长宁页岩气表层防漏治漏技术研究

万夫磊

(1国家能源页岩气研发(实验)中心 2川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

长宁页岩气区块地表地形复杂，属于典型的喀斯特地貌，表层钻井常遇到：井位临近水源区、地表易漏、表层裂缝和岩溶发育、钻遇地下暗河等问题，表层钻井作业井漏复杂普遍发生，一定程度上制约了页岩气钻井成本，且易污染周边环境[1-3]。因此有必要开展该区表层钻井井漏研究，分析评价井漏情况及治漏效果，以针对性的提出防漏治漏措施。

一、表层井漏情况统计分析

统计分析了2011～2017年的长宁区块页岩气86口井表层(飞仙关组及以上地层)发生的井漏。86口井中，共有56井发生明显井漏，占比65.1%，累计井漏156次。其中73口采用过清水或钻井液钻井，发生明显井漏的有48口，占比例65.8%，发生井漏120次；36口井实施了气体钻井，有29口井气体钻井中发现明显井漏，占比78.4%，发生井漏36次。

1.漏失地层分析

发生井漏的井中，出露层为须家河、嘉陵江、自流井为主。出露层为须家河组的井占比41.1%，嘉陵江组占比32.1%，自流井组占比21.4%，雷口坡组占比3.6%。

井漏主要发生在须家河、嘉陵江组。其中须家河组漏失75次，占比48.1%，嘉陵江组51次，占比32.7%，雷口坡组16次，占比10.3%。须家河组井漏发生的平均井深为82.8 m，雷口坡组井漏发生平均井深为196.7 m，嘉陵江组发生井漏平均井深为311 m，飞仙关组发生井漏平均井深为794 m。按井深统计漏失，0～200 m发生井漏的次数最多，占比60.9%，其次为200～500 m，占比23.7%，500～1 000 m占比15.4%。并且0～200 m的平均漏失量最多，平均漏失清水863 m3，平均漏失钻井液362 m3，500～1 000 m的漏失量清水量也较多，平均漏失清水765 m3，平均漏失钻井液156 m3。

2.漏失类型分析

按漏速划分，156次井漏中，有漏速数据的井漏有132次。漏失以中漏、大漏和严重漏失为主。中漏及以上漏失占比82.6%，其中严重漏失占比57.6%。

按漏失通道划分，漏失类型分为渗透性漏失、裂缝性漏失、溶洞性漏失，漏速<10 m3/h的为渗透性漏失，10～100 m3/h的为裂缝性漏失，100 m3/h以上的为溶洞性漏失。统计漏速发现，该区渗透性漏失10次，裂缝性漏失49次，溶洞性漏失75次。长宁页岩气表层井漏主要以溶洞和裂缝漏失为主。溶洞性漏失占比57.6%，裂缝性漏失占比34.8%，渗透性漏失8.3%。由此可见，须家河组、嘉陵江组、雷口坡组和飞仙关组各层漏失均主要为裂缝性漏失和溶洞性漏失，须家河组溶洞性漏失占比60.7%，裂缝性漏失占比32.8%；嘉陵江组溶洞性漏失占比51.9%，裂缝性漏失占比38.5%；雷口坡组溶洞性漏失占比53.8%，裂缝性漏失占比38.5%；飞仙关组裂缝性漏失和溶洞性漏失各占50%。

二、现有防漏治漏技术评价分析

长宁区块井漏后主要的处理方式有：注水泥、随钻堵漏、填充物+水泥、凝胶+水泥、桥浆+水泥、气体钻井等。

(1)注水泥堵漏方式是长宁区块最常用、使用次数最多的堵漏方式，其总体一次治漏成功率平均为63.5%，在裂缝性漏失中的一次治漏成功率为66.7%，而在溶洞性漏失的一次治漏成功率仅为59.5%。分析发现，利用注水泥堵漏的方式存在效率低，耗时较长的问题。

例如：NH4-3井嘉陵江组井漏6次，注水泥堵漏6次，耗时17 d；NH11-3钻进至井深514.89 m出口失返，反复注水泥浆堵漏、候凝、钻塞、用清水强钻至542.48 m暂堵使用桥塞堵漏浆堵漏3次，注水泥堵漏13次(快干水泥6次)，注智能凝胶堵漏1次，注3H高桥堵漏浆1次均未堵漏成功，水泥封井暂堵，耗费周期64 d。

