先兆漏失诊断——钻井液漏失控制的一个关键.pdf

第 2 8卷 第 2期 2 0 1 1 年 3月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLET1 0N FLUI D V o 1 ． 2 8 No ． 2 M a r ．2 0l l 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 2 0 0 8 0 0 4 先兆漏失诊断 钻井液漏失控制的一个关键 李松 ， 康毅力 ， 刘修善 。 ， 李家芬 1 ． 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学，成都 ； 2 ． 中石化石油工程技术研究院，北京 摘要 以往钻井液漏失机理及漏失控制技术研究被较多关注，而漏失监测及短临诊断方面的研究未予以足够 重视，缺乏针对钻井液漏失过程的阶段分析。提出了 “ 先兆漏失”新概念，以缝洞性碳酸盐岩为例，从潜在漏失 层地质特征、不同漏失类型的发生机理及漏失特征、现场录井技术方面，探讨了井漏发生征兆及漏失监测，勾画 了先兆漏 失诊 断研 究的基本框 架。分析表 明，漏失层裂缝参数 变化 、钻 井液 漏失动态分析、随钻漏失实 时监测技 术是实现先兆漏失诊断的关键。亟待研究漏失发生过程中的裂缝参数变化理论，运用微震技术监测井下岩石破裂 与裂缝扩展，发展智能化的随钻漏失数据实时监测系统，完善先进的先兆漏失诊断理论与技术框架。 关键词 缝洞性储层 ； 先兆漏失诊断 ； 漏失过程 ； 漏失机理 ； 微震监测 ； 录井 中图分 类号 T E 2 8 2 文献标识码 A 井漏是钻井过程 中普遍存在 的井下复杂情况之 一 ，并且易引起井喷、井塌、卡钻等其它井下复杂情 况，诱发导致井下恶性事故，故井漏是油气井工程灾 害之 【 】 司 。 目前研究多关注于钻井液堵漏材料和堵 漏工艺方面，对井漏发生的先兆、漏失机理及过程 认识不清，如何搜集并分析漏失先兆及对漏失过程 进行系统分析，尚无明确思路。因此以缝洞性碳酸盐 岩储层钻井液漏失为例，对先兆漏失诊断进行了初 步探讨与分析，以期达到抛砖引玉的效果。 先兆漏失诊断 的 内涵 井漏作为油气井工程灾害，是由深埋地下的潜在 漏失层和人为诱发工程 2部分组成，其形成是一个 逐渐演化 的过程。漏失过程随时问的推移可划分为 几个 阶段 潜伏期、诱发期 、发展期、恶化期或渐 消期。先兆漏失是指钻井过程中以明显的工程参数 变化及异常现象作为发生征兆的井漏，先兆漏失诊断 即事先搜集并分析井漏的潜在成因，获取井漏发生 前的某些响应迹象及其发展过程中的有关参数变化 ， 掌握并分阶段描述漏失发展过程 ，预测其发展趋势， 为漏失控制提供优化方案的一种综合研究方法。先 兆漏失研究任务包括 ①明确潜在漏失层地质特征， 预知井漏发生的因素 ； ② 分析并判断井漏的发生机 理及类型 ； ③充分利用微震、测井、录井等技术跟 踪监测井漏过程， 以达到综合诊断井漏的目的。因此， 先兆漏失诊断对于认识缝洞性碳酸盐岩储层漏失特 征、科学研究漏失控制技术具有定的指导意义。 2缝 洞性储层 潜在 漏失层地质特征 缝洞性储层 由不连续的溶洞和发育良好 的裂缝 网络组成 ，溶洞之问由裂缝连通，溶洞和裂缝 网络 充填或半充填，溶洞空间巨大、高孔高渗 ； 裂缝作为 沟通溶洞和改善渗流性质的通道，低孔高渗 [ 4 - 6 ] o如 塔河油田油藏储集体受多期次构造运动和岩溶作用 影响，储 集空间类型主要为溶蚀孔洞、大型洞穴和 溶蚀裂缝。裂缝既是有效的储集空间，又是主要的 液流通道，多为构造缝 、压溶缝及溶蚀缝等。 