深層脆性頁巖井鉆井液漏失機理及主控因素

李文哲，于興川，賴 燕，劉厚彬，文 雯，張 震，吳申尭

(1.四川長寧天然氣開發有限責任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.西南石油大學，四川 成都 610500；4.中國石油長慶油田分公司，陜西 榆林 719000；5.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川長寧區塊鉆井過程中鉆井液漏失頻發是阻礙頁巖氣效益化開發的重要原因之一[1-5]。合理確定漏失壓力，探明漏失力學機理及漏失性質是提高鉆井液防漏失效率及成功率的關鍵[6-12]。對于鉆井液漏失機理及漏失壓力的研究，王仁廣等[13-15]從漏失壓力模型的角度進行了研究，建立了壓裂性漏失、裂縫擴展性漏失、大型裂縫溶洞性漏失的漏失壓力模型。譚建忠等[16-17]從鉆井液漏失發生的必要條件角度進行研究，明確了鉆井液漏失發生的誘因及過程，并提出了防漏措施。王貴等[6，18-20]對鉆井液漏失機理進行了研究，基于巖石斷裂力學、漏失力學等理論明確了鉆井液漏失機理，并提出了具體的堵漏思路。為提高長寧區塊頁巖氣開發效益，基于單井測井數據與三維地震解釋數據，建立了長寧區塊頁巖氣地層裂縫、地應力及地層壓力展布模型，研究鉆井液漏失與三者之間的響應關系，探究長寧區塊頁巖地層鉆井液漏失機理以及主要影響因素。研究成果將對長寧區塊鉆井過程中的防漏堵漏提供技術支持。

1 長寧區塊鉆井液漏失分布規律

長寧區塊位于四川盆地南部，整體構造呈中間低四周高的趨勢。長寧背斜構造位于四川盆地的川南褶皺帶與婁山斷褶帶的交界部位，因此，形成了具多組構造形跡的復雜組合。工區北鄰蓮花寺老翁場構造，南接柏楊林-大寨背斜構造，西為賈村溪構造，東隔鳳凰山向斜與高木頂構造相望。長寧背斜核部出露寒武系、志留系地層，兩翼為二疊系、三疊系地層。選取長寧區塊內不同井區具有代表性的共20口井，分別從平面和縱向2個角度對該區塊的鉆井液漏失分布規律進行分析。

(1)鉆井液漏失平面分布規律分析。統計分析了長寧區塊3個井區鉆井液漏失情況(表1)。

表1 長寧區塊鉆井液漏失情況平面分布統計

由表1可知：長寧區塊鉆井液漏失平面分布與地質構造有密切聯系，構造高部位鉆井液漏失井次高于構造中心低部位，位于構造高部位的寧216井區鉆井液漏失比例為69%，位于構造低部位的寧201井區和寧209井區鉆井液漏失比例明顯低于寧216井區，分別為11%和20%?？傮w上來看，長寧區塊鉆井液漏失呈現中間低、四周高的平面分布規律。

(2)鉆井液漏失縱向分布規律分析。對3個井區的鉆井液漏失情況按照地層進行分類統計(表2)。

表2 長寧區塊鉆井液漏失情況縱向分布統計

由表2可知：鉆井液漏失情況在縱向上主要發生在茅口組和龍馬溪組地層；鉆井液在縱向上的漏失情況，寧216井區也比寧201井區和寧209井區嚴重。

2 鉆井液漏失機理

深層脆性頁巖常見的鉆井液漏失機理有以下幾種類型[21-25]。

(1) 壓裂性漏失。當井筒內壓力超過地層的破裂壓力時，在地層內產生裂縫性漏失通道[26]。因此，對于壓裂性漏失，漏失壓力與地層破裂壓力相同，該類漏失的漏失壓力預測模型為：

pf1=3σh-σH+St-αpp

(1)

式中：pf1為破裂壓力，MPa；σH為最大水平主地應力，MPa；σh為最小水平主地應力，MPa；St為巖石抗拉強度，MPa；α為有效應力系數；pp為地層壓力，MPa。

