孫金聲，白英睿，程榮超，呂開河，劉凡，馮杰，雷少飛，張潔，郝惠軍

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

井漏是鉆井過程中鉆井液大量漏入地層的現(xiàn)象，不僅消耗大量鉆井液，延長鉆井周期，處理不當還可能引發(fā)井塌、井噴、卡鉆等復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致井眼報廢，造成重大工程事故[1]。鉆井液漏失速率（QDL）是最直觀、最易測的反映鉆井液漏失程度的重要參數(shù)，根據(jù)漏速不同，鉆井液漏失類型可大致分為少量漏失（QDFL≤5 m3/h）、中等漏失（5＜QDFL≤15 m3/h）、嚴重漏失（15＜QDFL＜30 m3/h）和失返性漏失（QDFL≥30 m3/h）。失返性漏失屬于惡性漏失，同時裂縫（縫洞）發(fā)育地層發(fā)生的嚴重漏失，由于堵漏難度較大，亦可歸為惡性井漏范疇。隨著油氣勘探開發(fā)向深層—超深層、非常規(guī)、低品位等油氣資源領(lǐng)域拓展，鉆井工程面臨更加苛刻的地質(zhì)條件和諸多技術(shù)瓶頸，裂縫（縫洞）性地層惡性井漏是最常見且最難以治理的鉆井工程復(fù)雜事故之一，已成為制約鉆井工程中“卡脖子”的關(guān)鍵難題之一[2-3]。

據(jù)統(tǒng)計，全世界井漏發(fā)生率約占鉆井總數(shù)的20%～25%，每年用于堵漏的費用高達40×108美元[4]；北美地區(qū)（美國、加拿大）碳酸鹽巖油氣藏、頁巖油氣等鉆井過程中發(fā)生惡性井漏的井數(shù)約占鉆井總數(shù)的40%[5]；中東地區(qū)碳酸鹽巖裂縫性油藏鉆井過程中發(fā)生惡性井漏的井數(shù)占比超過 30%，井漏損失時間占比超過 50%[6]。中國油氣鉆井工程同樣面臨井漏難題，據(jù)中國石油集團油田技術(shù)服務(wù)有限公司統(tǒng)計，2017—2018年中國石油天然氣股份有限公司（簡稱“中國石油”）國內(nèi)和海外區(qū)塊鉆井復(fù)雜事故總損失時間中，井漏導(dǎo)致的損失占比均超過 70%，年均經(jīng)濟損失超過40×108元人民幣；塔里木庫車山前深層2017—2019年共完鉆井76口，發(fā)生井漏354井次，其中惡性井漏占比65%。

目前國內(nèi)外裂縫性惡性漏失地層的一次堵漏成功率較低。據(jù)統(tǒng)計，中國石油川渝地區(qū)二開斷層漏失段一次堵漏成功率低于10%，三開裂縫漏失段一次堵漏成功率低于30%；塔里木庫車山前地區(qū)巨厚鹽層漏失段一次堵漏成功率低于40%；沙特阿拉伯Ghawar油田二疊系Khuff組裂縫性地層的一次堵漏成功率低于20%[6]。因此，裂縫性地層惡性井漏已成為制約油氣勘探開發(fā)進度的世界性難題，提高惡性井漏一次堵漏成功率是世界各油田保障“安全、高效、經(jīng)濟”鉆井的迫切需求。

通過科研攻關(guān)，目前國內(nèi)外開發(fā)出了以橋接、高失水、可固化等為代表的堵漏材料，形成了系列鉆井液承壓堵漏技術(shù)，較好解決了滲透性和小微裂縫性井漏難題[7-8]。但是，針對大裂縫/縫洞性惡性漏失地層目前尚無有效預(yù)防和快速治理方法，一次堵漏成功率低，堵漏周期長，現(xiàn)場施工經(jīng)驗性強，成功堵漏方法難以復(fù)制。針對上述難題，本文系統(tǒng)論述了鉆井液漏失機理、堵漏機理、堵漏材料、堵漏工藝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析目前惡性漏失地層堵漏技術(shù)存在的問題，并指出堵漏技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 鉆井液漏失機理研究進展

鉆井液的漏失機理主要研究鉆井液漏失量與壓力、時間、裂縫特性、鉆井液流變性等參數(shù)之間的關(guān)系。在鉆井工程現(xiàn)場，實時監(jiān)測鉆井液流量是檢測鉆井液漏失、分析漏失規(guī)律的常見做法。目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過建立裂縫性地層鉆井液漏失的數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計學(xué)模型，實現(xiàn)地下裂縫分布及尺度的反演，進而研究鉆井液漏失機理。

1.1 鉆井液漏失數(shù)學(xué)模型

鉆井液漏失數(shù)學(xué)模型主要包括一維線性模型、二維平面模型和一維徑向流模型。一維線性模型假設(shè)地層中僅有一條裂縫，鉆井液沿著裂縫延伸方向進行一維層流流動[9-10]。一維線性模型的研究經(jīng)歷了從假設(shè)鉆井液為牛頓流體到賓漢流體和冪律流體的發(fā)展過程，裂縫模型由簡單的不考慮裂縫性質(zhì)發(fā)展到考慮裂縫變形、壁面濾失和粗糙度等。二維平面模型假設(shè)地層中存在一條任意傾角矩形裂縫，鉆井液在矩形裂縫中沿裂縫走向和裂縫延伸方向進行二維層流流動[11-12]。二維平面模型主要研究鉆井液沿裂縫平面進行二維流動，比一維線性模型更加復(fù)雜且更接近于真實地層。一維徑向模型假設(shè)地層中有一條無限長徑向裂縫與井眼相交，鉆井液沿著裂縫延伸方向進行徑向?qū)恿髁鲃覽13]。

