，灰?guī)r、白云巖形成的溶蝕性裂縫，斷層、不整合面形成的通道等；后者原因更多，比如施工措施不當、鉆井液密度過大等都可能把地層憋漏［4］。因人為因素造成的井漏，一般可以通過技術的改進或完善操作來避免，而天然原因形成的井漏，處理難度較大，本文著重探討該類井漏的堵漏方法。

天然原因形成的井漏主要區(qū)別在于地層，按照漏失形式和漏失量大小可以分為兩類（表1）∶

表1　兩種類型井漏情況對比表Tab.1 Comparison for the two types of well leakage

（1）孔隙型漏失

這種漏失多發(fā)生在粗顆粒未膠結(jié)或膠結(jié)很差的地層，如新近系館陶組中，巖性主要為粗砂巖、礫巖、含礫砂巖等。在鉆井液液柱壓力大于地層孔隙壓力時，就會發(fā)生漏失，該種漏失一般漏速較慢，漏失量較小。

（2）裂隙、溶洞型漏失

奧陶系、寒武系、薊縣系的石灰?guī)r、白云巖等沉積碳酸鹽巖層在地下水溶蝕過程中形成的裂縫、溶洞等都會造成井漏，該種井漏的特點一般是漏失量大，漏速快［5，6］。

2　堵漏方法選擇

2.1孔隙型漏失的堵漏方法處理

孔隙型漏失主要發(fā)生在第四系、新近系的未膠結(jié)砂層、砂礫巖中，以新近系館陶組為主要代表。該地層屬于河流相碎屑巖沉積［7］，主要巖性為粗砂巖和砂礫巖，滲透性較強（表2）。在實鉆過程中，由于該種漏失漏速較慢，漏失量較小，鉆井液仍能完成循環(huán)，堵漏比較簡單。

表2　天津市地熱開采區(qū)館陶組物性參數(shù)簡表①王連成，林黎，沈健，等.天津市濱海新區(qū)館陶組熱儲回灌技術集成及示范研究報告，天津地熱勘查開發(fā)設計院，2012.Tab.2 Physical parameters of the Guantao formationin Tianjin geothermal exploitation area

2.1.1孔隙型漏失常用堵漏方法

（1）靜止堵漏

發(fā)現(xiàn)漏失后，停止鉆進，上提鉆頭進入技術套管，讓下部鉆井液靜止一段時間（2 h以上）。因鉆井液具有觸變性，漏失到地層中的鉆井液，隨著靜切力的增加，在井壁形成泥皮，起到了封堵裂縫的作用。

（2）頂漏鉆進，利用巖屑堵漏

如漏失量不大，可繼續(xù)鉆進，通過添加土粉，增加鉆井液粘度，有可能在一段時間之后停止漏失，如果繼續(xù)漏失，可提起鉆頭至安全位置，靜止堵漏。

（3）添加堵漏劑

在漏失量相對較大，頂漏鉆進時堵漏效果較差時，可以考慮添加單向壓力封堵劑等堵漏材料，起到更好的堵漏效果。

2.1.2孔隙型漏失地層施工注意事項

（1）在館陶組中鉆進，由于地層較疏松，易滲漏，在鉆進過程中，要降低鉆井液的密度，提高排量，控制鉆速，每打完一根，劃眼1～2次，延長鉆井液攜砂時間。

（2）起下鉆速度要適當，防止產(chǎn)生激動壓力，壓漏砂巖層，鉆井液在井內(nèi)靜止時間較長時，下鉆時應分段循環(huán)，破壞鉆井液的膠凝結(jié)構，開泵要先小排量后大排量，盡量別在滲漏性較強的大段砂巖、砂礫巖地層開泵，防止把地層憋漏。

