裂縫性漏失地層鉆井設(shè)計(jì)研究

鄧 云

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

鉆井施工過程中經(jīng)常面臨井下漏失問題，大量的鉆井液漏失到地層中，在增加鉆井液成本的同時(shí)往往還帶來井壁失穩(wěn)、井涌井噴等其他井下問題。國(guó)外學(xué)者對(duì)已出版的大量文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研后得出結(jié)論：因井漏造成的成本占總體鉆井成本的10%～20%，而這些損失的90%以上發(fā)生在裂縫性地層中。天然裂縫可能存在于任何類型的地層中，在該類地層進(jìn)行鉆井施工作業(yè)，會(huì)隨著井深的增加暴露更多的裂縫，從而使漏失加劇。因此天然裂縫性地層的存在是鉆井和固井施工中的一個(gè)重要難點(diǎn)[1-2]。

為了減少井下漏失的發(fā)生，鉆井從業(yè)者提出了多種預(yù)防措施，例如：①通過降低鉆井液密度以及改變流變參數(shù)和鉆井液流速來保持等效循環(huán)密度；②添加堵漏材料以加強(qiáng)地層承壓能力；③使用先進(jìn)的鉆井技術(shù)，如控壓鉆井技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)或隨鉆套管技術(shù)。與傳統(tǒng)鉆井技術(shù)相比，對(duì)于低壓力地層，可以使用低密度介質(zhì)作為鉆井液，如空氣、氮?dú)?、霧化泡沫鉆井液，從而在欠平衡的工況下減少鉆井液漏失[3-5]。

1 漏失層確定和漏失情況分類

不同地層的具體漏失情況不盡相同，高滲性、孔隙性、裂縫性和溶洞性地層均有可能存在，確定具體的漏失層位是非常重要的，只有確定具體漏層位置才能更好地采用預(yù)防或糾正措施來防止或阻止進(jìn)一步的井下流體損失。

1.1 漏層位置確定

根據(jù)鉆井過程中觀察到的情況，可以初步判斷漏層位置：當(dāng)在鉆進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失，并且漏失過程中伴隨著鉆速、扭矩的明顯變化時(shí)，漏層通常在井底；在起下鉆或提高鉆井液密度時(shí)發(fā)現(xiàn)漏失，則漏層通常不在井底。

精確的判斷漏層的具體位置，則有助于針對(duì)具體層位進(jìn)行井漏處理，從而提高效率縮短非生產(chǎn)時(shí)間。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)可以采用如下方法來幫助判斷漏層：①現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)分析；②鉆前地質(zhì)分析；③地層壓力測(cè)試；④裸眼測(cè)井；⑤放射性傳感器測(cè)量；⑥溫度測(cè)量。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，其中一些方法由于成本和技術(shù)原因難以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，而另一些方法則存在預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的問題。

1.2 漏失情況分類

除了判斷漏層位置外，解決漏失的另一個(gè)方法是對(duì)漏失（鉆井液或水泥漿）的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類，從而幫助選擇堵漏材料的尺寸和設(shè)計(jì)堵漏方案。漏失的嚴(yán)重程度可以由漏失量確定（見表1）。

從表1 可以看出，在鉆遇裂縫性地層過程中，根據(jù)地層裂縫的大小，可能會(huì)發(fā)生部分漏失，甚至失返性漏失。漏失類型和漏失速度密切相關(guān)，而漏失速度主要取決于漏失地層的地質(zhì)情況，漏失地層的裂縫或孔洞越大，相應(yīng)的漏速越大，漏失越嚴(yán)重，后續(xù)的堵漏難度也越大。

表1 漏失分類表

2 鉆井設(shè)計(jì)方面可采用的技術(shù)措施

2.1 漏失前的井壁加固

通常而言，在鉆井設(shè)計(jì)過程中做好防漏預(yù)案，對(duì)易漏失地層進(jìn)行井壁加固，提高地層的承壓能力，比發(fā)生漏失后再進(jìn)行堵漏具有更好的效果。在鉆遇低滲透性地層時(shí)，可通過提前在鉆井液中加入一定濃度的橋接堵漏材料（如可變形石墨、細(xì)顆粒、纖維素材料等）來提高井壁的承壓能力使鉆井液不易漏失。

2.2 其他技術(shù)措施

當(dāng)鉆遇高滲透地層和天然裂縫地層時(shí)，無法完全避免漏失的發(fā)生，但從鉆井設(shè)計(jì)角度可采取一定的預(yù)防措施來減少漏失，使鉆井施工順利進(jìn)行。預(yù)防漏失的最有效方法是保持井筒壓力等于或非常接近地層壓力。包括欠平衡鉆井、控壓鉆井、在易漏失地層下套管封隔和井筒加固等。