由于一維線性模型假設(shè)條件過于簡單，相比而言，一維徑向模型和二維平面模型更符合鉆井液在單條裂縫中的流動特征，從一定程度上更能客觀反映鉆井液在裂縫中的漏失規(guī)律；相比二維平面模型，一維徑向模型計算過程更簡單，因此一維徑向模型是研究裂縫性地層漏失問題最常用的數(shù)學(xué)模型。

研究人員應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型可分析鉆井液流變性、裂縫粗糙度、裂縫壁面濾失、裂縫寬度等因素對鉆井液漏失規(guī)律的影響，計算漏失壓力、裂縫寬度等參數(shù)，為鉆井液堵漏技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。但由于 3種模型主要以單裂縫中的漏失研究為基礎(chǔ)，與漏層實際情況相差較大，復(fù)雜裂縫地層的漏失壓力和裂縫參數(shù)的預(yù)測精確度較低。

1.2 鉆井液統(tǒng)計學(xué)漏失模型

鉆井液統(tǒng)計學(xué)漏失模型主要包括基于機器學(xué)習的漏失模型和基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的漏失模型。①基于機器學(xué)習的漏失模型。主要根據(jù)給定的漏失參數(shù)（如地層巖性物性、漏失速率、流變參數(shù)等）訓(xùn)練樣本，求取輸入和輸出之間的依賴關(guān)系的估計，使它能夠?qū)β┦Т胧┳龀霰M可能準確的預(yù)測。鉆井液漏失中的復(fù)雜非線性關(guān)系很難用數(shù)理方法描述，故機器學(xué)習模型多采用非線性函數(shù)通用數(shù)學(xué)模型對鉆井液漏失類型、漏失速率和防漏、堵漏對策等參數(shù)進行預(yù)測。Sabah等[14]基于ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、SVM（支持向量機）和決策樹等算法，將機器學(xué)習應(yīng)用于鉆井液漏失診斷領(lǐng)域，證明了機器學(xué)習漏失模型可以利用鉆井大數(shù)據(jù)優(yōu)選防漏和堵漏作業(yè)措施。②基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的漏失模型。主要以大量現(xiàn)場鉆井井漏資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計分析鉆井液漏失速率與鉆井液密度、黏度以及地層漏失通道等參數(shù)之間的關(guān)系，建立基于統(tǒng)計學(xué)原理的鉆井液漏失壓力計算模型?；跀?shù)據(jù)統(tǒng)計的漏失模型僅以部分生產(chǎn)地區(qū)的漏失資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)擬合，形成區(qū)域性較強的鉆井液漏失模型，因而不具有普遍適用性。

綜上，在鉆井液漏失機理研究方面，建立精確可靠的鉆井液漏失模型是關(guān)鍵?，F(xiàn)有鉆井液漏失數(shù)學(xué)模型主要以單裂縫漏失預(yù)測為基礎(chǔ)，與漏層實際情況相差較大，三維復(fù)雜裂縫條件下漏失壓力和裂縫寬度計算模型研究尚屬空白；現(xiàn)有統(tǒng)計學(xué)模型以鄰井的鉆井資料和防漏堵漏數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，屬于經(jīng)驗型預(yù)測模型。兩種模型的地層漏失壓力和裂縫尺度預(yù)測精度不高，計算結(jié)果對現(xiàn)場指導(dǎo)性不強，難以推廣應(yīng)用[15]。

2 鉆井液堵漏機理研究進展

鉆井液堵漏機理研究分為基于巖石力學(xué)假設(shè)建立的理論堵漏機理與基于實驗的物理模擬堵漏機理，主要包括應(yīng)力籠理論、裂縫封堵機理與隔斷封堵機理等。

2.1 應(yīng)力籠理論

Aston等[16]提出的應(yīng)力籠理論認為，可以通過調(diào)控井周切向應(yīng)力場和裂縫尖端應(yīng)力場，建立井筒液柱壓力與地應(yīng)力場的平衡來控制鉆井液漏失。堵漏材料進入裂縫后，在裂縫入口附近形成堵塞隔層，阻擋鉆井液壓力和流體介質(zhì)的傳遞，增加環(huán)向應(yīng)力，形成應(yīng)力籠，進而提高地層的承壓能力。井筒壓力增加時，增加的環(huán)向應(yīng)力可以阻止裂縫開啟或產(chǎn)生新的誘導(dǎo)裂縫。強化應(yīng)力籠的關(guān)鍵在于短時間內(nèi)要在裂縫中形成滲透性極低的致密封堵層[17]。

2.2 裂縫封堵機理

①提高裂縫閉合應(yīng)力封堵機理：認為堵漏材料必須在裂縫內(nèi)部沉積，同時隔離裂縫尖端，提高裂縫閉合應(yīng)力，進而提高地層承壓能力。堵漏材料進入裂縫后快速堆積形成封堵層，提高裂縫閉合應(yīng)力，同時隔斷裂縫尖端與入口，封堵層后的流體濾失至周圍巖石的孔隙中，顯著降低裂縫尖端的壓力[18]。