(2) 閉合裂縫擴展性漏失。井筒的有效液柱壓力大于裂縫閉合壓力及裂縫末端抗張強度時，導致裂縫張開、擴展延伸產生鉆井液漏失[27]。該類漏失的漏失壓力預測模型為：

(2)

式中：p1為漏失壓力MPa；ω0為無井筒正壓差時的裂縫寬度，mm；A、a為待定系數；ωc為裂縫動態寬度，mm。

(3) 壓差性漏失。微裂縫和孔洞可作為天然氣的滲流通道，同時也可作為鉆井液侵入的通道[28-29]。正壓差下鉆井液進入孔隙、天然裂縫與溶洞通道產生鉆井液漏失。該類漏失的漏失壓力預測模型為：

p1=pp+Δp

(3)

式中：Δp為鉆井液在裂縫內部流動的壓力損耗，MPa。

從以上3種鉆井液漏失模型可以看出，鉆井液漏失情況主要受地應力、地層壓力以及裂縫的影響，地應力對壓裂性漏失與閉合裂縫擴展性漏失具有重要影響，地層裂縫為閉合裂縫擴展性漏失與壓差性漏失提供了漏失通道與先天條件，而地層壓力則是壓差性漏失的主要判斷依據。

3 長寧區塊鉆井液漏失主要影響因素分析

3.1 長寧區塊裂縫三維展布規律研究

裂縫是導致鉆井液漏失的一個重要原因[30]，因此，預測長寧區塊裂縫的三維展布規律，對探究鉆井液漏失具有重要意義。利用長寧區塊已有地震數據體，采用螞蟻追蹤技術對目標區域進行裂縫的追蹤預測。裂縫預測結果如圖1(一個色塊代表一個裂縫)所示。

圖1 長寧區塊裂縫預測結果

由圖1可知：長寧區塊裂縫較為發育，區塊四周裂縫發育程度較區塊中心要高；寧216井區裂縫密度明顯高于寧201井區和寧209井區，這可能是導致寧216井區鉆井液漏失相對嚴重的重要因素之一。

3.2 地應力及地層壓力預測

地應力、地層壓力與鉆井液漏失的關系同樣密切，從頁巖地層常見的鉆井液漏失機理可以看出：地應力的大小可以決定地層破裂壓力，從而確定井壁是否被壓裂、閉合縫是否張開；天然裂縫是否發生鉆井液漏失則與地層壓力有關。

利用地震解釋數據建立三維地質模型，利用單井地應力、地層壓力數據，基于地質統計學原理，通過井間插值法建立地應力與地層壓力模型。

3.2.1 地應力預測

長寧區塊最小水平主地應力預測結果見圖2。由圖2可知：長寧區塊地應力的大小與地質構造、地層埋深密切相關；構造向斜低部位地層埋藏深，地應力大，向南、北方向地應力有減小趨勢，位于構造向斜部位的寧201、寧209井區的地應力要高于位于背斜部位的寧216井區。

圖2 長寧區塊最小水平主應力預測結果

3.2.2 地層壓力預測

長寧區塊地層壓力預測結果見圖3(ρp為當量鉆井液密度)。由圖3可知：地層壓力的預測結果在展布規律上與地應力大致相同，構造中心向斜部位地層壓力要高于構造背斜部位，即寧201、寧209井區的地層壓力要高于寧216井區。

圖3 長寧區塊地層壓力模型預測結果

利用實測的龍馬溪組地層壓力數據驗證地層壓力預測的可靠性(表3)。由表3可知：地層壓力預測值的平均準確率為91.7%，具有較高的可信度。

表3 長寧區塊實測地層壓力與預測結果對比

4 鉆井液漏失與主控因素響應關系

統計了20口井的鉆井液漏失情況，將其與裂縫、地應力場及地層壓力場的預測結果疊合，以此分別探究裂縫、地應力和地層壓力與鉆井液漏失的響應關系(圖4～6，圖中紅色柱子代表鉆井液漏失次數)。

4.1 裂縫發育與鉆井液漏失響應關系

鉆井液漏失情況與裂縫預測結果疊合圖見圖4。由圖4可知：鉆井液漏失情況與預測的裂縫展布情況有著較好的響應關系；寧216井區裂縫密度高于寧201井區和寧209井區，裂縫分布錯綜復雜，寧216井區的鉆井液漏失發生次數也相應高于寧201井區和寧209井區。由此可見，裂縫發育程度是導致長寧區塊鉆井液漏失平面分布不均的重要原因之一。

