渤海海域裂縫性地層井漏機(jī)理研究
——以渤中34-9油田為例

譚忠健 胡 云 袁亞?wèn)| 曹 軍 張向前 楊占許

（1中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司；2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司）

0 引言

井漏問(wèn)題給石油工程界帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[1]，尤其在強(qiáng)非均質(zhì)性地層中發(fā)育應(yīng)力敏感裂縫時(shí)，鉆井液漏失問(wèn)題更加突出。鉆井液密度偏高使得地層弱面破裂或裂縫活化，進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重井漏；由于壓力失衡極難調(diào)整，大量鉆井液漏失到地層中，處理井漏需耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于井漏特征和機(jī)理開展了系統(tǒng)的研究并建立了相應(yīng)的漏失模型[2-15]。國(guó)內(nèi)學(xué)者馬光長(zhǎng)[16]根據(jù)井漏特性和原因?qū)┚C合分類，并配套相應(yīng)的堵漏方案。丁乙等[17]分析了弱面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)敏感性對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。李大奇等[5]基于井漏動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了井漏機(jī)理分析。賈利春等[18]探究了誘導(dǎo)性裂縫止漏堵漏機(jī)理，提出誘導(dǎo)裂縫止漏和止裂臨界條件。金衍等[10-11,19]通過(guò)統(tǒng)計(jì)建立了裂縫性儲(chǔ)層起裂條件和漏失壓力方程。張浩 等[6-9]根據(jù)裂縫—孔洞性儲(chǔ)層物理試驗(yàn)，提出裂縫儲(chǔ)層有效應(yīng)力—裂縫寬度—滲透率關(guān)系模型。

渤中34-9油田位于渤海灣盆地黃河口凹陷南斜坡，緊鄰郯廬斷裂中支，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造主體區(qū)為受中部一組大斷層控制的復(fù)雜斷塊構(gòu)造，是近年來(lái)渤海海域發(fā)現(xiàn)的最大的新生界火成巖下油氣藏[18]。該油田開發(fā)作業(yè)過(guò)程中發(fā)生多起裂縫性井漏，嚴(yán)重影響油田開發(fā)進(jìn)度和增加開發(fā)成本。本文基于井漏特征、弱面結(jié)構(gòu)應(yīng)力敏感性分析和井漏動(dòng)力學(xué)機(jī)制，探究渤中34-9油田井漏機(jī)理，為后續(xù)開發(fā)調(diào)整井設(shè)計(jì)和施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。

1 井漏特征統(tǒng)計(jì)

渤中34-9油田于2018年投入開發(fā)，已鉆井63口，發(fā)生井漏的井有30口，占總井?dāng)?shù)的47.62%，可記錄的井漏達(dá)39次。處理井漏累計(jì)耗時(shí)約626.88h，單次最大耗時(shí)約96h，平均耗時(shí)約18.99h。平面上，漏失井主要分布在1井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的22.22%）和6井區(qū)(占總數(shù)的15.87%)，5井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的4.76%）和2井區(qū)（占總井?dāng)?shù)的4.76%）相對(duì)較少?？v向上，1井區(qū)和6井區(qū)漏失深度在2200～3030m；5井區(qū)漏失深度在2780～3250m；2井區(qū)漏失深度在2400m左右。研究區(qū)內(nèi)漏失層位主要為東二段和東三段，沙河街組局部漏失較嚴(yán)重。東二段漏失位置巖性主要為溢流相玄武巖和火山沉積碎屑巖；東三段為砂泥巖互層；沙一段為泥巖；沙二段為溢流相玄武巖；沙三段為厚層泥巖（表1）。

依據(jù)海洋鉆井手冊(cè)及漏速進(jìn)行分類[20]：漏速小于10m3/h，微漏，占7.69%；漏速為10～30m3/h，小漏，占30.77%；漏速為30～60m3/h，中漏，占41.03%；漏速大于60m3/h，大漏，占5.13%；失返，嚴(yán)重漏失，占15.38%。漏失規(guī)模：東二上亞段和東二下亞段以中—大漏為主；東三段以中漏為主；沙一段和沙二段以中漏和嚴(yán)重漏失為主；沙三段以中漏為主。整體來(lái)看渤中34-9油田井漏規(guī)模以小—中漏和嚴(yán)重漏失為主（表2）。

