裂缝性地层承压防漏堵漏钻井液技术室内研究

王富华，孙希腾，丁万贵，吴晓光，冯 力，徐延勇，于婉秋

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛266580；2.中联煤层气能源有限公司，北京100000；3.中澳煤层气能源有限公司，北京100101）

随着我国油气资源勘探开发区域逐渐扩展到开发难度高、地质特征复杂的区块，钻遇的裂缝性地层越来越多， 由于裂缝性地层井壁承压能力低，钻井过程中钻井液漏失严重。 国内外学者在地层漏失机理研究及堵漏技术方面已取得了大量成果［1-11］，对于裂缝性地层漏失机理及提高地层承压能力进行了大量研究。 本文在此基础上，针对LX区块裂缝性地层漏失严重、地层承压能力低的情况，分析了裂缝漏失机理， 提出了承压防漏堵漏技术对策，结合LX区块裂缝性漏失特点， 进行了堵漏材料优选、承压浆悬浮稳定性和承压堵漏性能实验，形成了一套承压堵漏剂配方。 为裂缝性易漏失地层扩大钻井液安全密度窗口、提高地层承压能力提供技术支持。

1 裂缝性地层漏失机理与防漏堵漏技术对策

1.1 裂缝性地层漏失机理

LX区块属于低压易漏失地层，地层压力系数在0.7～1.0之间，地层压力一般小于20 MPa，完钻井深在1 900～2 000 m之间。 LX区块已钻井的井漏事故情况表明， 表层漏失主要发生在延长组黄土层井段，由于地层胶结疏松、承压能力低、存在天然裂缝或诱导裂缝，一旦排量稍大，就会发生漏失，漏失通道迅速被漏失钻井液冲蚀变大，进而很快演变成失返性漏失。 其它层位的漏失主要发生在刘家沟组和石千峰组交界面、石千峰组以及石盒子组，漏失的主要原因也是地层承压能力低，地层存在天然裂缝或诱导裂缝。

地层被钻开后， 原来稳定的地应力状态被破坏，井周应力将沿井壁重新分布；同时，钻井液与地层热交换将引起井壁温度发生变化，进而在井壁产生不可忽略的温变附加应力［12-13］。

对于LX区块，最易发生漏失的地层往往有以下两种情况：

（1）黄土岩地层裸眼井段最低孔隙压力位置：黄土岩本身存在大量的微裂隙，地层压力有一定程度释放，地层孔隙压力降低，从而岩石骨架会承受更大的上覆岩层压力，加剧裂缝的产生，形成诱导性裂缝，出现漏失。 压力释放越大的位置，漏失风险越高，如延长组黄土层井段的表层漏失。

（2）岩性发生较大变化的交界面位置：漏失往往最易发生在不同岩性的交界面处，交界面处地层岩石强度特性发生较大的变化，砂岩的抗拉强度相对于泥岩出现较大幅度的降低，导致地层更容易出现拉伸破坏，从而发生漏失。 如刘家沟组和石千峰组交界面、石千峰组以及石盒子组的漏失。

1.2 裂缝性地层承压防漏堵漏技术对策

1.2.1 防漏堵漏压力条件

为了避免产生钻井液的漏失，漏失产生的三个必要条件——漏失通道、 正压差和固相颗粒尺寸中，至少要使其中的一个条件不能得到满足。 又因为泥浆中的固相颗粒尺寸基本不能改变，漏失通道中的天然裂缝也不能改变，而人为因素导致的压裂裂缝是由于正压差作用导致，因此可对正压差这一漏失必要条件进行改变，从而避免漏失的产生。 此外，虽然漏失通道基本不可改变，但是可以通过向漏失通道中注入堵漏剂来填充漏失通道的方法进行堵漏。 在井眼中，要想防止钻井液漏失进入地层，在只改变正压差这一条件的前提下，需要使井眼中钻井液在各种压力下要达到平衡，即避免出现正压差。 在漏失过程中，在漏失通道内存在以下压力平衡关系［14-15］：

式中：Pp代表地层孔隙压力，MPa；Pz代表钻井液进入地层裂缝的流动阻力，MPa；Ph代表钻井液静液柱压力，MPa；ΔPa代表井内钻井液环空压耗，MPa。

在给定的井眼深度和各种参数条件下，上式中地层孔隙压力、钻井液静液柱压力、井内钻井液环空压耗都为定值，因而若想平衡掉正压差，只能靠钻井液进入地层裂缝流动阻力来平衡，只有这样才能使地层压力平衡，避免出现井漏的发生。

