论文导读：：漏失机理是研究地层发生漏失现象以及对漏失地层特征进行定量分析的基础。本文将漏失现象划分为压差漏失和压裂漏失，通过模拟U型管研究分析了不同岩性压差漏失的机理；借鉴油田注水开发的模型，给出了压差漏失的漏失量和漏失速度计算公式；对新疆百泉1井、冀东油田老爷庙地区和伊朗TABNAK气田的漏失情况进行了分析研究。研究发现，压差漏失概念的提出，为深入分析漏失压力奠定了基础，有助于进一步深入进行地层漏失机理的研究；易漏地层漏失类型主要是压差漏失，压裂漏失很少发生，所以在安全钻井密度窗口分析以及钻井工程设计中需要建立适合漏失地层的漏失压力曲线，并把压差漏失作为主要的预防对象。

　　论文关键词：井漏，易漏地层，漏失机理，压裂漏失，压差漏失

　　1引言

　　井漏是指在钻井、固井、测试等各种作业时，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，是钻井工程技术难题之一[1-2]。根据漏失通道形成的主要原因，目前将漏失分为自然漏失和压裂漏失两大类。自然漏失是指地层中的孔隙、裂缝或洞穴发育、存在天然的漏失通道，各种工作液在井筒内液柱压力的作用下，克服流动阻力漏失到地层。压裂漏失是由于井筒中液柱压力过大，压裂地层进而

　　产生人为的地层裂缝，导致漏失现象的产生[4-6]。文章将漏失分为压差漏失和压裂漏失两大类，提出地层压差漏失的概念，并对不同岩性的压差漏失机理进行分析研究；借鉴油田注水开发的模型，给出了压差漏失的漏失量和漏失速度的计算公式。

　　2压差漏失机理分析

　　压差漏失是钻井液在压差的作用下，沿地层中固有通道进入地层的现象。其漏失机理可从压差、岩性、漏失地层特性、钻井液性质等方面分析。主要关注其中客观因素，因此按照不同岩性对漏失机理进行阐述。

　　可以用模拟U型管来解释压差漏失的机理。如图1所示，U型管左半边表示井筒和钻井液，右半边表示地层岩石和孔隙流体。假设钻井液的密度与孔隙流体密度相等，当钻井液柱压力（液位）等于孔隙压力（液位）时，左右液柱平衡，没有流体移动——没有漏失；当钻井液柱压力（液位）高于孔隙压力（液位）时，如图2所示，左右液柱不平衡，发生流体移动——钻井液（左管）向地层（右管）一边

　　移动——发生漏失。显然，如果钻井液密度高于孔隙流体密度，即使两边液位高度相等，钻井液柱压力高于孔隙流体液柱压力，左右液柱不平衡，发生流体移动——钻井液（左管）向地层（右管）一边移动

　　国家科技重大专项： “大型油气田及煤层气开发” 油气重大专项“深井钻录、测试技术和配套装备” 项目（2011ZX05021）部分研究成果。

　　——发生漏失。

　　易漏地层

　　图1左右液柱压力平衡时的U型管（砂岩）

　　易漏地层

　　图2 左右液柱不平衡时的U型管（砂岩）

　　这个压差漏失模拟分析是以砂岩为例进行的；只要漏失通道的连通性好，对其它岩性也能成立。模拟U型管也可以用来解释溢流和采油的原理，这时地层流体压力大于井内液柱压力，地层流体向井内流动。

　　国内专家学者研究表明，压差漏失的漏速与压差成线性相关关系，可以建立漏速方程。例如中国石油大学（北京）金衍教授建立的塔中1号构造漏速方程[3]：

　　颗粒灰岩段的漏失方程

　　（1）

　　含泥灰岩段的漏失方程

　　（2）

　　其中，△p为井底压差，MPa； Q为漏失速度，m3/h。

　　另一方面，漏速与孔隙度成正相关。孔隙度大（大于50%）、连通性好、渗透率很高，钻进时地层极易发生漏失。漏速还与钻井液粘滞性负相关，粘滞性越强，漏速越低。

　　不同岩性的岩石，一般可分为5种：粘土岩，砂、砾岩，碳酸盐岩，火成岩，变质岩。一般来说，泥、页岩发生井漏的可能性较小。

　　（1） 泥岩（粘土岩）。黄土是粘土岩中比较特殊的一种，其主要成分是粉砂和粘土；黄土层具有多孔性和多洞性、节理发育、结构疏松、渗透性等特点。黄土孔隙度高达40%~50%，有大量根管和垂直方向的孔洞；其垂直方向的渗透性与水平方向的渗透性差异很大，垂直方向的渗透系数比水平方向的渗透系数大4.5~37.5倍，垂直节理有时延伸到地面，构成漏失通道。此外，当流体进入黄土后，黄土的大孔隙结构降低了土粒间的粘结力压裂漏失，使结构变形，产生集中渗流，形成很多地下空洞和暗流隧道，进而演变成洞穴，构成了特殊漏失通道，使井漏更趋严重。