2 地層弱面結(jié)構(gòu)是井漏發(fā)生的必要條件

地層弱面結(jié)構(gòu)決定了漏失通道的類型，為井漏發(fā)生提供了必要條件。這些軟弱面是井筒穩(wěn)定性的“短板”，在鉆井液液柱壓力、侵入及鉆頭破巖情況下先于地層本體破裂，發(fā)生漏失。依據(jù)渤中34-9油田井漏通道類型和漏失通道成因?qū)⒃斐删┑牡貙尤趺娼Y(jié)構(gòu)分為3類。

2.1 火山巖多期次沉積作用形成的弱面結(jié)構(gòu)

第一種類型是火山巖多期次沉積作用形成的弱面結(jié)構(gòu)?；鹕綆r沉積具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[21]。渤中34-9油田89%的井漏都發(fā)生在火山巖和沉積巖交互層段。巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征決定了巖石的非均質(zhì)性和各向異性[22]。渤中34-9油田東一段和東二段沉積時(shí)期為火山規(guī)?；顒?dòng)期，縱向上發(fā)育多期次火山沉積旋回（圖1）。爆發(fā)相凝灰?guī)r、溢流相玄武巖和安山巖，結(jié)構(gòu)致密、抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度均較高。旋回上部的沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰質(zhì)泥巖等火山碎屑巖，經(jīng)過(guò)流水搬運(yùn)、分選，含有砂、礫等陸源碎屑，相比旋回下部火山巖物性變好，但其壓實(shí)程度低，巖石強(qiáng)度低，地層承壓能力較低，在正壓差下極易產(chǎn)生誘導(dǎo)縫，發(fā)生井漏。研究區(qū)內(nèi)火山沉積巖段瞬時(shí)漏速多小于60m3/h，以小—中漏為主，此類漏失特點(diǎn)為：瞬時(shí)漏失量大，降低排量后漏速減緩，堵漏成功率較高，降低當(dāng)量循環(huán)密度（ECD），漏速可控。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造作用形成的弱面結(jié)構(gòu)

第二種類型是地質(zhì)構(gòu)造作用形成的弱面結(jié)構(gòu)。天然微斷層和裂縫是研究區(qū)內(nèi)主要的應(yīng)力形變?nèi)趺娼Y(jié)構(gòu)，也是渤中34-9油田發(fā)生井漏的主要原因。根據(jù)已鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤中34-9油田溢流相玄武巖和東三段砂泥巖段的井漏均發(fā)生在斷層裂縫發(fā)育段。

表1 渤中34-9油田井漏層位和巖性統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of leakage formation and lithology in BZ34-9 Oilfield

表2 渤中34-9油田漏速統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of lost rate of circulation in BZ34-9 Oilfield 單位：m3/h

圖1 渤中34-9油田火山巖沉積旋回和巖石力學(xué)旋回Fig.1 Sedimentary cycle and rock mechanics change of volcanic rocks in BZ34-9 Oilfield

渤海灣盆地新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，黃河口凹陷斷裂復(fù)雜多樣，斷裂主要以走滑—張性和張性為主[23]，油田范圍內(nèi)多級(jí)斜列式斷層和“Y”字形斷層相互切割，斷層和裂縫十分發(fā)育。溢流相玄武巖、安山巖具有氣孔—杏仁構(gòu)造，且原生孔隙、節(jié)理、冷凝收縮裂縫和次生微小孔洞較為發(fā)育，是天然的漏失通道，加之?dāng)鄬忧懈?，更加?fù)雜。微斷層和裂縫在地震常規(guī)剖面上主要表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷（圖2a、b），在地震波形方差剖面上主要表現(xiàn)為“黑團(tuán)”，即方差高異常（圖2c）。

圖2 微斷層形成的弱面結(jié)構(gòu)Fig.2 Weak plane structure caused by micro-fault

研究區(qū)內(nèi)A36井和A26井在東三段砂泥巖段鉆遇兩個(gè)微斷層（圖3），均發(fā)生失返漏失。A36井漏速為108m3/h，漏失量為655m3，A26井漏速為216m3/h，漏失量為55m3。天然斷層和裂縫帶井漏具有漏失量大、堵漏成功率低的特點(diǎn)。

2.3 火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)