②控制裂縫尖端延伸封堵機理：是指使用堵漏材料隔離裂縫尖端，阻止鉆井液向裂縫尖端傳遞壓力，提高裂縫破裂壓力，阻止裂縫延伸[19]。當鉆井液在地層漏失時，堵漏材料在裂縫尖端附近形成致密封隔層，阻止壓力波傳播，防止裂縫產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫。在高滲透地層裂縫尖端封堵容易形成，在低滲透地層裂縫尖端封堵不易形成?？刂屏芽p尖端延伸所選用的堵漏材料粒徑需有較寬的分布范圍。

2.3 隔斷封堵機理

隔斷封堵機理是指在地層溫度、壓力、流體等環(huán)境誘發(fā)下，堵漏材料發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，在裂縫中形成高強度結(jié)構(gòu)體，隔斷井筒和地層兩個壓力系統(tǒng)，提高地層承壓能力[20]。采用隔斷封堵機理提高地層承壓能力的效果取決于材料在環(huán)境中的自適應(yīng)能力及結(jié)構(gòu)體強度、反應(yīng)時間和穩(wěn)定性等，材料主要為聚合物凝膠類、可固化類等，適用于滲透性—裂縫性漏失地層。

雖然國內(nèi)外在堵漏機理研究方面取得了一定進展，同時開展了現(xiàn)場試驗并取得了一定效果。但裂縫性地層堵漏機理總體上仍不完善：①大多數(shù)理論只是定性認識而不是定量計算；②基于巖石力學(xué)的應(yīng)力籠理論、裂縫封堵機理以及基于實驗的隔斷封堵機理適用于高滲透性以及中小裂縫發(fā)育的漏失地層，但在大裂縫發(fā)育的惡性漏失地層適用性較差；③主要針對剛性顆粒材料的堵漏機理進行研究，對于柔性材料堵漏機理研究較少，尤其是三維裂縫防漏堵漏材料的運移、充填、堵塞等機理研究有待深入，關(guān)于柔性或復(fù)合型材料在三維裂縫內(nèi)的堵漏機理目前國內(nèi)外均尚未開展深入研究。因此，目前堵漏機理在指導(dǎo)承壓堵漏技術(shù)研發(fā)及現(xiàn)場施工時存在較大限制，惡性井漏現(xiàn)場施工盲目性大，堵漏效果不理想。

3 堵漏材料及作用機理研究進展

堵漏材料是堵漏技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者相繼研發(fā)了橋接類、高失水類、吸液（水、油）膨脹類、柔性凝膠類、可固化類等多種類型堵漏材料，并探究了不同類型堵漏材料對裂縫的堵漏機理。近年來，智能材料受到了國內(nèi)外學(xué)者的日益關(guān)注，開展了智能堵漏材料的基礎(chǔ)研究工作。

3.1 橋接類堵漏材料及作用機理

橋接類堵漏材料是由顆粒狀、纖維狀、片狀等惰性材料按照一定的質(zhì)量比和粒度級配形成的復(fù)合堵漏材料。常用的橋接材料有核桃殼、碳酸鈣、纖維、云母片等。橋接堵漏材料主要通過在漏失通道內(nèi)架橋、拉筋、堆積、填充等作用，形成致密的封堵層，具有對鉆井液流變性影響小、成本低廉、操作簡單等優(yōu)勢，現(xiàn)場應(yīng)用廣泛，適用于滲透性或漏失不嚴重的地層，在鉆井液堵漏中具有十分重要的地位。Amanullah[21]采用椰棗核研發(fā)了系列橋接顆粒狀堵漏材料ARC，對縫寬2 mm裂縫的封堵承壓能力達8 MPa以上；康毅力等[22]評估了包括剛性顆粒、彈性顆粒和纖維在內(nèi)的不同類型橋接材料單獨及協(xié)同使用時對毫米級裂縫的堵漏效果，實驗結(jié)果表明“剛性+彈性+纖維”復(fù)合橋接材料對于毫米級裂縫具有最佳堵塞效果，對縫寬 2 mm裂縫最高承壓封堵能力達到13 MPa。

但是常用橋接堵漏材料存在以下不足：①橋接材料粒徑與地層漏失通道尺寸的匹配性差；②橋接材料在漏失通道內(nèi)架橋堆積，在壓差作用下形成壓實堆積體，其堆積強度在中小尺度漏失通道中容易形成，但是由于重力沉降、縫內(nèi)沖刷等因素的影響，在裂縫寬度較大、縱向延伸較高的大裂縫，尤其是溶洞中不易駐留，導(dǎo)致封堵層承壓能力低，易重復(fù)漏失。

3.2 高失水類堵漏材料及作用機理

高失水類堵漏材料是由硅藻土、滲濾性材料、惰性材料等按一定比例配成的堵漏材料。該類堵漏材料進入地層裂縫后，在地層壓力與鉆井液液柱壓力的壓差作用下迅速失水，固相組分聚集變稠迅速形成薄膜或濾餅，封堵裂縫漏失通道。雪佛龍菲利普斯公司研發(fā)的DiasealM堵漏材料、狄賽爾（DSL）堵漏劑等都是典型的高失水堵漏材料。侯士立等[23]以不同粒級的多微孔、針狀的天然礦粉作為主體材料，以無機纖維作為懸浮材料，以方解石顆粒作為架橋材料，以束狀單絲合成纖維和立體網(wǎng)狀合成纖維作為纖維材料，復(fù)配組成了一種高失水、高承壓、高酸溶的堵漏材料FPA，單獨使用時對縫寬1.0 mm裂縫的最高承壓封堵能力達7 MPa。高失水類堵漏材料使用方便、見效快、成功率高，適用于漏速不大的滲透性與微小裂縫性漏失地層堵漏，但是對惡性漏失的堵漏效果有待進一步提高。