　　（2）砂、砾岩

　　砂、砾岩埋藏深度范围较大，浅部地层与中、深段的孔隙发育、分布有所差异。对于埋深较浅的地层，砂粒或砾石受成岩作用较小，多为未胶结和部分胶结（胶结程度较差）；在中、高渗地层中，孔隙是主要漏失通道。砂、砾岩孔隙按其成因可分为原生孔隙、次生孔隙和混合型孔隙等三类。较深井段的岩石经过较强的成岩作用，大多属于低孔、低渗的砂、砾岩层，一般不易发生井漏。裂缝尽管所占砂、砾岩孔隙度极低（如火烧山二叠系砂岩裂缝孔隙度仅为0.18%），但渗透性高，构成漏失通道，钻井过程引起严重漏失。

　　（3）碳酸盐岩

　　碳酸盐岩的孔隙比较复杂，表现在形状复杂、多期形成复杂、孔隙内充填和溶解的作用与成效复杂。碳酸盐岩是出现漏失较多的岩性，也是当前预防和封堵漏失最为复杂的地层。

　　由于碳酸盐岩的水溶性和脆性，在地下水和构造运动的作用下容易形成缝洞，并且两者的交互作用，促成新的缝洞。孔隙和缝洞都是良好的漏失通道，尤其是地下水丰富（或者曾经地下水丰富）的地层，水溶而成的缝洞一般都是连通性好的通道。仍然用U型管来模拟漏失，如图3所示，钻井液柱压力等于地层流体压力，没有发生漏失；图4表示钻井液柱压力大于地层流体压力，刚开始产生漏失的状态。显然，即使地层没有被压裂，只要地层的孔缝洞连通性好，钻井液就会在压差的驱动下向地层移动——发生漏失。

　　易漏地层

　　图3左右液柱平衡时的U型管（碳酸盐岩）

　　图4 左右液柱不平衡时的U型管（碳酸盐岩）

　　碳酸盐岩的孔、缝、洞成因是多样性的，难以预测，所以碳酸盐岩漏失的预测和分析都比较困难。

　　从上述不同岩性的漏失分析可以得出，压差漏失的漏失通道种类较多（孔隙、裂缝、孔洞），压裂漏失的漏失通道必然有人为压裂裂缝，同时可能还有自然通道。地层的漏失通常可分为渗透性、裂缝性、缝洞型、溶洞及地下暗河性、破裂性漏失。

　　渗透性漏失常发生在孔隙度和渗透率较高的粗砂岩、砾岩及含砂砾岩等层位，其漏失主要是压差作用下渗漏，漏失量较小、漏速较慢，一般在10m3/h以内。如果孔隙压力低于静水柱压力（如地层流体未充满地层孔隙或老油田采油造成的地层大面积亏空），此时漏失速度可能高于10m3/h，甚至达到严重漏失。

　　裂缝性漏失又可分为裂缝性压差漏失和裂缝性压裂漏失。在裂缝性地层中，裂缝的形态各异且分布和发育非常不均匀。其形态有直线的、曲线的、波浪的；其表面有光滑的，也有粗糙的；其缝长有几厘米的，也有几千米的。此时，只要存在正压差，工作液通过这些裂缝通道漏失到地层，即为裂缝性压差漏失论文网。对于裂缝性压差漏失，其漏失程度取决于井筒动压力与孔隙压力的差值、天然裂缝的发育程度及连通状况、裂缝宽度、长度、漏失通道内流体的流变性等[7]。当井壁上的工作液液柱动压力超过地层裂缝垂向地应力时，井壁上的裂缝系统就会张开，造成裂缝性压裂漏失。此时，由于受裂缝的大小不一和连通情况的影响，在裂缝闭合时，地层渗漏能力很小；在裂缝张开时，地层的渗漏能力会发生骤然变化。一旦发生裂缝性压裂漏失，钻井过程多半发生严重井漏事故，这也是裂缝性压裂漏失的特点[8]。