2.2裂隙、溶洞型漏失的堵漏方法處理

裂隙、溶洞型漏失主要是指鉆遇碳酸鹽巖巖溶、連通性斷層等發(fā)生漏失（圖1），在天津的地熱鉆井中，常見的是奧陶系和寒武系的灰?guī)r巖溶漏失，和薊縣系的白云巖漏失。由于巖溶裂隙一般連通性好，漏失量較大，鉆進過程中經(jīng)常間歇性不返漿或者一直漏而不返，處理比較復雜。

圖1　裂隙、溶洞型漏失示意圖Fig.1 A diagram of fissured-cavern leakage

2.2.1漏失層位測定

不一樣的學生，智力因素與非智力因素是存在差異的，這就導致學生對于所學內(nèi)容的學習能力是不一致的。特別是高中政治，因為學科自身的特征，學生常常感到無聊、乏味，學生的學習水平也就因此產(chǎn)生了不同的等次。這就需要教師在編排微課內(nèi)容時，一定要考慮到不同層次學生的自身能力，根據(jù)學生的情況編排同一水平的內(nèi)容，以激發(fā)各個層次學生的學習興趣和學習自主性。

灰?guī)r地層漏失一般表現(xiàn)為鉆井液性能沒有發(fā)生變化，在正常鉆進中發(fā)生了井漏，則漏失層即鉆頭剛鉆達的位置，如果鉆進中有放空現(xiàn)象，放空后發(fā)生井漏，則漏失層為放空井段。

有時候發(fā)生井漏的井段較長，需要分別測定漏層，則可以通過電測法來確定。由于碳酸鹽巖均質(zhì)性強，自然電位無法有效地區(qū)分裂隙，一般用聲波測井和雙側(cè)向測井來找出漏失段。致密的石灰?guī)r聲波時差很低，有裂隙發(fā)育則會時差明顯增大，甚至出現(xiàn)“周波跳躍”現(xiàn)象；而雙側(cè)向測井中，有裂隙發(fā)育時，淺側(cè)向視電阻率要小于深側(cè)向視電阻率，即出現(xiàn)“減阻侵入”［8］（圖2）。

圖2中，電測綜合解釋圈定的1、2層均表現(xiàn)為聲波時差值有不同程度的升高，淺側(cè)向視電阻率要遠小于深側(cè)向視電阻率，根據(jù)該現(xiàn)象，判定其為裂縫層，綜合解釋見表3。

2.2.2裂隙、溶洞型漏失堵漏方法

（1）復合堵漏劑堵漏

即將不同粒徑的剛性顆粒、柔性顆粒、纖維物質(zhì)、片狀物質(zhì)按一定比例混合［9］，加入高粘切高失水的鉆井液中，泵送至漏層位置堵漏。比如地熱鉆井中常用的FD復合堵漏劑，就是用硬質(zhì)果殼，云母和其它植物纖維配成。復合堵漏劑的適用范圍比較廣泛，滲漏和大漏均可采用。

（2）水泥漿堵漏

如果遇到大漏失，鉆井液無法建立循環(huán)，可以采用水泥漿堵漏［10］。通過觀測液面高度，計算漏層壓力和水泥漿用量，把水泥漿泵送至漏層，水泥漿自然流入，使井筒液柱壓力和漏層壓力達到平衡，在平衡狀態(tài)下候凝，以實現(xiàn)堵漏。水泥可以采用普通水泥如32.5R、42.5等型號礦渣硅酸鹽水泥，也可采用抗硫型油井水泥。

圖2　電測法確定漏層主要曲線變化圖Fig.2 Curve diagram for measuring leak layers by electromotive method AC.補償聲波曲線（單位：μs/m，數(shù)值從左至右依次遞減）；RA25.淺側(cè)向電阻率曲線（單位：Ω·m，數(shù)值從左至右依次遞增）；RA04.深側(cè)向電阻率曲線；SP.自然電位曲線

表3　裂隙段的綜合解釋表②天津地熱勘查開發(fā)設計院鉆井一公司，東麗區(qū)華明金泰麗灣DL-53D井完井資料匯總，2013.Tab.3 Comprehensive interpretation table of the fracture segments

