油基钻井液防漏堵漏理论与技术研究进展

＊陈军 王平 李占超

（1.中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司 山东 257200 2.中国石油技术开发有限公司 北京 100009 3.中国石油集团长城钻探工程有限公司 北京 100101）

井漏是指在钻进、固井等其他井下作业中的各种作业液（钻井液、水泥浆、完井液等）在压差的作用下直接漏失进入地层的一种井下复杂状况[1]。按照漏失通道可分为渗透性漏失、裂缝性漏失、溶洞性漏失三类。井漏可能诱发井壁失稳、坍塌、井喷等复杂情况，不仅影响钻进速度，还会造成巨大经济损失，成为制约油气勘探开发速度的主要技术瓶颈[2]。

页岩等地层的不稳定性以及页岩油气储层硬脆性矿物含量高、水敏性强，层理、微裂缝发育，钻进过程中流体易侵入导致井壁失稳等复杂问题[3]。因此，钻井液漏失问题对页岩气开发提出了严峻的挑战[4]。

水基钻井液具有成本低、应用广泛、工艺成熟、对储层污染小等特点，缺点主要有易导致水敏地层水化坍塌，油基钻井液几乎不与水敏性地层矿物发生反应，具有抑制性强、润滑性好、热稳定性好等优点，有利于保持井壁稳定，但成本和环境保护问题突出。近年来，国内外研究人员在防漏堵漏理论与技术发展方面取得了一定成效，在逐渐完善防漏堵漏封堵理论基础上，充分利用堵漏材料与漏失地层之间的匹配关系，对钻井液防漏堵漏具有十分重要的推动作用。本文阐述了封堵理论及现有油基钻井液防漏堵漏技术，希望为油基钻井液防漏堵漏工作提供参考。

1.防漏与堵漏理论研究现状

（1）刚性堵漏理论。刚性封堵理论是指固定形状和粒径的刚性堵漏材料，在钻井液柱压力作用下，对漏失进行架桥，充填堆积，有效封堵漏失通道，减少钻井液漏失。在封堵早期阶段，Csrl Gatlin等[5]研究人员提出了封堵层最大密度理论。通过室内试验，分析不同粒径充填粒子的比例关系和最大惰性粒子的在漏失通道中的作用。A.Abrasm等研究人员提出“1/3架桥理论”，堵漏材料最小架桥粒径应大于漏失通道中1/3，且架桥颗粒在钻井液中浓度不小于5%，才能有效架桥封堵漏失通道。“1/3架桥理论”仅验证架桥粒子最低临界条件，并未对浓度、粒径进行优选。

罗平亚等[6]在A.Abrams“1/3架桥理论”基础之上进一步优化了架桥颗粒的粒径和浓度。通过室内试验研究发现，当架桥材料粒径占孔吼通道尺寸2/3时，孔吼处桥堵层最稳定，康毅力等人[7]从数学角度分维数来优选堵漏剂尺寸，利用堵漏材料的分维值表明粒径分布情况，选择堵漏材料与漏失孔径分维值相同或相近，达到最优匹配效果。李中等[8]提出利用颗粒粒径体积分数和粒径平方根曲线图，来优选不同粒径暂堵剂的粒径组合。

刚性封堵理论核心为架桥和充填封堵。充填封堵理论最初由河床密度与渗透率之间关系引入。架桥理论体系主要围绕架一级刚性桥堵材料尺寸与孔吼之间比例关系展开，从“1/3架桥理论”的提出，随后延伸出“2/3理论”围绕一级架桥颗粒选择范围和二级填充材料浓度与粒径选择范围，堵漏材料与漏失通道匹配关系研究逐渐加深，降低渗透率，提高封堵强度。

（2）柔性封堵理论。柔性封堵理论是指非固定形状和粒径的柔性封堵材料，混入钻井液中，在地层温度、压力和矿化度等联合作用下，封堵材料自身形态发生变化，如物理、化学变化，在漏失通道中发生联结、溶胀等，形成具有一定强度的承压封堵层，降低钻井液漏失。

吕开河等[9]针对刚性堵漏颗粒与漏失裂缝匹配不佳等问题，提出自适应堵漏剂来封堵孔隙和裂缝，来克服桥接堵剂对漏失地层尺寸的依赖，提高防漏堵漏成功率。刘伟等[10]研制出一种与油基钻井液中配伍性良好的膨胀型防堵堵漏剂，经适度交联形成三维网状结构，具有一定的抗压和成膜能力，封堵效果良好。