3.3 吸液膨脹類堵漏材料及作用機理

吸液膨脹類堵漏材料是由具有吸水、吸油性質(zhì)的材料單獨使用或與其他堵漏材料復(fù)配形成的堵漏材料，如親油樹脂顆粒、預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒等。吸液性堵漏材料在井筒與地層壓差作用下擠入裂縫后吸水（油），利用分子間范德華力（或氫鍵）、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)滲透壓將水或油分子吸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而引起體積膨脹，形成具有良好彈性的充填層。

王平全等[24]研發(fā)了一種成本低、強度高、吸水倍率高的高吸水性凝膠顆粒，室溫下的吸水倍率達到137 g/g，高滲透砂床堵漏承壓能力可達3.0 MPa以上；劉文堂等[25]研發(fā)了一種與油基鉆井液配伍性良好的納微米級可變形球狀吸油凝膠，可隨鉆封堵微孔和微裂縫，防止或減少油基鉆井液漏失；Hashmat等[26]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨使用體膨型凝膠顆粒相比，將體膨型凝膠顆粒與剛性顆粒、纖維、黏土復(fù)配使用，可明顯改善裂縫的承壓堵漏效果。

吸液膨脹類堵漏材料具有膨脹堵塞和良好的變形性等優(yōu)點，不受漏失通道形狀和尺寸的影響，解決了傳統(tǒng)橋接堵漏材料、高失水堵漏材料無法解決的自適應(yīng)堵漏問題，適用于孔隙性、裂縫性漏失地層，但是其吸液延時效果和抗溫性能較差，對大裂縫或溶洞性惡性漏失地層的堵漏適用性較差。

3.4 柔性凝膠類堵漏材料及作用機理

與其他類型堵漏材料相比，柔性聚合物凝膠堵漏材料由于具有良好的受壓可變形性，可自適應(yīng)進入不同尺度漏失通道而不受其形態(tài)限制，容易在漏失通道內(nèi)形成高強度封堵，是一種適用于不同尺度漏失通道的堵漏材料[6]，主要分為交聯(lián)成膠型凝膠和非交聯(lián)型凝膠兩種。

交聯(lián)成膠型凝膠是指將聚合物（或單體）、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等以水溶液形式注入到井下漏失通道中，在地層環(huán)境下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成黏彈性凝膠體，進而封堵漏失通道。交聯(lián)成膠型凝膠主要使用未水解或部分水解聚丙烯酰胺與有機鉻、酚醛樹脂等交聯(lián)劑反應(yīng)，制備成膠時間和成膠強度可調(diào)的聚合物凝膠體系，可用于不同類型地層堵漏。非交聯(lián)型凝膠主要是通過帶有特殊官能基團的高分子鏈間的相互纏繞或締合作用形成凝膠結(jié)構(gòu)。聶勛勇等[27]研發(fā)的ZND型特種凝膠是最具代表性的非交聯(lián)型凝膠堵漏材料，在水溶液中聚合物大分子鏈通過分子間疏水締合作用自發(fā)聚集，形成可逆的動態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以充滿漏失裂縫，形成能隔斷地層內(nèi)部流體與井筒流體的“凝膠段塞”，從而達到堵漏的目的。

與聚合物凝膠堵漏材料研發(fā)同步，國內(nèi)外學(xué)者開展了聚合物凝膠裂縫堵漏機理研究工作，提出了針對裂縫性惡性漏失的“隔斷式凝膠段塞堵漏機理”，其核心是裂縫中凝膠應(yīng)當“流得進、沖不稀、停得住、排得開、填得滿、隔得斷、抗得住”。Ivan等[28]認為交聯(lián)聚合物凝膠可在裂縫內(nèi)形成具有足夠強度的承壓封堵層，防止裂縫的壓力傳播和誘導(dǎo)擴展，進而分隔開高壓井筒和低壓地層。Sweatman等[29]研究表明，凝膠段塞中存在的從井筒至地層的壓降，使得作用在裂縫尖端的壓力降低，可防止裂縫擴張。因此，強化凝膠自身以及與裂縫壁面之間的膠結(jié)強度，可達到降低縫尖端壓力，預(yù)防裂縫擴張的目的。

聚合物凝膠堵漏材料目前主要存在兩個問題：①抗高溫性能普遍較差，高溫條件下長期穩(wěn)定性差，導(dǎo)致裂縫封堵無效或堵后復(fù)漏風險高；②常用聚合物凝膠的縫內(nèi)排液和駐留性能不佳，三維裂縫中凝膠的動態(tài)運移、展布充填規(guī)律不清，凝膠運移/充填與堵漏效果之間的關(guān)系不明確，堵漏機理尚不完善。