裂缝 是井漏发生时主要的漏失通道， 并且易受钻井工 程影响 ， 使裂缝宽度发生变化 ， 导致井漏难于控 制 ； 溶蚀孔洞是沿裂缝或微裂隙发生溶蚀作用形成 的孔洞 ； 大型洞穴指直径大于 1 0 0 mm的溶蚀孔、洞。 在钻井过程中钻遇孔洞、洞穴，或是缝洞相串通的 基金项 目 9 7 3计划课题 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 5 、国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 4 9 ． 0 0 3 ． 0 3 ，2 0 0 8 Z X0 5 0 0 5 - 0 0 6 ． 0 8 H Z o 第一作者简介 李松，硕士，1 9 8 3年生，主要研究方向为储层保护理论及技术。地址 四川省成都市新都区西南石油 大学油井完井技术 中心 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0； E ma i l l i s o n g 0 3 0 1 1 6 4 0 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 李松等 先兆漏失诊断钻井液漏失控制的一个关键 8 l 复杂系统时，往往表现为放空、钻井液大量漏失、钻 时加快等现象 ] 。大量钻井液涌入储层缝洞系统中， 引发严重的钻井液漏失。漏失程度取决于井筒动压 力与地层压 力的差值大小，缝洞系统的大小、充填 及连通状况。漏失速度一般较大，易造成严重 的储 层损害，且漏失控制难度极大。 3 钻井 液漏失机 理及特征 以往漏失分类大都基于漏速 、漏强和漏失通道 类 型等因素 1 2 0 0 9年李大奇和康毅力等提 出了基于 漏失发生机理的漏失分类 ，该分类方案既考虑了潜 在漏失层中漏失通道的形成原因及特征 ，又融入 了 钻井工程扰动因素。将井漏分为压裂性漏失 、裂缝 扩展性漏失和大型裂缝溶洞性漏失 。 3 ． 1压裂性漏 失 由于钻前获取 地质资料不全，地层压力预测不 准，选取的钻井液密度过大导致钻井液液柱的有效 压力大于地层的破裂压力而直接压裂地层，或施工 过程中开泵过猛、下钻速度过快等造成新的裂缝或 闭合的裂缝开启。井筒中钻井液作用于井壁地层的动 压力超过地层 中岩石的破裂压力，产生新裂缝。下 面几种情况易压裂地层形成新裂缝而可能串通地层 发育的缝洞系统发生漏失 l l ” ①钻遇多压力层系时， 使用高密度钻井液易将低压或易破碎层段压裂而发 生漏失 ； ②起下钻速度过快导致波动压力大而压裂 地层， 发生漏失； ③岩屑循环慢， 使环空岩屑浓度过大 ， 液柱压力增大而压裂地层； ④钻井液黏度、切力太高， 开泵过猛造成过高的激动压力压裂钻头附近的地层 ； ⑤钻头或扶正器泥包， 不能及时清除， 以致泵压升高， 压裂地层 ； ⑥下套管循环时，环空过小，钻井液不 能及时返出，憋漏地层。 3 ． 2 裂缝扩展性 漏失 原地应力条件下存在着的天然裂缝多为充填或 半充填缝 ，当钻遇此种裂缝网络或缝洞系统后 ，钻 井液在液柱有效压力和地层压力的压差作用下，进 入裂缝 ，同时也将钻井液压力传递到 了裂缝面，由 于压差 、温度及钻井液流动作用的影响 ，导致裂缝 张开或宽度变大 『 1 。缝洞性储层中孔洞 、 溶洞发育 ， 使得裂缝宽度更易发生变化 ，且变化范 围更大 ，造 成钻井液固相颗粒不能封堵裂缝而发生漏失。其漏 失程度主要取决于井 内液柱有效压力和地层压力 的 压差值 、漏失层厚度 、漏 失通道形态及几何尺寸 、 漏失通道 内流体的流变性、漏失层井壁内、外滤饼 质量和孔洞的发育等。 3 ． 3 大 型裂缝溶 洞性漏失 大型裂缝溶洞性漏失在碳酸盐岩储层 中较为常 见。洞穴 内胶结物疏松或几乎无胶结物 ，主要受成 岩过程 中古岩溶作用 、溶蚀作用 、破裂作用等影响， 是天然的漏失通道。 