（石油与天然气工程专业论文）大庆油田北四地区钻井防漏及堵漏技术研究.pdf

捕要 大庆油田北四地区钻井防漏及堵漏技术研究 摘要 钻井井漏是指在油气井钻井作业中，钻井液漏入地层某一深处的井下复杂情况。井漏不仅会损 失大量的钻井时间、钻井液及消耗大量的堵漏材料，而且还会引起井塌、卡钻、井喷等一系列复杂 情况或事故，造成的危害是极其严重的因此，防漏及堵漏技术研究与应用是摆在国内外钻井工程 界面前的一项重要课题。 井漏是主客观因素共同作用的结果。地层孔隙、裂缝的客观存在是井漏的前提条件，而施工中 钻井液密度过大或采取的一些措施不适应于实际条件时则会诱发井漏的发生和加剧井漏程度。从防 漏的角度来说要求钻井液有合理的密度和较强的抑制性要求施工中减少激动压力等从堵漏的角 度来说要根据漏失程度和地层特点来采用合理的堵漏方法，以达到预期目的 针对大庆北四地区的地质特点，从力学和化学两个角度出发，对该区的防漏及堵漏技术进行了 系统分析和研究。确定了合理的起下钻速度和钻进排量及钻井液密度、对物理堵漏效果进行了评价、 对化学堵漏方法进行了研究、制定了一套防漏堵漏技术措施。在现场实验中取得了显著的效果，有 效韵解决了北四地区的井漏问题 关键词：钻井；漏失；钻井液；压力 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 t h es t u d yo nt h ep 唧e n 缸ga n dp l u g g i n gf l o wt e e l m o l o g yi nb e i s id i s t r i c t a b s t r a c t d r i l l i n gf l o wi sac o m p l i c a t e ds i t u a t i o n d r n l i n gf l u i d 咖l o s tt of o r m a t i o na m o n go i l a n dg a so fd r i n i n go p c l 础o n f l o wm a yr e s u l ti nl o s so ft i m e ，f l u i da n dw a s t eo fp l u g g i n g w a r c h o u , ，s ol e a dt oai 犯i i c so fc o m p l i c a t e ds i t u a t i o n so ra c c i d e n t s s u c ha se a s e - i n ， s 吐c l d n g ，b r o wo u tc t c f l o ws e v e r e l ya f f e c t sd r i l l i n g s ot h es t u d ya n da p p l i a n c eo n p r e v e n t i n g 锄dp l u g g i n gf l o wi s 眦i m p o r t a n ta r t i c l ei nf o r e i g na n dd o m e s l i e t h es u b j e c t so f f l o wi sa l lo b j e e t i v ea n ds u b j e c t i v ef a c t o r t h ee x i s t i n go fp o r e sa n df i a e t u r e si nf o r m a t i o ni s t h ef i r s t 把a no fl o s tc i r c u l a t i o na n dt h ee x c e s s i v eh i g hd e n s i t yo f 血u i 唱f l u i do rr n e a s i u l 嚣 i m ta d a p tt or e a lc o n d i t i o nw i l lg i v em o l eo p p o r t t m i t yt ol o s tc i r c u l a t i o n o nt e r m so f p r e v e n t i n gl o s tc i r c u l a t i o n ，t h e , t i l l i n gf l u i dm u s tb ei nr e a s o n a b l ed c m i t ya n ds t r o n g i n h i b i t i o n ，a n dt h e 畔p r e s s u r em u s tb ec u ti nd r i l l i n gw o r k o nt e r m so f p l u g g i n gf l o w ， a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo fl o s i n ga n df o r m a t i o n 聆韶耐，u s i n gr e s r , e e t e dp l u g g i n gi d n c a s i i i c s w i l lg e t1 1e x p e 删a i m b a s e do nt