3.5 可固化類堵漏材料及作用機理

常用可固化材料是指由水泥、礦渣、石膏、石灰、硅酸鹽類等的混合物與激活劑等添加劑組成的堵漏材料。水泥是典型的可固化材料，可通過添加各種水泥漿外加劑和改善擠注工藝來提高水泥封堵效果，具有承壓能力強，處理嚴重漏失地層效果顯著等特點，主要堵漏原理為：將水泥漿泵送至井下漏層中一定時間后稠化凝固，形成具有高強度的固狀體，并與地層膠結(jié)為一體，從而達到封堵漏層的目的。

近年來中國學(xué)者研發(fā)了多種新式水泥，如快干水泥、膨脹水泥等，搭配高效的水泥速凝劑、緩凝劑，提高了水泥的使用范圍與作用效果，同時也提高了水泥堵漏的成功率。趙啟陽[30]結(jié)合橋漿堵漏和水泥漿堵漏方法的優(yōu)點，研制出一種新型觸變性可固化堵漏材料，主要堵漏原理為：強觸變性堵漏漿進入裂縫后流動阻力增大，漏失速率降低，惰性堵漏材料在縫口架橋堆積對裂縫進行暫堵，阻止了堵漏漿向漏層進一步流失，而后使進入裂縫的堵漏液在一定時間內(nèi)固化，將地層膠結(jié)在一起，提高地層承壓能力。

除水泥材料之外，貝克休斯公司研發(fā)了一種MAGNE-SET型可固化堵漏材料，主要原理是通過鎂、鈣氧化物的混合物與水發(fā)生反應(yīng)后生成高強度固結(jié)體，進而堵塞漏失通道。與其他堵漏材料相比，可固化堵漏材料具有較高的承壓封堵能力，固化時間易控制，價格低廉，配制和操作工藝簡單，適用于惡性漏失地層。但該材料容易被地層水稀釋，稀釋后固化強度低，固化時間和速率不易控制，施工安全風險高。

3.6 智能堵漏材料及作用機理

智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并且自我執(zhí)行的功能材料。該類材料可自主適應(yīng)各種復(fù)雜地層，力學(xué)性能優(yōu)異，可顯著提高堵漏效率，在鉆井液堵漏領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)研發(fā)了智能形狀記憶聚合物、智能凝膠、智能分子膜、智能仿生等堵漏材料。智能形狀記憶堵漏材料具有承壓能力強、自適應(yīng)架橋封堵、激活溫度可調(diào)等優(yōu)點，可適用于裂縫性漏失地層；智能凝膠堵漏材料具有自適能力強、配伍性好、耐沖刷能力強和良好的可降解性等優(yōu)點，可適用于封堵裂縫性和溶洞性漏失地層；智能分子膜與智能仿生堵漏材料對大孔道和微裂縫具有良好的封堵性能，且由于其獨特的生物可降解性，儲集層損害程度低，適用于高滲透性和微裂縫性漏失儲集層的隨鉆堵漏[31]。

目前鉆井液堵漏領(lǐng)域大多數(shù)智能材料仍處于基礎(chǔ)研究階段，在惡性漏失地層尚未開展現(xiàn)場試驗。在未來研究過程中，重點攻關(guān)：①通過固化技術(shù)提高智能形狀記憶材料的承壓強度；②提高自愈合、自膠結(jié)型智能凝膠材料在苛刻條件（如高溫等）下的適應(yīng)能力；③實現(xiàn)智能分子膜堵漏材料成膜厚度和成膜強度的雙提升，增強智能分子膜對漏失通道的適用能力；④架橋封堵、自適應(yīng)封堵和智能仿生封堵相結(jié)合，協(xié)同強化堵漏。

綜上，目前國內(nèi)外研發(fā)的堵漏材料種類繁多，典型的堵漏材料及其主要作用機理如表1所示，在一定程度上，不同類型堵漏材料均取得了較好的應(yīng)用效果，但仍存在不足之處：①橋接堵漏材料配方復(fù)雜，形成的封堵層與裂縫壁面膠結(jié)強度弱，易受壓力波動等因素影響導(dǎo)致返吐；②高失水堵漏材料配方復(fù)雜，失水速率難以控制，解堵困難，水敏地層適用性差；③吸液膨脹類堵漏材料的吸液速率難以控制，吸液后材料強度不足，抗溫性能普遍較差；④常規(guī)聚合物凝膠類堵漏材料的抗溫、抗鹽能力普遍較低，長期封堵穩(wěn)定性差；⑤水泥類固化材料抗鉆井液和地層水稀釋能力差，固化時間難以控制，施工安全風險高；⑥智能堵漏材料目前尚處于基礎(chǔ)研究階段，其作用機理仍需進一步完善，材料的適用性尤其是在深層高溫復(fù)雜地層的適用性尚需進一步提高。

表1 典型堵漏材料及其主要作用機理

目前采用水泥、凝膠或復(fù)合堵漏材料可在一定程度上解決裂縫性地層的井漏難題，但是上述材料處理惡性井漏的一次堵漏成功率普遍較低，缺乏高效堵漏材料。目前油基鉆井液常用的堵漏材料多親水，專用堵漏材料種類少，針對油基鉆井液惡性井漏的高承壓堵漏材料稀缺。

隨著材料學(xué)科理論與技術(shù)的發(fā)展，智能材料在多個行業(yè)，尤其是在醫(yī)藥學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域得到越來越多的研究和應(yīng)用，將會對鉆井液智能化堵漏理論與技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生革命性的推動作用。