目前 ，准确预测洞穴位置、形 态及其大小的预测系统尚未成熟 ，因此 ，钻遇洞穴 具有突发性和随机性 ，此类型漏失是 “ 遇洞则漏” ， 漏失压差为 “ 零”或 “ 负” ，出现钻具 放空、钻压 急剧下降、井 口钻井液漏失及失返 、钻时急剧加快 、 漏速陡增 、明显扩径等现象 。 4 先兆 漏失诊 断研 究 先兆漏失诊断见图 1 。 先兆漏 失诊断研 究 测井／ 地震资料分析 l l微震监测技术 l l录井监测技术 井 参 数 变 化 匦 麴豳 图 1 先 兆漏失诊 断框 图 4 ． 1 潜在漏 失层预测 在钻进过程 中， 使用各种确定漏失层 的工具 和方法来提高预测精度 。 钻前预测可从 以下几方 面来考虑 ①在原始状态下，漏失层位置在平面上的 分布具有同一性 ，分析邻井钻井资料，横向对比漏失 层在本井 的深度，则此深度处发生井漏的可能性最 大 ； ②根据地层压力和破裂压力剖面资料对 比，最 低压九 是首先要考虑的地方，其在钻井过程中极易 被压裂而形成漏失层 ； ③根据地质剖面和岩性对比， 潜在漏失层大都是缝、 孔、 洞发育的地层， 利用测井、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 3月 地震资料对其进行预测。 目前使用广泛的测井技术 主要为 自然伽马测井 、 自然电位测井 、 微电极测井 、 井径测井 、成像测井 、井温测井 、I T测井等，其 中成像测井不仅可以确定漏失层位置 ，还可对宏观 地质特征进行直观地识别 ，能辨别储层的孔隙空问 类型和结构 ，对孔隙、溶洞 、裂缝 包括裂缝的类 型及有效性等 能有较理想的区分。 中国许多研究学者也致力于钻井液测漏仪器的 研究 ，将安装有各种传感器和测量装置的测漏仪放 至井下 ，根据漏失过程 中漏失层附近温度 、电阻以 及流量变化来探测漏失层位置，如 转子流量计测 量法和压力传感器测量法等 。 4 ． 2 钻进过程岩石破裂与裂缝扩展的微震监测 微震监测技术是在地震监测技术 的基础上发展 起来的 ， 其原理与地震监测 、 声发射监测技术相同， 是基于岩体受力破坏过程 中的声、能原理。岩石变 形 、破裂时，储存在岩石中的能量以地震波的形式 释放出来 ，由于岩石破裂规模有限 ，所释放的能量 很小 ，这种地震波是很微弱的。国内外已将微震监 测视为确定水力裂缝方位和形状 的一种重要的实用 方法 ，其可确定岩体破裂和裂缝扩展方向、裂缝扩 展长度和宽度等 。 Gr e a t L a k e s公司在阿帕拉契亚地区使用 了微震 裂缝成像技术 在三维空问上检测和绘出与水力压裂 相关 的应力和压力的改变所引起的微小震动。通过 地震检波器采集的微地震数据来描绘人工裂缝的几 何形态等性质。由于微震监测技术具有可以提供大 量的微震信息、能进行多参数分析、实时监测、高 精度定位特点，将其应用于钻井工程，监测地下岩石 破裂、 裂缝扩展情况， 掌握井漏发生机理及先兆信息， 因此微震监测技术应用于钻井工程中潜力巨大。 4 ． 3钻井液漏 失动 态监测 分析井漏就是要研究漏失通道开口尺寸的变 化情况 ，即漏失层 中裂缝 宽度的变化情况。在钻进 过程中，漏失数据是依靠安装在地面钻井设备上的 各种传感 器和高灵敏度的流量计来获得。1 9 9 2年 S h a f e r 等基于 “ 法拉第 电磁感应原理”设计 出了用 于探测钻 井液流速 的高分辨率流量计 ，其性能不 受钻井液黏度和密度影响，但其缺陷是不适用于导 电性能差的油基钻井液 ，并且安装复杂 [ 1 5 ] 0 1 9 9 5 年 Dy k e等认为现场电磁流量计记录的漏失曲线特征可 以区分漏失类型 孔隙性漏失、天然裂缝性漏失、诱 导裂缝性漏失和大型溶洞性漏失 】 。