川南页岩气钻井井漏特征及堵漏技术研究与应用

万夫磊 王培钢 范生林

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院；2.国家能源页岩气研发（实验）中心）

川渝地区优质页岩气储量丰富，“十三五”以来，各区域勘探开发力度不断增大，页岩气钻井技术取得跨越式发展，以威远、长宁等为代表的川南页岩气示范区块成为川渝主力产区。由于区块地质条件复杂，裂缝溶洞异常发育等原因，实钻过程中井漏复杂频繁，严重制约了钻井施工提速提效。开展堵漏总结分析，优化井漏防治措施，探索高效堵漏工艺技术，减少漏失损失，对保障川南地区页岩气高效开发具有重要战略意义。

川南页岩气钻井作业区主要分布在威远、长宁、泸州等地，地表出露层位于侏罗系凉高山组—三叠系须家河组，属于典型的喀斯特地貌。根据音频大地电磁法岩溶勘查结果，裂缝溶洞分布范围广，在须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、茅口组均有分布。在钻井施工过程中，受缝洞发育影响，常钻遇恶性井漏，漏失层从地表至目的层均有分布，加之钻探区域存在地下暗河并与饮用水源连通，开发环境极其敏感，防漏治漏作业困难，极易发生环境污染事故[1-4]。堵漏一次成功率低，反复堵漏过程中容易产生环保事故，其中已钻井平均井漏处理时间为243h。部分井区漏失裂缝与地表窜通，且存在推覆体和流沙层[5-6]。

中部井段主要漏失层为飞仙关组、茅口组和栖霞组。其中茅口组、栖霞组属碳酸盐岩地层，多发育断层或纵向裂缝。失返性漏失占比高，漏失量大，堵漏效率低。部分层段存在高压气层或煤层，致使中部井段易出现漏塌同存、溢漏同存等矛盾性复杂情况。

下部页岩段层理发育、褶皱断层多，并存高角度裂缝，易发生恶性漏失。钻进过程中气测显示频繁，加之微裂缝扩展压力限制，钻井液安全密度窗口窄，井底压力控制要求高，井控和防漏矛盾突出。

川南页岩气区块整体地质条件复杂，纵向上各层段均有裂缝溶洞发育，横向上裂缝间连通性良好，裂缝开启压力低，整体漏失情况复杂（图1、图2）。漏失类型多以裂缝性漏失为主，具有漏失量大、堵漏成功率低、漏失处理周期长的特点，漏失过程并存气侵、垮塌等风险，井控难度大[7-11]。

图1 川南页岩气区块各层段漏失量及占比（不含强钻漏失清水）

图2 川南页岩气区块各层段漏失损失时间及占比

1 页岩气钻井井漏特征分析

川南页岩气区块井漏发生频率高，漏失层位多，从地表至目的层龙马溪组均有漏失层，纵向上呈现明显的“三段式”特征。

浅表漏失层以雷口坡组、嘉陵江组为主，漏失通道多为水蚀风化作用形成的溶蚀缝洞，大小不均且分布无规律，既有放空性的大裂缝、大溶洞，又有漏水不漏砂的微裂缝，整体漏失量大，漏失过程常伴有地层垮塌、出水等复杂，处理难度大，损失时间长。使用水泥

2 页岩气分段井漏防治技术现状

2.1 表层井漏防治技术

如图3所示，钻井过程中，为保证浅表地层水不受污染，多采用清水强钻、空气/雾化钻井工艺措施和水泥、商砼、多相混输堵漏技术。使用清水强钻、空气/雾化钻井方式可快速钻穿雷口坡组、嘉陵江组等缝洞发育地层，井漏损失时间大幅降低，但会消耗大量清水，长宁地区2020年上半年表层钻井损失累计时间仅为25h，漏失清水量则高达23931.4m3。钻遇推覆体和流沙层时，井漏往往伴有垮塌、地层出水等复杂，无法使用空气钻井等技术，治理难度极大，尚未得到很好解决。

图3 表层井漏防治施工流程

2.2 中部井段井漏防治技术

中部井段主要采用随钻、桥堵、水泥堵漏和清水强钻工艺。具体施工流程见图4，通过优化堵漏方案（随钻、桥堵、水泥堵漏），缩短治漏时间，提高堵漏工序及组合规范性。在钻遇龙潭组垮塌层时，强化钻井液性能后降密度钻进，钻穿后采用水泥封固措施至中途完钻井深；针对茅口组漏塌同存问题，采用盖帽钻井液+清水强钻，上部使用钻井液盖帽防塌，下部清水强钻。针对泸州等地二叠系含高压气层，发生井漏后可能诱导溢流的问题，优化井身结构，将技术套管下入层位从石牛栏组顶部优化至栖霞组顶，优化后未出现漏喷转换情况。采用上述措施取得了较好的井漏防治效果，2020年平均单井损失时间较2019年减少62%。

