井漏处理技术的研究及发展林英松1 蒋金宝1 秦 涛2(1 石油大学石油工程学院,东营 2 中原油田分公司采油工程技术研究院)摘 要 在分析各种类型井漏的漏失特征、漏失层地质特征、井漏发生的条件等基本特征的基础上,总结了各种类型井漏的常规处理技术,介绍了最近几年出现的新的堵漏理论、堵漏材料、堵漏仪器等,并就井漏处理技术的发展方向做了分析预测。

关键词 井漏 堵漏理论 常规处理技术 堵漏材料井漏是在钻井、固井完井、测试或修井等各种井下作业过程中,各种工作液在压差的作用下,流进地层的一种井下复杂情况。

对于钻井工程来讲,井漏是指在钻完井过程中钻井液、水泥浆或其他工作液漏失到地层中的现象。

*1 井眼漏失的基本特征井漏主要有3种类型:渗透型漏失、裂缝型漏失和孔洞型漏失。

据有关资料统计,自然裂缝和孔洞漏失占井漏的70%,诱生裂缝约占20%,其他约占10%。

在钻井与完井过程中,井漏可以发生在任何地质年代地层中,从第四系直至元古界的各种岩性地层中,如粘土、砂砾岩、碳酸盐岩、岩浆岩和变质岩等[1]。

漏失通道按其形成的原因可分为两大类,一类是人为漏失通道,是由于井眼压力高于地层承受能力(地层破裂压力)时而在井眼周围地层中诱发出的裂缝;另一类是自然通道。

1 1 粘土岩包括泥岩、页岩和浅层粘土等。

一般来说,泥页岩发生漏失的可能性较小,但其中一些较硬脆古老地层的泥页岩,受地壳运动而形成裂缝、风化作用形成溶孔或其他层间疏松而形成漏失通道,发生井漏。

在中深部,页岩中的裂隙尺度一般较小,除一些特殊裂缝强烈发育的地层外,一般不会造成井漏。

由于地表或海底粘土孔隙度高、成岩差、颗粒间粘结力差、强度低而易发生漏失。

1 2 砂、砾岩对于浅部未胶结或胶结差的未成岩的砂、砾岩,由于未胶结或胶结差,孔隙度大,孔隙连通性好,钻进这类地层极易发生漏失;对于中、高渗透砂、砾岩,孔隙是其主要漏失通道,在钻井液密度高时可能发生漏失;而对于深部井段经成岩作用的低孔、低渗砂砾岩来讲,一般不易发生井漏。

1 3 盐岩碳酸盐岩主要是由方解石和白云石等碳酸盐矿物组成的沉积岩。

石灰岩和白云岩是碳酸盐岩的主要岩石类型,其内部由于成岩作用和构造运动作用所形成的溶孔、溶洞、裂缝构成了碳酸盐岩的主要漏失通道。

1 4 火成岩和变质岩由于构造运动和风化等作用,在熔岩内形成较发育的裂缝,构成漏失通道。

漏失大多数发生在裂缝、孔隙和洞穴发育的地层中。

在构造轴部、高点、断鼻构造、断层附近、断层上盘等裂缝相对发育,更易发生井漏。

碳酸盐岩、各类地层风化壳等地层,由于孔、洞、裂缝发育,井漏发生的次数大大高于孔隙砂砾岩地层。

由此可见,井漏的发生必须具备3个必要条件:井筒中工作液的压力大于地层孔隙、裂缝或溶洞中的流体的压力;地层中存在着漏失通道及较大的足够容纳液体的空间;其漏失通道的开口尺寸应大于外来工作液固相的颗粒。

4断块油气田2005年3月 FAULT BLOCK O I L&GAS FIELD 第12卷第2期*收稿日期 2004-12-03第一作者简介 林英松,女,副教授,长期从事岩石力学在石油工程应用方面的研究,现在职在中国科学院力学研究所攻读博士学位,地址(257061):山东省东营市,电话:(0546)8399080。

井漏的发生不仅会给钻井工程带来不便和损失,如耗费钻井时间、损失钻井液、堵漏材料,引起卡钻、井喷、井塌等一系列复杂情况,甚至导致井眼报废,而且还会对产层造成损害、干扰录井工作等。