1 9 9 6年 O l i v e r L i e t a r d 、1 9 9 7 年 S a n fi l l ip p o 等研究了天然裂缝性储 层中裂缝开度 的随钻测量，运用现场实时钻井液漏 失记录，通过各自建立的漏失模型反演出漏失时的裂 缝开度变化，为优选钻井液和堵漏材料提供了依据， 对于解决钻井中遇到的实际漏失问题值得借鉴 [ 2 3 - 2 4 ] 。 随着先进监测仪器的陆续开发并应用于钻井工 程中，法国地质服务公司于 1 9 9 0年研发了 A L S K 井涌井漏快速探测系统 ，该系统通过精确地检测钻 井液进出口流量值 ，确定流量变化量，计算井涌或 井漏体积，进行超门限值报警 [1 7 ]0 2 0 0 1 年 B e d a 等 研究了由高精度电磁流量计所记录的钻井液漏失情 况 ，通过计量钻井液进 出口流速差 ，采集到基于时 间域上的钻井液漏失变化记 录，能够更好 的鉴别漏 失层位、漏失性质 ，并结合常规和成像测井资料能 够 区分开启和闭合的裂缝 ，分析诊断钻井液漏失情 况 [ 1 8 -2 2 ] o 2 0 0 4年 L a v r o v等通过数值模拟对与井筒 连通的单条裂缝工作液漏失问题进行 了研究，同时 指 出要从实时钻井数据 中识别出井漏现象 ，必须搞 清漏失机理 。漏失发生类型不同，录井监测到的泥 浆池液面和钻井液进出口流量数据变化具有明显差 别。通过开展观察地面泥浆池液面和井 口钻井液进 出 口流量变化 的研究 ，进而反演出漏失特征及裂缝 特性。除井漏影响外 ，钻速 、钻压 、转盘扭矩 、钻 井液密度 、立管压力和泵冲程等参数的变化也可能 导致钻井液进 出口流量差变化 ，故有必要监测并定 性分析各钻井参数对流量差的影响，界定钻进过程 中的钻井液正常损耗，准确地识别 出 “ 井漏” ，重 视裂缝宽度在漏失过程 中的变化。 4 ． 4 录井技术实时监测诊断 现代工程 录井是依靠地面随钻录井装备 包括 综合录井仪、工程录井仪、地质录井仪 来完成， 与地质录井相比，其作用更为实时和直观。任何井 漏的发生都有一些与之响应的先兆和过程 ，利用现 代工程 录井技术 实时监测采集这些先兆数据和现 象 ，大体归纳为 ①井漏最直观的表现为泥浆池液 面下降 ； ②钻井液出口流量小于进口流量，严重时， 有进无出 ； ③井口立管压力下降 ； ④泥浆泵泵压呈 现下降的趋势 ； ⑤瞬态钻速跳变 ，甚至有放空现象 ； ⑥井架悬重异常增大 ； ⑦录井钻时明显相对减小 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 李松等先兆漏失诊断钻井液漏失控制的一个关键 8 3 ⑧钻井液温度降低 ； ⑨钻井液密度增大 。 利用现场岩屑录井资料，通过观察分析返 出岩 屑， 可间接 了解漏失层 的漏失通道大致尺寸等数据 根据岩屑中自形晶的含量和粒度组成来评价漏失通 道开度 ； 在显微镜 下挑 出所有裂缝和溶洞充填物 ， 用面积法估计裂 隙溶洞 中岩屑 占全部岩屑的比例 ， 得出裂缝和溶洞发育系数和张开系数 口 ，从而科学 地指导漏失控制技术 。 由于无法 直接观察 井下实况 ，只有通过 仪器 设备的测量和所收集统计的资料分析并实时监测井 漏 。现场使用综合录井仪通过对钻井工程参数 、钻 井液参数 、气体参数 、地层压力检测参数及钻具振 动参数实时监测 ，及时发现井漏导致的相关参数变 化 ，抓住漏前预兆 ，又快又准地判断井漏 的发生及 发展情况 [ 2 3 - 2 6 ] ，防止事故复杂化 。 5 结 论 1 ． 井 漏控制必 须 以预 防为 主，防患 于未然。 先兆漏失诊断集钻前漏失预测 、过程监测及诊断 ， 是一项复杂的系统工程。