裂缝性地层漏失机理及堵漏材料新进展*

赵洪波，单文军，朱迪斯，岳伟民，何远信

（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；3.中国地质调查局非常规油气工程技术中心，北京 100083）

0 前言

井漏是任何不受控制的钻井液、水泥浆或其他工作液在钻井、固井、完井等阶段进入地层的一种常见井下复杂情况，会导致井眼失稳和压差卡钻，并对周边环境造成污染，在油气井勘探中对储层造成严重伤害。处理井漏在增加时间成本的基础上还会使钻井成本每米增加230～328 美元［1］。在漏速可接受的情况下，一般采取继续钻进并加入随钻堵漏剂；但当漏速不可接受时，则需要进行专门堵漏。井漏及其造成的失返卡钻、溢流、井壁垮塌以及落鱼故障，将会给继续钻进及后续固井带来极大的挑战。目前，大、中型裂缝及溶洞的堵漏成功率还很低，主要表现在：一是，对井下漏失情况不明，不清楚井下裂缝的宽度，不能优选出与地层中裂缝相配伍的堵漏材料；二是，不能确定合理漏失压力及漏层位置；三是常规桥接堵漏材料无法在漏失通道中堆积、架桥形成有效封堵。随着油气勘探开发转向深部地层，发生漏失更加频繁与复杂。为了进一步提高钻井效率与钻井安全，钻井液漏失成因探索及针对不同工况下堵漏材料和堵漏工艺方面的研究从未停止，近年来，有了新的发展和进步。

1 漏失机理研究进展

漏失发生需要3 个必要条件：正压差、漏失通道及较大漏失空间。漏失通道开口尺寸大于外来工作液固相粒径，因此漏失与钻井液密度、钻井液固相粒径、地层压力、地层孔、缝、洞发育情况等密切相关。由于对漏失机理认识不清，导致实际作业堵漏次数较多，小漏变成大漏，提高承压能力效果不理想。漏失程度较低（漏速＜15 m3/h）的堵漏成功率较高，部分漏失与全部漏失堵漏成功率较低。裂缝发育有利于致密油气藏的有效开发，但同时也是造成井漏的最常见因素。裂缝性漏失是最为普遍、复杂且难以解决的。根据裂缝性漏失发生的原因，可将其分为小型裂缝性漏失、扩展性漏失及诱导性漏失（压裂性漏失），在实际钻井过程中所遇到的裂缝性漏失一般为上述3种类型的相互组合。由于现场难以对漏失过程进行准确预测，导致目前扩展性漏失和诱导性漏失堵漏成功率较低［2］。李大奇针对裂缝扩展性漏失，首次提出裂缝扩展性漏失压力，主要考虑了裂缝初始宽度、裂缝刚度及钻井液封堵性能的影响［3］。韩耀图等在分析裂缝性地层漏失机理的基础上，从统计学的角度出发，探索漏失压差与漏速分布规律，提出漏失压差与漏失速率的相关性关系，建立了微小-小裂缝性漏失地层漏失压力模型［4］。赵洋等开展了Griffiths天然裂缝宽度预测模型研究与分析，基于非牛顿流体钻井液流变模型为宾汉流体的前提下，对Griffiths 方法作了改进，可以更准确地估算井漏时的天然裂缝宽度，认为漏失时间、钻井液黏度和井内压差等因素都会对裂缝宽度产生影响［5］。何新星等认为裂缝变形会对封堵层产生破坏，裂缝变形程度越大对封堵层的破坏越强，弹性堵漏剂能够更好地适应裂缝变形，通过降低井筒压力波动减小裂缝动态变形带来的不利影响［6］。孙炜等开展了以叠前地震数据为基础，基于方位各向异性技术预测高角度缝的分布特征，设计井身轨迹避免井漏或针对性的开展堵漏［7］。陈晓华等针对裂缝性漏失提出了基于损伤力学原理，利用ABAQUS 软件中模拟漏失过程中裂缝的起裂和扩展，建立了三维地层裂缝性动态漏失模型，并探讨了裂缝形态、井周应力及地层孔隙压力等因素在漏失过程中的变化规律，为裂缝性漏失的堵漏施工提供技术指导［8］。邱正松等基于裂缝封堵层微观结构受力分析，探讨了5 种裂缝封堵层失稳破坏形式及微观机理，提出了评价封堵层失稳形式的特征参数，给出了裂缝致密承压封堵物理模型，采用合理的堵漏材料类型和粒度级配优化控制，可在裂缝入口端附近形成致密承压封堵层，提高裂缝封堵承压能力，减少封堵漏失量［9］。