　　3 压差漏失的漏失量和漏失速度

　　借鉴油田开发注水的计算，经过分析研究，提出了压差漏失的漏失量和漏失速度的计算公式。

　　（1）在油田开发注水时，若是稳定流，由达西定律可得：

　　（3）

　　由式（3）进行推导，即可得到

　　（4）

　　若是非稳定流，由拟稳态流动的基本微分方程以及外边界条件联合可得：

　　（5）

　　其中，q为注水量，m3/d；K为渗透率，mD；h为地层厚度，m；pe为注水影响区域的边界压力，MPa；为静止压力或平均地层压力，MPa；pw为井底压力，MPa；为流体粘度，mPa.s；B为水体积系数；re为供给半径，m；rw为井半径，m；S为表皮系数（效应）。

　　借用注水的概念，如果考虑是压差漏失，限定在达西定律的范围里，漏失量（注水量的单位“m3/d”换成漏失量的单位“m3/h”）可以表示为：

　　稳定流：

　　（6）

　　非稳定流：

　　（7）

　　（2）在油田开发领域有注水指数的计算，对于压差漏失的计算也可以借鉴。注水指数的定义是：单位压差下的注水量。用J表示：

　　（8）

　　其中，K为渗透率，mD；h为地层厚度，m；为流体粘度，mPa.s；B为水体积系数；re为供给半径，m；rw为井半径，m；S为表皮系数（效应）。

　　式（8）换个概念就是单位压差下的漏失速度，

　　（9）

　　4 现场实例分析

　　（1）新疆百泉1井于2009年8月23日开始三开，三开井眼Φ215.9mm,自井深3070m开始，使用密度1.11～1.13g/cm3的钻井液钻进，井下漏失不断。至2009年9月12日，进尺374m，漏失泥浆676m3。地质报告的岩性以砂砾岩、小砾岩为主，夹薄层泥岩、粉砂质泥岩。孔隙度变化范围为2.7%～5.8%，渗透率变化范围为18.4～171mD，为低孔、低渗储集层，如图5和图6。从实钻情况分析，其地层孔隙压力系数在1.10左右。

　　图5新疆百泉1井漏失段成像测井图

　　图6 新疆百泉1井3769.63m～3770.88m岩心图

　　项目经理部决定，采用充氮气欠平衡钻井方式钻进，以求降低钻井液密度，缓解或消除井漏。将充气液当量循环密度调整为1.00g/cm3，气液比为18.5：1，故漏失中。自井深3656m开始充氮气泥浆欠平衡钻井，钻进至3769m，未发生漏失。当停止注气，气体完全循环出井口后，泥浆发生漏失，漏速为34.6m3/h。在下部井段3656～4053m、4103～4241m、4388～4438m、4684～4855m，共计进尺756m。充氮气泥浆欠平衡钻井施工井段中，均未发生泥浆漏失事故。证明充氮气泥浆欠平衡钻井技术于常规泥浆钻井技术相比压裂漏失，能有效防止井漏。

　　图7 新疆百泉1井氮气钻井环空当量泥浆密度

　　三开井段中漏失压力相当泥浆密度1.0~1.1 g/cm3。在井深4610m出现一个新漏层，漏失压力低于1.0 g/cm3。在二开和三开钻井中，累计漏失泥浆1550 m3 。相邻井的漏失情况是：百56井钻至2502m后一直井漏，密度1.05~1.11 g/cm3。百乌8井漏失井段2810～2971m，累计漏失362 m3。

　　漏失原因分析：从百泉1井的取芯情况和成像测井分析，漏失原因主要是地层的缝洞发育且裂缝宽度较大。从区域地质和邻井漏失情况分析，漏失层位是邻近大断层、小断层较多和裂缝特别多的区域。氮气泥浆欠平衡钻井能够减缓漏失的主要原因是降低了井内液柱的压力，使井内液柱与漏失压力的差距减小。而很小的密度增加（0.02～0.03 g/cm3）就能引发漏失，说明漏失通道的摩阻不大，也就是缝洞的通畅性好。综合分析，地层的漏失通道是自然形成的，并且漏失压力接近地层孔隙压力，孔隙压力属于正常偏低的水柱压力；从岩芯的图片可以判断，如果没有天然的裂缝，这种岩芯的破裂压力相当密度应该在1.8～2.0 g/cm3；即使存在天然裂缝，以正常静水柱的压力是不可能张开裂缝或是延伸裂缝。所以，如果把该井的漏失原因归于压裂漏失或破裂漏失，显然是不正确的，而应该认为是压差漏失。

