王富華，孫希騰，丁萬(wàn)貴，吳曉光，馮 力，徐延勇，于婉秋

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580；2.中聯(lián)煤層氣能源有限公司，北京100000；3.中澳煤層氣能源有限公司，北京100101）

隨著我國(guó)油氣資源勘探開發(fā)區(qū)域逐漸擴(kuò)展到開發(fā)難度高、地質(zhì)特征復(fù)雜的區(qū)塊，鉆遇的裂縫性地層越來(lái)越多， 由于裂縫性地層井壁承壓能力低，鉆井過程中鉆井液漏失嚴(yán)重。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地層漏失機(jī)理研究及堵漏技術(shù)方面已取得了大量成果［1-11］，對(duì)于裂縫性地層漏失機(jī)理及提高地層承壓能力進(jìn)行了大量研究。 本文在此基礎(chǔ)上，針對(duì)LX區(qū)塊裂縫性地層漏失嚴(yán)重、地層承壓能力低的情況，分析了裂縫漏失機(jī)理， 提出了承壓防漏堵漏技術(shù)對(duì)策，結(jié)合LX區(qū)塊裂縫性漏失特點(diǎn)， 進(jìn)行了堵漏材料優(yōu)選、承壓漿懸浮穩(wěn)定性和承壓堵漏性能實(shí)驗(yàn)，形成了一套承壓堵漏劑配方。 為裂縫性易漏失地層擴(kuò)大鉆井液安全密度窗口、提高地層承壓能力提供技術(shù)支持。

1 裂縫性地層漏失機(jī)理與防漏堵漏技術(shù)對(duì)策

1.1 裂縫性地層漏失機(jī)理

LX區(qū)塊屬于低壓易漏失地層，地層壓力系數(shù)在0.7～1.0之間，地層壓力一般小于20 MPa，完鉆井深在1 900～2 000 m之間。 LX區(qū)塊已鉆井的井漏事故情況表明， 表層漏失主要發(fā)生在延長(zhǎng)組黃土層井段，由于地層膠結(jié)疏松、承壓能力低、存在天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫，一旦排量稍大，就會(huì)發(fā)生漏失，漏失通道迅速被漏失鉆井液沖蝕變大，進(jìn)而很快演變成失返性漏失。 其它層位的漏失主要發(fā)生在劉家溝組和石千峰組交界面、石千峰組以及石盒子組，漏失的主要原因也是地層承壓能力低，地層存在天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫。

地層被鉆開后， 原來(lái)穩(wěn)定的地應(yīng)力狀態(tài)被破壞，井周應(yīng)力將沿井壁重新分布；同時(shí)，鉆井液與地層熱交換將引起井壁溫度發(fā)生變化，進(jìn)而在井壁產(chǎn)生不可忽略的溫變附加應(yīng)力［12-13］。

對(duì)于LX區(qū)塊，最易發(fā)生漏失的地層往往有以下兩種情況：

（1）黃土巖地層裸眼井段最低孔隙壓力位置：黃土巖本身存在大量的微裂隙，地層壓力有一定程度釋放，地層孔隙壓力降低，從而巖石骨架會(huì)承受更大的上覆巖層壓力，加劇裂縫的產(chǎn)生，形成誘導(dǎo)性裂縫，出現(xiàn)漏失。 壓力釋放越大的位置，漏失風(fēng)險(xiǎn)越高，如延長(zhǎng)組黃土層井段的表層漏失。

（2）巖性發(fā)生較大變化的交界面位置：漏失往往最易發(fā)生在不同巖性的交界面處，交界面處地層巖石強(qiáng)度特性發(fā)生較大的變化，砂巖的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于泥巖出現(xiàn)較大幅度的降低，導(dǎo)致地層更容易出現(xiàn)拉伸破壞，從而發(fā)生漏失。 如劉家溝組和石千峰組交界面、石千峰組以及石盒子組的漏失。