图4 中部井段井漏防治施工流程

2.3 下部井段井漏防治技术

下部井段井漏防治技术路线主要采用随钻、桥堵和水泥堵漏方式（图5）。针对渗透性漏失，采用随钻堵漏，成功率逐年提高，达到70.8%；针对大型缝洞漏失，采用水泥堵漏，成功率为61.4%；针对失返性漏失，采用桥塞堵漏，成功率为56.7%。但是，韩家店组—石牛栏组存在低压漏失层，部分井存在高角度裂缝，提承压难度大；龙马溪组安全密度窗口窄，溢漏、漏塌矛盾突出，井漏回吐现象突出，井控风险大。下部井段仍存在承压堵漏无效、龙马溪组溢漏同存的难题。N209H33-4井在韩家店组钻遇高角度裂缝，地层承压能力不足1.05g/cm3，目标承压1.80～2.00g/cm3，进行15次专项承压堵漏作业，承压能力只提高到1.20～1.25g/cm3，后采用膨胀管封隔未成功，被迫侧钻。

图5 下部井段井漏防治施工流程

3 主要堵漏技术与应用效果

3.1 桥塞堵漏技术

近年来，开发了以FDJ系列复合堵漏剂、WNDK系列刚性颗粒堵漏剂、ZR-31随钻堵漏剂复配形成一体化成熟防漏堵漏工艺技术，施工工艺简便，适用于大部分孔隙型、裂缝型及缝洞型漏失，在川南地区被广范应用。

FDJ系列复合桥塞堵漏剂具有配制简单、施工简便、适用范围广、见效快的特点，但也存在一些不足。如对漏失层认识不清楚时，易出现“封门”问题，导致堵漏效果不佳；在高密度条件下，材料存在上浮问题，可能导致水眼堵塞；经过高温、长期浸泡后，材料强度降低。

为了解决FDJ系列材料在高温、浸泡后堵漏效果变差的问题，研发了WNDK系列刚性颗粒堵漏剂，与FDJ复合堵漏剂复配使用，增加了堵漏剂耐温能力，提高堵漏强度，尤其适用于承压堵漏。WNDK特点是刚性矿物颗粒强度高，不受温度、水浸泡影响，配制简单，施工简便；但由于尺寸较大的颗粒悬浮稳定性差，易沉降，对漏失层认识不足时，易出现“封门”问题。

此外，还开发了ZR-31随钻堵漏剂，主要成分为矿物、植物粉末和植物纤维，尺寸小，用于随钻封堵微裂缝、孔隙，解决渗透性漏失，与WNDK复配使用时，可提高刚性颗粒悬浮能力；引入NTBase复合堵漏剂、LCM片状堵漏材料，可防止核桃壳上浮堵水眼，增加刚性颗粒悬浮性，提高堵漏效果。

由于漏失层的复杂性及认识不足，导致材料对其适应性较差，桥塞堵漏技术现场实施效果不佳。如图6所示，2020年1—9月的入井堵漏试验中，桥塞堵漏成功率仅为48.5%，此外，部分井漏施工中存在低密度堵漏材料上浮导致堵水眼的问题，需要对桥塞堵漏剂进一步优化。

图6 2020年各堵漏技术堵漏成功率对比

3.2 水泥堵漏技术

针对失返性漏失、破碎带、大裂缝、溶洞漏失等，采用水泥堵漏技术，通过优化水泥浆，添加纤维，形成纤维水泥浆，提高水泥浆在漏失层驻留能力，提高水泥石韧性，效果较好。水泥堵漏强度高，适用范围广，在川南地区应用平均堵漏成功率为64.3%，较桥塞堵漏成功率高。其中，N区块注水泥堵漏应用次数最多，在裂缝性漏失、溶洞性漏失分别使用注水泥堵漏27次、42次，一次堵漏成功率分别达66.7%、59.5%。

注水泥堵漏需专业设备支撑，存在施工周期长、安全风险大的问题。NH11-3井钻进至井深514.89m出口失返，反复注水泥浆堵漏、候凝、钻塞，用清水强钻至542.48m，使用桥塞堵漏浆堵漏3次、注水泥堵漏13次（快干水泥6次）、注智能凝胶堵漏1次，均未堵漏成功，水泥封井暂堵，耗费周期64d。