要充分利用地质 、测井 、 钻井 、录井等多学科知识交叉融合 ，建立有效地先 兆漏失诊断技术系列。 2 ． 准确预测地层压力 、缝洞发育情况及漏失层 位置是先兆漏失诊断的先决条件 ； 监测地层岩石破 裂 、裂缝变化及漏失动态行为是先兆漏失诊断的核 心 ； 井场微震分析 、随钻获取井下实时数据资源的 综合录井是先兆漏失诊断的基本手段 ； 随钻 即时诊 断与评价技术是先兆漏失诊断的基本保证。 3 ． 亟待加强缝洞性储层钻井液漏失过程描述研 究，完善井下岩石破裂与裂缝扩展监测手段，建立智 能化的随钻先兆漏失诊断技术及其配套的决策系统。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐 同台 ， 刘玉杰 ， 申威 ， 等 ． 钻井 工程 防漏堵漏技术 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 7 ． 【 2 ] 杨 贤友 ． 保护油气层钻井完 井液现状与发展趋势 【 J J ． 钻 井液与完井液 ，2 0 0 0 ，1 7 1 2 5 3 0 ． [ 3 】 康毅力 ，罗平亚 ． 储层保护系统工程 实践与认识 f J 1 ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 1 1 - 7 ． 【 4 ] 张希明 ． 新疆塔河油田下奥陶统碳酸盐岩缝洞型油气藏 特征 [ J ] ． 石油勘探与开发 ，2 0 0 1 ，2 8 5 1 7 - 2 6 ． [ 5 ] 林忠民 ． 塔河油 田奥 陶系碳酸盐岩储层特征及成藏条件 f J ] ． 石 油学 报 ，2 0 0 2 ，2 3 3 2 3 2 6 ． [ 6 ] 阎相宾 ． 塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层特征 [ J ] ． 石油与 天然气地质 ，2 0 0 2 ，2 3 3 2 6 2 2 6 5 ． [ 7 】 修乃岭，熊伟，高树生，等 ． 缝洞型碳酸盐岩油藏流动 机理初探 [ J ] ． 钻采工艺 ，2 0 0 8 ，3 1 1 6 3 6 5 ． [ 8 ] 王金琪 ． 塔里木 盆地奥 陶系岩溶储集层 的油气前景 [ J ] _ 石油与天然气地质 ，1 9 9 9 ，2 0 4 3 0 5 3 l 0 ． [ 9 ] 韩革华 ． 塔河油 田奥陶系碳酸盐岩缝洞 型储层预测技术 『 J 1 ． 石油 与天然气地质 ，2 0 0 6 ，2 7 6 8 6 0 ． 8 7 0 ． [ 1 O ]焦方正，翟晓先 ． 海相碳酸盐岩非常规大油气田一塔河油 田勘探研究与实践 [ M] ． 北京 石油工业出版社，2 0 0 8 ． [ 1 1 ]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 ，2 0 0 7 ，2 4 4 7 4 77 ． [ 1 2 】刘永良． 裂缝性碳酸盐岩储层漏失损害机理及计算机模 拟 [ D ] ． 西南石油大学 ，2 0 0 8 9 2 9 4 ． [ 1 3 ]康毅力，闫丰明，游利军，等 ． 塔河油田缝洞型储层漏 失特征及控制技术实践 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 1 41 4 3 ． [ 1 4 ]隋秀香，李相方，朱磊，等 ． 一种钻井液漏失位置测量 新方法 【 J 1 ． 石油钻采 工艺 ，2 0 0 7 ，2 9 3 1 1 4 ． 1 1 6 ． [ 1 5 ]刘继 民，刘建 中，刘志鹏 ，等 ． 用微地震法监测压 裂裂 缝转 向过程 [ J ] ． 