钻井井漏、坍塌的一些基本概念和研究

一井漏
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。

钻井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）一旦处理不及时将严重伤害油气层、降低油气井产能乃至绝产，还可能诱发卡钻、井喷、井塌等一系列井下复杂情况甚至井眼报废，遇有高压高含硫气田将危及人身安全和污染环境，这将造成重大经济损失和严重的社会影响。

因此治理好钻井中的井漏是非常重要的任务，治漏之前，我们首先得分析漏失层的岩性、漏失的原因、漏失的机理才能提出合适的治漏方法。

1漏失通道
1.1自然漏失通道
1.1.1粘土层漏失
一般来说，泥页岩井段不易发生井漏，但一些古老地层的硬脆性泥页岩，因受地壳构造运动而形成裂缝、风化作用而形成溶孔及其它层间疏松孔道，易发生井漏。

中深井段的泥页岩因脱水收缩，异常高压和构造运动而形成裂缝，但这种裂缝的长度一般较小，不易形成漏失通道。

1.1.2砂砾层漏失
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，钻进过程中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。

1.1.3碳酸盐层漏失
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。

碳酸盐地层经过长期地下水的溶蚀、冲蚀作用，形成大大小小的地下溶洞和地下暗河，而强裂的构造运动又会产生纵横交错的裂缝，其开口由几厘米到几十米不等。

这些溶孔、溶洞、裂缝构成了碳酸盐岩的主要漏失通道。

1.1.4火山岩和变质岩层漏失
火山岩由于岩浆喷发、溢流、结晶构造运动（如风化作用等因素），在熔岩内形成了十分发育的孔隙和裂缝，构成了易发生漏失的通道。

在古生代、太古代、元古代的变质岩因受变晶、构造运动、物理风化和化学淋溶形成裂缝和孔隙，构
成了漏失的通道。

1.2人为性漏失通道
在钻井过程中，当井内钻井液循环液柱压力大于地层抗破坏能力（地层破裂压力），或大于地层孔隙、裂缝、溶洞中流体的压力，且漏失通道的开口尺寸大于钻井液中固相粒径，把钻井液压入了漏失通道而发生漏失；在施工过程中；由于钻井工艺措施不当，如开泵过猛，下钻过快而造成井下压力激动，产生诱导性裂缝。

由此可知，井漏产生必须具备三个必要条件：其一是对地层存在着正压差即井筒中工作液的压力大于地层空隙、裂缝或溶洞中的流体压力，这才有可能把工作液压入漏失通道。

其二是地层中存在着漏失通道及较大的足够容纳液体的空间。

如地层不存在任何可以流入外来液体的各种通道如孔裂缝等，那么外来液体就无法流入地层中。

其三是漏失通道的开口尺寸应大于外来工作液中固相的粒径。

漏失通道按形成的原因可以分为自然漏失通道和人为性漏失通道。

2漏失的类型
漏失以裂缝性漏失和裂缝性漏失为主，分别占统计的67.0% 和23.4%，溶洞性漏失只占统计的2.2%。

2.1渗透性漏失
这种漏失多发生在粗颗粒末胶结或胶结很差的浅井段地层，如粗砂岩、砾岩、含砾砂岩等地层，只要它的渗透率超过14×10-3μm2，或者它们平均粒径大于钻井液中数量最多颗粒粒径的三倍时，钻井液泥饼的形成会阻止或减弱其漏失的程度，故而渗透性漏失的漏速不大，一般不会超过10m3/h。

2.2裂缝性漏失
在钻井过程中钻遇到的各种类型的岩层均有可能存在着裂缝。

通常在构造轴部、高点、断鼻构造、鼻状构造、断层附近，断层的上盘极易产生裂缝。

在破碎带地层中钻进时，常会出现钻柱井下粘卡、钻速加快、钻井液返出现减少等现象的出现而发生井漏，其漏速一般在10～100 m3/h之间。

2.3 溶洞性漏失
特别是在我国南方海相碳酸盐地层中，经过千百万年的地球溶蚀作用而形成大的溶洞，在钻井过程中会出现钻具突然放空，有时会达 4～5m，随之循环失灵，钻井液只进不出或少量返出。