（3）石膏水泥漿堵漏

（4）清水強鉆，下套管封隔

對于大的溶洞和裂縫，比如鉆進過程中有放空現(xiàn)象，采用堵漏的辦法往往難以奏效，為了鉆至目的層，就應該頂漏持續(xù)鉆進，在電測確定已經(jīng)通過漏失段的情況下，下套管封堵漏失段。該種情況適用于水源充足，裸眼段穩(wěn)定，沒有井壁坍塌危險的情況。

2.2.3堵漏施工注意事項

（1）起鉆時井口應持續(xù)灌漿，主要是為了防止井塌。

（2）如果發(fā)生井塌，塌塊可以封住漏層，因此漏層通開以前，可以循環(huán)鉆井液，但不能盲目通開漏層，要留一段砂塞，待堵漏工作準備就緒后，將堵漏漿液注入鉆柱下部，再劃眼下放，通開漏層，堵漏漿液隨即進入漏層，才能起到堵漏的作用。

（3）堵漏施工時，盡量簡化鉆具結(jié)構。

（4）不能把堵漏漿液全部擠入漏層，應留1/3～1/4在井筒。

2.2.4施工實例

（1）DL-76井昌平組堵漏

2015年在東麗區(qū)華明鎮(zhèn)DL-76井的施工中，三開鉆至寒武系昌平組，發(fā)生嚴重漏失，起鉆。此前鉆進過程中一直正常，鉆井液性能保持不變，鉆至井深1 645 m，鉆井液漏而不返，泵壓降為0 MPa，最后返上來的巖屑巖性為白色白云質(zhì)灰?guī)r，由此判斷漏點即在1 645 m處。根據(jù)該區(qū)昌平組的巖性特征［11］（表4）和鄰井的漏失特點，準備堵漏材料。堵漏施工過程如下：

第一次攪稠漿120 m3，粘度50 s，比重1.15 g/m3，添加復合堵漏劑2T，用攪拌器混合后泵送至井底。泥漿泵排量由正常鉆進時的2 000 L/min降為1 100 L/ min，到井底后開泵鉆進，漏速66 m3/h，漏而不返，2 h后頂漏鉆至1 655 m，鉆井液漏完，堵漏失敗，起鉆。

第二次用固井車在漏失層打入油井水泥10 T，比重1.85 g/cm3，候凝12 h，攪稠漿120 m3加復合堵漏劑3 T至漏層未見預留水泥塞，繼續(xù)掃孔至井底，頂漏鉆進，進尺6 m后，起鉆，堵漏失敗。

第三次固井用5 T油井水泥，0.5 T石膏，0.5 T鋸末，混合稠漿，用泥漿泵送至漏層，20 min后建立循環(huán)，泵壓升至4 MPa，堵漏初步成功，漏速20～66 m3/h，仍持續(xù)漏失，間歇性不返漿。之后每次攪漿均攪入一定量的復合堵漏劑和鋸末，小排量鉆至1 750 m時，已鉆穿昌平組，基本無漏失，堵漏工作完成。

根據(jù)電測解釋，本處昌平組裂隙發(fā)育僅有一處，厚度為12.6 m（表5）。

表4　東麗區(qū)昌平組灰?guī)r主要物性參數(shù)表Tab.4 Physical parameters of limestone of Changping formation in Dongli District

表5　DL-76井昌平組測井綜合解釋表③天津地熱勘查開發(fā)設計院鉆井一公司，東麗區(qū)華明鎮(zhèn)DL-76井完井資料匯總，2015.Tab.5 Well logging interpretation for the Changping formation of Well DL-76

圖3　DL-81井三開漏失施工示意圖Fig.3 The leakage treatment diagram of the Third Section of Well DL-81