据统计,全球石油行业因井漏而造成的经济损每年高达数亿美元。

2 井漏的处理技术2 1 漏失测试 2包括漏层的位置、压力、通道的张开度和漏失严重程度的确定。

漏层位置的确定方法有观察法、综合分析法、水动力学分析法,相应的测试仪器主要有温度测试、流量计法等。

最近几年,阿塞拜疆石油科研设计院设计了测定漏失层深度的自动化装置,它可随时测出漏层的深度。

漏层压力确定的方法主要有水动力学测试法和仪器测试法,仪器主要是回声仪。

通道张开度的测试方法主要有水动力学法、井下照相法、井下声波电视装置检测仪等。

漏失严重程度的确定一般用水动力学法计算,仪器测试主要有各种液面计和井下压力计。

2 2 常规井漏处理方法井漏的一般处理方法有静止堵漏,颗粒桥塞堵漏,用高失水浆液堵漏,暂堵法,无机胶凝物质堵漏法,复合堵漏技术,强行钻进套管封隔技术等。

由于漏层特性和引起井漏的原因各不相同,因而对不同类型的井漏有其相应的处理方法。

一般说来有以下原则:浅部地层井漏,在条件允许的情况下,采用清水强行钻进,下套管封隔漏层,如果清水强钻条件不具备,最有效的办法是用水泥堵死,免除后患;产层漏失,必须选用具有保护油气层作用的堵漏剂;而由地层因素引起的井漏,如钻遇天然裂缝、高孔隙、溶洞发生的井漏,一般利用堵漏剂封堵漏失通道;由钻井工程因素引起的井漏,可利用起钻静置、控制起下钻速度、改变钻井液性能、降低排量等办法处理;若压井、试压堵漏或加重钻井液过程中发生压裂性漏失,被压漏的地层一般不能恢复原来的承压能力,这时最好的办法是下套管封隔。

2 3 复杂井漏的处理方法特大洞穴、裂缝、盐层底部地层、多套压力体系地层、又喷又漏的地层、低压地层、水层、调整井的漏失是世界公认的难题,是钻井事故中的灾难性事故。

针对这些问题,在现有堵漏技术的基础上,目前又发展了工具堵漏、各种聚合物!胶联剂段塞和合成石墨粉堵漏等。

2 3.1 特大洞穴和裂缝漏失这类漏失一般比较严重,但到目前为止,还没有准确测量溶洞和裂缝大小的方法,其封闭性或连通性也不好确定,并且有些裂缝还与地下暗河相连。

处理这类井漏的方法一般用清水强钻套管封隔技术、速凝水泥堵漏技术、井口充砂技术、复合堵漏袋、尼龙袋堵漏工具、投入用水溶性壳体组成的堵漏物质等[4]。

2 3.2 水层漏失水层漏失堵漏要取得成功,必须具备以下条件:堵漏材料不能被稀释、冲散或者冲走,在漏失通道中必须能建立起能承担正负压差的封隔层。

一般采用连续灌注或者快速凝固法堵漏。

对于高压水层,可用堵漏压井同步法;如果条件允许,也可采用清水强钻法[3]。

2 3.3 又喷又漏目前现场所用的处理方法主要有降低压井液摩阻法,适用于喷漏同层或者喷漏压力相近的地层;反循环压井,适用于下喷上漏且喷漏不同层的井;压井速凝堵漏法主要适合于上漏下喷的井;重晶石塞法主要适合于喷漏同层的井[3~5]。

2 3.4 多压力层系井漏多压力层系井漏的处理关键是确定主漏层的位置和压力,对于这种漏失,可采用循环堵漏法,水泥浆推进堵漏等。

2 3.5 异常压力地带井漏高压差造成的漏失,其防漏与堵漏技术是一个公认的难题。

发生在极低压差的储层中的井漏,处理的难度就更加复杂,到目前为止,还没有比较理想的处理方法。

2 3.6 盐层底部层漏失这类地层发生漏失的几率较大,岩性为泥页岩,强度较弱,或者有裂缝,但孔隙压力又比较高,有时与破裂压力相当,漏失速度一般很大,处理方法一般用泡沫水泥或者聚合物胶联剂段塞[4]。