2.2.1 欠平衡鉆井技術(shù)

如果使井筒中的鉆井液液柱壓力保持在地層孔隙壓力以下，呈欠平衡狀態(tài)，則可以避免漏失的發(fā)生，但也存在地層流體流入井筒的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)低于地層孔隙壓力的鉆井液循環(huán)密度，需要使用非常規(guī)的鉆井流體，例如空氣、霧、泡沫、充氣鉆井液、微泡沫鉆井液。在某些特殊情況下，欠平衡鉆井是唯一可用的鉆井設(shè)計(jì)方案，但由于存在多相流體流動(dòng)，欠平衡鉆井設(shè)計(jì)方案比傳統(tǒng)鉆井或控壓鉆井更復(fù)雜。過平衡鉆井時(shí)，密度窗口介于孔隙壓力和地層破裂壓力之間，而在欠平衡鉆井過程中，密度窗口介于井眼穩(wěn)定壓力和地層孔隙壓力之間。欠平衡鉆井可以提高機(jī)械鉆速、鉆頭壽命和油井產(chǎn)能，但在欠平衡鉆井過程中，需要額外的設(shè)備和人員，會(huì)增加相應(yīng)的成本。

2.2.2 控壓鉆井技術(shù)

部分地層的孔隙壓力和破裂壓力十分接近，使用常規(guī)的鉆井工藝很難完成預(yù)期目標(biāo)。在這種情況下，需要更好地優(yōu)化和精確控制環(huán)空壓力，從而避免井控、漏失或卡管等井下問題。因此，為了確保安全無故障的鉆進(jìn)該類的地層，有必要在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下保持適當(dāng)?shù)沫h(huán)空壓力。

控壓鉆井用于精確控制和維護(hù)整個(gè)井眼的環(huán)空壓力分布。除了在鉆井過程中使用該技術(shù)外，還可以將控制壓力技術(shù)用于鉆井以外的各種施工作業(yè)（如下套管、固井、測(cè)井、起下鉆等）。這種相對(duì)較新的鉆井技術(shù)將低鉆井液密度與施加在環(huán)空中的額外壓力相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。根據(jù)所選的控壓鉆井方案，鉆機(jī)必須配備附加設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)控制裝置、止回閥、閘板、連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與常規(guī)鉆井相比，在易漏失地層使用控壓鉆井技術(shù)可使鉆井液損失減少20%以上，鉆速可提高5%以上，平均生產(chǎn)效率提高25%以上。

2.2.3 套管鉆井技術(shù)

隨鉆套管鉆井技術(shù)是一種相對(duì)新穎的鉆井施工技術(shù)，該技術(shù)使用套管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆具組合中的鉆桿和鉆鋌。這種類型的鉆井技術(shù)被認(rèn)為是高效和低成本的鉆完井方法之一。

套管鉆井技術(shù)減少了與鉆桿相關(guān)的成本，并避免了在鉆桿起下鉆作業(yè)期間可能出現(xiàn)的潛在復(fù)雜問題（包括循環(huán)漏失、井壁穩(wěn)定和井控事故）。此外，這種方法可以實(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是減少了非鉆井生產(chǎn)時(shí)間，減少了潛在的漏失問題和井壁失穩(wěn)問題。此外，套管的直徑遠(yuǎn)大于常規(guī)鉆井中使用的鉆桿直徑，這導(dǎo)致環(huán)空中泥漿流動(dòng)的面積更小，會(huì)出現(xiàn)一種稱為“抹灰”的效果，它會(huì)增強(qiáng)井筒穩(wěn)定性：套管外徑與井眼尺寸的比率是發(fā)生抹灰效應(yīng)的主要因素，在有限的環(huán)形間隙中，鉆屑在套管和井筒之間被研磨成更細(xì)的顆粒，大幅度增加了鉆井液中的粒度分布。較高的鉆井液顆粒濃度和粒度分布有助于通過抹灰作用對(duì)井壁進(jìn)行橋接和裂縫閉合，從而幫助形成一層薄而不可滲透的泥餅，形成屏障并防止流體流失。因此，套管鉆井過程中發(fā)生的抹灰效應(yīng)增加了裂縫梯度并改善了井壁的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論和建議

（1）天然裂縫性地層的地質(zhì)特點(diǎn)使鉆井施工面臨很大的挑戰(zhàn)，從鉆井設(shè)計(jì)層面對(duì)鉆井施工進(jìn)行整體規(guī)劃，是有效解決漏失問題的方法之一。

（2）確定具體的漏失層位是非常重要的，只有確定具體漏層位置才能更好地采用預(yù)防或糾正措施來防止或阻止進(jìn)一步的井下流體損失。

（3）井壁加固技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)均是減少漏失發(fā)生率，提高鉆井效率的有效技術(shù)方案。