譚忠健 胡 云 袁亞東 曹 軍 張向前 楊占許

（1中海石油（中國）有限公司天津分公司；2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司）

0 引言

井漏問題給石油工程界帶來極大挑戰(zhàn)[1]，尤其在強非均質(zhì)性地層中發(fā)育應(yīng)力敏感裂縫時，鉆井液漏失問題更加突出。鉆井液密度偏高使得地層弱面破裂或裂縫活化，進而誘發(fā)嚴(yán)重井漏；由于壓力失衡極難調(diào)整，大量鉆井液漏失到地層中，處理井漏需耗費大量的時間和成本。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于井漏特征和機理開展了系統(tǒng)的研究并建立了相應(yīng)的漏失模型[2-15]。國內(nèi)學(xué)者馬光長[16]根據(jù)井漏特性和原因?qū)┚C合分類，并配套相應(yīng)的堵漏方案。丁乙等[17]分析了弱面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)敏感性對井壁穩(wěn)定性的影響。李大奇等[5]基于井漏動力學(xué)進行了井漏機理分析。賈利春等[18]探究了誘導(dǎo)性裂縫止漏堵漏機理，提出誘導(dǎo)裂縫止漏和止裂臨界條件。金衍等[10-11,19]通過統(tǒng)計建立了裂縫性儲層起裂條件和漏失壓力方程。張浩 等[6-9]根據(jù)裂縫—孔洞性儲層物理試驗，提出裂縫儲層有效應(yīng)力—裂縫寬度—滲透率關(guān)系模型。

渤中34-9油田位于渤海灣盆地黃河口凹陷南斜坡，緊鄰郯廬斷裂中支，構(gòu)造活動強烈，構(gòu)造主體區(qū)為受中部一組大斷層控制的復(fù)雜斷塊構(gòu)造，是近年來渤海海域發(fā)現(xiàn)的最大的新生界火成巖下油氣藏[18]。該油田開發(fā)作業(yè)過程中發(fā)生多起裂縫性井漏，嚴(yán)重影響油田開發(fā)進度和增加開發(fā)成本。本文基于井漏特征、弱面結(jié)構(gòu)應(yīng)力敏感性分析和井漏動力學(xué)機制，探究渤中34-9油田井漏機理，為后續(xù)開發(fā)調(diào)整井設(shè)計和施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。

1 井漏特征統(tǒng)計

渤中34-9油田于2018年投入開發(fā)，已鉆井63口，發(fā)生井漏的井有30口，占總井?dāng)?shù)的47.62%，可記錄的井漏達(dá)39次。處理井漏累計耗時約626.88h，單次最大耗時約96h，平均耗時約18.99h。平面上，漏失井主要分布在1井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的22.22%）和6井區(qū)(占總數(shù)的15.87%)，5井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的4.76%）和2井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的4.76%）相對較少。縱向上，1井區(qū)和6井區(qū)漏失深度在2200～3030m；5井區(qū)漏失深度在2780～3250m；2井區(qū)漏失深度在2400m左右。研究區(qū)內(nèi)漏失層位主要為東二段和東三段，沙河街組局部漏失較嚴(yán)重。東二段漏失位置巖性主要為溢流相玄武巖和火山沉積碎屑巖；東三段為砂泥巖互層；沙一段為泥巖；沙二段為溢流相玄武巖；沙三段為厚層泥巖（表1）。

依據(jù)海洋鉆井手冊及漏速進行分類[20]：漏速小于10m3/h，微漏，占7.69%；漏速為10～30m3/h，小漏，占30.77%；漏速為30～60m3/h，中漏，占41.03%；漏速大于60m3/h，大漏，占5.13%；失返，嚴(yán)重漏失，占15.38%。漏失規(guī)模：東二上亞段和東二下亞段以中—大漏為主；東三段以中漏為主；沙一段和沙二段以中漏和嚴(yán)重漏失為主；沙三段以中漏為主。整體來看渤中34-9油田井漏規(guī)模以小—中漏和嚴(yán)重漏失為主（表2）。

2 地層弱面結(jié)構(gòu)是井漏發(fā)生的必要條件

地層弱面結(jié)構(gòu)決定了漏失通道的類型，為井漏發(fā)生提供了必要條件。這些軟弱面是井筒穩(wěn)定性的“短板”，在鉆井液液柱壓力、侵入及鉆頭破巖情況下先于地層本體破裂，發(fā)生漏失。依據(jù)渤中34-9油田井漏通道類型和漏失通道成因?qū)⒃斐删┑牡貙尤趺娼Y(jié)構(gòu)分為3類。