井漏后往往会造成井喷或井塌卡钻事故，一般漏速在100m3/h以上。

3治漏措施
针对不同的井漏情况，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。

川渝地区治理井漏的方法主要有桥浆堵漏、水泥浆堵漏、清水强钻套管封隔技术、随钻堵漏、桥浆+水泥浆复合堵漏等。

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。

在没有高压层存在且为轻微漏失时，应设法降低钻井液的密度，同时提高钻井注解的粘度和切力，增强钻井液的造壁性能，从而降低钻井液的滤失量。

在钻开高压高渗透地层时，严格控制钻井液密度，做到平衡或欠平衡钻进。

常用的提高钻井液粘切力的处理剂有CMC、SMC、SMP-1、SMP-2、膨润土、纯碱、烧碱等。

在提高钻井液粘度处理效果还不明显时，可在钻井液中加入小颗粒及纤维质物质如去母片、石棉绒、超细碳酸钙等堵漏材料，在边钻进的过程中进行随钻堵漏。

对特大洞穴、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、调整井的漏失等复杂井漏是世界公认的难题，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。

要搞好地层的治漏工作，要认真分析漏失地层岩性特征以及邻井邻构造的资料、漏失原因及机理、漏失性质，制订科学合理的治漏措施，做到对漏失可能出现的井段早预防早处理。

优化钻井工艺，如在易发生漏失地区采取欠平衡钻井，优化井身结构，采用低固相钻井液。

3.1漏失测试
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。

3.2针对不同漏失类型的处理措施
3.2.1裂缝性漏失的处理
（1）在非油气层发生裂缝性漏失时，根据漏失层岩石的性质差异选择不同的堵漏方法，现场运用较成功的有水泥浆堵漏法，聚丙烯酞酰胺絮凝物和交联物堵法，化学凝胶堵漏剂法，复配物堵漏法等。

（2）在油气层中发生裂缝性漏失时，要防止堵漏剂中的固相颗粒进入油层，造成对油气层的不可逆转的堵死，影响开发时油气井的产量。

在现场需考虑用保护油气层屏蔽暂堵剂。

如膨润土—石棉—水泥—石灰堵漏浆液，此浆液可在清水中加5%彭润土和15%纯大事配成基浆，然后按顺序分别加入4%石棉、57%石灰、15%水泥，配成浆液注入漏失层，使2/3进入漏失层，1/3用于顶替。

其凝固物在油气井开采时，可用盐酸解堵。

3.2.2溶洞性漏失
钻通大溶洞发生井漏时，普通的桥接堵漏剂无法在漏失通道中“架桥”，溶洞中往往含有地层水，水泥浆受地层水的干扰也难以凝固。

这时可从井口注入由大小不一的多边角坚硬果壳及云母和各种植物纤维、堵漏剂等配成的复合堵漏液，利用这些物质的边锋与溶洞、裂缝壁产生较大的摩擦和滞流作用形成网状桥架，进而利用云母等薄而光滑的曲张变形的特点，造成无孔不入滑而流动的环境，再以植物纤维的密集堆砌达到填缝堵漏目的。

在钻井液完全失返的特大型溶洞中，可以采用具有一定伸展性的大型泥龙袋，网袋式封堵工具。

通过钻杆将其下入溶洞中，在袋内注水泥待其凝固后，再钻穿袋正常钻进。

3.2.3破碎带地层的漏失
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。

如果桥接堵剂中颗粒状材料的尺寸偏大，桥接浆液的浓度偏高，容易形成“封门”，堵漏材料难以在深部地层形成堵塞隔墙，致使堵塞不牢，加之漏层对压力又十分敏感，在以后的钻进作业中容易再次发生井漏。

为此，国内外的有关学者提出“强粘接性”概念，强粘接性即堵漏后不仅要堵住漏失通道，更重要的是将破碎性、裂缝性漏失层强有力地粘合固结起来，使之能形成钻井工程所需的堵层承压强度。