1.2 裂縫性地層承壓防漏堵漏技術(shù)對(duì)策

1.2.1 防漏堵漏壓力條件

為了避免產(chǎn)生鉆井液的漏失，漏失產(chǎn)生的三個(gè)必要條件——漏失通道、 正壓差和固相顆粒尺寸中，至少要使其中的一個(gè)條件不能得到滿足。 又因?yàn)槟酀{中的固相顆粒尺寸基本不能改變，漏失通道中的天然裂縫也不能改變，而人為因素導(dǎo)致的壓裂裂縫是由于正壓差作用導(dǎo)致，因此可對(duì)正壓差這一漏失必要條件進(jìn)行改變，從而避免漏失的產(chǎn)生。 此外，雖然漏失通道基本不可改變，但是可以通過向漏失通道中注入堵漏劑來(lái)填充漏失通道的方法進(jìn)行堵漏。 在井眼中，要想防止鉆井液漏失進(jìn)入地層，在只改變正壓差這一條件的前提下，需要使井眼中鉆井液在各種壓力下要達(dá)到平衡，即避免出現(xiàn)正壓差。 在漏失過程中，在漏失通道內(nèi)存在以下壓力平衡關(guān)系［14-15］：

式中：Pp代表地層孔隙壓力，MPa；Pz代表鉆井液進(jìn)入地層裂縫的流動(dòng)阻力，MPa；Ph代表鉆井液靜液柱壓力，MPa；ΔPa代表井內(nèi)鉆井液環(huán)空壓耗，MPa。

在給定的井眼深度和各種參數(shù)條件下，上式中地層孔隙壓力、鉆井液靜液柱壓力、井內(nèi)鉆井液環(huán)空壓耗都為定值，因而若想平衡掉正壓差，只能靠鉆井液進(jìn)入地層裂縫流動(dòng)阻力來(lái)平衡，只有這樣才能使地層壓力平衡，避免出現(xiàn)井漏的發(fā)生。

1.2.2 提高地層承壓能力防漏堵漏的方法

由上述分析可知，避免漏失、提高地層的承壓能力可采用對(duì)地層裂縫進(jìn)行填充堵塞和利用工作液進(jìn)入地層裂縫的阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)。 增大鉆井液進(jìn)入裂縫的阻力方法有很多， 包括增大鉆井液的黏度、減小漏失通道的寬度、形成致密并且承壓能力強(qiáng)的泥餅等［16］。 綜合而言，其它條件的改變不如形成致密并且承壓能力強(qiáng)的泥餅具有可操作性。 因此，本文采用堵漏劑堵塞漏失裂縫、并在堵墻表面形成致密且承壓能力強(qiáng)的封堵膜相結(jié)合的方法來(lái)提高地層的承壓能力，原理如圖1所示。

圖1 提高裂縫承壓能力原理

首先對(duì)裂縫進(jìn)行架橋堵漏，形成一定厚度的堵墻，在堵墻表面形成致密性好、具有承壓能力高的封堵膜。 堵漏劑可選用不同類型的架橋顆粒進(jìn)行組合架橋，堵塞漏失的裂縫通道；然后利用承壓封堵材料形成性能良好、承壓能力高的封堵膜，阻止液相的侵入、進(jìn)一步提高地層承壓能力。

2 承壓防漏堵漏鉆井液體系的研制與評(píng)價(jià)

2.1 承壓堵漏劑配方確定

2.1.1 承壓堵漏材料類型

橋接承壓堵漏中的堵漏材料要起到密封和支撐裂縫的作用。 各種承壓堵漏材料作用機(jī)理如下：實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的堵漏材料在壓差作用下對(duì)漏失通道產(chǎn)生高強(qiáng)度堵塞， 其中的HTK和BK類顆粒剛性大，強(qiáng)度高，在漏失通道中形成橋塞；纖維材料具有一定的柔性，可對(duì)裂縫通道產(chǎn)生分割變?yōu)樾】紫叮w維材料和片狀材料本身也可以變形產(chǎn)生軟封堵；彈性膨脹顆粒進(jìn)一步鑲嵌橋塞堵墻空隙， 隨著時(shí)間延長(zhǎng)，體積膨脹，進(jìn)一步擠壓漏失空間；硅膜承壓劑在井壁及堵漏材料形成的堵墻上形成致密封閉膜，阻止液相滲濾，從而起到良好的封閉、承壓作用。 通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的部分堵漏材料見表1。