2.1 火山巖多期次沉積作用形成的弱面結(jié)構(gòu)

第一種類型是火山巖多期次沉積作用形成的弱面結(jié)構(gòu)?；鹕綆r沉積具有較強的非均質(zhì)性[21]。渤中34-9油田89%的井漏都發(fā)生在火山巖和沉積巖交互層段。巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征決定了巖石的非均質(zhì)性和各向異性[22]。渤中34-9油田東一段和東二段沉積時期為火山規(guī)?；顒悠?，縱向上發(fā)育多期次火山沉積旋回（圖1）。爆發(fā)相凝灰?guī)r、溢流相玄武巖和安山巖，結(jié)構(gòu)致密、抗壓強度和抗張強度均較高。旋回上部的沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰質(zhì)泥巖等火山碎屑巖，經(jīng)過流水搬運、分選，含有砂、礫等陸源碎屑，相比旋回下部火山巖物性變好，但其壓實程度低，巖石強度低，地層承壓能力較低，在正壓差下極易產(chǎn)生誘導(dǎo)縫，發(fā)生井漏。研究區(qū)內(nèi)火山沉積巖段瞬時漏速多小于60m3/h，以小—中漏為主，此類漏失特點為：瞬時漏失量大，降低排量后漏速減緩，堵漏成功率較高，降低當(dāng)量循環(huán)密度（ECD），漏速可控。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造作用形成的弱面結(jié)構(gòu)

第二種類型是地質(zhì)構(gòu)造作用形成的弱面結(jié)構(gòu)。天然微斷層和裂縫是研究區(qū)內(nèi)主要的應(yīng)力形變?nèi)趺娼Y(jié)構(gòu)，也是渤中34-9油田發(fā)生井漏的主要原因。根據(jù)已鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計，渤中34-9油田溢流相玄武巖和東三段砂泥巖段的井漏均發(fā)生在斷層裂縫發(fā)育段。

表1 渤中34-9油田井漏層位和巖性統(tǒng)計Table 1 Statistics of leakage formation and lithology in BZ34-9 Oilfield

表2 渤中34-9油田漏速統(tǒng)計Table 2 Statistics of lost rate of circulation in BZ34-9 Oilfield 單位：m3/h

圖1 渤中34-9油田火山巖沉積旋回和巖石力學(xué)旋回Fig.1 Sedimentary cycle and rock mechanics change of volcanic rocks in BZ34-9 Oilfield

渤海灣盆地新生代構(gòu)造運動活躍，黃河口凹陷斷裂復(fù)雜多樣，斷裂主要以走滑—張性和張性為主[23]，油田范圍內(nèi)多級斜列式斷層和“Y”字形斷層相互切割，斷層和裂縫十分發(fā)育。溢流相玄武巖、安山巖具有氣孔—杏仁構(gòu)造，且原生孔隙、節(jié)理、冷凝收縮裂縫和次生微小孔洞較為發(fā)育，是天然的漏失通道，加之?dāng)鄬忧懈睿訌?fù)雜。微斷層和裂縫在地震常規(guī)剖面上主要表現(xiàn)為同相軸錯斷（圖2a、b），在地震波形方差剖面上主要表現(xiàn)為“黑團”，即方差高異常（圖2c）。

圖2 微斷層形成的弱面結(jié)構(gòu)Fig.2 Weak plane structure caused by micro-fault

研究區(qū)內(nèi)A36井和A26井在東三段砂泥巖段鉆遇兩個微斷層（圖3），均發(fā)生失返漏失。A36井漏速為108m3/h，漏失量為655m3，A26井漏速為216m3/h，漏失量為55m3。天然斷層和裂縫帶井漏具有漏失量大、堵漏成功率低的特點。

2.3 火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)

