＊陳軍 王平 李占超

（1.中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司 山東 257200 2.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 100009 3.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司 北京 100101）

井漏是指在鉆進(jìn)、固井等其他井下作業(yè)中的各種作業(yè)液（鉆井液、水泥漿、完井液等）在壓差的作用下直接漏失進(jìn)入地層的一種井下復(fù)雜狀況[1]。按照漏失通道可分為滲透性漏失、裂縫性漏失、溶洞性漏失三類。井漏可能誘發(fā)井壁失穩(wěn)、坍塌、井噴等復(fù)雜情況，不僅影響鉆進(jìn)速度，還會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，成為制約油氣勘探開發(fā)速度的主要技術(shù)瓶頸[2]。

頁巖等地層的不穩(wěn)定性以及頁巖油氣儲層硬脆性礦物含量高、水敏性強(qiáng)，層理、微裂縫發(fā)育，鉆進(jìn)過程中流體易侵入導(dǎo)致井壁失穩(wěn)等復(fù)雜問題[3]。因此，鉆井液漏失問題對頁巖氣開發(fā)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。

水基鉆井液具有成本低、應(yīng)用廣泛、工藝成熟、對儲層污染小等特點(diǎn)，缺點(diǎn)主要有易導(dǎo)致水敏地層水化坍塌，油基鉆井液幾乎不與水敏性地層礦物發(fā)生反應(yīng)，具有抑制性強(qiáng)、潤滑性好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于保持井壁穩(wěn)定，但成本和環(huán)境保護(hù)問題突出。近年來，國內(nèi)外研究人員在防漏堵漏理論與技術(shù)發(fā)展方面取得了一定成效，在逐漸完善防漏堵漏封堵理論基礎(chǔ)上，充分利用堵漏材料與漏失地層之間的匹配關(guān)系，對鉆井液防漏堵漏具有十分重要的推動作用。本文闡述了封堵理論及現(xiàn)有油基鉆井液防漏堵漏技術(shù)，希望為油基鉆井液防漏堵漏工作提供參考。

1.防漏與堵漏理論研究現(xiàn)狀

（1）剛性堵漏理論。剛性封堵理論是指固定形狀和粒徑的剛性堵漏材料，在鉆井液柱壓力作用下，對漏失進(jìn)行架橋，充填堆積，有效封堵漏失通道，減少鉆井液漏失。在封堵早期階段，Csrl Gatlin等[5]研究人員提出了封堵層最大密度理論。通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同粒徑充填粒子的比例關(guān)系和最大惰性粒子的在漏失通道中的作用。A.Abrasm等研究人員提出“1/3架橋理論”，堵漏材料最小架橋粒徑應(yīng)大于漏失通道中1/3，且架橋顆粒在鉆井液中濃度不小于5%，才能有效架橋封堵漏失通道。“1/3架橋理論”僅驗(yàn)證架橋粒子最低臨界條件，并未對濃度、粒徑進(jìn)行優(yōu)選。

羅平亞等[6]在A.Abrams“1/3架橋理論”基礎(chǔ)之上進(jìn)一步優(yōu)化了架橋顆粒的粒徑和濃度。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)架橋材料粒徑占孔吼通道尺寸2/3時，孔吼處橋堵層最穩(wěn)定，康毅力等人[7]從數(shù)學(xué)角度分維數(shù)來優(yōu)選堵漏劑尺寸，利用堵漏材料的分維值表明粒徑分布情況，選擇堵漏材料與漏失孔徑分維值相同或相近，達(dá)到最優(yōu)匹配效果。李中等[8]提出利用顆粒粒徑體積分?jǐn)?shù)和粒徑平方根曲線圖，來優(yōu)選不同粒徑暫堵劑的粒徑組合。