柔性封堵理论以架桥和充填封堵理为基础，利用封堵材料在漏失通道中溶胀、联结等性能，在压差作用下可发生形变，在孔隙大小不同的地层有效驻留，充分考虑漏失地层的非均质性，作为刚性封堵的补充，进一步丰富了堵漏理论体系。但也存在如与钻井液配伍性差、树脂类堵漏材料受地层温度影响大及堵漏材料对储层危害严重等问题，限制了柔性封堵材料的应用。

（3）提高地层承压能力理论。提高地层承压能力理论是利用封堵材料加固井壁或形成封堵带，提高地层井壁的周向应力和井壁裂缝重启压力，本质上是调整地层岩石抵抗张行破坏的能力，来控制钻井液漏失。地层承压能力主要受地质因素和工程因素两方面影响。地质因素主要受地层孔隙压力、地层温度、岩石特性和裂缝类型等有关，工程因素主要钻井液自身特性以及所采用的工艺等。提高地层承压能力理论中主要由“封尾”“应力笼”和“裂缝闭合压力”组成。

①“封尾”理论。“封尾”理论最早由桑迪拉实验室提出，认为在裂缝性漏失地层中，堵漏材料应在漏失裂缝尖端封堵。Loeppke等[11]分析了针对裂缝封堵的单颗粒和双颗粒架桥模型。当架桥颗粒在裂缝中架桥封堵时，堵漏颗粒粒径大小、漏失裂缝通道表面摩擦系数大小分别于与承压能力成正比例关系，即颗粒尺寸越大，裂缝表面摩阻越大，承压能力越强。Guh等研究人员对滤失特征研究发现，当钻进液流入裂缝尖端的速度小于流出的速度时，裂缝尖端停止延伸，提出防漏材料能够阻止裂缝扩展以及构建合适尺寸人造井壁所需条件。“封尾”理论仅适用于渗透率高的地层且封堵时会造成钻井液大量流失，使得“封尾”理论适用性受到很大限制。

②“应力笼”理论。Aston等人[12]提出了“应力笼”理论，其基本原理为：地层岩石受压力的作用下，原有裂缝开度会增加或延伸等变化，通过注入固相堵漏材料在裂缝尖端形成致密封堵层，切断裂缝尖端压力和流体介质传递，压缩井周地层，提高井壁周向应力和井筒承压能力。随后，利用有限元方法进行数值模拟分析，证明了“应力笼”理论。在实际应用过程中，存在以下不足：封堵材料应具有较高的强度，使裂缝保证张开状态，在高温高压地层条件下，固相颗粒容易失效，导致地层承压失败。在施工过程中，需要将常规工作液置换成含特殊井眼强化材料的工作液，造成钻井时间延长，增加了钻井成本。

③“裂缝闭合压力”理论。Dupriest等[13]研究人员提出了裂缝闭合应力理论，有利于提高地层承压能力。研究认为堵漏材料在封堵的基础上应隔离裂缝尖端，使裂缝保持足够的宽度，地层裂缝的宽度决定了地层承压能力值提高的大小。Oort对“应力笼”理论和“裂缝闭合应力”理论分析发现，“应力笼”理论缺乏对裂缝长度和阻塞深度的假设，“裂缝闭合应力”理论对低渗透率地层应用存在局限性。在强化井筒早期阶段，研究人员主要关注封堵材料在漏失裂缝中主要作用为封堵和支撑，在此基础上提出“封尾”理论。随着防漏堵漏技术不断发展，研究人员逐渐关注如何利用钻井液提高地层破裂压力，研制出能够在裂缝入口堵漏的钻井液。

相比而言，刚性堵漏理论是建立在刚性材料能否进入地层漏失通道基础之上的，没有考虑刚性材料的尺寸与地层漏失孔隙、裂缝尺寸之间的匹配关系，造成堵漏成功率较低；柔性封堵理论是建立在材料柔性形变后封堵漏失通道及出生，但柔性材料承压能力较低、材料耐温使用范围。提高地层承压能力理论是综合刚性堵漏理论和柔性封堵理论的优点，同时使用刚性材料和柔性材料封堵地层漏失通道，因此具有更广的应用范围和更佳的应用效果。