现场实践证明，强粘接性堵漏与常规封堵相比，能大幅度地提高地层承压能力，并具有施工简便、成本低廉和可靠性强等特点，为今后复杂地层堵漏技术的发展提供了新的思路。

3.2.4人为性漏失的治理
起下钻不要用力过猛过快，开泵要平稳，以便减小压力激动，避免造成人为
性的裂缝漏失。

循环钻井液时要尽量避开可能出现漏失的层位，保持低速层流循环，以免冲蚀井壁，引起井漏。

钻进漏失层时，要使用低密度泥浆，以减小液柱压力；泥浆的粘度和切力要适宜。

3.3治漏工艺
3.3.1清水强钻技术
在井漏失返或漏速很大、井壁稳定、岩屑能有效地进入漏层的情况下采用清水或井底清水强钻技术。

如门西2井用密度1.23g/ cm3的钻井液钻至井深3131.80 m(T1j3) 井漏失返，经7次桥塞堵漏无效，采用井底清水强钻194.20m 至井深3326m (T1j 23) 下244.5mm 套管固井。

采用井底清水强钻的还有门西1、黄龙3、七里29等井，并都获得了成功。

清水强钻技术的关键：保护漏层以上井壁的稳定，防止垮塌。

3.3.2喷漏同存的反循环堵漏压井技术
钻井中，又喷又漏的复杂情况时有发生，采用常规的正循环堵漏压井一般难以建立井内压力平衡，达不到压井的目的。

采用反循环堵漏压井具有切断溢流快、井底回压低等特点，在处理喷漏同存复杂时成功率较高。

通过天东22、亭4、新13 等5口井的应用均一次成功，创造了较好的经济技术效益。

由于相国寺的地层压力系数较低，故这种现象发生较少。

3.3.3长段低压漏失层治漏技术
川东大部份构造T1j23以上地层为低压层，低压漏失大部份发生在这一井段，特别是沙溪庙、凉高山、自流井群成岩较晚、压实效应差、井漏频繁。

当井内钻井液密度提高时，可能造成长段裸眼多漏失层段井漏，漏失位置不清，堵漏难度大，堵漏工艺要根据具体情况制定具体的综合治理措施。

月2井244.5mm套管下至井深1582m，用密度1.36g/ cm3钻井液钻至井深1909.26m，层位：飞仙关，发生井漏，漏速2.2m3/ h ～5m3/ h。

当井漏发生后对裸眼段进行了10次堵漏施工，采用纯水泥堵漏9次、桥浆堵漏1次均未成功，最后注11%桥浆31m3，采用间隙关挤堵漏工艺技术堵漏成功，恢复钻进。

该井在恢复钻进后于井深1950.70m、1957.40m、1985.90m、2013.80m、2025.50m、2036.70m 又发生6次井漏，又进行了6次桥浆间隙关挤堵漏，均一次成功。

渡3井是渡口河构造上的第二口探井，于1996年10月14日开钻，，339.7 套管下至井深286m，层位:沙溪庙，用密度 1.12g / cm3和1.13g/ cm3的钻井液分别于井深2073.67m、2110.40m 钻遇浅层气溢流，压井后密度提高至，1.40g / cm3～1.44g/ cm3，导致上部低压地层多段漏失，对上部井段进行46天20井次的找漏堵漏工作，上部地层承压能力提高密度，1.40g/ cm3～1.45g / cm3恢复钻进。

于1997年6月26日，钻至固井井深3650m固244.5套管，全井共发生井漏48次，进行了60 次堵漏施工，其中桥浆39次，水泥15 次，随钻堵漏6次，累计漏失各类钻井液
5095m3，各类堵漏材料182t、水泥216t ，该井钻至244 套管固井期间，处理复杂时间占38.42%，该井为川东典型的长段裸眼低压漏失层多层段井。

3.3.4降密度钻进和随钻堵漏
在井漏比较敏感的层段钻进，通过分析邻井构造资料，具备降密度条件的井，可采用适当降低钻井液密度治漏。

云安7-1井244.5套管下至T1f4顶，井深2189m，下部井段设计钻井液密度为1.50g / cm3～1.87g / cm3。

但由于该井断层多、地层破碎，若采用设计密度钻进，将造成长段裸眼多数层段井漏。

根据邻井资料分析，可采用1.40g / cm3～1.42g / cm3钻井液钻至龙潭下177.8尾管固井。

对漏速小、漏失压力敏感，不具备降密度条件的井，采用在井浆中混3% ～5%的桥浆或随钻堵漏剂进行随钻堵漏。

3.3.5气体钻井治漏技术
气体钻井治漏技术是利用气体低的流体柱压力来达到钻穿低压漏失地层的目的，该项技术主要包括空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气流体钻井。