4 堵漏工藝及應(yīng)用研究進展

針對裂縫性地層惡性井漏難題，目前已形成多種類型堵漏工藝。根據(jù)所使用堵漏材料的類型，主要分為橋接堵漏、凝膠堵漏、水泥堵漏、復(fù)合材料堵漏和機械堵漏等工藝。

4.1 橋接堵漏工藝及應(yīng)用

橋接堵漏是目前使用最廣泛的堵漏工藝之一，其材料來源廣泛、價格優(yōu)廉，現(xiàn)場配制和施工難度低，但對材料粒徑和裂縫尺度的匹配性要求高，施工時易發(fā)生“縫口封門”或“封內(nèi)流失”現(xiàn)象，后續(xù)鉆進時易發(fā)生返吐、復(fù)漏。

新疆油田中拐—瑪南地區(qū)通過對橋接材料粒子形狀、尺寸、強度的合理優(yōu)選匹配，研制了裂縫性地層承壓堵漏鉆井液體系，對寬度1～3 mm裂縫的承壓封堵能力達7 MPa以上[32]。針對橋接顆粒粒徑與裂縫尺度不易匹配的難題，張沛元[33]提出了橋接材料的粒徑由細到粗、濃度由低到高的邊配邊注“漸進法”橋接堵漏工藝，有利于堵漏材料進入裂縫形成橋塞，避免“封門”現(xiàn)象發(fā)生，提高了堵漏成功率，現(xiàn)場施工 6口井、7井次，堵漏成功率100%。

4.2 凝膠堵漏工藝及應(yīng)用

對于大裂縫、溶洞性漏失地層，橋接、高失水等堵漏材料在其中很難滯留形成封堵層，聚合物凝膠具有強變形和滯留特征，可以克服顆粒類材料的缺陷，達到理想堵漏效果。

基于隔斷式凝膠段塞堵漏機理，在長慶油田和川東北地區(qū)30余口井采用ZND型特種凝膠段塞配合水泥漿封口段塞進行現(xiàn)場堵漏試驗，效果良好；具有噴漏同層地質(zhì)條件的雙廟1井和羅家2井也取得了巨大成功，采用凝膠段塞堵漏技術(shù)處理惡性井漏取得了重要突破[34]。Lecolier等[35]基于研發(fā)的交聯(lián)聚合物堵漏劑（CACP），結(jié)合纖維、剛性顆粒等形成了固相顆粒強化凝膠段塞堵漏技術(shù)，在路易斯安那、伊朗北部的惡性漏失井取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。貝克休斯公司研發(fā)了一種氧化鎂基觸變性無機凝膠堵漏材料MAX-LOCK，并基于地層漏速、漏層溫度、漏失通尺寸等因素優(yōu)化了MAX-LOCK凝膠的凝結(jié)時間，形成了專門用于處理碳酸鹽巖井漏地層的MAX-LOCK凝膠堵漏技術(shù)，在中東碳酸鹽巖惡性漏失井的堵漏效果良好，并獲得2019年度世界石油技術(shù)大獎最佳油田流體與化學(xué)品獎，同時獲得2019年MEA最佳鉆井液/增產(chǎn)技術(shù)獎。

4.3 水泥堵漏工藝及應(yīng)用

水泥堵漏工藝是指將配制好的水泥漿泵入井筒，在壓差作用下水泥漿進入漏失通道，在地溫作用下水泥漿固化形成封堵體，形成對裂縫的高強度封堵。水泥漿固化封堵體的承壓能力高，與地層膠結(jié)強度大，目前在惡性井漏現(xiàn)場使用較多。

哈里伯頓公司研發(fā)了“一袋式”堵漏技術(shù)，即使用攜帶液將裝有可膨脹水泥的不同尺度堵漏袋定點放入井下溶洞或大裂縫內(nèi)，水泥膨脹并脹開堵漏袋后發(fā)生固化反應(yīng)生成水泥固結(jié)體，封堵漏失通道，控制惡性井漏。該技術(shù)的承壓封堵能力高達20 MPa，可封堵裂縫寬度3～25 mm，并且具備良好的抗溫性能與穩(wěn)定性。南海西部鶯歌海盆地X構(gòu)造天然裂縫普遍發(fā)育，地層溫度最高204 ℃，地層壓力系數(shù)最高達到2.19，地層承壓能力低，安全密度窗口窄，鉆井過程中極易發(fā)生惡性井漏等復(fù)雜情況，采用“試擠清洗液+注擠水泥漿”間歇式擠水泥工藝進行高承壓堵漏10余井次，堵漏成功率達到100%，有效提高了鶯歌海盆地X構(gòu)造超高溫、高壓井段地層的安全順利鉆進[36]。

4.4 復(fù)合材料堵漏工藝及應(yīng)用

復(fù)合材料堵漏工藝是指將多種堵漏材料進行復(fù)配或分成前后段塞使用，尤其是使用高密度鉆井液體系鉆進高壓且窄密度窗口地層時，地層極易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)致鉆井液漏失，復(fù)合材料堵漏可充分發(fā)揮不同類型堵漏材料的優(yōu)勢，達到良好的堵漏效果。目前使用的主要復(fù)合段塞方式有橋塞+可固化、橋塞+高失水、凝膠+水泥等。