圖4 長寧區塊裂縫分布與鉆井液漏失疊合圖

4.2 地應力與鉆井液漏失響應關系

鉆井液漏失情況與地應力預測結果疊合圖見圖5。由圖5可知：地應力預測結果與鉆井液漏失情況響應關系較好，地應力高的部位鉆井液漏失次數要少于地應力低的部位。構造高部位地層埋藏淺，地應力較低，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較低，導致鉆井液漏失頻發；構造低部位地層埋藏深，地應力較大，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較高，鉆井液漏失不易發生。由此可見，長寧區塊地應力的分布規律與鉆井液漏失同樣關系密切，響應度高。

4.3 地層壓力與鉆井液漏失響應關系

鉆井液漏失情況與地層壓力預測結果疊合圖見圖6。由圖6可知：地層壓力預測結果與鉆井液漏失情況響應關系較好，鉆井液漏失頻發的寧216井區地層壓力較低，鉆井液漏失次數較少的寧209井區地層壓力較高?？梢婇L寧區塊地層壓力的分布規律同樣是影響鉆井液漏失的因素之一。

綜合以上響應關系驗證結果可知，裂縫發育情況和地應力、地層壓力分布是長寧區塊鉆井液漏失的重要影響因素。鉆井液失情況嚴重的位置通常裂縫發育、地應力和地層壓力??；反之，裂縫發育程度低、地應力和地層壓力大的位置鉆井液漏失次數通常相對較少。

圖5 長寧區塊地應力場與鉆井液漏失疊合圖

圖6 長寧區塊地層壓力場與鉆井液漏失疊合圖

5 鉆井液漏失防控措施

基于上文研究結果，結合長寧區塊裂縫發育情況、地應力與地層壓力分布規律，提出以下鉆井液漏失防控措施。

(1) 構造高部位裂縫發育，鉆井液漏失風險高，結合裂縫發育情況，科學合理部署井位，優化設計井身結構，強化鉆井液漏失風險評估，可做到有效預防。

(2) 地應力影響閉合裂縫擴展性漏失的臨界壓力，結合長寧區塊地應力分布特征，明確閉合裂縫的開啟臨界壓力與裂縫延伸臨界壓力，為確定龍馬溪組頁巖儲層鉆井液密度窗口上限值提供科學依據，有效控制鉆井液密度低于最小水平地應力，降低閉合裂縫擴展性漏失發生概率。

(3) 對于溶洞及張開型裂縫，主要發生壓差性鉆井液漏失，壓差性鉆井液漏失與地層壓力密切相關，準確預測長寧區塊龍馬溪組地層壓力分布特征，可為不同構造位置、不同井區龍馬溪組頁巖地層鉆井液密度窗口下限值的確定提供依據，采用精細控壓鉆井與近平衡鉆井技術，可有效降低壓差性鉆井液漏失發生概率。

6 結 論

(1) 長寧區塊深層頁巖鉆井液漏失情況突出，在平面上及縱向上分布范圍較廣，涵蓋多個井區及地層，長寧區塊鉆井液漏失頻發與裂縫、地應力以及地層壓力均具有較高響應關系。

(2) 張開型裂縫的壓差性漏失與裂縫發育、地層壓力相關。長寧區塊構造低部位，地層埋藏深、裂縫發育程度低，地層壓力高，且漏失臨界壓力高，因此，構造低部位壓差性漏失情況不突出；區塊構造高部位，地層埋藏淺，裂縫發育程度高，地層壓力低，且漏失臨界壓力低，因此，構造高部位壓差性漏失情況嚴重。

(3) 閉合裂縫擴展性漏失與地應力相關。長寧區塊構造低部位地層埋藏深，地應力高，閉合裂縫張開與延伸難度大，閉合裂縫擴展性漏失發生困難，鉆井液漏失情況不突出；構造高部位地層埋藏淺，地應力低，閉合裂縫張開與延伸相對容易，因此，構造高部位閉合裂縫擴展性漏失情況嚴重。