3.3 多相混输堵漏工艺技术

针对页岩气区块表层大裂缝、溶洞型井漏，研究并试验多相混输堵漏工艺技术。该工艺技术在水泥浆中加入大尺寸多相介质堵漏剂，应用砾石凝胶体配制、泵送设备，将高密度、高稠度、刚性凝胶工作液（能悬浮10～40mm的刚性材料）通过大排量柱塞泵送至漏失层，实现大直径刚性堵漏材料以流体的形式进入漏失层，技术原理如图7所示。研制的多相混输堵漏设备可自主完成配浆、泵送等工作，实现了人员远程控制、读秒精确供水、自动上料、井口转换连接等一系列智能便捷的操作模式。

图7 多相混输堵漏工艺技术原理示意图

N216H3-1井钻至14.36m发生井漏失返，强钻至22.81m，现场拍摄漏失层照片，显示为缝洞，其尺寸超过10cm；由于漏失严重，现场供水困难，采用基于多相混输设备的三元刚性凝胶堵漏技术，向井筒内泵入15.1m3堵漏浆，堵漏浆返至距井口2.5m，候凝12h后钻塞，钻塞期间无漏失，成功封堵浅层缝洞漏失层。

3.4 遇水快速凝固堵漏技术

为解决大裂缝含水漏失层堵漏难题，研制了遇水膨胀堵漏剂（CQ-DCPU）和密闭输送工具，遇水膨胀率为60%～230%，胶凝时间为10～4200s可控，堵漏剂遇水发生反应，快速膨胀，同时中间产物发生交联，形成弹性固结体，占据漏失通道，成为大裂缝含水漏失层快速封堵的新手段。

在N217H井直改平井进行现场试验，侧钻点至石牛栏组底部地层，钻井液当量密度仅为1.25～1.40g/cm3，远远低于钻开龙马溪组需满足密度1.80g/cm3的承压要求，前期采取水泥浆、桥浆、HHH型堵漏材料等进行多次承压堵漏，地层承压仅提高至1.54g/cm3。通过膨胀凝固堵漏剂+桥浆堵漏工艺，在2670.08m堵漏一次成功，承压能力由1.56g/cm3提高至1.80g/cm3，承压能力提高6.3MPa。

3.5 油基钻井液堵漏技术

3.5.1 LCM堵漏技术

LCM堵漏剂呈片状，具有微膨胀性，在油基钻井液中不上浮、不沉降，分散均匀；同时，LCM堵漏剂在高密度钻井液中的固相容量上限高，对流变性影响小，抗温能力好，强度高，形成堵塞后不易复漏，克服了传统水基堵漏剂在油基钻井液中分散性差、不膨胀的缺点，有效提高了油基钻井液的堵漏成功率。该技术已在长宁、昭通、威远页岩气区块成功应用上百口井，堵漏成功率达66%，油基堵漏技术实现从无到有的突破。

3.5.2 吸油膨胀胶结堵漏技术

基于树脂类聚合物吸油膨胀特性，研发出吸油膨胀胶结剂+亲油性堵漏材料的吸油膨胀胶结堵漏剂WNPDL-Ⅲ，140℃情况下膨胀率可达62%（图8），承压能力大于5MPa。在Z201H2-2等井应用，现场应用一次堵漏成功率达62.8%。同时该技术可集成LCM堵漏技术使用，以提高LCM堵漏技术的适用范围和应用效果。

图8 3种吸油膨胀胶结堵漏剂不同温度下膨胀率对比

3.6 综合防漏治漏方案

基于现场实践经验积累，结合室内研发攻关及新技术工艺引进，集成上述堵漏技术成果，形成了复合桥塞堵漏、桥塞+高滤失堵漏、桥塞+水泥浆堵漏、凝胶+水泥浆堵漏等综合堵漏工艺技术，实现从单项堵漏技术应用到单项技术集成应用转型，有效提高了堵漏成功率，基本满足了天然裂缝、诱导裂缝、采空区、漏水同层、喷漏同层、多压力系统共存等复杂井漏防治的需要。

4 存在的问题

通过技术攻关，川渝地区防漏治漏取得一定成果，大部分井漏能够获得有效控制，但仍有一些关键技术难题有待攻克，部分复杂井存在漏失治理难度大、时间长的问题，影响了钻井施工的顺利进行。

（1）环境敏感，表层堵漏手段受限，无快速有效的处理方法。在长宁区块，某些井表层钻遇溶洞、裂缝+推覆体、流沙层地层，出现出水、井漏、垮塌，地下暗河与地表河道连通性好，考虑环境保护，清水强钻、空气钻井、膨润土浆钻井均无法实施，防漏治漏工艺有限，处理周期长，仍无有效的快速处理方法。