普光氣田明 1井鉆至灰?guī)r地層時發(fā)生惡性漏失，地層承壓能力有限，首先使用高強度、耐浸泡的橋塞材料與交聯(lián)固結(jié)劑混配成交聯(lián)成膜堵漏漿，而后使用采用納微米級顆粒且?guī)д姾傻目晒袒牧吓渲瞥苫瘜W(xué)固結(jié)堵漏漿，最后采用注入交聯(lián)成膜堵漏漿與化學(xué)固結(jié)堵漏漿段塞的承壓復(fù)合堵漏工藝提高地層的承壓能力，后續(xù)鉆井過程中承壓堵漏井段未再發(fā)生復(fù)漏[37]。針對鶯瓊盆地高溫、高壓、窄安全密度窗口（小于0.10 g/cm3）地層，韓成等[38]研發(fā)了密度為2.30 g/cm3的高密度“橋塞+高失水”復(fù)合堵漏技術(shù)，將地層安全密度窗口提高至0.16 g/cm3，鉆井效率大幅提高。

4.5 機械堵漏工藝及應(yīng)用

根據(jù)使用的堵漏工具不同，常用的機械堵漏工藝主要有膨脹波紋管和旁通閥堵漏等。

膨脹波紋管是對圓形管材進行冷壓處理，使圓管徑向發(fā)生塑性變形、截面形狀呈波紋狀，波紋管在液壓作用下具有擴張恢復(fù)成圓管的特性。波紋管堵漏工藝利用這一特性，將波紋管下入預(yù)定井段，在井下通過液壓或機械的方法脹管，使其截面形狀變?yōu)橹睆捷^大的圓管緊貼在井壁上，達到封堵地層裂縫的目的。吐哈油田 L7-71井鉆井過程中先后漏失鉆井液超過1 000 m3，進行6次堵漏，歷時近20 h未能見效，采用長62.5 m膨脹波紋管在2 451.0～2 513.5 m地層段實施封堵成功[39]。

為了解決在深井和超深井發(fā)生井漏時頻繁提鉆更換堵漏鉆具、延長非生產(chǎn)作業(yè)時間、嚴重影響鉆井時效問題，國外 DSI（Drilling Systems International）、貝克休斯、XDT（X Drilling Tools）、國民油井華高等公司研發(fā)了多種“井口投球式”和多次激活式堵漏旁通閥工具，通過投入特種材料的開孔球堵塞工具內(nèi)孔，依靠憋壓推動內(nèi)部滑套完成開孔動作，再投入關(guān)孔球關(guān)閉工具側(cè)面的旁通孔，實現(xiàn)不起鉆堵漏作業(yè)，降低井控風險并縮短鉆井周期。但存在單次入井開關(guān)次數(shù)有限、開關(guān)對堵漏作業(yè)時的排量和泵壓等參數(shù)精度要求高等問題[40]。

綜上，國內(nèi)外惡性漏失地層堵漏工藝研究在許多方面有了突破性進展，同時現(xiàn)場實踐結(jié)果表明，水泥、凝膠以及復(fù)合堵漏工藝處理裂縫性漏失井況的成功率較高，多次重復(fù)堵漏成功率也較高，但是存在堵漏周期長，一次堵漏成功率低，成功堵漏方法難以復(fù)制的難題。

5 惡性井漏堵漏技術(shù)發(fā)展展望

井漏（尤其是裂縫性地層惡性井漏）具有突發(fā)性和復(fù)雜性特征，揭示鉆井液漏失機理，研發(fā)專用堵漏材料，建立強適用性堵漏工藝，形成高效堵漏技術(shù)，提高裂縫性地層一次堵漏成功率，是鉆井工程領(lǐng)域研究和實踐的重點之一。國內(nèi)外在鉆井堵漏研究和實踐上積累了大量經(jīng)驗：在堵漏材料和方法上經(jīng)歷了由單一向多元化方向發(fā)展；在堵漏材料配方設(shè)計及施工工藝上經(jīng)歷了由最初的盲目性到經(jīng)驗性、再到初具科學(xué)性方向發(fā)展；在漏點檢測、機械堵漏工具研發(fā)上也進行了有利探索。目前裂縫性地層堵漏效果進步顯著，基本滿足少量和中等漏失地層的安全、高效、經(jīng)濟鉆井的需求。

盡管近年來堵漏技術(shù)的進步促進了堵漏成功率的進一步提高，但惡性漏失地層的堵漏效果仍不理想，尤其是大尺度裂縫和溶洞發(fā)育地層，在鉆井液漏失和堵漏機理、堵漏材料自適應(yīng)滯留和充填性能、堵漏材料高溫穩(wěn)定性能、堵漏材料和工藝的信息化和智能化等方面仍需開展深入研究。