2 井漏预防与预测

井眼加固、随钻套管和控压钻进在一定程度上都可以预防漏失，岩石渗透性、孔隙率和裂缝宽度是决定桥接和井眼加固材料类型和浓度的关键［10］。采用蒙特卡洛模拟法基于钻井液密度井漏风险的概率计算公式更有利于对井漏风险的评估［11］。通过分析应力状态，孔隙压力和储层力学性质，建立准确的地质力学模型，基于精细的岩相、地震相与裂缝预测的研究可以准确预测漏失位置，通过避免人工压裂或控制钻井液密度，为优选井身结构及钻井液优化提供了技术支持，从而减少堵漏的发生［12］。采用电法勘探监测地下暗河、溶洞，在钻井工程设计时可以尽量避开易漏失的高风险区域，从源头上减少上部井段井漏及可能造成的环保影响［13］。采用潜孔锤钻进和表层套管暂封溶洞可有效解决和规避表层漏失问题［14］。针对超高压盐层钻进，提出结合井下情况合理降低密度的控压钻进方法来防止井漏，避免超高密度堵漏的技术难题［15］。

3 漏层确定

准确定位漏失深度、评价漏失率至关重要，也是高效开展防漏堵漏作业的重要前提。对疑似漏层的早期发现可以大大提高预防和堵漏成功的几率，表1给出了几种常见的确定漏层方法的优缺点。

表1 几种确定漏层方法及其优缺点

4 堵漏材料与堵漏技术

国内外对堵漏材料与堵漏技术的研究主要集中在纤维材料、新型纳米材料、超分子材料等。通过综合分析工程、地质、测井、岩屑等资料，明确了漏层深度、裂缝宽度等漏失层关键特性，采用随钻桥堵、水泥堵漏、桥接堵漏、化学固结、凝胶堵漏、高失水堵漏等堵漏工艺以及针对性研究能显著提高地层承压能力的致密承压堵漏材料。常规堵漏技术在一定程度上取得了较好的应用，但面对复杂地层还存在一些问题，缺乏专用高效的堵漏材料，处理严重漏失时，一次堵漏的成功率不高，且易发生重复性漏失［23］。

4.1 堵漏材料

常规堵漏材料主要以刚性颗粒、弹性颗粒和纤维为主，在协同封堵过程中，刚性颗粒在裂缝较窄处形成具有较高承压能力的骨架，弹性颗粒在裂缝较窄处形成弹性力通过弹性变形来增加裂缝与堵塞区之间的摩擦力，使封堵层更加稳定；纤维填充在颗粒之间的孔隙空间，增加了封堵层的紧密性和完整性。

4.1.1 纤维类堵漏材料

形成高质量封堵层是深层裂缝性储集层漏失控制的关键，而强化封堵层结构稳定性的关键在于堵漏材料的选择。纤维是桥接堵漏法采用材料的重要组成部分，常规纤维类堵漏材料因酸溶性能较差，往往不能满足裂缝性储层酸化解堵的技术需要。许成元等认为粒度分布、纤维长径比、摩擦系数、抗压能力、抗高温能力、可溶蚀能力为深层裂缝性储集层堵漏材料的关键性能参数［24］。杨振杰等以废弃的禽类羽毛为原料研制出了天然羽毛堵漏纤维TRX-JM，在多种模拟漏失层中均具有较好的堵漏效果［25］。王敏生等基于1.2%形状记忆聚合物与1.2%纤维组成的复合堵漏剂，具有良好的配伍性，可有效封堵地层裂缝［26］。陈家旭针对常用纤维堵漏材料无法满足深层高温（＞200 ℃）防漏堵漏技术的要求，研制了一种新型抗高温堵漏纤维SDHTF［27］。