h eg e o l o g i c a lf e a t u r e si nb e i s id i s t r i c t ，t h ep r e v e n t i n ga n d p l u g g i n gf l o wt e e l m o l o g yi sa n a j r t , ：db yt h en u i l 3 b e 穗b o t hm e c h a n i c a la n dc h e m i c a ls i d e s t h e d r i l l i n gf l u i dh a sb e e na d j u s t e d ，t h er e a s o n a b l ef l o w r a t ea n d t h ed e n s i t ya i es e l e c t e d ，t h e p h y s i c a lp l u g g i n ga g e n t sa r ee v a l u a t e d ，t h ec h e m i c a lp l u g g i n ga g e n t sa r cd e v e l o p e d ，aw h o l e 9 e to fr n c i l s i l i e sf o rf l o w - p r e v e n t i n ga n dl e a k a g e - p l u g g i n gi sm a k e t h eo n - s i t ee x p e r i m e n t s a l ed o n ea n dt h er e s u l ti ss a t i s t i c da n d1 0 s tf l u i di nh e r ei ss u c c e s s f u l l ys o l v e d k e yw o r d s td l r i 】l i n g ；d r i l l i n gf l o w ；d r i l l i n gf l u i d ；p r e a s 毗 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究j 成果对本文的研究做出重要耍装的个人和集体，均巴在文中作 了明确说明并表示谢意 作者签名：i e i 期：童竺：! ：鲨 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复锚并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：多林磐 日期：p 一) 6 矽 导师签名：f 司勿k 日期如7 呼 刨新点摘要 创新点摘要 ( 1 ) 从力学角度对北四地区井漏机理进行了分析，并通过力学公式对可控的下钻 速度、排量和钻进钻井液密度进行了计算。 ( 2 ) 采厨物理堵漏实验，分析物理堵漏剂堵漏效果。 ( 3 ) 采用化学堵漏实验，分析化学堵漏剂堵漏效果。 ( 4 ) 对于两种堵漏实验进行了现场验证。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 1 井漏的定义和危害 1 1 1 井漏的定义 第1 章引言 井漏是一种在钻井过程中钻井液、水泥奖或其它工作液漏失到地层中的现象。严格 地说，其定义应该是在石油、天然气勘探开发的钻井、固井、测试或修井等各种井下作 业过程中，工作的流体( 包括钻井液、水泥浆、完井液及其它工作液) 在压差的作用下， 漏失到地层中的一种井下复杂情况，是钻井工程中最普遍最常见的技术难题之一。人们 常称它为一种井下复杂情况，就是说它的发生多数不是人为造成的，不以人们的意志为 转移。当然，这种说法也不够准确，因为内因是根据，外因是条件，内因必须通过外因 才起作用。假如遇到能够产生井漏的漏失通道，但采取了相应的有效措施，那么就有可 能不会产生并漏，至少可以大大地降低漏失程度。其次，即使地层所存在的细微孔隙不 致于产生井漏，但当其所采取的一些措篪不适应于实际条件时( 如压力超过地层的破裂 压力) ，也会造成严重井漏。其直观表现在地面泥浆罐液面下降，或井口钻井液返出量 小于泵正常捧量，或井口无钻井液返出。 1 1 2 井漏的危害 并漏是钻井工程中常见的并下复杂情况之一，它不仅会耗费钻井时间，损失钻并液， 而且有可能引起卡钻、井喷、井塌等一系列复杂情况，甚至导致井眼报废，造成重大经 济损失。井漏对油气勘探、钻井和开发作业所造成的危害，可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 井漏延误钻井时间，延长钻井周期。 在钻井中发生井漏，当其漏速达到一定程度时，就不能继续维持正常钻井，必须停 钻进行处理。即使采用最简单的方法，也得花费相当长的时间才能解决。若钻遇洞穴、 大裂缝、破裂带等，则常常费时数月之久，有时可能由于井内液面下降，液柱压力降低， 而造成更为复杂的事故，一是当井内液压降低到压不住油气水层时就会引起并喷；二是 液压下降，减少了对井壁的侧压力，常常会在易塌地层引发严重的井塌事故。上述情况 会对勘探开发造成极大的经济损失。 ( 2 ) 井漏直接造成巨大的物资损失。 