目前，这项钻井技术正在国外得到快速发展，并获得良好的技术经济效益而受到高度重视。

川渝地区2002～2003年分别在正坝1井、核桃1井、大天9井和矿2井四口井开展了空气、泡沫、充气流体钻井治漏试验，钻井总进尺1367.17m，对治理井漏见到明显效果。

对于川渝地区严重井漏的井，气体钻井与采用常规钻井堵漏的方法相比，可节约大量的处理井漏时间，钻井时效大幅度提高。

在4口现场试验井上，用常规钻井、堵漏的方法钻进359.86 m，耗时75 d，平均日进尺为4.8m，利用空气、泡沫、充气钻井总钻井进尺1367.17m，耗时34 d，平均日进尺为40.21，比常规钻井堵漏提高7.4倍。

3.3.6微泡沫钻井治漏技术
微泡沫钻井液是一种新型的、可循环使用的低密度钻井液体系，它为欠平衡钻井、储层保护、低压易漏地层的防漏堵漏提供了一种新的钻井液体系。

与注气泡沫相比，微泡沫钻井液具有配制方便、不需要地面注气设备、可循环使用、成本较低等优点，受到国内外钻井人士的广泛关注。

与常规钻井液相比，微泡沫钻井液具有较低的密度和环空循环压耗，能有效降低井下动压力，起到防漏作用; 同时，微泡沫钻井液进入漏层后，聚结成“蜂窝”状的泡沫凝胶，对漏失通道产生“气锁”效应和凝胶封堵，起到堵漏的作用。

另外，微泡沫钻井液具有非常好的流变性和携岩能力，能有效解决大尺寸井眼的携砂问题。

为解决川渝地区表层严重井漏问题，降低井漏损失，提高钻井效率，于2004年7月25日在川东北地区玉皇1井开展微泡沫钻井液治漏试验。

该井微泡沫钻井液和微泡沫桥浆在低压易漏表层井段钻进400m，没有因为严重井漏问题而影响钻井工程进度，表现出了良好的防漏堵漏效果。

该井表层井段使用微泡沫钻井
液钻进10.5d，日平均进尺38m，比川渝地区易漏表层提高6.9倍。

4针对相国寺的井漏问题分析
在川渝地区的钻井工程作业中，井漏发生频繁，类型多，井漏造成的损失巨大。

特别是近年勘探区域重点转向地表复杂的山前构造地区以后，由于受不同方向强烈构造应力作用，断层发育、地层破碎严重、井漏复杂程度增加，治理难度加大。

近几年来，井漏复杂时率居高不下，井漏治理损失时间占钻井总时间的5%～8%严重制约了钻井工程进度。

相国寺储气库是我国西南地区第一个开建的储气库，是典型的枯竭型碳酸盐岩油气藏。

构造出露地层为须家河，由于地表水的溶蚀作用，造成须家河、雷口坡和嘉陵江等地层井漏非常严重，对钻进和固井带来较大麻烦。

龙潭、梁山组地层极易垮塌，而长兴组、茅口组地层压力系数低于1. 0，可能出现井漏和垮塌并存的复杂情况。

针对相国寺储气井的地质特征分析钻井地质难点在于：构造高陡、地层倾角大、主产层埋藏层位深、地层硬度硬、硫化氢含量高等；在钻井过程中表现为上部地层垮塌严重、井漏频繁：相国寺构造出露地层为须家河，由于地表水的溶蚀作用，造成须家河、雷口坡和嘉陵江等地层井漏非常严重，对钻进和固井带来较大麻烦。

龙潭、梁山组地层极易垮塌，而长兴组、茅口组地层压力系数低于1.0，可能出现井漏和垮塌并存的复杂情况。

特别是揭开石炭系地层即为储层，且压力系数仅为0.1，若Φ177. 8mm油层套管下入石炭系顶部，可能造成石炭系地层大漏，污染储层；若下至梁山组底部，未能封过梁山组地层，Φ152. 4mm井段钻井过程中梁山组底部层段可能出现垮塌复杂，这也是相国寺储气库钻井的最大难点。