總而言之，未來裂縫性惡性漏失地層堵漏技術(shù)的主要研究方向包括 5個方面。①注重鉆井液漏失和堵漏機理研究：不同地層的鉆井液漏失及堵漏機理不明確，堵漏技術(shù)的科學(xué)指導(dǎo)性不強，未來應(yīng)重點研究鉆井液漏失和堵漏機理。由于地質(zhì)條件不同，主要漏失通道存在很大差異，進行堵漏作業(yè)時需要根據(jù)漏失通道以及儲集層物理化學(xué)性質(zhì)的不同優(yōu)選堵漏材料。鉆井液漏失和堵漏機理的研究是堵漏技術(shù)的基礎(chǔ)，未來應(yīng)加強機理研究，明確不同地層、不同尺度漏失通道中鉆井液的漏失規(guī)律，從力學(xué)平衡、漏失通道、封堵方式等方面揭示漏失通道的堵漏機理和原則，為科學(xué)選擇堵漏材料及配方、堵漏方法和工藝提供依據(jù)。②注重自適應(yīng)堵漏材料研發(fā)：常規(guī)堵漏材料形態(tài)與復(fù)雜尺度裂縫的自適應(yīng)配伍性能差，在天然（誘導(dǎo)）裂縫發(fā)育的地層，裂縫尺度復(fù)雜且誘導(dǎo)敏感性強，常規(guī)橋接堵漏材料的粒徑、水泥及凝膠堵漏材料的固化時間難以與裂縫（尤其是動態(tài)誘導(dǎo)裂縫）尺度相匹配，易在漏失層井壁或在裂縫入口處形成“封門”現(xiàn)象，后續(xù)鉆井時易返吐，復(fù)漏風險高。未來應(yīng)根據(jù)漏失和堵漏機理，確定堵漏材料與裂縫漏失通道的級配關(guān)系，研發(fā)具有裂縫空間形態(tài)自適應(yīng)特性的堵漏材料。③注重三維裂縫空間強駐留、強充填堵漏材料的研發(fā)：三維裂縫中堵漏材料駐留能力弱，充填堵塞程度低，大裂縫、溶洞等漏失通道縱向尺度大，在重力、密度等因素影響下，常規(guī)堵漏材料在縱向漏失空間中駐留能力弱，難以實現(xiàn)對漏失空間的有效全充填，堵漏效果不佳。未來應(yīng)基于漏失通道參數(shù)和堵漏材料物理化學(xué)特征，研發(fā)具備裂縫空間強駐留強充填特征的高效堵漏材料，明確其自適應(yīng)展布充填規(guī)律，增強其在漏失通道中的駐留和充填程度，改善漏失通道封堵效果，提高堵漏施工成功率。④注重抗高溫堵漏材料研發(fā)：堵漏材料的抗高溫能力不足，長期封堵穩(wěn)定性差，在深層、高溫井的使用中受限。深層油氣是未來中國油氣資源勘探開發(fā)的重點對象之一，與中淺層相比，深層鉆井過程中普遍面臨著高溫環(huán)境，要求堵漏材料具有良好的抗溫性能。常用堵漏材料的抗溫低于140 ℃，高溫長期穩(wěn)定性較差，對深層裂縫漏失空間“堵不牢”，后期易發(fā)生復(fù)漏。加強材料的抗高溫機理研究，研發(fā)抗溫性能良好的堵漏材料，才能保證深層高溫漏失地層的長期封堵效果。⑤注重發(fā)展大數(shù)據(jù)、智能化堵漏技術(shù)：目前惡性井漏堵漏技術(shù)經(jīng)驗性強，缺乏堵漏分析和評價專家系統(tǒng)，智能化程度不高。國內(nèi)惡性漏失地層堵漏技術(shù)主要是依賴相似井況或鄰近漏失井的堵漏處理經(jīng)驗，缺乏堵漏技術(shù)的科學(xué)優(yōu)選和評價專家系統(tǒng)，無統(tǒng)一的堵漏工藝規(guī)范。開展一體化、智能化堵漏技術(shù)研究，首先建立重點區(qū)塊堵漏數(shù)據(jù)庫，形成具有廣泛適用性的堵漏分析和評價專家系統(tǒng)；其次強化智能化堵漏材料和方法的基礎(chǔ)研究，促進堵漏技術(shù)向數(shù)據(jù)化和智能化方向發(fā)展。2020年中國石油天然氣集團有限公司正式設(shè)立重大工程技術(shù)現(xiàn)場試驗項目“惡性井漏防治技術(shù)與高性能水基鉆井液現(xiàn)場試驗”，將研發(fā)智能化堵漏材料及工具、建立井漏綜合大數(shù)據(jù)庫、構(gòu)建防漏堵漏遠程判斷及輔助決策專家系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)列為研究重點，并設(shè)立了現(xiàn)場應(yīng)用目標。未來在國家油氣重大專項、國家重點研發(fā)計劃以及大型石油公司等層面的支持下，智能化堵漏技術(shù)及裝備將取得長足發(fā)展，實現(xiàn)惡性井漏的高效綜合治理。

6 結(jié)語

隨著油氣勘探開發(fā)向深層—超深層、非常規(guī)、低品位等油氣資源領(lǐng)域拓展，裂縫（縫洞）性地層惡性井漏是鉆井過程中最常見且最難以治理的井下復(fù)雜事故之一，目前國內(nèi)外在鉆井液漏失機理、堵漏機理、堵漏材料、堵漏工藝研究等方面均取得了一定進展，但現(xiàn)有技術(shù)均尚未有效解決裂縫性地層惡性井漏難題。未來，惡性漏失地層承壓堵漏技術(shù)應(yīng)綜合地質(zhì)、工程、材料等學(xué)科開展一體化研究與實踐，深入完善漏失和堵漏機理研究，強化堵漏材料與堵漏工藝對漏失地層的適應(yīng)性；注重智能堵漏材料和專家數(shù)據(jù)庫的研究與開發(fā)，構(gòu)建智能化堵漏系統(tǒng)，進而提高惡性井漏堵漏技術(shù)水平，實現(xiàn)裂縫性惡性漏失地層“高效、安全、經(jīng)濟”鉆井，加快油氣勘探開發(fā)進程。