由于发生井漏，为了恢复循环必须补充钻井液，其数量视漏失程度而定，一口井少 则几十立方米，多则上千立方米。如果堵漏，必然消耗大量堵漏材料以及配合堵漏措施 第l 章引言 所需的许多辅助材料，如进行堵漏时，机械配件、油料及运送堵漏材料的车辆运输费等。 ( 3 ) 储层漏失会损害产能。 凡是储层渗透孔隙直径或裂缝开口尺寸大于钻井液中的固相颗粒( 包括粘土、加重 剂、处理剂及细钻屑) 的直径者，都有可能在压差作用下造成储层井漏，这些微细颗粒 会在储层的油气通道较窄小的喉道处堆集，而把部分流通孔道堵死或沉积在孔道壁上面 使孔道变小，减少油气流量。况且，这些固相堵塞物常常在试油或采油时所产生的反压 差作用下亦不能被捧出，造成永久性堵塞。在裂缝或高渗透的油气中，这种情况较为常 见，影响较大。 ( 4 ) 影响地质录井工作的正常进行。 对于钻井液带出的砂样进行分析，鉴别岩性，分清层位，辨认油气，是地质录井中 的重要手段之一。如发生井漏，就会造成录井工作中断，尤其遇到大漏地层，钻井液基 本不返出地面，甚至把钻出的砂样全部漏入地层，取不到应得的砂样，若钻遇的正好是 含油气地层，那么就会影响对油气资料的分析。 ( 5 ) 井漏干扰钻井液性能的正常维护处理。 钻井中一旦发生井漏，至少需要补充新浆，这就会使原来符合钻井要求的钻井液性 能发生变化。因此，不但增加了维护钻井液的工作量，而且难以保持良好而稳定的性能 处理井漏需消耗大量的桥接材料、胶凝物质、水泥及化学剂等，往往会对钻井液性能造 成破坏，进而需要使用大量化学剂进行处理，以恢复正常的钻井液性能。这一切都会给 钻井液的维护处理带来极大的麻烦，消耗更多的处理剂 ( 6 ) 造成井塌、卡钻、井喷等其它复杂情况或事故。 钻井中发生井漏，井内液面下降，液柱压力降低，可能会出现两种较为严重的事故： 一是井喷，二是卡钻。这二种事故都会造成重大损失。 总之，井漏对油气田的勘探和开发工作会造成极大的影响和巨大的经济损失然而 任何事物都有两个方面，在储、漏同层的情况下，一旦发生井漏，就预示着油气层的出 现，这在裂缝性泥岩储层中较为常见。所以，在预计的储层段钻井中发现漏失必须很好 地加以分析和判断，以免造成认为失误。井漏可以发生在浅、中及深层中，也可以在不 同地质年代如第四系直到古生界地层中发生，而且在各类岩性的地层中都可能出现。从 钻井的角度看，长裸眼、多压力层系、复杂地层井漏的问题显得常见和更严重，而井漏 的发生就会造成重大的经济损失。所以，在钻井旅工中，我们要以防为主，尽量避免井 漏的发生，如果在具有产生井漏的地层中钻井，所采取的钻井工艺措施得当，就有可能 不发生井漏，至少可以大大降低井漏程度。万一井漏发生了，就要及时采取有效措施进 行堵漏，以确保钻井施工的顺利进行，随着大庆油田的开发，由于注采不平衡，钻井过 程中复杂情况频繁发生，尤以井漏发生较多、损害、损失巨大，所以研究防漏及堵漏技 术的意义是非常重大的 2 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 1 2 发生井漏的三个基本条件 井漏的产生必须具备三个必要条件： ( 1 ) 井筒工作液对地层存在着正压差。井筒工作液的压力大于地层孔隙、裂缝或 溶洞中液体的压力( 即地层孔隙压力) ，这样才有可能把工作液压入漏失通道。 ( 2 ) 地层中存在着漏失通道及较大的能够容纳液体的空间。若地层中不存在任何 可以流入外来液体的各种通道如孔隙、裂缝等，那么外来工作液就无法流入地层中。只 有当地层中有足够大的容纳液体的空间时，才有可能构成一定数量的漏失 ( 3 ) 通道的开口尺寸应大于外来工作液中固相的粒径。 以上三个条件缺一不可，必须同时具备才会产生井漏。即使只有漏失通道而没有足 够大的正压差，钻井液也不会在漏失通道中流动而引起井漏。若漏失通道和足够大的正 压差都存在，但地层中没有足够大的容纳液体的空间时，也不会发生严重的井漏。在 钻井工艺措施欠妥的情况下，产生井漏的三个条件都有可能是人为造成的。不管什么类 型的地层都有其强度极限，一旦外来压力超过其破裂压力时，都会将地层压裂而发生井 漏。因此，要引起钻井作业者的高度重视 1 3 发生井漏的的原因 ( 1 ) 天然形成的。即在沉积过程中、或地下水溶蚀过程中、或构造活动过程中形 成的，同一构造的相同层位在横向分布上具有相近的性质，这种漏失有两种类型。 渗透性漏失。这种漏失多发生在粗颗粒未胶结或胶结很差的地层，如粗砂岩、 砾岩、含砾砂岩等地层。只要它的渗透率超过1 4 1 0 4 皿2 ，或者它的平均粒径大于钻井 液中数量最多的大颗粒粒径的三倍时，在钻井液液柱压力大于地层孔隙压力时，就会发 生漏失。 天然裂缝、溶洞漏失。如石灰岩、白云岩的裂缝、溶洞及不整合侵蚀面、断层、 地应力破碎带、火成岩侵入体等都有大量的裂缝和孔洞，在钻井液液柱压力大于地层压 力时会发生漏失，而且漏失量大，漏失速度快。 ( 2 ) 后天造成的，即人为因素如：由于注水开发，造成地层孔隙压力和地层破 裂压力发生变化，导致井漏。还有由于施工措施不当( 如：下钻速度快，激动压力过高， 压漏井内某一深度地层等) 造成井漏咖。