(2)随钻堵漏应对渗透性漏失效果较好，一次治漏成功率83.3%，但在裂缝性漏失和溶洞性漏失中效果较差，该堵漏方式在渗透性漏失的成功率仅为37.5%，在溶洞性漏失中实施堵漏1次未成功。因此，随钻堵漏主要适用于漏速较小的井漏，当漏速>20 m3/h，使用随钻堵漏效果差。

(3)在漏速较大的井漏中，使用核桃壳、砂石、砖块、蛇皮袋、棉被、棕垫等固体填充物配合注水泥的方式，将裂缝或溶洞等漏失通道堵塞，阻止或降低钻井液漏失，在裂缝性井漏中使用成功率为80%，成功率较高；在溶洞性漏失中治漏成功率为66.7%。综合治漏成功率为71.43%。但在一些井使用固体填充物堵漏过程中，堵漏效率较低，堵漏周期长，例如在H11-3井钻至542.89 m(嘉陵江组)发生井漏，注水泥堵漏无效，改用投棕垫、编织袋、碎石等填充物堵漏仍然无效，后采用清水强钻至612.45 m再转气体钻，耗时15 d。

(4)溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体，这样一种特殊的分散体系称作凝胶。凝胶堵漏的作用机理有：架桥堵塞作用、膨胀堵塞作用、化学胶结作用。胶结剂能将桥堵材料同地层胶结成整体，增强井壁的抗破能力[2-4]。

在长宁区块使用凝胶堵漏主要应对裂缝性漏失和溶洞性漏失，在裂缝性漏失中，凝胶堵漏治漏成功率为80%，但在溶洞性井漏的治漏成功率仅为37.5%，成功率较低。凝胶堵漏综合治漏成功率为53.8%。凝胶堵漏主要应用于裂缝性漏失和溶洞性漏失，在裂缝性漏失中，凝胶堵漏治漏成功率为80%，但在溶洞性井漏的治漏成功率仅为37.5%，成功率较低，综合治漏成功率为53.8%。

(5)桥浆堵漏在长宁区块使用较少，主要出现在裂缝性漏失中，但成功率仅为57.1%。

(6)气体钻井技术是目前该区块表层井漏治漏的最有效技术，不仅能较好应对井漏，避免环境污染，还能提高钻速。

但是由于气体钻井本身的特点，在易垮、产水量大等地层实施存在一定困难。在本区易垮、产水量大等地层实施气体钻井主要存在易阻卡、携砂困难等难题。部分井在使用气体/雾化钻井时，存在蹩卡严重、划眼困难等问题，被迫转为清水钻进或充气钻进，多次注水泥补壁，多下套管封固垮层；NH7-X井空气雾化钻进至井深650 m，短起下，探得沉砂70 m，雾化钻进至井深737 m，起钻至井深507 m，反复震击、泡酸、活动钻具解卡。

三、高效防漏治漏技术

1.岩溶勘查效果评价

采用电法勘探监测地下暗河、岩溶，可以尽量避开易漏失的高风险区域，也可为钻井确定表层套管下深、钻井方式等提供参考，从源头上减少上部井段井漏及可能造成的环保影响[5]。

电法勘探是根据地壳中岩石的电磁学性质(如导电性、导磁性、介电性)和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。可使用高密度电法、可控源音频大地电磁法两种电法勘探方法探明获取长宁区块1 000 m以浅的地层视电阻率剖面图，并以此来预测断层破碎带、岩溶及暗河发育情况，为表层钻井提供地质依据。