剛性封堵理論核心為架橋和充填封堵。充填封堵理論最初由河床密度與滲透率之間關(guān)系引入。架橋理論體系主要圍繞架一級剛性橋堵材料尺寸與孔吼之間比例關(guān)系展開，從“1/3架橋理論”的提出，隨后延伸出“2/3理論”圍繞一級架橋顆粒選擇范圍和二級填充材料濃度與粒徑選擇范圍，堵漏材料與漏失通道匹配關(guān)系研究逐漸加深，降低滲透率，提高封堵強(qiáng)度。

（2）柔性封堵理論。柔性封堵理論是指非固定形狀和粒徑的柔性封堵材料，混入鉆井液中，在地層溫度、壓力和礦化度等聯(lián)合作用下，封堵材料自身形態(tài)發(fā)生變化，如物理、化學(xué)變化，在漏失通道中發(fā)生聯(lián)結(jié)、溶脹等，形成具有一定強(qiáng)度的承壓封堵層，降低鉆井液漏失。

呂開河等[9]針對剛性堵漏顆粒與漏失裂縫匹配不佳等問題，提出自適應(yīng)堵漏劑來封堵孔隙和裂縫，來克服橋接堵劑對漏失地層尺寸的依賴，提高防漏堵漏成功率。劉偉等[10]研制出一種與油基鉆井液中配伍性良好的膨脹型防堵堵漏劑，經(jīng)適度交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有一定的抗壓和成膜能力，封堵效果良好。

柔性封堵理論以架橋和充填封堵理為基礎(chǔ)，利用封堵材料在漏失通道中溶脹、聯(lián)結(jié)等性能，在壓差作用下可發(fā)生形變，在孔隙大小不同的地層有效駐留，充分考慮漏失地層的非均質(zhì)性，作為剛性封堵的補(bǔ)充，進(jìn)一步豐富了堵漏理論體系。但也存在如與鉆井液配伍性差、樹脂類堵漏材料受地層溫度影響大及堵漏材料對儲層危害嚴(yán)重等問題，限制了柔性封堵材料的應(yīng)用。

（3）提高地層承壓能力理論。提高地層承壓能力理論是利用封堵材料加固井壁或形成封堵帶，提高地層井壁的周向應(yīng)力和井壁裂縫重啟壓力，本質(zhì)上是調(diào)整地層巖石抵抗張行破壞的能力，來控制鉆井液漏失。地層承壓能力主要受地質(zhì)因素和工程因素兩方面影響。地質(zhì)因素主要受地層孔隙壓力、地層溫度、巖石特性和裂縫類型等有關(guān)，工程因素主要鉆井液自身特性以及所采用的工藝等。提高地層承壓能力理論中主要由“封尾”“應(yīng)力籠”和“裂縫閉合壓力”組成。

①“封尾”理論?！胺馕病崩碚撟钤缬缮５侠瓕?shí)驗(yàn)室提出，認(rèn)為在裂縫性漏失地層中，堵漏材料應(yīng)在漏失裂縫尖端封堵。Loeppke等[11]分析了針對裂縫封堵的單顆粒和雙顆粒架橋模型。當(dāng)架橋顆粒在裂縫中架橋封堵時，堵漏顆粒粒徑大小、漏失裂縫通道表面摩擦系數(shù)大小分別于與承壓能力成正比例關(guān)系，即顆粒尺寸越大，裂縫表面摩阻越大，承壓能力越強(qiáng)。Guh等研究人員對濾失特征研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆進(jìn)液流入裂縫尖端的速度小于流出的速度時，裂縫尖端停止延伸，提出防漏材料能夠阻止裂縫擴(kuò)展以及構(gòu)建合適尺寸人造井壁所需條件?！胺馕病崩碚搩H適用于滲透率高的地層且封堵時會造成鉆井液大量流失，使得“封尾”理論適用性受到很大限制。