石油勘探与开发 ，2 0 0 5 ，3 2 2 7 5 7 7 ． [ 1 6 ] S h a f e r D M． A n E v a l u a t i o n o f F l o w me t e r s f o r t h e D e t e c ti o n o f Ki c k a n d L o s t C i r c u l a t i o n D u r i n g D ri l l i n g[ C ] ． S P E 2 3 9 3 5 ． [ 1 7 ]D y k e C G． Ad v a n c e s i n C h a r a c t e r i z i n g Na t u r a l F r a c t u r e P e r me a b i l i t y f r o m Mu d L o g D a t a[ C ] ． S P E 2 5 0 2 2 ． [ 1 8 ]Ol i v e r L ． F r a c t u r e wi d t h L WD a n d d r i l l i n g mu d ／ L C M s e l e c t i o n g u i d e l i n e s [ C ] ．S P E 3 6 8 3 2 ． [ 1 9 ]S a n fi l l i p p o F ， B r i g n o l i M． C h a r a c t e r i z a t i o n o f c o n d u c t i v e f r a c t u r e s wh i l e d r i l l i n g[ C 】 ． S P E 3 8 1 7 7 ． [ 2 0 ]贾爱 贵 ． A L S K井 涌井 漏快速 探测 系统 [ J ] ． 录井技 术 ， 1 9 9 8 ，9 21 ． 1 1 ． [ 2 1 ]B e d a G，C a r u g o C ． Us e o f Mu d Mi c r o l o s s An a l y s i s Wh i l e Dr i l l i n g t o I mpr o ve t he Fo rm a t i o n Eva l ua t i o n i n Fr a c tur e d R e s e r v o i r s [ C ] ． S P E 7 1 7 3 7 ． [ 2 2 J Al e x a n d r e L， J o h a n T ． Mo d e l i n g mu d l o s s i n f r a c t u r e d f o r ma t i o n s 【 c ] ． S P E 8 8 7 0 0 ． [ 2 3 ]朱根 庆 ． 录井技 术在钻井 工程 中的应用 I J ] ． 录井技术 ， 1 9 9 8 ，9 2 4 8 5 2 ． [ 2 4 ]朱文鉴 ，郭学增 ． 石油钻井井涌井漏实时预测专家系统 研 究 【 J J ． 现代 地质 ，1 9 9 7 ，1 1 1 8 6 ． 9 0 ． [ 2 5 ]姚声 贤 ， 任兴 国 ． 安东 1 井井漏 的启示 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 4，2 4 1 5 0 5 2 ． [ 2 6 】余明发 ，宋玉明，柳金钟，等 ． 录井现场工程异常预报 研究 ． 录井技术 ，2 0 0 0 ，1 1 1 1 7 2 7 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 8 1 9 ；HG F - 1 1 0 2 A6 ；编辑 张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m