裂缝性漏失地层钻井设计研究

时间：2024-07-28

邓云

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

钻井施工过程中经常面临井下漏失问题，大量的钻井液漏失到地层中，在增加钻井液成本的同时往往还带来井壁失稳、井涌井喷等其他井下问题。国外学者对已出版的大量文献进行调研后得出结论：因井漏造成的成本占总体钻井成本的10%～20%，而这些损失的90%以上发生在裂缝性地层中。天然裂缝可能存在于任何类型的地层中，在该类地层进行钻井施工作业，会随着井深的增加暴露更多的裂缝，从而使漏失加剧。因此天然裂缝性地层的存在是钻井和固井施工中的一个重要难点[1-2]。

为了减少井下漏失的发生，钻井从业者提出了多种预防措施，例如：①通过降低钻井液密度以及改变流变参数和钻井液流速来保持等效循环密度；②添加堵漏材料以加强地层承压能力；③使用先进的钻井技术，如控压钻井技术、欠平衡钻井技术或随钻套管技术。与传统钻井技术相比，对于低压力地层，可以使用低密度介质作为钻井液，如空气、氮气、雾化泡沫钻井液，从而在欠平衡的工况下减少钻井液漏失[3-5]。

1 漏失层确定和漏失情况分类

不同地层的具体漏失情况不尽相同，高渗性、孔隙性、裂缝性和溶洞性地层均有可能存在，确定具体的漏失层位是非常重要的，只有确定具体漏层位置才能更好地采用预防或纠正措施来防止或阻止进一步的井下流体损失。

1.1 漏层位置确定

根据钻井过程中观察到的情况，可以初步判断漏层位置：当在钻进时发现钻井液漏失，并且漏失过程中伴随着钻速、扭矩的明显变化时，漏层通常在井底；在起下钻或提高钻井液密度时发现漏失，则漏层通常不在井底。

精确的判断漏层的具体位置，则有助于针对具体层位进行井漏处理，从而提高效率缩短非生产时间。从设计角度出发可以采用如下方法来帮助判断漏层：①现场地质分析；②钻前地质分析；③地层压力测试；④裸眼测井；⑤放射性传感器测量；⑥温度测量。但在实际生产过程中，其中一些方法由于成本和技术原因难以现场应用，而另一些方法则存在预测不准确的问题。

1.2 漏失情况分类

除了判断漏层位置外，解决漏失的另一个方法是对漏失（钻井液或水泥浆）的严重程度进行分类，从而帮助选择堵漏材料的尺寸和设计堵漏方案。漏失的严重程度可以由漏失量确定（见表1）。

从表1 可以看出，在钻遇裂缝性地层过程中，根据地层裂缝的大小，可能会发生部分漏失，甚至失返性漏失。漏失类型和漏失速度密切相关，而漏失速度主要取决于漏失地层的地质情况，漏失地层的裂缝或孔洞越大，相应的漏速越大，漏失越严重，后续的堵漏难度也越大。

表1 漏失分类表

2 钻井设计方面可采用的技术措施

2.1 漏失前的井壁加固

通常而言，在钻井设计过程中做好防漏预案，对易漏失地层进行井壁加固，提高地层的承压能力，比发生漏失后再进行堵漏具有更好的效果。在钻遇低渗透性地层时，可通过提前在钻井液中加入一定浓度的桥接堵漏材料（如可变形石墨、细颗粒、纤维素材料等）来提高井壁的承压能力使钻井液不易漏失。

2.2 其他技术措施

当钻遇高渗透地层和天然裂缝地层时，无法完全避免漏失的发生，但从钻井设计角度可采取一定的预防措施来减少漏失，使钻井施工顺利进行。预防漏失的最有效方法是保持井筒压力等于或非常接近地层压力。包括欠平衡钻井、控压钻井、在易漏失地层下套管封隔和井筒加固等。

2.2.1 欠平衡钻井技术

如果使井筒中的钻井液液柱压力保持在地层孔隙压力以下，呈欠平衡状态，则可以避免漏失的发生，但也存在地层流体流入井筒的风险。为了实现低于地层孔隙压力的钻井液循环密度，需要使用非常规的钻井流体，例如空气、雾、泡沫、充气钻井液、微泡沫钻井液。在某些特殊情况下，欠平衡钻井是唯一可用的钻井设计方案，但由于存在多相流体流动，欠平衡钻井设计方案比传统钻井或控压钻井更复杂。过平衡钻井时，密度窗口介于孔隙压力和地层破裂压力之间，而在欠平衡钻井过程中，密度窗口介于井眼稳定压力和地层孔隙压力之间。欠平衡钻井可以提高机械钻速、钻头寿命和油井产能，但在欠平衡钻井过程中，需要额外的设备和人员，会增加相应的成本。

2.2.2 控压钻井技术

部分地层的孔隙压力和破裂压力十分接近，使用常规的钻井工艺很难完成预期目标。在这种情况下，需要更好地优化和精确控制环空压力，从而避免井控、漏失或卡管等井下问题。因此，为了确保安全无故障的钻进该类的地层，有必要在静态和动态条件下保持适当的环空压力。

控压钻井用于精确控制和维护整个井眼的环空压力分布。除了在钻井过程中使用该技术外，还可以将控制压力技术用于钻井以外的各种施工作业（如下套管、固井、测井、起下钻等）。这种相对较新的钻井技术将低钻井液密度与施加在环空中的额外压力相结合，从而实现安全钻进。根据所选的控压钻井方案，钻机必须配备附加设备，如旋转控制装置、止回阀、闸板、连续循环系统等。据统计，与常规钻井相比，在易漏失地层使用控压钻井技术可使钻井液损失减少20%以上，钻速可提高5%以上，平均生产效率提高25%以上。

2.2.3 套管钻井技术

随钻套管钻井技术是一种相对新颖的钻井施工技术，该技术使用套管来代替传统钻具组合中的钻杆和钻铤。这种类型的钻井技术被认为是高效和低成本的钻完井方法之一。

套管钻井技术减少了与钻杆相关的成本，并避免了在钻杆起下钻作业期间可能出现的潜在复杂问题（包括循环漏失、井壁稳定和井控事故）。此外，这种方法可以实现钻井液的连续循环。这种方法的主要优点是减少了非钻井生产时间，减少了潜在的漏失问题和井壁失稳问题。此外，套管的直径远大于常规钻井中使用的钻杆直径，这导致环空中泥浆流动的面积更小，会出现一种称为“抹灰”的效果，它会增强井筒稳定性：套管外径与井眼尺寸的比率是发生抹灰效应的主要因素，在有限的环形间隙中，钻屑在套管和井筒之间被研磨成更细的颗粒，大幅度增加了钻井液中的粒度分布。较高的钻井液颗粒浓度和粒度分布有助于通过抹灰作用对井壁进行桥接和裂缝闭合，从而帮助形成一层薄而不可渗透的泥饼，形成屏障并防止流体流失。因此，套管钻井过程中发生的抹灰效应增加了裂缝梯度并改善了井壁的稳定性。