第三種類型是火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)。火山通道伴生斷層及火山通道內(nèi)熱沉降作用形成的節(jié)理縫是井漏的天然通道（圖3）。研究區(qū)內(nèi)斷裂復(fù)雜多樣且活動(dòng)持久，引起新生代大規(guī)模的幔源成因巖漿活動(dòng)[23]，漸新世中—晚期火山活動(dòng)達(dá)到頂峰，沿著斷裂發(fā)育多個(gè)火山通道。巖漿上涌刺穿地層，形成與火山通道伴生的邊緣斷層，火山通道內(nèi)玄武巖冷凝沉降形成典型的柱狀節(jié)理縫和原生孔洞，加之后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，邊緣斷層和裂縫更加復(fù)雜，極易發(fā)生漏失。A8井和9D井鉆遇火山通道發(fā)生失返性漏失，A8井漏速達(dá)108m3/h，漏失量為1910m3；9D井漏速達(dá)108m3/h，漏失量為519m3?；鹕酵ǖ谰哂蟹赉@必漏、漏失量大、堵漏成功率低、反復(fù)漏失、處理井漏周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖3 渤中34-9油田火山通道形成的弱面結(jié)構(gòu)Fig.3 Weak plane caused by volcano conduit in BZ34-9 Oilfield

3 正壓差是井漏的主要?jiǎng)恿?/h2>

正壓差是井漏發(fā)生的必要條件之一。在鉆井施工過(guò)程中鉆井液性能、井眼尺寸、起下鉆速度和憋泵都可以影響正壓差的大小。渤中34-9油田地層壓力為正常壓力系統(tǒng)，地層孔隙壓力為1.05～1.17g/cm3，發(fā)生漏失的井鉆井液密度為1.35～1.45g/cm3、平均為1.40g/cm3，漏失時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）為1.40～1.55g/cm3、平均為1.47g/cm3。正壓差越大，越易發(fā)生井漏，井漏規(guī)模也越大。

根據(jù)渤中34-9油田已鉆井資料統(tǒng)計(jì)（圖4）：相同條件下215.90mm井眼井底當(dāng)量循環(huán)密度比311.15井眼高0.08g/cm3，井底壓差比311.15mm井眼壓差高5.2%。因此，相同地層條件下215.90mm井眼更易發(fā)生井漏。統(tǒng)計(jì)資料顯示，研究區(qū)內(nèi)39次井漏中，311.15mm井眼中發(fā)生11次，占比為28.21%；215.90mm井眼中發(fā)生28次，占比高達(dá)71.79%（表3）。基于上述情況對(duì)后續(xù)17口井進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化：對(duì)于主要漏失風(fēng)險(xiǎn)為東一段和東二段火山巖和沉積巖交互地層的井采用311.15mm井眼深鉆鉆穿東二段，下入技術(shù)套管封堵；對(duì)于主要漏失風(fēng)險(xiǎn)為東三段微斷層和脆性裂縫發(fā)育帶的井采用三開井身結(jié)構(gòu)變二開井身結(jié)構(gòu)，即二開311.15mm井眼深鉆至完鉆井深，能夠有效降低井漏風(fēng)險(xiǎn)。相比優(yōu)化前完鉆的46口井高達(dá)58.69%的井漏占比，優(yōu)化后的17口井的井漏風(fēng)險(xiǎn)降低為17.65%。

圖4 渤中34-9油田不同尺寸井眼漏失時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度Fig.4 Equivalent cyclic density (ECD) while lost circulation of different hole size in BZ34-9 Oilfield

基于渤中34-9油田防漏經(jīng)驗(yàn)和裂縫性地層對(duì)壓力—應(yīng)力的敏感性，結(jié)合渤海油田地層具有新近系淺部低承壓帶、古近系中深層脆性超壓裂縫帶和前古近系潛山風(fēng)化裂縫帶的地質(zhì)特征，提出“T15T26T100”井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化防漏方案。采用406.40mm大井眼深鉆至明化鎮(zhèn)組底部T15（地震反射界面），下入技術(shù)套管封堵淺部低承壓帶破碎帶。311.15mm井眼深鉆至東二上亞段底部T26（地震反射界面），下入技術(shù)套管封堵東營(yíng)組脆性裂縫發(fā)育帶，減小下部井段異常地層壓力起壓后鉆井作業(yè)施工難度。215.90mm井眼鉆至古近系底潛山頂部T100（地震反射界面），封堵東營(yíng)組下部及沙河街組異常壓力地層，降低潛山漏失風(fēng)險(xiǎn)。有效將中深層探井井漏風(fēng)險(xiǎn)由59%降低至9%。

因此，針對(duì)具有壓力—應(yīng)力敏感性的弱面地層，通過(guò)優(yōu)化套管下入深度封堵薄弱層、降低井底壓差，是實(shí)現(xiàn)窄壓力窗口下防漏的有效措施之一。

表3 渤中34-9油田不同尺寸井眼井漏次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of lost circulation frequency of different hole size in BZ34-9 Oilfield