表1 優(yōu)選材料基本性質(zhì)

MSC-3H是用過硫酸銨作為引發(fā)劑， 由兩種單體合成的凍膠承壓堵漏劑，含有剛性的環(huán)形結(jié)構(gòu)同時(shí)也有柔性的碳鏈結(jié)構(gòu)，材料具有柔韌性、足夠的強(qiáng)度和耐熱性，膨脹倍數(shù)可達(dá)50～100倍，膨脹時(shí)間持續(xù)6 h以上，具有持續(xù)膨脹的效果。

用架橋堵漏的方法一般架橋顆粒都為無(wú)機(jī)架橋顆粒， 相互之間架橋堵塞后不能很好地完全填充，而且無(wú)機(jī)架橋顆粒不具有膨脹性，所起作用較為單一。 將凍膠堵漏劑混入復(fù)合架橋顆粒中，采用無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)顆粒架橋相結(jié)合的方法使填充作用更明顯。 可以在裂縫處形成致密、牢固、承壓能力強(qiáng)的封堵層。

剛性顆粒材料選用天然剛性材料BK（全酸溶）、HTK顆粒以及高強(qiáng)度延展性鋁合金顆粒堵漏劑GYD （全酸溶）， 彈性顆粒材料選用工業(yè)廢料XJ顆粒、蛭石和吸水體膨承壓顆粒TP（全酸溶），纖維材料選用海泡石、工業(yè)廢纖維ZXW和鋸末，片狀材料選用云母片，承壓封堵材料選用鉆固井硅膜承壓劑MSC-3H（全酸溶）。

2.1.2 承壓堵漏材料粒徑與加量

根據(jù)Howard和Scott的SAN-2工程分布理論確定了各種材料的粒徑級(jí)配（見表2）。

表2 橋接材料粒徑級(jí)配數(shù)據(jù)

根據(jù)FMI測(cè)井可知，LX區(qū)塊實(shí)際地層的裂縫應(yīng)在毫米級(jí)別，因此初步以2 mm裂縫寬度設(shè)計(jì)粒徑級(jí)配，對(duì)表1中各類型堵漏材料粒徑比例進(jìn)行調(diào)整，最終確定各種類型堵漏材料級(jí)配為：3%HTK（6～10目）+1%BK（或GYD，6～10目）+0.1%TP（1～3 mm）+0.9%TP（≤1 mm）（為方便起見，命名該組以顆粒為主的堵漏劑代號(hào)為5%KL）；0.8%XJ （40～60目）+0.2%XJ（80目）+0.5%鋸末（60～80目）+0.3%蛭石（20～40目）+0.2%蛭石（40～60目）+0.5%海泡石+0.5%ZXW+1.2%云母片（20～40目）+0.8%云母片（40～60目）（同樣地，命名該組以纖維材料為主的堵漏劑代號(hào)為5%XW）。

2.2 承壓復(fù)合堵漏劑懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

進(jìn)行懸浮穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，觀察上述承壓復(fù)合堵漏劑在熱滾前后的懸浮穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 熱滾前后定性觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 懸浮穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 基漿無(wú)論是熱滾前后加入承壓復(fù)合堵漏劑，還是加入承壓復(fù)合堵漏劑一起熱滾，都具有較好的懸浮穩(wěn)定性。

由表4數(shù)據(jù)可知，上下層密度基本相同，隨時(shí)間延長(zhǎng)，下層密度比上層密度略高，但差距極小，基漿在10 h仍能有效地穩(wěn)定懸浮承壓復(fù)合堵漏劑； 沉降實(shí)驗(yàn)前測(cè)定的密度小于放置一段時(shí)間后上下層測(cè)定的密度，這是由于承壓漿中氣泡較多，所以密度偏低，而放置一段時(shí)間后氣泡消退，測(cè)得密度就變高。