4.1.2 凝胶类堵漏材料

常规抗高温高盐凝胶堵漏材料与技术在国内外有广泛的应用。凝胶类堵漏材料尤其是交联聚合物凝胶，可不受漏失通道的限制，在漏层中滞留形成具有三维网络结构的黏弹体，能够提高天然裂缝或碳酸盐岩溶洞地层近井地带的强度，在解决恶性漏失及含地下水的漏层方面具有广阔的应用前景［28］。胶凝时间和胶凝强度是影响凝胶封堵效果的关键因素［29］。Li 等认为根据油气井漏失情况通过改变膨润土、氧化钙、氧化镁等组分物质的比例能够调节新型可固化凝胶堵漏液体系的沉降稳定性和剪切稀化性，并提高抗压强度［30］。王勇等根据超分子化学理论研发了一种超分子堵漏新材料，可以分散到水中溶胀成各种粒径大小不一的凝胶颗粒，凝胶颗粒有弹性、易变形，可以进入地层孔隙或裂缝，配合常规架桥颗粒对发生漏失层位进行复合封堵，能够适应不同深度、不同温度的地层，起到良好的堵漏效果，承压最高能够达到7.0 MPa［31］。苏俊霖等开发了适合表层漏失的“特种凝胶ZND+凝胶强度调节剂TD-1+常规随钻桥堵材料”凝胶随钻堵漏技术和“ZND 调剖堵漏剂+耐腐蚀超细水泥浆”调剖封堵剂体系，对开度4.0 mm×3.5 mm 裂缝封堵的承压能力最小为3.6 MPa，漏失量小，且封堵在裂缝腰部，适合非均质恶性漏失并可实现随钻堵漏［32-33］。郭新健等提出将有机凝胶与无机凝胶复合形成的抗高温化学凝胶用以解决深层高温地层的渗透性、裂缝性漏失，提高地层承压能力的堵漏施工方案［34］。李辉等研制了可实现自破胶返排的抗高温堵漏凝胶，起到了环保安全的效果［35］。颜帮川等研制了基于自由基聚合的以丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为单体合成的具有高温延迟成胶时间（1～4 h）可调的交联聚丙烯酰胺凝胶堵漏剂来封堵裂缝型恶性漏失［36］。Jiang 等采用树脂包封的方法由丙烯酰胺单体、交联剂和引发剂经自由基聚合制备了一种凝胶时间可调、凝胶强度高的交联聚合物凝胶HTCMG，在150 ℃下的承载力峰值可达9.8 MPa，能有效地封堵5 mm 宽的缝隙。HTCMG 具有封堵时间短、封堵成功率高、经济成本低等特点，对解决高温情况下漏失具有重要意义［37］。但由于对于聚合物凝胶体系的封堵机理尚不明确，聚合物凝胶体系与其他堵漏材料的相容性也不清楚。交联聚合物随钻堵漏方面也有待进一步研究。

4.1.3 纳米堵漏材料

纳米堵漏材料的研究一直受到国内外的关注。Huang 等认为核壳结构的纳米丙烯酸树脂/纳米SiO2复合材料（AR/SiO2）水基钻井液因与页岩基质的良好结合，在页岩气钻井过程中可提高页岩孔隙的封堵效率，减少流体侵入，增强井眼稳定性［38］。Ghanbari等采用孔隙压力传递技术（PPT）研究纳米二氧化硅颗粒在水基钻井液中的封堵行为，认为纳米二氧化硅颗粒能有效地堵塞孔隙喉道，降低钻井液渗透到岩石的孔隙压力［39］。