　　（2）冀东油田陆地主要包括老爷庙、高尚堡、柳赞和北堡地区，是冀东油田主要勘探开发区块。钻井施工中发生的井漏严重延缓了其勘探开发进程。仅老爷庙地区，在2001年、2004年和2005年三年中就有16口井发生井漏，漏失泥浆2275 m3，多口井因井漏造成井壁垮塌、埋死钻具、填眼侧钻的情况。分析发生井漏的整体情况后发现：井漏主要发生在平原组地层、明化镇地层、馆陶组地层、东营组地层和柳赞沙河街地层。平原组、明化镇地层成岩性差、胶结疏松、渗透性好，造成平原组、明化镇地层井漏的原因之一是施工井周围过度开采地表水，形成水层压力亏空；馆陶组地层井漏的原因是多年的采油造成了地层亏空；东营组地层井漏的原因是多年的注采不均衡破坏了原始地层压力系统；柳赞沙河街地层井漏的原因是地层中天然存在的裂缝和地层亏空两方面作用的结果。以上分析可以看出，冀东油田的井漏主要是压力亏空引起的渗透性漏失。

　　（3）伊朗TABNAK气田位于伊朗南部波斯湾近海岸，海拔1120～1250m，是一个开放性背斜，长80km，宽15km，海拔1128m。从山体表面到目的层，地层岩性以灰岩和白云岩为主，页岩次之，石膏夹层较多。碳酸盐岩地层孔洞性裂缝发育、连通性好；海平面以上是干层，无孔隙压力。1998年NIDC曾在TABNAK打过一口3345m的探井，历时402天，钻井过程中漏失和垮塌问题严重；该井段曾因漏失和垮塌埋钻具而两次侧钻，最后只好用水泥浆段塞堵漏和低密度油基钻井液钻完该井段。TBK－2井在二开660mm井眼，用微泡沫钻井液钻到井深447m，发生3次井漏；因漏层太多，LCM段塞堵漏效果不佳。伊朗TABNAK气田由于碳酸盐岩地层孔洞性裂缝发育、连通性好，当泥浆和地层之间存在正压差时，海平面以上地层漏失严重。

　　5 结论及建议

　　（1）将地层漏失类型分为压差漏失和压裂漏失两种，并给出了压差漏失的概念，为深入分析漏失压力奠定了基础，有助于深入进行地层漏失机理的研究，对于预防井漏事故的发生以及防漏堵漏方案的制定是十分必要的。

　　（2）在渗透性良好的裂缝性或缝洞性等易漏地层中，漏失类型主要是压差漏失，压裂漏失很少发生，所以在安全钻井密度窗口分析时，应该把压差漏失作为主要的预防对象，使用坍塌压力梯度、孔隙压力梯度和漏失压力梯度等三条曲线进行分析。

　　（3）借鉴油田注水开发的模型，提出了压差漏失的漏失量和漏失速度计算公式。

　　参考文献

　　[1].蒋希文。钻井事故与复杂问题[M].北京：石油工业出版社，2002.

　　[2].刘汝山。钻井井下复杂问题预防与处理[M].北京：中国石化出版社，2005.

　　[3].金衍，陈勉，刘晓明，等。塔中奥陶系碳酸盐岩地层漏失压力统计分析[J].石油钻采工艺，2007，29（5）：82-84.

　　[4].Hubbert M.K,Willis D.G. Mechanics ofhydraulic fracturing[J]. AIME Trans, 1957,210:239-257.

　　[5].Haimson B,Fairhurst C. Initiation andExtension of Hydraulic Fracturings in Rocks[J].SPEJ, 1967,7（3）：310-318.

　　[6].Lade P V, Boer R De. The Concept ofEffective Stress for Soil, concrete and rock[J]. Geotechnique,1997,47（1）：61-78.

　　[7].王业众，康毅力，游利军，等。裂缝性储层漏失机理及控制技术进展[J].钻井液与完井液，2007，24（4）：74-77.

　　[8].李传亮，孔祥言。油井压裂过程中岩石破裂压力计算公式的理论研究[J].石油钻采工艺，2000，22（2）：54-56.