2.3 承壓堵漏鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

2.3.1 靜態(tài)承壓堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)優(yōu)選的承壓復(fù)合堵漏劑，采用QD-2堵漏儀（實(shí)驗(yàn)壓差0～10 MPa）， 對(duì)1～5 mm平行裂縫漏失模型評(píng)價(jià)承壓復(fù)合堵漏劑不同加量下的承壓堵漏效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 QD-2靜態(tài)承壓堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5數(shù)據(jù)可知，隨裂縫寬度增大，承壓堵漏漿漏失總量均增多；隨堵漏劑加量減少，最大封堵裂縫寬度也變?。?對(duì)于1～4 mm平行裂縫，3.75%KL+3.75%XW+1%MSC-3H加量下漏失總量最小， 承壓堵漏效果最好，這可能是因?yàn)樵摮袎憾侣﹦┐嬖谧钸m宜產(chǎn)生封堵的濃度，濃度增大或減小不利于形成有效架橋；對(duì)于1～3 mm平行裂縫，三種加量下有效承壓堵漏的承壓值均高于7.0 MPa，完全滿足井下承壓堵漏的要求。

2.3.2 動(dòng)態(tài)承壓堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

由QD-2靜態(tài)承壓堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)可知， 在5%KL+5%XW+1%MSC-3H 加量下， 承壓漿對(duì)1～4 mm裂縫都能產(chǎn)生良好封堵，承壓值不低于7.0 MPa。 為了進(jìn)一步模擬井下堵漏實(shí)際工況， 選擇5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承壓堵漏漿，利用LH-2A智能型鉆井液高溫高壓多功能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)儀（實(shí)驗(yàn)壓差0～40 MPa）進(jìn)行平行縫和梯形縫的動(dòng)態(tài)承壓堵漏對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)LX區(qū)塊地層特征，設(shè)定溫度為85℃，測(cè)試時(shí)，從低壓到高壓進(jìn)行壓力循環(huán)測(cè)試，記錄總濾失量，結(jié)果如表6所示。

表6 LH-2A平行縫和梯形縫的動(dòng)態(tài)承壓堵漏對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表6數(shù)據(jù)可知，5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承壓堵漏漿對(duì)1 mm和2 mm的兩種平行縫、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm兩種梯形縫都能產(chǎn)生良好封堵，承壓值均高達(dá)28.0 MPa； 而在3 mm平行縫和6 mm/3 mm梯形縫全部漏失，不能產(chǎn)生有效封堵，但平行縫漏失壓差（19.78 MPa）明顯高于梯形縫的漏失壓差（2.32 MPa）。由此可見，該承壓復(fù)合堵漏劑能夠有效封堵水力學(xué)寬度不超過2 mm的裂縫，可望解決常規(guī)裂縫漏失技術(shù)難題。

3 結(jié)論

（1）LX區(qū)塊表層以及劉家溝和石千峰組交界面、石千峰組、石盒子組漏失的主要原因?yàn)榈貙映袎耗芰Φ?、存在天然裂縫或誘導(dǎo)裂縫，其防漏堵漏機(jī)制為采用架橋封堵漏失通道與堵墻表面形成高承壓能力封堵膜相結(jié)合的方式來(lái)提高井壁承壓能力。

（2）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確定了承壓復(fù)合堵漏劑的組成（組分類型、含量及粒徑分布）和加量，形成了可酸溶解堵的承壓堵漏漿配方， 評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該堵漏漿流變性能較好，具有良好的懸浮穩(wěn)定性。

（3）承壓堵漏漿靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，研制的承壓復(fù)合堵漏劑有效承壓值均高于7.0 MPa，完全滿足井下完井承壓堵漏的要求。

（4）承壓堵漏漿動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，研制的承壓復(fù)合堵漏劑對(duì)1 mm和2 mm的平行縫、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm梯形縫均能產(chǎn)生良好封堵， 動(dòng)態(tài)承壓值高達(dá)28.0 MPa， 亦即能夠有效封堵井下水力學(xué)寬度不超過2 mm的裂縫，可望解決常規(guī)裂縫漏失技術(shù)難題。