2.防漏与堵漏技术研柔性封堵理论究进展

（1）随钻防漏堵漏技术。随钻防漏堵漏技术是处理井漏问题的常用手段之一，主要针对地层破裂压力较低、安全密度窗口窄的地层。刘均一等[14]制备了随钻防漏堵漏材料，提高了油基钻井液随钻防漏堵漏效果。防漏堵漏材料主要包括刚性架桥颗粒、弹性填充材料、纤维材料和软化沥青等多种堵漏剂。舒曼等人[15]优选了JHCarb堵漏剂、HIFI变形颗粒和弹性封堵材料采用四颗粒相结模型，在焦石坝页岩气水平井段应用，有效预防了渗透性漏失、微裂缝漏失等问题，减少油基钻井液漏失量。随钻防漏堵漏对复合堵漏材料搭配要求较高，与油基钻井液配伍性好，不同裂缝对刚性颗粒粒径要求苛刻。熊继有等人[16]提出基于物理法的随钻防漏堵漏技术，对堵漏材料要求较低，通过井下工具给地层漏失井壁增加具有一定强度的泥饼，形成“人造井壁”，可有效将漏失地层井壁的渗透率，达到防漏堵漏效果。

（2）承压堵漏技术。承压堵漏技术是地层破裂压力低于钻井液液柱压力时，地层裂缝增加，通过架桥封堵、充填堆积等措施来进一步提高地层承压能力，减少钻井液漏失，提高固井质量。

梁文利[17]提出对漏失井段进行承压封堵作业，使用国外新型油基堵漏剂和自主研发油基堵漏材料混合堵漏，承压能力提升至1.85g/cm3。国外油基堵漏剂由3种钻井液密封剂和一种混合型封堵剂组成，能够封堵1mm以下裂缝，最大承压能力可达7MPa。此外，针对生产套管漏失问题，许明标[18]提出微孔高效套管承压堵漏剂技术，并将压力保持在90MPa，井筒内无漏失，使得涪陵页岩气套管漏失得到解决。

（3）聚合物凝胶堵漏技术。凝胶溶液中的粒子和高分子在一定转化条件下互相连接，形成具有空间网状结构弹性体，在外力作用下对漏失地层进行封堵。梁庆磊等[19]在合成凝胶的基础上，加入增强剂合成一种油基凝胶封堵剂。聚合物反应以自由聚合为主，油溶性单体TS的侧链通过化学键与含有多个双键的DB相互联结，加入有机膨润土和超细碳酸钙，形成具有一定强度的凝胶体。凝胶强度最大可达5MPa，高温高压滤失实验中油基钻井液的滤失量小于10mL，具有良好的承压封堵能力。

孙晓杰等人[20]通过将NJZ凝胶剂与JLJ交联剂在高压管线内混合反应合成了一种粘度较大的凝胶。NJZ与配价体、铝离子交联形成大分子长链，形成具有高粘、高承压的油基凝胶体系。刘文堂等人[21]根据页岩地质特征和油基钻井液特性，制备出一种微纳米级可变性的球状凝胶，并复配片状、纤维状堵漏材料，研制出球状凝胶复合封堵剂。

三种防漏堵漏技术相比，随钻防漏堵漏由于所用材料粒径小且使用浓度受限，所以仅适用于封堵漏失量不严重的地层，而承压堵漏技术和凝胶堵漏技术适用于封堵钻井液严重漏失地层。承压堵漏所用材料种类较多，现场配制工艺复杂，封堵层强度较高但稳定性较差，聚合物凝胶堵漏材料配制简单，在漏层中封堵强度高，但是耐高温性能较差[22-24]。随着钻井工艺快速发展，堵漏材料和堵漏工艺逐渐多样化，堵漏思路也转变为防堵结合，以堵为主[25]。

3.结论

综述了国内外各种类型的封堵理论与油基钻井液防漏堵漏技术实际应用效果。刚性封堵理论核心为架桥和充填封堵，提高材料与漏失通道的匹配关系；柔性封堵理论核心为通过物理、化学变化，在漏失通道中发生联结、溶胀等，形成具有一定强度的承压封堵层，降低钻井液漏失；提高地层承压能力理论核心是调整地层岩石抵抗张行破坏的能力，来控制钻井液漏失。封堵理论发展也是一个由浅及深的过程，从不同粒径充填粒子与漏失通道匹配关系开始，到利用数学角度优选堵漏剂的尺寸，并在发展过程中不断融合其他理论，更有效的封堵漏失地层。从“见漏就堵”逐渐演变为“以防为主、防堵结合”对影响漏失问题的认识逐渐加深，更有效封堵油基钻井液漏失问题。