4.1.4 高温堵漏材料

在深井、超深井的钻井过程中，井漏处理是深部钻井面临的一项重大难题，堵漏材料的高温老化失效造成裂缝封堵层结构破坏并在储层段易发生重复性漏失［40］。深井高温地层堵漏技术对堵漏材料的抗/耐温能力、抗压强度和沉降稳定性等提出了更高要求［41］。田军等针对常规堵漏材料高温不稳定易降解造成封堵层失效重复漏失的问题，研制了在漏层压差下快速滤失后能富集成网、胶凝固化的快速滤失固结堵漏材料ZYSD［42］。陈家旭等研制了一种抗高温型高酸溶纤维堵漏剂SDSF，协同高酸溶颗粒状桥接堵漏材料组成的可适应不同开度楔形裂缝的高酸溶纤维堵漏工作液，在水基钻井液中的分散性良好，耐碱性能优良［43］。韩成等通过优选抗高温堵漏材料，针对诱导性裂缝将抗高温刚性堵漏材料DXD 与弹性堵漏材料TXD 复配，形成了一套适用于高温高压井诱导裂缝堵漏的钻井液体系［44］。苏晓明等针对塔中区块异常高温高压裂缝性溶洞漏失问题，选用了耐高温、高刚度（＞8 MPa）、低磨损的刚性颗粒材料GZD，形成的耐高温、高强度的新型复合堵漏材料SXM-I 表现出较好的高温高压封堵性能［45］。Ettehadi 等在研究裂缝宽度与堵漏机理、堵漏效果关系时，认为钻井液作为堵漏材料的载体，在屈服点、凝胶强度和触变性等流变特性方面具有重要意义。海泡石水基钻井液体系在高温高压条件下具有良好的流变性、高固体悬浮性能以及合适的屈服点和凝胶强度值，含碳酸钙海泡石钻井液在193 ℃也能迅速堵塞裂缝［46-47］。

以上几种抗高温堵漏材料的封堵性能总结于表2。

表2 几种抗高温堵漏材料的封堵性能

4.1.5 油基钻井液堵漏材料

油基钻井液相比水基钻井液在水平井等应用中具有良好的效果，油基钻井液具有良好的润滑性，更容易进入岩石弱面产生水力学劈裂，井壁的亲油通道表面流动阻力小，易漏失且堵漏难度更大。应用油基钻井液时堵漏成功的关键在于研发出适用于油基钻井液的堵漏剂。近年来针对油基钻井液的堵漏材料研究也得到了进一步的发展。许明标等研发了一种油基桥架堵漏剂Dual GUARD，通过颗粒逐级架桥、纤维成网、逐级填充，在漏失压差下形成韧性封堵层，成功解决了漏速小于30 m3/h的井漏问题，为解决涪陵页岩气田的油基钻井液漏失问题提供了技术支撑［48］。钱志伟等以刚性单体（苯乙烯）、柔性单体丙烯酸酯类、丙烯酸、丁二烯和丙烯腈）为主单体，以改性石英粉为凝结核，在引发剂过硫酸钾-亚硫酸氢钠和偶氮二异丁脒盐酸盐作用下，通过乳液聚合研制的具有弹性的油基钻井液用纳米封堵剂，粒度级配（60～500 μm）合理，与油基钻井液有良好配伍性，突破压力达10 MPa 以上［49］。梁文利研制的一种具有自我调整的“进留颗粒粒径”能力的T150系列堵漏剂，与油基钻井液具有良好的配伍性，配合国外油基堵漏剂联合堵漏，承压能力可从1.75 g/cm3提高至1.85 g/cm3［50］。路宗羽等在油基钻井液中加入复合封堵剂（1%封堵剂FD-L+1%碳酸钙（600 目）+0.5%石墨粉）和3%油溶性膨胀堵漏剂形成的高密度防漏型油基钻井液具有良好的封堵性能和防漏性能［51］。

此外，通过模拟地层温度、压力和井筒环空流动状态，能够准确评价堵漏材料的适用性和封堵效果［52］。暴丹等利用“热-机械变形”基本原理，研制了不同粒径的热致形状记忆智能型堵漏剂。受温度影响，其结构可从片状膨胀成立方体的三维结构，在一定范围内可自适应匹配裂缝宽度在3～5 mm漏层，实现自适应架桥封堵［53］。马川针对裂缝性漏失常规桥塞堵漏材料与漏层裂缝开口匹配难以达到良好的堵漏效果，通过将类弹性颗粒堵漏材料的网状泡沫材料变形挤入裂缝与方解石颗粒等刚性颗粒材料以及随钻封堵材料SDQ-98 配合使用，使得漏失通道变窄，可促进封堵层形成，达到良好的堵漏效果［54］。