第三種類型是火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)?；鹕酵ǖ腊樯鷶鄬蛹盎鹕酵ǖ纼?nèi)熱沉降作用形成的節(jié)理縫是井漏的天然通道（圖3）。研究區(qū)內(nèi)斷裂復(fù)雜多樣且活動持久，引起新生代大規(guī)模的幔源成因巖漿活動[23]，漸新世中—晚期火山活動達(dá)到頂峰，沿著斷裂發(fā)育多個火山通道。巖漿上涌刺穿地層，形成與火山通道伴生的邊緣斷層，火山通道內(nèi)玄武巖冷凝沉降形成典型的柱狀節(jié)理縫和原生孔洞，加之后期構(gòu)造運動改造，邊緣斷層和裂縫更加復(fù)雜，極易發(fā)生漏失。A8井和9D井鉆遇火山通道發(fā)生失返性漏失，A8井漏速達(dá)108m3/h，漏失量為1910m3；9D井漏速達(dá)108m3/h，漏失量為519m3。火山通道具有逢鉆必漏、漏失量大、堵漏成功率低、反復(fù)漏失、處理井漏周期長的特點。

圖3 渤中34-9油田火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)Fig.3 Weak plane caused by volcano conduit in BZ34-9 Oilfield

3 正壓差是井漏的主要動力

正壓差是井漏發(fā)生的必要條件之一。在鉆井施工過程中鉆井液性能、井眼尺寸、起下鉆速度和憋泵都可以影響正壓差的大小。渤中34-9油田地層壓力為正常壓力系統(tǒng)，地層孔隙壓力為1.05～1.17g/cm3，發(fā)生漏失的井鉆井液密度為1.35～1.45g/cm3、平均為1.40g/cm3，漏失時當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）為1.40～1.55g/cm3、平均為1.47g/cm3。正壓差越大，越易發(fā)生井漏，井漏規(guī)模也越大。

根據(jù)渤中34-9油田已鉆井資料統(tǒng)計（圖4）：相同條件下215.90mm井眼井底當(dāng)量循環(huán)密度比311.15井眼高0.08g/cm3，井底壓差比311.15mm井眼壓差高5.2%。因此，相同地層條件下215.90mm井眼更易發(fā)生井漏。統(tǒng)計資料顯示，研究區(qū)內(nèi)39次井漏中，311.15mm井眼中發(fā)生11次，占比為28.21%；215.90mm井眼中發(fā)生28次，占比高達(dá)71.79%（表3）?；谏鲜銮闆r對后續(xù)17口井進行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化：對于主要漏失風(fēng)險為東一段和東二段火山巖和沉積巖交互地層的井采用311.15mm井眼深鉆鉆穿東二段，下入技術(shù)套管封堵；對于主要漏失風(fēng)險為東三段微斷層和脆性裂縫發(fā)育帶的井采用三開井身結(jié)構(gòu)變二開井身結(jié)構(gòu)，即二開311.15mm井眼深鉆至完鉆井深，能夠有效降低井漏風(fēng)險。相比優(yōu)化前完鉆的46口井高達(dá)58.69%的井漏占比，優(yōu)化后的17口井的井漏風(fēng)險降低為17.65%。

圖4 渤中34-9油田不同尺寸井眼漏失時當(dāng)量循環(huán)密度Fig.4 Equivalent cyclic density (ECD) while lost circulation of different hole size in BZ34-9 Oilfield

基于渤中34-9油田防漏經(jīng)驗和裂縫性地層對壓力—應(yīng)力的敏感性，結(jié)合渤海油田地層具有新近系淺部低承壓帶、古近系中深層脆性超壓裂縫帶和前古近系潛山風(fēng)化裂縫帶的地質(zhì)特征，提出“T15T26T100”井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化防漏方案。采用406.40mm大井眼深鉆至明化鎮(zhèn)組底部T15（地震反射界面），下入技術(shù)套管封堵淺部低承壓帶破碎帶。311.15mm井眼深鉆至東二上亞段底部T26（地震反射界面），下入技術(shù)套管封堵東營組脆性裂縫發(fā)育帶，減小下部井段異常地層壓力起壓后鉆井作業(yè)施工難度。215.90mm井眼鉆至古近系底潛山頂部T100（地震反射界面），封堵東營組下部及沙河街組異常壓力地層，降低潛山漏失風(fēng)險。有效將中深層探井井漏風(fēng)險由59%降低至9%。

因此，針對具有壓力—應(yīng)力敏感性的弱面地層，通過優(yōu)化套管下入深度封堵薄弱層、降低井底壓差，是實現(xiàn)窄壓力窗口下防漏的有效措施之一。

表3 渤中34-9油田不同尺寸井眼井漏次數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of lost circulation frequency of different hole size in BZ34-9 Oilfield