4 井漏動(dòng)力學(xué)機(jī)制及防漏對(duì)策

分析認(rèn)為，井漏是動(dòng)態(tài)過(guò)平衡鉆井條件下井筒壓力—應(yīng)力—應(yīng)變?cè)倨胶獾慕Y(jié)果。在正壓差下主要表現(xiàn)為井筒內(nèi)流體向地層的滲透壓力再平衡和井筒徑向的應(yīng)變擴(kuò)張。但是井周地層強(qiáng)度和應(yīng)力是有限的，井壁在過(guò)高的正壓差下會(huì)沿火山沉積巖界面或斷層裂縫帶等低承壓的力學(xué)薄弱面破裂產(chǎn)生裂縫、天然微斷層和裂縫的開啟及延伸進(jìn)行應(yīng)力釋放，鉆井液在正壓差下克服了通道內(nèi)阻力后進(jìn)入地層，表現(xiàn)為不同規(guī)模的井漏。

4.1 火山沉積巖段低承壓地層壓裂性漏失

渤中34-9油田沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰質(zhì)泥巖等火山沉積巖具有坍塌壓力高、漏失壓力低和破裂壓力低的特征：坍塌壓力系數(shù)達(dá)1.33g/cm3，漏失壓力系數(shù)為1.43g/cm3，破裂壓力系數(shù)接近1.65g/cm3，鉆井液密度窗口窄，當(dāng)井筒壓力大于地層的破裂壓力，井筒徑向擴(kuò)張產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，鉆井液在正壓差下進(jìn)入微裂縫，當(dāng)鉆井液液柱在裂縫尖端形成的有效應(yīng)力大于裂縫的抗張強(qiáng)度時(shí)，裂縫產(chǎn)生并張開，導(dǎo)致井漏。

防漏對(duì)策：①大井眼鉆穿火山沉積巖低承壓段，下入技術(shù)套管封堵；②鉆井液密度采用設(shè)計(jì)下限，配套隨鉆ECD檢測(cè)，確保井底壓差小于臨界漏失壓差；③起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動(dòng)壓力過(guò)高，憋漏地層；④采用低活度鹽NaCl降低鉆井液活度及滲透壓，阻止井筒正向壓力從井筒向地層傳遞，提高火山沉積巖地層承壓能力；⑤火山巖與沉積巖交互地層漏失納米堵漏技術(shù)，即采用納米級(jí)物理封堵劑PF-AquaSeal 和智能鋁化學(xué)井壁加固劑PFSmartSeal。PF-AquaSeal有效封堵0.5～4.0mm裂縫及孔洞，并隨孔隙、裂縫形狀變化實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性封堵，在壓差作用下變形顆粒聚結(jié)成膜，降低井壁滲透性。PF-SmartSeal與物理納米封堵協(xié)同作用，形成絡(luò)合鋁井壁加固層，提高火成巖交互地層承壓能力（表4）。以上組合防漏方案應(yīng)用后火成巖交互地層平均生產(chǎn)時(shí)效提高10%，井眼狀況明顯改善，平均倒劃眼速度由72m/h提高到123m/h。

4.2 天然微斷層和裂縫擴(kuò)展性漏失

渤中34-9油田東營(yíng)組天然微斷層和溢流相玄武巖中的天然裂縫作為潛在的漏失通道，具有極強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。井筒在正壓差下變形擴(kuò)張，裂縫的寬度和滲透率呈指數(shù)遞增[19,22,24]，當(dāng)井筒壓力達(dá)到某一臨界壓力時(shí)，微斷層和裂縫活化開啟或延伸，裂縫寬度大于固相顆粒直徑，鉆井液固相顆粒不能有效封堵裂縫，發(fā)生井漏，此時(shí)的井底壓力為微斷層和裂縫的臨界漏失壓力。因此，天然微斷層及裂縫開啟和延伸是井筒壓力—應(yīng)力—應(yīng)變?cè)倨胶獾闹饕问剑瑸榫┌l(fā)生創(chuàng)造了通道，是研究區(qū)東三段和溢流相玄武巖段井漏的主要方式（表4）。鄭有成[25]認(rèn)為裂縫的抗張強(qiáng)度為零，井內(nèi)流體侵入裂縫使裂縫張開的壓力只需要克服裂縫面上的有效正應(yīng)力。渤中34-9油田最大水平主應(yīng)力方位為65°，裂縫走向基本沿著最大主應(yīng)力方向，因此裂縫面上的正應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力，根據(jù)漏失時(shí)鉆井液當(dāng)量密度分析，實(shí)踐中當(dāng)井底鉆井液當(dāng)量密度達(dá)到水平最小主應(yīng)力當(dāng)量密度的88%時(shí)，就開始發(fā)生漏失。