（2）地层从上至下均存在漏失层，漏失层位置及特征判断难度大。井漏发生后，缺乏对漏失层的整体认知，尤其针对长裸眼多压力层段，堵漏措施针对性不强，堵漏效果差。目前仅能实施环空液面监测，其他漏失层性质均靠经验判断，难以满足现场高效堵漏需求，堵漏方法选择、钻具下深、堵漏浆配制、施工压力等工艺参数无法准确确定，导致现场堵漏施工存在一定的盲目性和不可预见性。

（3）页岩层压裂诱导性井漏治理难度大。高压含气层与龙马溪组同裸眼，龙马溪组发生井漏并有反吐现象，属典型的压裂诱导性漏失，控压钻井不足以降低钻井液密度，井漏及井控难度大、风险大。同时防漏堵漏材料种类少，针对恶性井漏的承压、吸油膨胀及油凝胶类段塞材料的现场应用尚不成熟，堵漏效果有待提升。

（4）缺少对地层承压能力评估的有效模型或方法，长裸眼、薄弱地层提承压难度大。部分区块韩家店组—石牛栏组存在高角度裂缝，堵漏过程中存在堵不牢、揭开新地层又发生井漏、承压能力低、易复漏等问题，尚无有效的承压堵漏方法。

（5）堵漏浆量化评价不足。目前，所有堵漏剂在漏失层适应性和承压能力方面均有量化评价数据，但对不同类型、尺寸和加量的堵漏材料配制的复合堵漏浆缺乏综合量化评价。例如：不同复合堵漏浆对漏失层的适应性和承压能力缺少数据支撑；由于钻具组合日趋复杂，缺乏复合堵漏浆的钻具通过性评价等。

5 结论与建议

川南地区整体漏失类型以裂缝性漏失为主，上部地层溶蚀缝洞发育良好，环保要求高；中下部井段地层易塌，微裂缝应力敏感性强，钻井液安全密度窗口窄，堵漏施工难度大。通过开展井漏特征分析，明确不同层段漏失特点，针对性进行防漏治漏技术攻关。针对浅层漏失，使用清水强钻或空气/雾化钻井工艺，快速钻穿浅表漏失层，在大幅减少损失时间的同时极大减小了对当地浅表水源的污染。针对中深部地层，研究形成综合防漏治漏工艺，集成LCM、吸油膨胀胶结、多相混输堵漏工艺等多项堵漏技术，实现大尺寸缝洞的快速封堵，堵漏成功率高。

本文针对川南地区漏失复杂情况开展室内研究及现场试验，提出并试验了适用于川南地区地层情况的综合堵漏工艺技术，页岩气钻井百米漏失钻井液量由15.8m3降至9.05m3，百米损失时间降幅达71.6%，整体堵漏成功率提高至56%，防漏治漏成效显著。为进一步提高川南页岩气钻井开发效率，降低复杂时效，针对部分井仍存在表层漏失处理工艺受限、井漏治理时间长、缺乏精确的漏层诊断技术等问题，建议继续开展以下防漏治漏技术措施及配套工艺研究。

井漏发生后，缺少对漏失层压力、漏失层位置、漏失层流体、漏失通道尺寸的测量评估手段，堵漏措施针对性不高，可进一步优化研究，提高漏失层认识，针对性堵漏，提高堵漏成功率。建议开展随钻式流量测试法、示踪剂法、井下成像法等漏失层诊断技术研究，利用井漏后井筒内钻井液流量变化数据分析漏失层位置，向钻井液中添加示踪剂，通过测量示踪剂侵入地层的位置判断漏失层，利用摄像机直接拍摄井壁基本情况。

由于地层缝洞情况复杂，应力敏感性强，各层段均存在漏失问题。建议针对漏失层位置、漏失通道尺寸及延伸状况难以判断的情况，研发对漏失通道适应能力强的堵漏材料，实现对多尺寸、多层位漏失层的高效封堵，减少堵漏施工次数，减少时间损失。

区域钻具结构复杂，组合中大都带有MWD、旋转导向、螺杆等工具和仪器，限制了堵漏材料的选择。建议开展材料堵漏能力评价，研发堵漏模拟评价装置，模拟防漏堵漏材料动态循环，实现对固结过程的观测；建立材料堵漏能力数据库，开展堵漏材料类型、尺寸、配比、浓度等参数对不同尺寸模拟漏失层堵漏效果影响实验，明确材料与漏失层参数及原钻具之间的关系，开展堵漏材料通过不同尺寸螺杆、旋转导向工具及钻头的能力，为现场堵漏施工提供准确的数据支撑。

继续研发新型堵漏材料、工具及配套工艺。例如，开展形状记忆聚合物、形状记忆合金、可膨胀聚合物材料等能够精确控制尺寸变化的可膨胀材料研究，实现堵漏材料可以顺利通过井下仪器、钻头，同时具备封堵较大漏失层的能力。