（2）DL-81井奧陶系堵漏施工

2015年東麗區(qū)民和巷DL-81井三開鉆至1 959 m，放空2 m，鉆井液漏而不返，地層為古生界奧陶系，二開技術套管下至1 748 m，裸眼段為灰?guī)r，地層較為穩(wěn)定。

因井塌可能性較小，用清水頂漏鉆進，鉆屑全部漏入地層，每次加鉆桿時井內(nèi)基本沒有沉砂，供水量100 m3/h，漏失量100 m3/h，頂漏鉆至2 243 m，根據(jù)電測，已鉆穿奧陶系漏失段，決定下入技術套管封固（圖3）。在套管底部和頂部各下入膨脹橡膠止水，采用穿鞋戴帽固井作業(yè)方法，下部擠入油井水泥12 T，上部擠入油井水泥5 T，候凝結(jié)束后進行四開作業(yè)，四開鉆進開始后鉆井液能正常建立循環(huán)。

3　結(jié)論

本文介紹了兩種漏失及其各自的堵漏方法。其中孔隙型漏失以館陶組為代表，可以采取靜止堵漏、巖屑堵漏、堵漏劑堵漏等三種方法；裂隙、溶洞型漏失可以采用復合堵漏劑、水泥漿、石膏水泥漿等三種方法堵漏，也可以采用清水強鉆，下套管封隔的工藝。并采用了DL-76井昌平組堵漏和DL-81井奧陶系堵漏兩個實例，來論述堵漏方法的選擇。

對于大的漏失，堵漏施工往往不可能一次成功，要針對漏失的特點，仔細分析漏層的位置，嘗試采用多種方法進行堵漏工作。同時，正確的井身結(jié)構、套管程序設計，準確的地層預測等工作，也有利于堵漏施工的開展。

致謝：本文研究過程中得到了青年科學基金天津地區(qū)地熱田熱儲層壓力分析及研究意義項目的支持，堵漏施工引用的實例來自于天津地熱勘查開發(fā)設計院鉆井一公司2015年進行的兩個市場項目。項目組和鉆井公司對此研究提供了幫助和無保留的支持，筆者深表謝意。在本文撰寫過程中，得到了天津地質(zhì)調(diào)查中心張素鳳教授的細心指點，筆者在此表示衷心的感謝。

［1］劉杰，宋美鈺，田光輝.天津地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及可持續(xù)開發(fā)利用建議［J］.地質(zhì)調(diào)查與研究，2012，35（01）：67-73.

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Analysis of leakage formation and selection of leaking stoppage methods in geothermal well drilling in Tianjin area

QIAN Hong-qiang，WANG Juan，SUN Yu-dong，WANG Zhen-kai，YUAN Bo
（Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute，Tianjin 300250，China）

Geothermal drilling in Tianjin，well leakage is a common phenomenon.According to the formation difference，well leakage can be divided into pore type leakage and fissured-cavern leakage.Pore type leakage mainly occurred in sandstone and gravel，the leakage is small，it is relatively simple to deal with.Fissured-cavern leakage often with large leakage loss，and is not easy to work.This article analyzes the causes of two kinds of leakage，Separately sets their respective plugging methods and the cautions for construction.The emphasis is on the analysis of fissured-cavern leakage，and through two examples to prove the construction.In this paper，the formation leakage and plugging technology in geothermal drilling has a certain reference.

geothermal well；drilling fluid leakage；fracture；plugging method

P314

A

1672-4135（2016）03-0226-05

2016-04-16

天津市東麗區(qū)民和巷地熱井勘探項目（2013016）；青年科學基金項目“天津地區(qū)地熱田熱儲層壓力分析及研究意義（41502256）”

錢洪強（1982-），工程師，2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）水文與水資源專業(yè)，長期從事地熱地質(zhì)和地熱鉆井方面的研究工作，Email：hx0704@163.com；*通訊作者：王娟（1981-），2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）水文與水資源專業(yè)，從事地熱地質(zhì)方面的研究工作，Email：jackey0216@163.com。