图1为某平台的电法视电阻率反演剖面，部署多个勘探线，综合多个视电阻率反演剖面，可完整显示平台四周地层情况。如图1所示的高密度电法测线圈定出2处低阻异常，异常编号分别为G12及G13，推测为浅部裂隙发育、岩层较为破碎、含水引起；同时，音频大地电磁法视电阻率反演剖面显示，在埋深约100 m以浅视电阻率等值线变化急剧，不是完整基岩的电性反映；100～1 000 m深部地层整体视电阻率等值线分布均匀，无明显电性异常存在。综合两种电法勘探成果，可推测：平台下覆1 000 m以浅地层中，平台浅部岩层较为破碎，影响埋深约100 m以浅，钻井至此区域时，须做好防范措施，埋深100～1 000 m以浅地层视电阻率等值线较为均匀，未发现明显电性异常存在，钻遇岩溶可能性小。

图1 某平台高密度电法视电阻率反演剖面

2017年以来，长宁区块为预防和治理地表井漏问题，在多个平台开展了岩溶地质勘查工作，通过地质勘查预测出地表1 000 m内潜在的地下岩溶发育情况，为优化井身结构、优选钻井施工工艺提供依据，指导了钻井防漏工作。

根据岩溶勘查，某X井预测在井深260～300 m附近岩溶发育；某Y井预测在井深200 m以内岩溶发育，并在实钻中得到验证：实钻中，X井265～314 m多处井漏，最大漏速60 m3/h；750 m漏速6.9 m3/h；Y井73.8～178 m附近实施雾化钻井钻遇溶洞，出现失返。由此可见，岩溶勘查将为后期的井位部署、表层钻井预防井漏提供有效指导。但是，在多个岩溶勘查报告中提到，因井场已经水泥硬化，音频大地电磁法测量时无法进行电极罐的埋深，且水泥硬化路面有电性绝缘作用，因此井场区域无法进行音频大地电磁法的测量，将测线进行了向外调整(50 m左右)，多个音频大地电磁法测线并未通过井口，仅从井场周边进行测量，因此多次音频大地电磁法成果只是间接的对井口下方岩溶进行控制。此外，井场建设施工所用的钢筋会对瞬变电磁产生影响，也影响了岩溶勘查结果。因此，岩溶勘查工作在井位部署或井场建设之前开展，以进一步提高岩溶勘查准确率。

2.井身结构优化

2017年前，长宁地区主要采用2套井身结构。对于出露地层为非堆结体的普通山地井区，一开应下Ø508 mm套管至50～80 m,封固上部疏松易垮层，为气体钻井创造条件，二开Ø444.5 mm套管应下至嘉二1段，封固嘉陵江上部易漏层，Ø244.5 mm下入韩家店顶部，Ø139.7 mm套管完钻；对如长宁H13平台这样出露层为堆结体地层的井区，根据实钻垮、漏等必封点位置，在0～160 m上部井段，采用三层套管进行封固，Ø244.5 mm、Ø139.7 mm套管下入原则与普通山地井区相同[1,5]。

随着开发区域的不断扩大，井身结构在表层防漏治漏方面又面临了新的挑战。如某井井场为填方井场，上部地层疏松，且井场临近地表河流，根据井漏统计分析，结合岩溶勘查报告，优化将表层套管下入飞仙关顶，以封隔最易漏失的须家河组和嘉陵江组等上部地层。井身结构方案具体如下：一开钻进硬地层2～3 m，下Ø720 mm卷管，二开用Ø660.4 mm钻头钻至150～200 m，下Ø508 mm套管，封隔上部以上的严重漏失层，减少损害地表水的几率，三开用Ø406.4 mm钻头钻进飞仙关，将Ø339.7 mm套管下入飞仙关顶50 m，将嘉陵江组易漏地层完全封隔。设计开眼使用清水钻进，进入稳定地层后下Ø720 mm卷管，二开、三开实施空气/雾化钻井、清水钻井，并在飞仙关组采用清水钻井，以有效治理井漏，预防钻井液漏失造成环境污染。

