钻井漏失封堵机理研究现状

何冰月

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江 大庆 163400）

钻完井液漏失一直是困扰油气田开发的世界性难题。在钻井过程中，钻完井液会因地层原因或工程因素在压差作用下进入含有孔隙或裂缝的深部地层，不仅造成钻完井液损失，更会因为处理井漏损失大量时间，甚至会引起“先漏后喷”严重事故，导致井眼报废、影响人身安全，给钻井作业带来无法估量的损失。防漏堵漏基础理论研究对防漏堵漏材料研究和工艺技术进步具有重要指导作用。关于防漏堵漏理论的研究最早开始于19世纪20年代，当时是“见缝就堵”，但是没有考虑到漏失地层的复杂性和封堵材料的不确定性，没有继续研究封堵材料尺寸和漏失通道尺寸的相互关系，防漏堵漏效果不理想。所以，有必要对目前国内外常用防漏堵漏机理进行总结和分析，对防漏堵漏机理研究和突破具有一定指导意义。

1 井漏原因分析及漏失分类

导致井漏的原因大致可以分为以下几种情况：①地层中存在着天然裂缝和溶洞等，且连通性好、渗透性高，为钻完井液漏失提供了天然通道；②钻井液密度过高，导致钻井液液柱压力大于地层破裂压力，引起地层原始裂缝张开或产生新的裂缝，形成新的漏失通道；③钻井工程措施不当，下钻速度过快或开泵过猛都会引起井下压力激动，导致井底压力大于地层破裂压力或漏失压力；④钻井液中起封堵作用的处理剂粒径小于地层裂缝尺寸，无法及时有效封堵致漏裂缝，最终引起井漏。

按钻井液漏失量多少，可以将井漏分为溶洞性漏失、裂缝性漏失和渗透性漏失几大类。其中，溶洞性漏失是指由地下溶洞、暗河等较大致漏通道引起的一类漏失，钻完井液只进不出，漏失速度无法控制，常规堵漏方法无法进行封堵，即使水泥浆也不能有效封堵；裂缝性漏失是指地层中存在较多裂缝和孔隙（包括天然裂缝和人为原因引起的次生裂缝）引起的一类漏失，漏失速度一般小于5m3/h，此类漏失需要停钻作业、配制高浓度堵漏浆进行堵漏，可操作性强；渗透性漏失是指在渗透率较高的砂岩地层或砾岩地层发生的钻完井液漏失，漏失速度一般小于1m3/h，具有漏失量小、易处理等特点，不需要停钻堵漏，只需要在钻井液中加入随钻堵漏材料就能有效封堵[1]。

2 防漏堵漏机理研究现状

进入21世纪以来，随着材料科学和模拟评价方法研究不断进步，钻井液漏失的封堵机理研究也取得了较大发展。

2.1 刚性封堵理论

刚性封堵理论认为，先用较大的刚性材料对漏失通道进行充填和架桥，形成一级封堵，能够降低漏失量；第一级封堵之后的剩余孔缝再用尺寸小一点的刚性材料进行填充。最终形成刚性较强的致密封堵层，最终达到降低漏失量的目的。按封堵机理的不同，刚性封堵理论又可分为架桥封堵理论和充填封堵理论。充填封堵理论比较典型的有理想充填理论，又称为“1/2规则”，架桥封堵理论比较典型的有“1/3规则”和“2/3规则”。

2.1.1 充填封堵理论

充填封堵理论认为，不同功能的封堵材料可以在漏失通道内逐步架桥和堆积，最终形成的封堵层能够提高承压漏失能力，降低漏失层的渗透率。该理论认为由不同功能和粒径组成的封堵材料对漏失通道充填后，当形成的封堵层越致密越能最大程度地降低漏失量。这种封堵理论的核心就是要确定不同封堵材料的用量比：首先确定封堵材料的筛分级数，最后根据得到的粒径比值和漏失地层的孔隙度计算出不同封堵材料的用量比，确定封堵材料配方，实现封堵漏失地层。充填理论虽然在当时取得了一定的效果，引导了防漏堵漏技术发展，但仍有许多问题没有得到解决。例如，如何控制较大刚性颗粒按一定次序和规则侵入地层的漏失通道，如何控制最小的刚性材料能够有效填充次级漏失通道等[2]。

2.1.2 架桥封堵理论

架桥封堵理论最初是由国外研究人员于20世纪80年代提出来的一种理论。先用刚性材料在漏失通道内形成骨架封堵层，再用小一级的刚性材料在剩下的空间中架桥，最大程度提高封堵承压能力，降低渗透率。在较多架桥封堵理论中被广泛接受和认可的是“1/3规则”，在确定漏失通道尺寸的情况下，选择的封堵材料粒径不能小于漏失通道尺寸的1/3，同时架桥封堵材料的最低浓度不低于5%，这样形成的封堵层才能具有最大的承压能力[3]。

国内研究人员在“1/3规则”基础上，以封堵人造岩芯孔隙尺寸与封堵材料的匹配关系为标准，将封堵材料按粒径大小划分区间，形成了一种新的理论体系。认为一级架桥材料的最低尺寸应该不低于漏失通道尺寸的2/3，架桥材料的最低浓度不低于3%；二级填充材料的尺寸应该在漏失通道尺寸的1/4～1/2之间最合适，且最低浓度不能低于2%，经过合理级配之后，才能形成致密的封堵层。还有研究人员认为当架桥材料粒径与裂缝宽度“相当”，即70%～100%，浓度大于3%，此时桥堵层稳定，这些研究成果被统称为“2/3规则”。