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 1 4 1 国外研究情况 3 第1 章引言 国外早在4 0 年代即已重视井漏防治技术的研究；到5 0 年代，有关井漏机理和防漏 堵漏机理的研究、漏层测试方法及堵漏工艺技术均有较大的发展；6 0 - 7 0 年代开展了堵 漏模拟试验装置和漏失机理的研究，逐步掌握了各种漏失地区的漏层特点和漏失规律， 各种堵漏方法和堵漏工艺日趋成熟，堵漏成功率明显提高；8 0 - 9 0 年代开发出了一系列 具有储层保护作用的复合堵漏剂，堵漏成功率再一次提高；注重了对井漏的理论研究， 对堵漏试验设备、堵漏工具的研究发展到很高水平。 h a l l i b u r t o n 能源技术服务公司的p l e x p l u g 堵漏丸可以制止钻井液流入薄弱地层 的天然裂缝或次生裂缝、洞穴和漏失层通道里0 1 。这种堵漏丸可以应用在4 1 5 华氏度， 能够通过底部钻具组合向外输送，反应后的物质是柔性的，能够经受激动压力和抽吸压 力。此方法的新奇性在于p l e x p l u g 堵漏丸可以与钻井液、地层水或活性流体反应。在 l o 一6 0 秒内形成弹性块。此弹性块首先侵入到漏失层，然后紧接着密封下一个漏失层。 由于此弹性块的密实度，可以在漏层孔口处形成非脆性桥接物。操作人员几乎可以立即 钻进。这种堵漏处理只侵入到基岩和裂缝，因此，很少损害油层。最近，在井深1 4 0 0 0 f t 的井内应用该技成功地完成堵漏工作 用于堵漏的部分井下工具有注挤堵漏浆液的专用工具，过滤尾管注水泥装置、不起 钻可钻水泥塞和再次注水泥的装置、y 系列封闭工具、nk 系列封闭工具、卷管式 封闭工具、y n 隔管、尼龙袋、直接装送堵漏材料到漏层的容器等“ 前苏联已出现具有一定特色的堵漏新工艺有以下几个方面“”： ( 1 ) 井下混合堵漏浆液工艺。此法能保证各组份均匀混合，提高堵漏质量，比以 前双管法好。先确定堵漏必需的材料量，再根据总量确定每种组份的量。然后确定各组 份总体积在井内液柱高度，且确定液柱上液面位置。将钻杆下到预定上液面位置，依次 注入各组份( 组份间有一定量隔离液) ，替挤第一种组份到井内。然后，把钻杆下到井 内的第一组份之液柱下液面，向钻杆内注项替液，尔后上提钻杆，直至完全高出钻轩内 的第二种组份为止。 ( 2 ) 平衡堵漏工艺。简介三种新的平衡堵漏工艺：用封隔器平衡井筒一地层压力 注水泥工艺，采用封隔器使钻杆敞口端在漏层顶部1 5 0 - 2 0 0 m ，甚至更高的情况下缓慢 地把水泥浆送至漏层，可完全避免水泥浆被来自环空的地层水稀释。封隔器一般低于静 液面1 0 0 2 0 0 m 。可监控综合堵漏法。注低比重液体或空气到环空，将钻杆敞口端置于离 漏层顶部较远之外( 最大达5 0 0 r e ) ，以便能够把所有的堵漏浆液替注钻杆敞口以下井筒 内，分批间歇( 周期性停顿1 5 2 0 m i n ) ，挤入0 2 - 0 3 3 小剂量堵漏液，直至获得预定 压差( 7 - 1 0 m p a ) 。避免堵漏浆液与井浆混合的堵漏方法。注入堵漏浆液前先密封井口， 向环空注空气，直至压力等于堵漏液注与被堵漏浆液替入漏层的洗井液柱之静压差值为 止。堵漏浆液出钻杆时，空气从环空跑掉。其体积取决于注入钻杆的堵漏浆液总值。 ( 3 ) 快凝胶质水泥浆此浆液用于封堵吸收能力越2 0 - 3 0 m 3 h 的漏层，若漏层严重 超过1 2 0 m 3 h ，可在胶质水泥混合物中加入5 - 1 0 的细粒惰性填料。低温条件下，最佳 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 成份为( 重量) ：固井水泥7 0 份+ 粘土粉3 0 份+ 水8 沪l o o 份十硫酸铝3 - 4 份；若在高 温条件下，固井水泥1 0 0 份+ 粘土粉5 0 - 1 5 0 份+ 硫酸铝0 1 1 份+ 水1 5 0 - 4 4 0 份。经现 场数百次施工的经验表明，采用此浆液堵漏的一吹成功率9 0 以上。 ( 4 ) 充气水泥浆。美国、苏联、日本、波兰、匈牙利等国对泡沫水泥进行了研究 和应用，是堵漏的有效手段之一。其典型配方是：固井水泥l o o g + 水5 0 c m 3 + 水玻璃2 c m 3 + 食盐2 9 + 铝粉0 2 9 。经验证明它最适用于1 0 0 0 m 以内深度。钢滤管复盖器用于封堵 任何漏层，而不受岩石空洞和漏失强度的影响，也不因其它方法无效而受影响 美国的九种堵漏工艺技术“” ( 1 ) 起钻候堵。用于处理诱发纵向裂缝完全漏失、部分漏失和渗漏。其方法是： 停止钻进和循环、上提钻头、静止4 - 8 h ；下钻时使地层承受压力最小；如不行，加堵剂 1 6 m 3 。 ( 2 ) 水基或油基中加填料配成桥塞剂。用于处理横向和纵向漏失带渗漏、部分漏 失和不严重完全漏失，其方法是：配1 6 - 8 0 m 桥塞剂；以2 8 5 - 5 7 k g m 3 的比例，把膨润 土加入1 2 7 3 水中分散造浆水用纯碱( 1 4 k g m 3 ) 和烧碱( o 7 k g w 3 ) 预处理：水化后， 每m 3 泥浆加1 4 k g 右灰，再以4 2 8 k g 皿3 比例如粗胡桃亮或核桃壳；1 4 3 k g m 3 比例加粗 一中纤维；1 4 3 k g m 3 比例加中一细纤维；以同样比例加2 5 4 m 玻璃纸片；以2 6 1 s 排 量把桥塞剂由敞口钻杆泵入。 ( 3 ) 挤高失水混合稠浆。