②“應(yīng)力籠”理論。Aston等人[12]提出了“應(yīng)力籠”理論，其基本原理為：地層巖石受壓力的作用下，原有裂縫開度會增加或延伸等變化，通過注入固相堵漏材料在裂縫尖端形成致密封堵層，切斷裂縫尖端壓力和流體介質(zhì)傳遞，壓縮井周地層，提高井壁周向應(yīng)力和井筒承壓能力。隨后，利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，證明了“應(yīng)力籠”理論。在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在以下不足：封堵材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，使裂縫保證張開狀態(tài)，在高溫高壓地層條件下，固相顆粒容易失效，導(dǎo)致地層承壓失敗。在施工過程中，需要將常規(guī)工作液置換成含特殊井眼強(qiáng)化材料的工作液，造成鉆井時間延長，增加了鉆井成本。

③“裂縫閉合壓力”理論。Dupriest等[13]研究人員提出了裂縫閉合應(yīng)力理論，有利于提高地層承壓能力。研究認(rèn)為堵漏材料在封堵的基礎(chǔ)上應(yīng)隔離裂縫尖端，使裂縫保持足夠的寬度，地層裂縫的寬度決定了地層承壓能力值提高的大小。Oort對“應(yīng)力籠”理論和“裂縫閉合應(yīng)力”理論分析發(fā)現(xiàn)，“應(yīng)力籠”理論缺乏對裂縫長度和阻塞深度的假設(shè)，“裂縫閉合應(yīng)力”理論對低滲透率地層應(yīng)用存在局限性。在強(qiáng)化井筒早期階段，研究人員主要關(guān)注封堵材料在漏失裂縫中主要作用為封堵和支撐，在此基礎(chǔ)上提出“封尾”理論。隨著防漏堵漏技術(shù)不斷發(fā)展，研究人員逐漸關(guān)注如何利用鉆井液提高地層破裂壓力，研制出能夠在裂縫入口堵漏的鉆井液。

相比而言，剛性堵漏理論是建立在剛性材料能否進(jìn)入地層漏失通道基礎(chǔ)之上的，沒有考慮剛性材料的尺寸與地層漏失孔隙、裂縫尺寸之間的匹配關(guān)系，造成堵漏成功率較低；柔性封堵理論是建立在材料柔性形變后封堵漏失通道及出生，但柔性材料承壓能力較低、材料耐溫使用范圍。提高地層承壓能力理論是綜合剛性堵漏理論和柔性封堵理論的優(yōu)點(diǎn)，同時使用剛性材料和柔性材料封堵地層漏失通道，因此具有更廣的應(yīng)用范圍和更佳的應(yīng)用效果。

2.防漏與堵漏技術(shù)研柔性封堵理論究進(jìn)展

（1）隨鉆防漏堵漏技術(shù)。隨鉆防漏堵漏技術(shù)是處理井漏問題的常用手段之一，主要針對地層破裂壓力較低、安全密度窗口窄的地層。劉均一等[14]制備了隨鉆防漏堵漏材料，提高了油基鉆井液隨鉆防漏堵漏效果。防漏堵漏材料主要包括剛性架橋顆粒、彈性填充材料、纖維材料和軟化瀝青等多種堵漏劑。舒曼等人[15]優(yōu)選了JHCarb堵漏劑、HIFI變形顆粒和彈性封堵材料采用四顆粒相結(jié)模型，在焦石壩頁巖氣水平井段應(yīng)用，有效預(yù)防了滲透性漏失、微裂縫漏失等問題，減少油基鉆井液漏失量。隨鉆防漏堵漏對復(fù)合堵漏材料搭配要求較高，與油基鉆井液配伍性好，不同裂縫對剛性顆粒粒徑要求苛刻。熊繼有等人[16]提出基于物理法的隨鉆防漏堵漏技術(shù)，對堵漏材料要求較低，通過井下工具給地層漏失井壁增加具有一定強(qiáng)度的泥餅，形成“人造井壁”，可有效將漏失地層井壁的滲透率，達(dá)到防漏堵漏效果。

（2）承壓堵漏技術(shù)。承壓堵漏技術(shù)是地層破裂壓力低于鉆井液液柱壓力時，地層裂縫增加，通過架橋封堵、充填堆積等措施來進(jìn)一步提高地層承壓能力，減少鉆井液漏失，提高固井質(zhì)量。