2.2 柔性封堵理论

柔性封堵理论认为，形状不固定的柔性材料、聚合物等封堵材料，在井底高温高压条件下，会通过物理和化学等变化而发生诸如胶联、膨胀、吸附、凝固等作用，封堵地层漏失通道的理论。以这种封堵理论形成的封堵材料含有吸水树脂、沥青类等弹性较好的材料，都是利用软化材料封堵地层的典型代表。

柔性封堵目的是封堵非均质地层中分布广泛的、刚性材料无法封堵的较小的漏失通道、架桥材料间孔隙，降低漏失层渗透率，增强承压能力，适用于封堵不需要测定地层漏失通道的漏失地层。但柔性材料也存在明显的不足，如井底温度、液柱压差、漏失通道体积以及有些材料会对储层造成较大伤害等[4]。

2.3 减压防漏理论

减压防漏理论，是指利用低于地层孔隙压力的液柱压力实施钻完修井作业，减弱漏失驱动力，防止地层漏失的理论。目前，利用减压理论实施防漏的作业方式主要为纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、可循环微泡钻井、控压钻井等。

减压钻井理论认为，减弱了漏失驱动力，可以实现防漏的同时，有利于提高机械钻速、减少储层伤害。减压防漏理论具有3个特点：①最早利用气体、泡沫等流体的自身低密度，有效降低了液柱压力；②泡沫类、油基等低密度流体具有较好的流变性，通过增加漏失阻力，增强岩屑携带能力；③应用减压防漏理论，一般需要使用低密度流体、专用设备。

2.4 提高地层承压能力理论

封堵材料在井底形成封堵以后，能否长期发挥封堵作用的关键在于在后期作业中能否保持较高的承压能力。所以在多种封堵理论基础上，又有研究人员提出了提高地层承压能力理论，也被称为预处理承压理论。这种理论认为在准确预测出漏失层位基础上，对该层位的漏失特点和漏失通道尺寸进行分析，从而确定各封堵材料的尺寸和粒径级配，最终在漏失层位四周井壁上形成一个压力隔离带，提高井壁周向应力和井壁微裂缝的重启压力，控制漏失。

这种理论认为使用钻井液固相封堵裂缝，隔离裂缝尖端压力传递，可提高裂缝重启压力和井壁周向应力，稳定裂缝。存在裂缝的井壁岩石的抗张强度为零，而使用固相、胶体或凝胶的钻井液隔离裂缝尖端压力传递，可使裂缝稳定。

预处理承压理论的特点是预封堵地层裂缝孔隙，理论基础是裂缝稳定机理，关键是用合理配比的封堵材料提前封堵处理，或采用胶联聚合物，隔离尖端的压力传递。

2.5 模糊封堵理论

以上介绍的4种封堵理论，受限于当时研究条件，都存在着一定的局限性，但也在一定程度上指导了当时钻井堵漏技术进步。在进入21世纪后，随着井漏问题重视程度提高，各油田和研究机构对防漏堵漏机理研究进入新的阶段。在这种背景下，诞生了一种全新的封堵理论—模糊封堵理论（绒囊封堵机理）。

研究人员认为由于地层具有非均质性，无法对漏失通道形态、尺寸进行准备预测，有效封堵漏失通道需要从模糊数学角度来认识地层漏失通道、封堵材料、封堵方式，所以提出了模糊封堵的概念。这种理论的基础就是认为封堵材料大小、形状、数量属于集合分类；漏失通道大小、形态可以利用测井等技术手段进行测量，确定在一定的范围[5]；漏失量的大小、漏失的种类也具有不确定性；漏失通道也可以是地层中的天然裂缝，也可以是认为因素造成的次生裂缝。在诸多不确定因素下，封堵方式和强度也具有不确定性，可以是单一一种方式，也可以是多种方式结合。封堵后可能是分解、消耗，也可能是支撑漏失压力。但不能精确区分在某一漏失通道内的封堵方式，也不可能清楚地区分封堵材料在某一漏失通道的存在方式和作用。

模糊封堵理论的核心是以自然形成的材料封堵天然的地层漏失通道，还要利用地层压力和地层温度增强封堵能力。

3 结论

（1）钻井漏失是石油勘探开发过程中较难处理的技术难题，每年给钻井行业带来无法估量的损失。封堵机理研究对提高防漏堵漏工艺技术水平具有非常重要的指导作业，经过多年发展，先后形成了刚性封堵、柔性封堵、减压防漏等多种封堵理论。这些理论在一定时期都发挥了较大作业，也为钻井防漏堵漏技术发展和进步起到了推动作用，但也各种存在着一定缺点，无法适用于所有的钻井漏失情况。

（2）随着深井、超深井勘探开发数量的增多，以及四川页岩气等易漏地区钻井作业增多，防漏堵漏基础理论研究还需要加大研究。研究的重点应该是对漏失地层的特点和方式进行深入分析，从而确定封堵材料优选范围；同时，应该研究如何让封堵材料“进的去、停的住、能解堵”，既要能封堵住漏层，还要能够不伤害储层；最后，室内防漏堵漏模拟评价方法要充分考虑地层特点和现场施工实际情况，才能为封堵材料优选提供准备的试验手段。