用于横向和纵向漏失带惨漏、部分漏失及低严重度完全 漏失。其方法是：不同比例的海泡石土加入1 2 7 寸水中，处理后加不同填料，随后配成 1 6 一混合浆液。 ( 4 ) 纯水泥、混配水泥、触变性水泥和特配水泥浆用于横向和纵向的完全漏失 和恶性漏失。 ( 5 ) 井下混合软硬塞。用于横向和纵向漏失的完全漏失和恶性完全漏失 ( 6 ) 地面混合软塞法用于诱发纵向裂缝。 ( 7 ) 井下混合软塞法。用于诱发裂缝。 ( 8 ) 用永、胶凝水和胶凝油携带砂子的特殊堵剂用于诱发级向裂缝的严重完全 漏失和产层漏失分成批混合和压裂车混合两种。 ( 9 ) 强行钻进或用充气泥浆钻进后下套管。用于洞穴、大的天然横向裂缝和长段 蜂窝状地层恶性完全漏失。其方法是：用强钻或充气泥浆钻完整个潺层；随后下套管封 隔是唯一成功方法。 道威尔公司已经研究出解决井漏问题的方法“”i n s t a ns e a l 段塞液是一种无固相 流体，当其通过钻头喷嘴时可以通过剪切作用力来活化。通过调整添加剂的浓度可以控 制胶凝时间。此段塞液可以通过底部钻具组合直接泵送到漏层，迅速封堵漏层，节约起 下钻时间。凝胶可以在井下条件下稳定几周时间，留有足够时间进行钻井和完井 第l 章引言 1 4 2 我国研究情况 从我国防漏堵漏技术发展历程来看大致可划分为三个阶段“。 ( 1 ) 钻井技术不完善，无预防措施，见漏就堵、以堵为主，堵漏效率较低的初始 阶段。 7 0 年代以前均属这个阶段。在油气勘探开发初期，一方面对地质情况不熟悉，不知 漏层在什么井段出现，因此在钻井中出现井漏往往是无准备的遭遇战，井漏一旦发生， 工作十分被动。另一方面，这个时期钻井液技术也比较落后，大量使用细分散和粗分散 钻井液不能满足勘探开发的需要。钻弗液工作面临的是钻井液类型单一，处理剂品种少、 数量不足，钻井液固相含量高、自然密度高并难以控制，因而一旦发生井漏，处理起来 十分被动在这阶段，处理井漏采取的方法是见漏就堵，以采用稠钻井液加桥接物质( 锯 末、云母、稻草、泥球等) 和打水泥塞等方法为主。由于一些井的井身结构不合理，加 上钻井液质量差，堵漏材料和方法单，其结果使许多井越堵越复杂，甚至发生事故， 因堵漏不成功而报废或提前完钻屡见不鲜。这段时期防漏堵漏工艺的主要特点是： 普遍采用固相含量高、自然密度大的粗分散泥浆钻井，钻穿漏层时十之八九均发 生严重井漏。漏失机率高，漏失量大。 堵漏方法和堵漏材料单一以稠浆和注水泥堵漏为主要方法，几乎没有什么专门 的堵漏材料，稻草、棕绳、泥球、碎砖、破麻袋等都可用于堵漏，方法简单，成功率较 低。 堵漏工艺技术极钻井液不完善，常常因堵漏加剧井下复杂情况，给正常钻井和完 井带来极大困难。 ( 2 ) 以堵为主、堵防结合，防漏堵漏技术的发展阶段。 8 0 年代是我国防漏堵漏工艺技术的发展时期。在这个时期，钻井液技术有了较大发 展，由粗分散体系逐步向聚合物钻井液体系转化。桥接堵漏材料的研究和应用，拉开了 这个发展阶段的序幕，各种新型堵漏剂应运而生，在实践中总结出了一套处理各种类型 井漏的工艺技术；初步开展了堵漏模拟试验装置和漏失机理的研究，逐步掌握了各种漏 失地区的漏层特点和漏失规律。提出了以防为主、堵防结合的战略指导思想，扭转了油 气田防漏堵漏工作的被动局面，为防漏堵漏技术的进一步发展奠定了基础。这个时期防 漏堵漏工作的主要特点是： 针对不同漏失井的情况，选用合理的井身结构，避免了上部地层在钻穿漏层时井 下复杂情况和事故的发生，为堵漏工作提供了良好的井下环境。 以控制合理的钻井液密度平衡钻穿漏层技术，有效地降低了漏失发生率 研究和开发了桥接堵漏材料、化学堵剂、高失水堵漏剂、单向压力封闭剂及各种 堵漏稠浆等多方面的新型堵漏材料，为对付各类型井漏提供了有力武器。 各种堵漏方法和堵漏工艺日趋成熟，堵漏成功率明显提高，在此基础上总结出了 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 我国处理井漏的工艺技术和工艺措施。 提出了以防为主、堵防结合的指导思想，防漏工作初见成效。 ( 3 ) 以防为主、堵防结合，防漏堵漏工作进入科学发展阶段。 9 0 年代以来，人们更加重视对井漏预防的研究，确立了以防为主、堵防结合的技 术路线。扭转了油气田防漏堵漏工作的被动局面。各油田技术人员对漏失层特征、分类、 漏失影响因素、地层孔隙压力、破裂压力、漏失压力等进行了深入的研究；在此基础上 预测了本地区可能发生漏失的层位、r 漏失条件及漏失性质；通过设计合理井身结构、钻 井液密度、类型、配方、性能及钻井工程技术措施，有效地预防了井漏的发生。如：在 钻井工艺技术方面：采用充气泡沫钻井技术，能够达到常规钻井液钻井和常规堵漏技术 无法达到的技术效果，降低了井漏复杂井的钻井综合成本嘲。近几年，又注重了堵漏材 料的规范化、商品化，单一的桥接堵漏材料转化成了复合堵漏材料，提高了堵漏效率 如：中原油田针对并下大裂缝、洞穴地层和粗孔隙渗透地层时常发生严重井漏的情况， 研究出了新型复合高强无机凝胶堵漏剂s d r 一2 ，现场使用2 0 余口井，封堵率达1 0 0 ， 封堵作业中一次成功率达8 0 以上嗍 在堵漏过程中更注重了油气层保护，开发出了酸溶性高失水暂堵剂、单向压力封闭 剂、酸溶性水泥等一系列具有储层保护作用的堵漏剂。 