4 井漏動力學(xué)機制及防漏對策

分析認(rèn)為，井漏是動態(tài)過平衡鉆井條件下井筒壓力—應(yīng)力—應(yīng)變再平衡的結(jié)果。在正壓差下主要表現(xiàn)為井筒內(nèi)流體向地層的滲透壓力再平衡和井筒徑向的應(yīng)變擴張。但是井周地層強度和應(yīng)力是有限的，井壁在過高的正壓差下會沿火山沉積巖界面或斷層裂縫帶等低承壓的力學(xué)薄弱面破裂產(chǎn)生裂縫、天然微斷層和裂縫的開啟及延伸進行應(yīng)力釋放，鉆井液在正壓差下克服了通道內(nèi)阻力后進入地層，表現(xiàn)為不同規(guī)模的井漏。

4.1 火山沉積巖段低承壓地層壓裂性漏失

渤中34-9油田沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰質(zhì)泥巖等火山沉積巖具有坍塌壓力高、漏失壓力低和破裂壓力低的特征：坍塌壓力系數(shù)達(dá)1.33g/cm3，漏失壓力系數(shù)為1.43g/cm3，破裂壓力系數(shù)接近1.65g/cm3，鉆井液密度窗口窄，當(dāng)井筒壓力大于地層的破裂壓力，井筒徑向擴張產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，鉆井液在正壓差下進入微裂縫，當(dāng)鉆井液液柱在裂縫尖端形成的有效應(yīng)力大于裂縫的抗張強度時，裂縫產(chǎn)生并張開，導(dǎo)致井漏。

防漏對策：①大井眼鉆穿火山沉積巖低承壓段，下入技術(shù)套管封堵；②鉆井液密度采用設(shè)計下限，配套隨鉆ECD檢測，確保井底壓差小于臨界漏失壓差；③起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動壓力過高，憋漏地層；④采用低活度鹽NaCl降低鉆井液活度及滲透壓，阻止井筒正向壓力從井筒向地層傳遞，提高火山沉積巖地層承壓能力；⑤火山巖與沉積巖交互地層漏失納米堵漏技術(shù)，即采用納米級物理封堵劑PF-AquaSeal 和智能鋁化學(xué)井壁加固劑PFSmartSeal。PF-AquaSeal有效封堵0.5～4.0mm裂縫及孔洞，并隨孔隙、裂縫形狀變化實現(xiàn)適應(yīng)性封堵，在壓差作用下變形顆粒聚結(jié)成膜，降低井壁滲透性。PF-SmartSeal與物理納米封堵協(xié)同作用，形成絡(luò)合鋁井壁加固層，提高火成巖交互地層承壓能力（表4）。以上組合防漏方案應(yīng)用后火成巖交互地層平均生產(chǎn)時效提高10%，井眼狀況明顯改善，平均倒劃眼速度由72m/h提高到123m/h。

4.2 天然微斷層和裂縫擴展性漏失

渤中34-9油田東營組天然微斷層和溢流相玄武巖中的天然裂縫作為潛在的漏失通道，具有極強的應(yīng)力敏感性。井筒在正壓差下變形擴張，裂縫的寬度和滲透率呈指數(shù)遞增[19,22,24]，當(dāng)井筒壓力達(dá)到某一臨界壓力時，微斷層和裂縫活化開啟或延伸，裂縫寬度大于固相顆粒直徑，鉆井液固相顆粒不能有效封堵裂縫，發(fā)生井漏，此時的井底壓力為微斷層和裂縫的臨界漏失壓力。因此，天然微斷層及裂縫開啟和延伸是井筒壓力—應(yīng)力—應(yīng)變再平衡的主要形式，為井漏發(fā)生創(chuàng)造了通道，是研究區(qū)東三段和溢流相玄武巖段井漏的主要方式（表4）。鄭有成[25]認(rèn)為裂縫的抗張強度為零，井內(nèi)流體侵入裂縫使裂縫張開的壓力只需要克服裂縫面上的有效正應(yīng)力。渤中34-9油田最大水平主應(yīng)力方位為65°，裂縫走向基本沿著最大主應(yīng)力方向，因此裂縫面上的正應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力，根據(jù)漏失時鉆井液當(dāng)量密度分析，實踐中當(dāng)井底鉆井液當(dāng)量密度達(dá)到水平最小主應(yīng)力當(dāng)量密度的88%時，就開始發(fā)生漏失。