1.2.2 提高地层承压能力防漏堵漏的方法

由上述分析可知，避免漏失、提高地层的承压能力可采用对地层裂缝进行填充堵塞和利用工作液进入地层裂缝的阻力来实现。 增大钻井液进入裂缝的阻力方法有很多， 包括增大钻井液的黏度、减小漏失通道的宽度、形成致密并且承压能力强的泥饼等［16］。 综合而言，其它条件的改变不如形成致密并且承压能力强的泥饼具有可操作性。 因此，本文采用堵漏剂堵塞漏失裂缝、并在堵墙表面形成致密且承压能力强的封堵膜相结合的方法来提高地层的承压能力，原理如图1所示。

图1 提高裂缝承压能力原理

首先对裂缝进行架桥堵漏，形成一定厚度的堵墙，在堵墙表面形成致密性好、具有承压能力高的封堵膜。 堵漏剂可选用不同类型的架桥颗粒进行组合架桥，堵塞漏失的裂缝通道；然后利用承压封堵材料形成性能良好、承压能力高的封堵膜，阻止液相的侵入、进一步提高地层承压能力。

2 承压防漏堵漏钻井液体系的研制与评价

2.1 承压堵漏剂配方确定

2.1.1 承压堵漏材料类型

桥接承压堵漏中的堵漏材料要起到密封和支撑裂缝的作用。 各种承压堵漏材料作用机理如下：实验优选的堵漏材料在压差作用下对漏失通道产生高强度堵塞， 其中的HTK和BK类颗粒刚性大，强度高，在漏失通道中形成桥塞；纤维材料具有一定的柔性，可对裂缝通道产生分割变为小孔隙，纤维材料和片状材料本身也可以变形产生软封堵；弹性膨胀颗粒进一步镶嵌桥塞堵墙空隙， 随着时间延长，体积膨胀，进一步挤压漏失空间；硅膜承压剂在井壁及堵漏材料形成的堵墙上形成致密封闭膜，阻止液相渗滤，从而起到良好的封闭、承压作用。 通过室内实验优选的部分堵漏材料见表1。

表1 优选材料基本性质

MSC-3H是用过硫酸铵作为引发剂， 由两种单体合成的冻胶承压堵漏剂，含有刚性的环形结构同时也有柔性的碳链结构，材料具有柔韧性、足够的强度和耐热性，膨胀倍数可达50～100倍，膨胀时间持续6 h以上，具有持续膨胀的效果。

用架桥堵漏的方法一般架桥颗粒都为无机架桥颗粒， 相互之间架桥堵塞后不能很好地完全填充，而且无机架桥颗粒不具有膨胀性，所起作用较为单一。 将冻胶堵漏剂混入复合架桥颗粒中，采用无机颗粒与有机颗粒架桥相结合的方法使填充作用更明显。 可以在裂缝处形成致密、牢固、承压能力强的封堵层。

刚性颗粒材料选用天然刚性材料BK（全酸溶）、HTK颗粒以及高强度延展性铝合金颗粒堵漏剂GYD （全酸溶）， 弹性颗粒材料选用工业废料XJ颗粒、蛭石和吸水体膨承压颗粒TP（全酸溶），纤维材料选用海泡石、工业废纤维ZXW和锯末，片状材料选用云母片，承压封堵材料选用钻固井硅膜承压剂MSC-3H（全酸溶）。

2.1.2 承压堵漏材料粒径与加量

根据Howard和Scott的SAN-2工程分布理论确定了各种材料的粒径级配（见表2）。

表2 桥接材料粒径级配数据

根据FMI测井可知，LX区块实际地层的裂缝应在毫米级别，因此初步以2 mm裂缝宽度设计粒径级配，对表1中各类型堵漏材料粒径比例进行调整，最终确定各种类型堵漏材料级配为：3%HTK（6～10目）+1%BK（或GYD，6～10目）+0.1%TP（1～3 mm）+0.9%TP（≤1 mm）（为方便起见，命名该组以颗粒为主的堵漏剂代号为5%KL）；0.8%XJ （40～60目）+0.2%XJ（80目）+0.5%锯末（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）（同样地，命名该组以纤维材料为主的堵漏剂代号为5%XW）。