在钻井工程中造成严重影响的井漏主要是大裂缝或溶洞恶性井漏和长段低压恶
性井漏两大类，这两类井漏堵漏难度大，漏失钻井液量多，损失时间长。

目前，处理这两类恶性井漏有以下工程技术难点：
（1）对于大裂缝、溶洞恶性井漏，桥接堵漏材料根本无法在这类漏失通道中堆积、架桥形成有效堵塞；在溶洞、大裂缝中常存在地层水或积液，由于堵漏水泥受到地层水或溶洞积液置换、稀释的干扰，难以在近井壁周围凝固形成有效的堵塞隔墙。

因此，在目前技术条件下，溶洞恶性井漏的堵漏难度大，堵漏成功率低。

（2）对于长段低压恶性井漏，地层十分破碎、承压能力低、漏失层段多、漏失井段长、漏失通道对压力非常敏感等，给堵漏及钻井工程带来了很大的难度。

由于这类井漏的漏失通道没有明显的“喉道”，桥接堵漏材料难以在漏失通道中形成稳定的“架桥”，加之对压力极为敏感，采用桥浆堵漏关井挤压时，除漏失通道开口尺寸将发生变化外，还容易诱发形成新的漏失通道，致使堵塞不牢，即使
形成暂时堵塞，在后续钻井作业中，受井筒压力波动的影响，堵塞物易于从漏失通道中“吐出”来，造成重复漏失。

由于漏失层段多，且各漏失层段的漏失吸收系数不同，即使用水泥浆堵漏，施工中大部分堵漏水泥浆进入较大开口的漏失通道，进入较小开口漏失通道中的堵漏水泥量相对较少，甚至有的小漏失通道中可能没有堵漏水泥浆进入，若表层套管下入深度较浅，，堵漏施工时的关井挤压受到限制，难以从根本上提高漏失井段的承压能力。

因此，要解决川渝地区的井漏问题，除常规的桥浆堵漏、水泥浆堵漏技术和清水强钻外，还必须发展气体钻井治漏技术、微泡沫钻井治漏技术、高浓度桥浆随钻治漏技术及堵漏工具等多种综合技术。

二井塌
井塌是川东地区钻井作业中较为普遍的井下复杂情况。

在川东地区的高陡构造上部井塌非常普遍。

发生坍塌的地层，主要是以伊利石或伊蒙混层为主的泥、页岩，其层理及裂缝发育，岩石较为破碎，微层面属泥质胶结，胶结强度差。

井塌会导致钻井周期延长，影响固井质量、井身质量、测井作业及地质资料录取，造成起下钻阻卡甚至气井报废等。

1 井塌原因
1.1化学应力原因
大多数的泥、页岩中都含具有化学活性的压实粘土，当钻进泥、页岩时，粘土水化膨胀，在井眼围岩中形成膨胀应力。

泥页岩的水化膨胀导致井眼不稳定可分为三个阶段。

原始页岩状态，页岩在沉积过程中在上覆岩层作用下失去部分水份，所以粘土矿物只是部分水化，川东地区由于
强烈的地质构造运动所产生的强挤压作用而造成泥、页岩失去大部分水, 岩石较为干燥, 从而具有很高的扩散吸附能力。

当钻进原始页岩地层时, 钻井液中的水和矿物离子与粘土矿物进行离子交换并沿径向扩散到泥、页岩地层中, 从而在泥、页岩中产生了膨胀应力, 使井筒周围的页岩向井眼内膨胀导致缩径, 粘土颗粒晶层间含水量增大。

此阶段水化作用过程将据其粘土矿物特性、页岩干燥程度、胶结强度及井壁岩石应力失稳程度( 应力差大小) 和钻井液失水性能在一定时间内维持井壁不会垮塌, 以上岩石特性不一样其井壁保持稳定时间也不一样。

所以, 川东地区通常有钻进泥、页岩地层时, 井壁页岩并不是立即出现垮塌、缩径而要经过几小时至几天甚至更长时间后才出现垮塌或缩径。