在堵漏过程中注重了对井漏的理论研究，对堵漏试验设备、堵漏工具的研究。华北 石油管理局研究了一种新型的堵漏模拟试验装置，该装置通过高压气体，使试验堵漏液 在加压下通过模拟漏层的试验模块产生漏失，然后依据所选定的试验温度，压力和模块 特征以及记录的漏失时间、漏失量等评价研究堵漏剂组分的配比、堵漏钻井液的封堵效 能以及确定合理的施工工艺条件，为科研和生产提供了科学、可靠的依据0 1 。 1 4 3 发展趋势 目前，虽有大量各种类型的常规堵剂和新型堵剂，但适用于处理严重井漏的并不多， 而且仍限于以各种水泥及少部分化学堵剂和混合物堵剂为最常见。以桥堵帮为主的其余 大多数堵剂，一般只适合作泥浆体系的堵漏添加剂用。有人推测，不管未来有多少新型 堵剂，以水泥为基础的胶凝堵剂，仍可能是将来相当长期内用于处理严重井漏的重要手 段。 防漏和堵漏技术发展的必然趋势是：以聚合物为主的各种新型化学堵漏剂会日益增 多；防漏堵漏基础理论研究会进一步加强；有关防漏堵漏方面的计算机专家系统会陆续 问世，并用科学地分析井漏问题，选择最佳堵剂和处理方案以及控制堵漏成本等。随着 现代科学技术的发展，电子计算机已在各领域逐步普及。利用电子计算机选择防漏堵漏 方法，制定防漏堵漏方案，是钻井防漏和堵漏技术发展的必然方向” 7 第l 章引言 1 5 裂缝、孔喉分布规律研究 漏失通道基本形态可以归纳为五类：裂缝型、孔隙型、洞穴型、孔隙裂缝型、洞穴 裂缝型等。 1 5 1 裂缝型漏失通道的基本形态 根据对漏失层段岩心的观察和微电阻成象测井资料的分析，裂缝型漏失通道的形态 具有如下特点： ( 1 ) 裂缝在地层中分布和发育是不均匀的，其形状可以是直线的，也可以是曲线 的、波浪型的，其表面可以是光滑的，亦可能是粗糙的。裂缝段长可以从几米到几十米。 ( 2 ) 裂缝在地层中可能以张开状态存在，亦可能以闭合状态存在，地层中张开裂缝 的开度大小可以反应裂缝规模。依据裂缝的开度可以将裂缝分为不同类别，其分类标准 与岩性有关。 ( 3 ) 裂缝按照倾角大小可分为垂直裂缝( 倾角为7 0 。一9 0 。) 、斜交裂缝( 2 0 。一7 0 ) 、水平裂缝( o 。一2 0 。) 和网状裂缝( 各种裂缝交叉成网) 。其中倾角大于4 5 。者称 为中高角度裂缝，裂缝倾角小于4 5 。者称为中低角度裂缝。 ( 4 ) 裂缝按其成因可分为构造裂缝与非构造裂缝。构造裂缝都是在一定的岩石应 力作用下产生的，根据直接形成的应力，可将其分为以下4 种： 张性缝：在张应力作用下形成的裂缝。其特点是；缝向租糙不平，产状不稳定， 平面上呈锯齿状延伸，且延伸不远即消失；裂缝两壁张开，有时被矿物充填，矿物生长 线方向与两壁直交；尾端常呈树枝状分叉或具杏仁状结环。 剪切缝：在剪切应力作用下形成。其特点是：缝面平直光滑，裂缝产状稳定，平 面上呈直线延伸，且延伸较远；缝向上有擦痕，裂缝两侧有时还有微小的错开现象；尾 端有尾折、菱形分叉或菱形结环等现象，反映出两组共轭裂缝的方向。 张剪性裂缝：由张应力和剪切力复合形成的裂缝。此类裂缝同时具有张裂缝和剪 裂缝特性，在有纤维状矿物充填的裂缝中，其矿物的纤维方向与裂缝壁斜交，有时甚至 出现弯曲。 非构造裂缝是指岩石在非构造应力作用下形成的裂缝，常顺层分布于岩层界面 上，具弯曲、断续、尖灭、分枝等特点。此类裂缝按形成时期与沉积或成岩作用时期的 先后序列，可分为原生裂缝和后生裂缝两种。其中原生裂缝又可分为干燥失水收缩作用 下形成的裂缝、脱水裂缝、热收缩裂缝及矿物相变裂缝。后生裂缝包括抬升作用造成应 力释放形成的裂缝。由于风化、剥蚀、岩溶等表面作用产生的裂缝，以及在水力压裂中 产生的人工裂缝( 诱导裂缝) 等。 譬 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 5 ) 裂缝形成张开的同时或之后不久，地下热液即可将其溶解物质沉淀于裂缝中， 使裂缝填充，此外，裂缝在其形成和发展过程中，因沉积岩受温度、压力，特别是地下 水的溶解、沉淀、搬运等作用，在裂缝中形成各种后生矿物，形成不同形式充填。根据 裂缝中矿物的填充程度，一般可将裂缝分为无充填、不完全充填和完全充填三种，其中 不完全充填又可分为半充填和局部充填。构造裂缝充填矿物常以方解石为主，其次是石 英。在碳酸盐岩中还有白云石，在变质岩中还有绿泥石等矿物。此外，在充填物中还有 一些泥质、碳质等物质。构造微裂缝在构造活动停止后常可以被固结，其固结方式一般 可分三种：第一种为愈合式固结；第二种是焊接式固结；第三种为充填式固结。沉积岩 和变质岩以充填式固结为主。 1 5 2 裂缝型漏失通道的分布规律 各种岩性的地层均可能形成裂缝，不同成因的裂缝其分布规律有所不同。构造裂缝 的形成和发育程度主要取决于构造应力场和地层岩性、岩相。 ( 1 ) 与褶皱和其它构造有关的裂缝的形成与构造相伴生，受构造应力场控制，在 褶皱形成过程中，岩层弯曲越明显，其坡度变化率越大，产生的应变增量就越大，与褶 皱有关的裂缝也就越发育。在同一构造上，裂缝发育有很强的部位性，褶皱陡翼及顶 部向翼部过度最大转折部位，裂缝最为发育。 ( 2 ) 与断层有关的构造裂缝，发育程度和宽度与断层性质、规模、断距及地层离 断层距离所处断层位置有关。断层规模大，断层附近裂缝发育宽度越大；断距越大，断 层产生剪切应力越强烈，附近裂缝也就越发育：离断层越近的地层，裂缝越发育；断层 上盘较中、下盘裂缝发育。 ( 3 ) 构造裂缝以中、高角度为主。火烧山油田砂岩中构造裂缝以高角度为主，倾 角大于7 5 。者占9 0 ，几乎见不到近水平的构造裂缝。 ( 4 ) 构造裂缝无论碳酸盐岩、砂砾岩还是变质岩均以张性缝为主。 ( 5 ) 构造裂缝的切穿性与应力大小、岩层厚度、岩性组合及裂缝性质有关。一般 张性缝切穿程度较小，从岩心上观察到从几厘米到几十厘米，很少超过l m 。剪性缝的切 穿深度大，在岩心上可观察到从十几c m 到几十m 均有，这种裂缝与岩石的力学性质及 剪切应力值大小有关。 ( 6 ) 构造裂缝发育状况与岩性、岩相有较大关系。不同岩性的岩石强度和力学性 质不同，因而在相同构造应力场作用下，裂缝的发育程度不一致。沉积或成岩作用所形 成的原生非构造裂缝一般分布在泥岩类、成岩压实脱水收缩带和异常高压带中。裂缝大 部分为高角度纵向张性缝，很少见剪切缝，长度较小，上不穿顶，下不透底，裂缝最长 小于8 0 c m ，最短2 e m ，绝大部分小于1 5 c m 。裂缝最大宽度0 5 m m ，一般为0 0 5 - 0 1 m m 微裂缝十分发育，宽度一般在1 5 i lm ，形成两络状分布。大庆头台油田裂缝相对发育， 9 第1 章引言 包括层间缝和构造缝两种类型。裂缝走向以东西向为主，分布密度为0 3 7 条m ，裂缝 延伸长度一般大于2 0 c m ，裂缝中极少见充填现象，显示张性缝类型人为压裂诱导裂缝 可发生在各种岩性地层中，通常沿最大地应力方向发育，大多为垂直裂缝。诱导裂缝的 形成可分为以下三种情况：在致密地层形成新的裂缝；使地层中天然裂缝扩大； 地层中闭合裂缝重新开放，形成漏失通道 1 5 3 孔隙型漏失通道的基本形态 孔隙型漏失通道的基本形态是以孔隙为基础，由喉道连接而成的不规则的孔隙体 系。孔隙按其大小分为大、中、小几种类型。喉道可分为粗、中、细、微细几种类型。 ( 1 ) 孔隙类型。砂、砾岩孔隙基本类型有四种：粒间孔、溶蚀孔、微孔隙和裂隙。 ( 2 ) 喉道结构与类型：喉道是两个颗粒间连通的狭窄部分或者两个较大空间之间 的收缩部分。每一条喉道可以连通两个孔隙，而每一个孔隙至少可以和3 条以上的喉道 相连接，最多的可以与6 条和8 条连通。常见孔隙喉道有四种：c a ) 喉道仅仅是孔隙的 收缩部分。此类孔隙大、喉道粗，孔隙与喉道直径比接近1 ，粒间胶结物少，固结疏松。 ( b ) 喉道断面是可变收缩部分。此类孔隙大( 或较大) 喉道细，孔隙与喉道直径比很 大。( c ) 片状或弯片状喉道砂岩或砾岩进一步压实，或者由于压溶作用使晶体再生长 时，其再生长边之间包围的孔隙变得较小，据颗粒形状不同，又可分为片状和弯曲片状 喉道，这种喉道的有效胀开宽度小，一般小于i r m ，个别的有几十微米。此类孔隙( 喉) 结构很细小，孔喉比由中等到大，为凹凸接触式。( d ) 管束状喉道。当杂基和各种胶结 物含量较高时，原生的粒间孔隙有时可能完全被堵死。这类孔喉结构，常见于砂岩骨架 颗粒问的杂基支撑及孔隙和基底胶结类型之中。孔喉比近似于1 。 ( 3 ) 孔隙和喉道的组合类型。孔隙和喉道有大小和粗细之分，并按一定的搭配关 系组合成十种孔喉组合类型。碳酸盐孔隙型漏失通道基本形态：孔隙类型分为两大类。 原生孔隙，可分为三种：( a ) 残余粒问孔隙；( b ) 生物遮蔽孔隙；( c ) 生物体腔 孔隙。 次生孔隙，可分为五种：( a ) 晶问孔隙；( b ) 晶间溶孔；( c ) 铸模孔隙；( d ) 粒 内溶孔；( e ) 粒间溶孔等。孔隙形状多变，有不规则形、多边形、长条形、菱形、圆形、 椭圆、花斑状、针尖状等。粒内溶孔多为椭圆、浑圆形，粒间溶孔常呈不规则或菊花状， 晶间溶孔则多为菱形及长柱形等。 ( 4 ) 孔隙大小及分布： 面积法孔隙分布有三种情况。阶梯型随孔隙直径的增大，控制孔隙面积也增大，孔 隙直径1 9 5 - 2 1 3 5 pm ，平均孔隙直径6 - 9 um ；对称型的孔分布具有近对称形态，孔径 1 9 5 1 6 4 1 t 皿；不对称型的孔在粗孔隙一端，孔隙含量较多，在细孔隙一端，孔隙含量 较少，并拖了一个很长的尾巴，孔径5 4 8 6 4 0u 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 个数法孔隙大小分布也有三种情况。参差不齐型平均孔径为6 71 tm ；不对称型平均 孔径5 - 1 0 i xm ：反阶梯型平均孔径1 5 - 3 0 l lm ，孔隙分布在细孔一端出现高峰，随孔径增 大，孔隙个数越来越少 ( 5 ) 喉道类型可分为三种：管状喉道、缩颈喉道、片状喉道。 ( 6 ) 喉道大小及分布有四种类型。反阶梯型，平均孔喉直径为o 0 l _ o ，d 9pm 单峰细歪度型，平均孔喉直径为0 0 9 11 - 1m ；单峰粗歪度型，平均孔喉直径为卜1 0 pm ；多峰型，平均孔喉直径为4 - 2 0pm 。 ( 7 ) 孔隙与喉道的组合关系主要有溶蚀孔、粒闻孔一缩颈喉、管状喉组合模式和 晶问孔片状喉道组合模式等。孔隙与喉道分布参数的变化特征不完全相一致，两者既 有联系又有区别，必须用各自的结构参数分别加以描述 1 5 a 孔酸型漏失通道的分布规律 各种岩性地层均可以形成孔隙型漏失通道，但其孔隙成因有所区别，因而分布规律 亦不相同。 