2.2 承压复合堵漏剂悬浮稳定性评价

进行悬浮稳定性实验，观察上述承压复合堵漏剂在热滚前后的悬浮稳定性，实验结果见表3和表4。

表3 热滚前后定性观察实验数据

表4 悬浮稳定性定量评价实验数据

由表3实验结果可知， 基浆无论是热滚前后加入承压复合堵漏剂，还是加入承压复合堵漏剂一起热滚，都具有较好的悬浮稳定性。

由表4数据可知，上下层密度基本相同，随时间延长，下层密度比上层密度略高，但差距极小，基浆在10 h仍能有效地稳定悬浮承压复合堵漏剂； 沉降实验前测定的密度小于放置一段时间后上下层测定的密度，这是由于承压浆中气泡较多，所以密度偏低，而放置一段时间后气泡消退，测得密度就变高。

2.3 承压堵漏钻井液体系性能评价

2.3.1 静态承压堵漏评价实验

针对优选的承压复合堵漏剂，采用QD-2堵漏仪（实验压差0～10 MPa）， 对1～5 mm平行裂缝漏失模型评价承压复合堵漏剂不同加量下的承压堵漏效果，实验结果如表5所示。

表5 QD-2静态承压堵漏评价实验数据

由表5数据可知，随裂缝宽度增大，承压堵漏浆漏失总量均增多；随堵漏剂加量减少，最大封堵裂缝宽度也变小； 对于1～4 mm平行裂缝，3.75%KL+3.75%XW+1%MSC-3H加量下漏失总量最小， 承压堵漏效果最好，这可能是因为该承压堵漏剂存在最适宜产生封堵的浓度，浓度增大或减小不利于形成有效架桥；对于1～3 mm平行裂缝，三种加量下有效承压堵漏的承压值均高于7.0 MPa，完全满足井下承压堵漏的要求。

2.3.2 动态承压堵漏评价实验

由QD-2静态承压堵漏评价实验可知， 在5%KL+5%XW+1%MSC-3H 加量下， 承压浆对1～4 mm裂缝都能产生良好封堵，承压值不低于7.0 MPa。 为了进一步模拟井下堵漏实际工况， 选择5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承压堵漏浆，利用LH-2A智能型钻井液高温高压多功能动态评价实验仪（实验压差0～40 MPa）进行平行缝和梯形缝的动态承压堵漏对比实验，根据LX区块地层特征，设定温度为85℃，测试时，从低压到高压进行压力循环测试，记录总滤失量，结果如表6所示。

表6 LH-2A平行缝和梯形缝的动态承压堵漏对比实验数据

由表6数据可知，5%KL+5%XW+1%MSC-3H 的承压堵漏浆对1 mm和2 mm的两种平行缝、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm两种梯形缝都能产生良好封堵，承压值均高达28.0 MPa； 而在3 mm平行缝和6 mm/3 mm梯形缝全部漏失，不能产生有效封堵，但平行缝漏失压差（19.78 MPa）明显高于梯形缝的漏失压差（2.32 MPa）。由此可见，该承压复合堵漏剂能够有效封堵水力学宽度不超过2 mm的裂缝，可望解决常规裂缝漏失技术难题。

3 结论

（1）LX区块表层以及刘家沟和石千峰组交界面、石千峰组、石盒子组漏失的主要原因为地层承压能力低、存在天然裂缝或诱导裂缝，其防漏堵漏机制为采用架桥封堵漏失通道与堵墙表面形成高承压能力封堵膜相结合的方式来提高井壁承压能力。

（2）通过室内实验，确定了承压复合堵漏剂的组成（组分类型、含量及粒径分布）和加量，形成了可酸溶解堵的承压堵漏浆配方， 评价结果表明，该堵漏浆流变性能较好，具有良好的悬浮稳定性。

（3）承压堵漏浆静态评价实验表明，研制的承压复合堵漏剂有效承压值均高于7.0 MPa，完全满足井下完井承压堵漏的要求。

（4）承压堵漏浆动态评价实验表明，研制的承压复合堵漏剂对1 mm和2 mm的平行缝、2 mm/1 mm和4 mm/2 mm梯形缝均能产生良好封堵， 动态承压值高达28.0 MPa， 亦即能够有效封堵井下水力学宽度不超过2 mm的裂缝，可望解决常规裂缝漏失技术难题。