2 3.7 调整井防漏堵漏技术关键是搞清生产对地层压力的影响及影响程度,重新建立地层压力剖面,以防为主。

一旦漏5第12卷第2期 林英松等 井漏处理技术的研究及发展 2005年3月失,首要问题是要注意保护油气层。

2 3.8 井底清水强钻处理恶性井漏在进行井底清水强钻的过程中,保持漏层以上井段为钻井液,使钻井液液柱压力平衡漏层压力,并保护井壁,而漏层下部采用清水强钻,并将所钻岩屑带入漏层。

清水强钻的关键技术:保护漏层以上井壁的稳定,防止垮塌[5]。

3 近几年发展的堵漏新技术3 1 新仪器[6,7]目前发展较快的是动态堵漏监视仪。

这种仪器能在线、连续、精确地测量钻井液密度、体积流量、质量流量和累积流量,依据质量守恒法、密度法和体积法3种判断溢流和井漏的方法,它判断的准确性和快速性比现用的体积法有很大提高。

另外,传感器还可给出流量的正负方向,从而为钻井过程中溢流和井漏的判断提供了技术手段。

这种动态堵漏监视仪已在塔里木、青海油田进行了实验,堵漏效果较好。

它能较好地模拟井眼条件、地层的裂缝性和渗透性漏失情况。

3 2 诱导裂缝的监视技术[8]在国内外,目前都是通过测井的方法来实现诱导裂缝的监视技术的。

国外一般采用定时测井和环空压力测井,通过实时测量地层电阻率和环空压力的变化来诊断裂缝的位置,并判断诱导裂缝产生的机理。

也有人通过测试钻井液流入流出的差值,从而确定漏失层的性质,结合各种漏失的特征,判断裂缝的开启与关闭,确定裂缝的开启与闭合压力。

国内一般采用声波成像测井和MAC多极阵列声波测井来描述裂缝。

声波成像测井可清晰地显示裂缝、孔洞以及风化残积的砾石。

经过人机联合处理分析,可进一步确定裂缝产状、裂缝密度、裂缝张开性和张开缝的主要发育方向;还能清晰反映大缝、中缝和小缝;同时,也可反映裂缝的充填状况和局部发育的孔洞。

这些结果与岩心描述有着良好的一致性。

MAC多极阵列声波测井用斯通利波反射系数确定渗透性裂缝的位置,井眼的斯通利波和井眼相交的渗透性裂缝相交时,部分能量因裂缝引起的波阻抗而背反射,通过采集斯通利波进行处理,测量反射系数,并用它来确定裂缝的张开度。

最近,也有人提出用微电阻率成像测井来识别各种天然裂缝和诱生裂缝。

3 3 堵漏材料[9~13]目前常用的堵漏材料主要有桥解堵漏材料、高失水堵漏材料、暂堵材料、化学堵漏材料、无机凝胶堵漏材料、软硬塞堵漏材料等,20世纪90年代中期,出现了挤压堵剂、胶联剂的应用及高强度LC M,这说明低压层、深井高压及高压差下引起的井漏所需的堵剂已成为防堵漏公益研究的主要课题。

目前发展较快的堵漏剂一般具有以下几个特征:一是酸溶性,减少甚至消除对油层的损害;二是具有化学活性,与岩石的亲和性较好;三是生物可降解性聚合物材料,以适应环保的要求;四是具有很好的粘弹性和延展性,以适应不同的裂缝和孔隙;五是直角稠化特性。

从堵漏剂的使用来看,很少使用一种堵漏材料,一般都是多种材料的级配,以适用不同条件下的堵漏。

目前发展的堵漏材料适用的温度超过150∀,压力超过25M Pa。

最近,国外比较看好合成石墨粉,它能在挤压的作用下,发生变形而不会被破坏,具有良好的密封裂缝的能力。

还有一个优点,它是惰性物质,不会与泥浆发生作用,不会引起钻井液粘度的上升。

膨胀管在堵漏中也开始使用,在墨西哥湾深海钻井中应用较多,效果较好,尤其处理常规情况下很难处理的盐层底部地层的漏失、流动水层的漏失方面,效果更佳。

3 4 防漏堵漏新理论目前,国内外都比较关心破碎带和弱胶结底层处的井漏处理,这种地层对压力很敏感,一旦发生井漏,都是无返漏失,但这不意味着漏失尺寸较大,主要是孔隙或者裂缝的连通性较好。

对于这类地层选用桥接浆液堵漏时,桥接材料的级配、桥接浆液的浓度以及施工时的挤替压力是直接影响堵漏效果的关键因素。