因此，目前长宁区块针对普通山地、堆结体山地和极易损害地表水源山地三种不同地形优化形成了三套不同的井身结构方案。

然而，由于环境敏感带来的巨大环保压力，在新设计的井区大量使用极易损害地表水源的井身结构，将Ø508 mm套管下入较深，易造成钻井效率低和一定的成本增加。

因此，建议在平台的第一口井可将表层套管下入飞仙关顶部，若地质条件良好，可将Ø508 mm套管下如50～60 m，并将Ø339.7 mm表层套管下至嘉二1段。

3.清水强钻方式

清水强钻是以牺牲大量清水为代价，在井漏发生后保持清水循环并强行钻至固井井深下套管固井。使用清水钻井液钻进能强化循环液体携岩能力，确保井下安全。这种方式在易出水地层比气体钻井更具优势。实钻中采用大排量，提高大尺寸井眼的携砂能力，减少井下复杂。实现钻进、通井一趟钻，大大减少起下钻时间，实现快速钻进，实现了快防漏的快速钻进过程。嘉陵江、飞仙关地层含水，常规钻井需预防与处理出水情况，而用清水代替钻井液时，出现地层出水现象时，只需保持清水循环顺畅就能够继续钻进。在出水地层比气体钻井具有优势。当发生恶性漏失情况，需要用清水强钻，迅速下套管封固而后继续钻进[5-6]。

涪陵地区使用清水钻井技术，平均机械钻速、钻井周期等指标均比常规钻井和泡沫钻井优秀[5]。因此，清水强钻方式被认为是应对涪陵页岩气田表层漏失有效的手段。

但是，清水钻进也伴随着携屑携砂能力不强，沉砂沉屑较多容易造成卡钻等问题，针对这一问题制定了以下措施：

(1)尽可能増大泥浆泵的排量；加快接单根的速度；振动筛筛布使用160目，除砂器使用200目，有效地降低清水中的固相含量。

(2)清水钻进时向清水内加入一定量的聚丙烯酰胺钾盐和高黏来提高其悬浮携砂能力和包被能力。

(3)钻完进尺下套管前，配稠浆(加入少量土粉、高黏、大钾)洗井将井眼内岩屑清洗干净，保证下套管的顺利。

利用清水强钻需要满足水源充足、泵排量大于60 L/s的条件，确保岩屑流入缝洞中，防止沉砂卡钻，需要消耗大量水资源。因此，建议每个井区接通供水管线，以保障清水强钻作业用水。

4.表层套管钻井技术

套管钻井技术是指在钻进过程中，直接采用套管(取代传统的钻杆)向井下传递机械能量和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边下套管，完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用。套管钻井技术将钻进和下套管合并成一个作业过程，钻头和井下工具的起下在套管内进行，不再需要常规的起下钻作业。

表层套管钻井方式可改善大尺寸井眼段环空上返速度和井筒清洗状况；实现下套管与钻进同步进行，保证能把套管下入、实现封隔漏层，缩短完井周期，最大程度减少钻井液漏失对水源损害；表层套管钻井还可以采用气体钻井钻进，一旦出水转清水或钻井液钻进。结合气体钻井工艺提高机械钻速，若地层出水则采用清水钻进，对地层水不会产生损害。

因此，建议可在本区开展Ø339.7 mm表层套管钻井适用性试验。

四、结论及建议

(1)长宁区块表层井漏普遍存在且漏失严重，主要以溶洞和裂缝漏失为主，漏失主要发生在须家河、嘉陵江组。采用气体钻井方式可有效治理表层井漏，机械钻速较高，也存在携砂困难、易阻卡等问题；注水泥、随钻堵漏、固体填充物、凝胶、桥浆等表层堵漏技术在长宁表层裂缝型漏失和溶洞型漏失治理成功率不高。

(2)长宁区块开展岩溶勘查预测地下暗河、岩溶，并在实钻中得到验证。采用电法勘探监测地下暗河、岩溶，可以尽量避开易漏失的高风险区域，也可为钻井确定表层套管下深、钻井方式等提供参考，从源头上减少上部井段井漏及可能造成的环保影响，可为后期的井位部署、表层钻井预防井漏提供有效指导。

(3)目前已形成适合于极易损害地表水源山地、一般山地、堆积体山地地形3套井身结构，满足了长宁区块表层防漏治漏的需求。但新设计井大量使用极易损害地表水源的井身结构，Ø508 mm套管深下造成一些井表层钻井效率低、钻井周期长；建议根据岩溶勘查结果和井区第一口井实钻情况合理确定表层套管下深，以提高钻井效率，减少不必要的浪费。