4.2 堵漏技术

桥接堵漏法是处理裂缝性储层钻井完井液漏失较常用的方法。王在明等针对常规复合堵漏材料之间无胶结、易被钻井液冲刷、使用油井水泥堵漏会造成新井眼的问题，研究开发了井壁强化与堵漏双作用的可钻水泥，将超细碳酸钙粉体加入胶凝材料硫铝酸盐水泥中，调节胶凝材料的可钻性，所形成的堵漏泥浆体系可明显增强体系的堵漏性能［55］。侯士立等提出了高滤失承压堵漏技术，以清水配制的高滤失堵漏剂FPA为堵漏浆，在压差作用下堵漏浆在近井壁端迅速滤失形成滤饼，钻井液在滤饼的塞面上形成致密的泥饼，阻止钻井液进一步漏失，井壁得到强化，承压能力达到7 MPa，堵漏一次成功率高达71%［56］。杨虎提出充氮气欠平衡钻井技术正成为防止裂缝性储层井漏、提高机械钻速的重要技术手段。根据裂缝性储层漏失压力和坍塌压力，确定钻井流体安全密度窗口，设计氮气注入参数和欠平衡专用设备需求量［57］。邓柯等提出将常规充氮气钻井与连续循环钻井技术相结合，实现了充气流体介质的连续循环，在BY1井深部地层（3740～3846 m）减少漏失的同时钻速提高了1.6倍［58］。梁文利认为将瞬间堵漏剂+水泥球+稻草节堵漏方法应用于地热水资源勘查具有良好的堵漏效果［59］。朱金智等针对长裸眼井段存在多套砂泥岩互层及复杂压力系统，形成了雷特随钻承压堵漏工艺技术［60］。中国石化华东石油工程公司提出了一种井下爆炸堵漏技术。该技术通过井下爆炸的方式挤压地层裂缝，减小裂缝宽度，使堵漏材料“进得去、停得住”，在苏北46口井裂缝性漏失中得到了有效应用［61］。黎凌等针对长宁喀斯特地貌页岩气钻井失返性漏失采用“膨胀+交联+充填”堵漏工艺形成遇水快速膨胀胶凝堵漏浆，解决表层出水漏失难题［62］。王军等采用“刚性粒子+高失水材料”复合桥接堵漏技术，通过多种材料相互协同增效实现封堵结合配套井控技术，解决钻遇深部海相裂缝性地层喷漏共存处理难度和井控风险极大的问题［63］。陈军等根据提高承压能力封堵理论，针对楔形效应，建立了井周应力-温度方程，通过降低钻井液或滤液的冷却作用，形成不渗透封堵层，可以提高堵漏成功率［64］。基于尖点突变理论，建立了影响封堵层稳定性（地层参数、裂缝面接触参数和封堵层参数）的可用于预测井漏的最大承压压力模型。对于天然裂缝，在堵漏材料中掺入纤维或采用低摩擦系数的刚性颗粒有利于提高封堵层的最大承压压力。但对于诱导性裂缝，应采用高摩阻、高强度的堵漏材料来提高堵漏层的最大承压压力，以达到控制漏失的目的［65］。

5 结论与展望

随着对油气能源需求的不断增加及可开采油气的不断减少，油气资源从常规油气转向非常规油气，常规储层转向碳酸盐岩、砂岩储层为代表的特殊储层，新区新层系非常规油气勘探将成为今后油气资源勘探开发的主要战场。碳酸盐岩储层往往存有天然裂缝，砂岩和碳酸盐岩在钻井作业中都可能产生诱导裂缝，极易发生漏失，使得堵漏材料及工艺的研究趋向于复杂。裂缝性地层漏失方面还存在许多挑战，钻井液漏失理论研究比较薄弱，远未达到模型化、定量化和科学化的程度。钻井技术的最新进展将重点放在高温高压砂岩和碳酸盐岩地层中的非常规深层裂缝性储层，这些苛刻的条件限制了传统堵漏材料对自然裂缝和诱导裂缝的封堵。此外，堵漏的概念将从局部封堵提升到井眼强化。