梁文利[17]提出對漏失井段進(jìn)行承壓封堵作業(yè)，使用國外新型油基堵漏劑和自主研發(fā)油基堵漏材料混合堵漏，承壓能力提升至1.85g/cm3。國外油基堵漏劑由3種鉆井液密封劑和一種混合型封堵劑組成，能夠封堵1mm以下裂縫，最大承壓能力可達(dá)7MPa。此外，針對生產(chǎn)套管漏失問題，許明標(biāo)[18]提出微孔高效套管承壓堵漏劑技術(shù)，并將壓力保持在90MPa，井筒內(nèi)無漏失，使得涪陵頁巖氣套管漏失得到解決。

（3）聚合物凝膠堵漏技術(shù)。凝膠溶液中的粒子和高分子在一定轉(zhuǎn)化條件下互相連接，形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)彈性體，在外力作用下對漏失地層進(jìn)行封堵。梁慶磊等[19]在合成凝膠的基礎(chǔ)上，加入增強(qiáng)劑合成一種油基凝膠封堵劑。聚合物反應(yīng)以自由聚合為主，油溶性單體TS的側(cè)鏈通過化學(xué)鍵與含有多個雙鍵的DB相互聯(lián)結(jié)，加入有機(jī)膨潤土和超細(xì)碳酸鈣，形成具有一定強(qiáng)度的凝膠體。凝膠強(qiáng)度最大可達(dá)5MPa，高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)中油基鉆井液的濾失量小于10mL，具有良好的承壓封堵能力。

孫曉杰等人[20]通過將NJZ凝膠劑與JLJ交聯(lián)劑在高壓管線內(nèi)混合反應(yīng)合成了一種粘度較大的凝膠。NJZ與配價體、鋁離子交聯(lián)形成大分子長鏈，形成具有高粘、高承壓的油基凝膠體系。劉文堂等人[21]根據(jù)頁巖地質(zhì)特征和油基鉆井液特性，制備出一種微納米級可變性的球狀凝膠，并復(fù)配片狀、纖維狀堵漏材料，研制出球狀凝膠復(fù)合封堵劑。

三種防漏堵漏技術(shù)相比，隨鉆防漏堵漏由于所用材料粒徑小且使用濃度受限，所以僅適用于封堵漏失量不嚴(yán)重的地層，而承壓堵漏技術(shù)和凝膠堵漏技術(shù)適用于封堵鉆井液嚴(yán)重漏失地層。承壓堵漏所用材料種類較多，現(xiàn)場配制工藝復(fù)雜，封堵層強(qiáng)度較高但穩(wěn)定性較差，聚合物凝膠堵漏材料配制簡單，在漏層中封堵強(qiáng)度高，但是耐高溫性能較差[22-24]。隨著鉆井工藝快速發(fā)展，堵漏材料和堵漏工藝逐漸多樣化，堵漏思路也轉(zhuǎn)變?yōu)榉蓝陆Y(jié)合，以堵為主[25]。

3.結(jié)論

綜述了國內(nèi)外各種類型的封堵理論與油基鉆井液防漏堵漏技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果。剛性封堵理論核心為架橋和充填封堵，提高材料與漏失通道的匹配關(guān)系；柔性封堵理論核心為通過物理、化學(xué)變化，在漏失通道中發(fā)生聯(lián)結(jié)、溶脹等，形成具有一定強(qiáng)度的承壓封堵層，降低鉆井液漏失；提高地層承壓能力理論核心是調(diào)整地層巖石抵抗張行破壞的能力，來控制鉆井液漏失。封堵理論發(fā)展也是一個由淺及深的過程，從不同粒徑充填粒子與漏失通道匹配關(guān)系開始，到利用數(shù)學(xué)角度優(yōu)選堵漏劑的尺寸，并在發(fā)展過程中不斷融合其他理論，更有效的封堵漏失地層。從“見漏就堵”逐漸演變?yōu)椤耙苑罏橹?、防堵結(jié)合”對影響漏失問題的認(rèn)識逐漸加深，更有效封堵油基鉆井液漏失問題。