砂、砾等碎屑岩孔隙型漏失通道分布规律：此类地层的孔隙及孔喉发育程度受以下 因素控制： ( 1 ) 沉积作用的影响。原始沉积作用对地层孔隙度、渗透率的影响具有决定意义， 因埋藏后的一切成岩作用所弓l 起的变化，均是在原始沉积作用基础上进行的。 ( 2 ) 成岩作用的影响。孔隙的演化取决于埋藏后的各种成岩条件。机械压实作用 及自生矿物胶结作用，使原始沉积形成的孔隙呈不断减少的趋势；溶蚀和溶解作用部分 地、局部地增加了孔隙。母岩的岩性对碎屑岩孔隙结构有直接影响。因骨架颗粒中的岩 屑含量、结构、矿物成分的不同，造成成岩作用的差异。不同矿物成分的岩屑颗粒，在 同一成岩作用下所产生的结构大不相同风化作用增加此类地层次生孔隙与渗透率，因 而绝大部分风化壳均是严重漏失带 碳酸盐岩孔隙漏失通道分布规律：碳酸盐岩孔陂型漏失通道由原生孔隙和次生溶蚀 孔隙组成大多数地区漏失通道以次生溶蚀孔隙为主，它的发育程度受下述因素所控制。 ( 1 ) 岩性起决定性的控制作用。 溶孔主要发育在白云岩段，而灰岩段不发育 白云岩的厚度控制了溶孔的发育程度。 溶孔的纵向分布与岩性组合密切相关，膏岩与云灰岩之间的组合有利于溶孔的形 成。因为膏岩可以被压榨出大量的孔隙水和结晶水而提供溶孔形成的水源：另一方面， 因其结构致密，起隔水屏蔽作用，抑制了地下水径流条件，控制了溶孔的发育， 碳酸盐纯度对溶孔发育起到控制作用。岩石中含杂质越多，越不利于溶蚀作用的 进行，孔隙越不发育。溶孔较发育岩石的杂质含量均小于2 。 第1 章，引言 ( 2 ) 岩石结构对溶孔发育分布有重要作用。岩石结构对孔隙度的发育有较大影响。 溶孔较发育的岩石，一般都是颗粒较粗大。粒屑粉晶云岩、粗屑云岩都具有早期云化及 暴露溶蚀等特征，易形成溶孔i 粉晶云岩亦具有早期暴露溶蚀的特征，受混合水或回流 渗透影响而自云化，因而其溶孔亦较发育：而致密泥晶岩石溶孔发育很差。 ( 3 ) 局部构造对溶孔形成作用明显。构造核部，构造应力相对集中，裂隙非常发 育，地下水活动频繁，溶蚀形迹明显，构造应力较弱，裂缝发育较差，溶孔发育程度相 对较弱。断层造成溶孔层重复，并通过伴生裂隙沟通地下水流，使溶孔层厚度显著增加 或使各溶孔层联成一体。 ( 4 ) 古今水文地质条件对溶孔的控制作用。溶孔作为水岩作用的产物，经过漫长 的地质年代，经受溶解、侵蚀、搬运和沉积等一系列作用，在溶孔发育演化过程中，地 下水流是最活跃的动力因素，其动力系统和地球化学特征的变化，对溶孔的形成起到了 重要作用。 ( 5 ) 风化壳古岩溶发育大量溶孔、溶缝在表生成岩阶段，由于构造运动使碳酸 盐岩抬升地表，遭受风化淋滤形成溶孔。 1 6 北四地区钻井施工存在的主要问题 1 9 9 8 年至今，北四地区共旖工近4 0 口探井，其中有7 口井( 北乒5 3 5 、3 7 、3 9 、 4 0 、北4 舌4 2 、4 4 、4 7 ) 在施工过程中出现较为严重的井漏复杂情况。其特点为：漏速 较高，平均漏失速度为4 0 5 0 m 3 h ，最高达1 0 0 1 2 0 m 3 h ：漏失量较大，平均单井漏失 量5 0 0 6 0 0 m 3 1 3 井，最大达1 l o o m 3 1 口井。 ( 1 ) 该区地质构造复杂，经钻井取芯观察、测井成像解释及钻井旌工情况证实， 构造裂缝十分发育，层位从嫩一段到青山口。其中姚二、三段裂缝最为发育，裂缝为垂 直裂缝，走向为北偏东3 6 0 至8 7 3 0 ，平均裂缝宽度为0 7 5 1 3 m m ，最大达9 皿。裂缝 的存在致使施工中经常出现并漏及因井漏导致的并塌和卡钻等复杂情况。井漏漏速快， 漏失量大；井塌井段长，达1 0 0 2 0 0 m ；井塌比较严重，井径扩大率高达7 0 ，最大井 径达4 0 0 r a m ，井塌返砂，平均单井达1 5 2 0 m 3 ，坍塌块大。且井塌周期较短，嫩江组 地层坍塌周期一般为5 1 5 天。由于特定的她质条件决定了该地区的钻井旌工难度较大。 ( 2 ) 北四地区地层孔隙压力梯度分布一般为0 0 0 9 3 3 9 9 0 0 1 2 5 1 7 0 m p a m ，破裂压 力梯度一般为0 0 1 4 0 0 0 2 7 0 m p a m 。这说明北四地区孔隙压力较高，而破裂压力较低， 安全钻进的钻井液密度窗口较窄。 所以研究大庆油田北四地区的防漏堵漏技术为该区块的勘探和开发，为大庆油田的 可持续发展具有十分重要的意义 1 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 。7 本文研究的主要内容 1 7 1 井漏分析与防漏技术的研究 ( 1 ) 根据大庆油田北四地区钻井取芯资料、测井成像资料及钻井施工的情况的统 计分析，确定裂缝的深度和宽度。正确分析北四地区井漏的原因，为预防井漏明确方向。 ( 2 ) 通过对下钻产生的激动压力的计算，确定合理的下钻速度：通过对钻进时循 环阻力的计算，确定合理的钻进择量及钻井滚密度，避免诱导性裂缝漏失的发生。 1 7 2 堵漏试验与分析 ( 1 ) 根据地层漏失程度和地质特点，研究堵漏方法。 ( 2 ) 评价、优选堵漏方法 1 7 3 完善并形成一套防漏和堵漏综合配套技术措施 根据不同的漏失速度和裂缝类型，根据防漏技术研究的结果和物理、化学堵