表4 渤中34-9油田弱面地層井漏井眼應(yīng)變模式Table 4 Borehole strain mode while lost circulation in strata with weak plane in BZ34-9 Oilfield

防漏措施：①鉆穿斷層裂縫帶，下入技術(shù)套管封堵；②鉆井液密度參考斷層裂縫臨界開啟當(dāng)量密度下限；③配套隨鉆ECD檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底循環(huán)壓力，確保井底壓差小于臨界漏失壓差；④斷層裂縫帶內(nèi)采用小參數(shù)鉆進(jìn)，起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動(dòng)壓力過(guò)高；⑤微斷層和裂縫漏失雷特高承壓堵漏技術(shù)。研究區(qū)內(nèi)雷特堵漏劑中—粗型顆粒占6%～8%時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)架橋；小—中型顆粒楔入形成高壓封堵層，降低裂縫尖端應(yīng)力，避免裂縫繼續(xù)擴(kuò)展；片狀顆粒封門加固，提高裂縫承壓能力（表4）。

4.3 火山通道壓差性漏失

火山通道伴生斷層及火山通道內(nèi)熱沉降作用形成的節(jié)理縫、大孔洞的尺寸大于鉆井封堵顆粒尺寸，鉆井液進(jìn)入地層只需要克服縫洞系統(tǒng)的摩擦阻力，在微小正壓差下鉆井液就可自由進(jìn)入地層，具有逢鉆必漏的特點(diǎn)（表4）。渤中34-9油田東營(yíng)組火山巖段地層孔隙壓力為1.03～1.12g/cm3，為正?？紫秹毫?。由于該段地層坍塌壓力較高，鉆井時(shí)采用鉆井液當(dāng)量密度為1.37～1.49g/cm3，鉆遇火山通道后井筒內(nèi)流體在密度差和重力作用下大規(guī)模進(jìn)入地層。加之火山通道刺穿作用使圍巖破碎，伴生微斷層、裂縫發(fā)育，縫洞連通性好，微斷層和裂縫在正壓差下活化、延伸加劇井漏風(fēng)險(xiǎn)，堵漏成功率低。

防漏措施：①基于鉆前火山通道識(shí)別和軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)盡量不鉆火山通道；②鉆穿火山通道，下入技術(shù)套管封堵，降低下部井段作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；③隨鉆實(shí)時(shí)ECD檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度；④小參數(shù)鉆穿火山通道，起鉆、下鉆避免憋壓，防止激動(dòng)壓力過(guò)高；⑤火山通道漏失采用柔性復(fù)合堵漏技術(shù)：前置凝膠充滿火山通道內(nèi)的大裂縫和大孔洞，后續(xù)固相彈性顆粒跟進(jìn)，凝膠有效降低固相顆粒在裂縫內(nèi)的移動(dòng)速度，提供充分凝固和架橋時(shí)間，最后小排量打入STP或水泥塞，提高封堵效果，消除漏失（表4）。

因此，基于井漏動(dòng)力學(xué)機(jī)制，配套組合型防漏措施是降低井漏風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

地層弱面結(jié)構(gòu)決定了漏失通道的類型，是井漏的必要條件。建議以地層非均質(zhì)模型的弱面結(jié)構(gòu)的承壓能力和應(yīng)力敏感性為約束，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆井液參數(shù)和鉆井參數(shù)，提前防漏、避漏。

井筒正壓差是井漏的主要?jiǎng)恿Γ瑳Q定井漏強(qiáng)度。根據(jù)渤中34-9油田作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，相同條件下，小井眼有相對(duì)較高的循環(huán)壓耗，井底壓力更大，裂縫性地層發(fā)生井漏風(fēng)險(xiǎn)更高，參考地層井漏風(fēng)險(xiǎn)分布特征進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆井液參數(shù)優(yōu)化是控制井底壓差的有效手段?！癟15T26T100”井身優(yōu)化方案已在渤海油田推廣使用。

井漏是動(dòng)態(tài)過(guò)平衡條件下井眼壓力—應(yīng)力—應(yīng)變?cè)倨胶獾慕Y(jié)果。提高火山沉積巖地層承壓能力、降低天然微斷層和裂縫發(fā)育段井筒正壓差是降低裂縫性井漏風(fēng)險(xiǎn)的主要措施，火山通道等具有大尺度漏失通道的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量避開。