表4 渤中34-9油田弱面地層井漏井眼應(yīng)變模式Table 4 Borehole strain mode while lost circulation in strata with weak plane in BZ34-9 Oilfield

防漏措施：①鉆穿斷層裂縫帶，下入技術(shù)套管封堵；②鉆井液密度參考斷層裂縫臨界開啟當(dāng)量密度下限；③配套隨鉆ECD檢測，實時監(jiān)測井底循環(huán)壓力，確保井底壓差小于臨界漏失壓差；④斷層裂縫帶內(nèi)采用小參數(shù)鉆進，起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動壓力過高；⑤微斷層和裂縫漏失雷特高承壓堵漏技術(shù)。研究區(qū)內(nèi)雷特堵漏劑中—粗型顆粒占6%～8%時能夠有效實現(xiàn)架橋；小—中型顆粒楔入形成高壓封堵層，降低裂縫尖端應(yīng)力，避免裂縫繼續(xù)擴展；片狀顆粒封門加固，提高裂縫承壓能力（表4）。

4.3 火山通道壓差性漏失

火山通道伴生斷層及火山通道內(nèi)熱沉降作用形成的節(jié)理縫、大孔洞的尺寸大于鉆井封堵顆粒尺寸，鉆井液進入地層只需要克服縫洞系統(tǒng)的摩擦阻力，在微小正壓差下鉆井液就可自由進入地層，具有逢鉆必漏的特點（表4）。渤中34-9油田東營組火山巖段地層孔隙壓力為1.03～1.12g/cm3，為正?？紫秹毫ΑＳ捎谠摱蔚貙犹鷫毫^高，鉆井時采用鉆井液當(dāng)量密度為1.37～1.49g/cm3，鉆遇火山通道后井筒內(nèi)流體在密度差和重力作用下大規(guī)模進入地層。加之火山通道刺穿作用使圍巖破碎，伴生微斷層、裂縫發(fā)育，縫洞連通性好，微斷層和裂縫在正壓差下活化、延伸加劇井漏風(fēng)險，堵漏成功率低。

防漏措施：①基于鉆前火山通道識別和軌跡優(yōu)化設(shè)計盡量不鉆火山通道；②鉆穿火山通道，下入技術(shù)套管封堵，降低下部井段作業(yè)風(fēng)險；③隨鉆實時ECD檢測，及時調(diào)整鉆井液密度；④小參數(shù)鉆穿火山通道，起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動壓力過高；⑤火山通道漏失采用柔性復(fù)合堵漏技術(shù)：前置凝膠充滿火山通道內(nèi)的大裂縫和大孔洞，后續(xù)固相彈性顆粒跟進，凝膠有效降低固相顆粒在裂縫內(nèi)的移動速度，提供充分凝固和架橋時間，最后小排量打入STP或水泥塞，提高封堵效果，消除漏失（表4）。

因此，基于井漏動力學(xué)機制，配套組合型防漏措施是降低井漏風(fēng)險的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

地層弱面結(jié)構(gòu)決定了漏失通道的類型，是井漏的必要條件。建議以地層非均質(zhì)模型的弱面結(jié)構(gòu)的承壓能力和應(yīng)力敏感性為約束，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆井液參數(shù)和鉆井參數(shù)，提前防漏、避漏。

井筒正壓差是井漏的主要動力，決定井漏強度。根據(jù)渤中34-9油田作業(yè)經(jīng)驗，相同條件下，小井眼有相對較高的循環(huán)壓耗，井底壓力更大，裂縫性地層發(fā)生井漏風(fēng)險更高，參考地層井漏風(fēng)險分布特征進行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆井液參數(shù)優(yōu)化是控制井底壓差的有效手段。“T15T26T100”井身優(yōu)化方案已在渤海油田推廣使用。

井漏是動態(tài)過平衡條件下井眼壓力—應(yīng)力—應(yīng)變再平衡的結(jié)果。提高火山沉積巖地層承壓能力、降低天然微斷層和裂縫發(fā)育段井筒正壓差是降低裂縫性井漏風(fēng)險的主要措施，火山通道等具有大尺度漏失通道的地質(zhì)風(fēng)險，應(yīng)盡量避開。