李文哲，于兴川，赖 燕，刘厚彬，文 雯，张 震，吴申尭

(1.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；3.西南石油大学，四川 成都 610500；4.中国石油长庆油田分公司，陕西 榆林 719000；5.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川长宁区块钻井过程中钻井液漏失频发是阻碍页岩气效益化开发的重要原因之一[1-5]。合理确定漏失压力，探明漏失力学机理及漏失性质是提高钻井液防漏失效率及成功率的关键[6-12]。对于钻井液漏失机理及漏失压力的研究，王仁广等[13-15]从漏失压力模型的角度进行了研究，建立了压裂性漏失、裂缝扩展性漏失、大型裂缝溶洞性漏失的漏失压力模型。谭建忠等[16-17]从钻井液漏失发生的必要条件角度进行研究，明确了钻井液漏失发生的诱因及过程，并提出了防漏措施。王贵等[6，18-20]对钻井液漏失机理进行了研究，基于岩石断裂力学、漏失力学等理论明确了钻井液漏失机理，并提出了具体的堵漏思路。为提高长宁区块页岩气开发效益，基于单井测井数据与三维地震解释数据，建立了长宁区块页岩气地层裂缝、地应力及地层压力展布模型，研究钻井液漏失与三者之间的响应关系，探究长宁区块页岩地层钻井液漏失机理以及主要影响因素。研究成果将对长宁区块钻井过程中的防漏堵漏提供技术支持。

1 长宁区块钻井液漏失分布规律

长宁区块位于四川盆地南部，整体构造呈中间低四周高的趋势。长宁背斜构造位于四川盆地的川南褶皱带与娄山断褶带的交界部位，因此，形成了具多组构造形迹的复杂组合。工区北邻莲花寺老翁场构造，南接柏杨林-大寨背斜构造，西为贾村溪构造，东隔凤凰山向斜与高木顶构造相望。长宁背斜核部出露寒武系、志留系地层，两翼为二叠系、三叠系地层。选取长宁区块内不同井区具有代表性的共20口井，分别从平面和纵向2个角度对该区块的钻井液漏失分布规律进行分析。

(1)钻井液漏失平面分布规律分析。统计分析了长宁区块3个井区钻井液漏失情况(表1)。

表1 长宁区块钻井液漏失情况平面分布统计

由表1可知：长宁区块钻井液漏失平面分布与地质构造有密切联系，构造高部位钻井液漏失井次高于构造中心低部位，位于构造高部位的宁216井区钻井液漏失比例为69%，位于构造低部位的宁201井区和宁209井区钻井液漏失比例明显低于宁216井区，分别为11%和20%。总体上来看，长宁区块钻井液漏失呈现中间低、四周高的平面分布规律。

(2)钻井液漏失纵向分布规律分析。对3个井区的钻井液漏失情况按照地层进行分类统计(表2)。

表2 长宁区块钻井液漏失情况纵向分布统计

由表2可知：钻井液漏失情况在纵向上主要发生在茅口组和龙马溪组地层；钻井液在纵向上的漏失情况，宁216井区也比宁201井区和宁209井区严重。

2 钻井液漏失机理

深层脆性页岩常见的钻井液漏失机理有以下几种类型[21-25]。

(1) 压裂性漏失。当井筒内压力超过地层的破裂压力时，在地层内产生裂缝性漏失通道[26]。因此，对于压裂性漏失，漏失压力与地层破裂压力相同，该类漏失的漏失压力预测模型为：

pf1=3σh-σH+St-αpp

(1)

式中：pf1为破裂压力，MPa；σH为最大水平主地应力，MPa；σh为最小水平主地应力，MPa；St为岩石抗拉强度，MPa；α为有效应力系数；pp为地层压力，MPa。

(2) 闭合裂缝扩展性漏失。井筒的有效液柱压力大于裂缝闭合压力及裂缝末端抗张强度时，导致裂缝张开、扩展延伸产生钻井液漏失[27]。该类漏失的漏失压力预测模型为：

(2)

式中：p1为漏失压力MPa；ω0为无井筒正压差时的裂缝宽度，mm；A、a为待定系数；ωc为裂缝动态宽度，mm。

(3) 压差性漏失。微裂缝和孔洞可作为天然气的渗流通道，同时也可作为钻井液侵入的通道[28-29]。正压差下钻井液进入孔隙、天然裂缝与溶洞通道产生钻井液漏失。该类漏失的漏失压力预测模型为：

p1=pp+Δp

(3)

式中：Δp为钻井液在裂缝内部流动的压力损耗，MPa。

从以上3种钻井液漏失模型可以看出，钻井液漏失情况主要受地应力、地层压力以及裂缝的影响，地应力对压裂性漏失与闭合裂缝扩展性漏失具有重要影响，地层裂缝为闭合裂缝扩展性漏失与压差性漏失提供了漏失通道与先天条件，而地层压力则是压差性漏失的主要判断依据。

3 长宁区块钻井液漏失主要影响因素分析

3.1 长宁区块裂缝三维展布规律研究

裂缝是导致钻井液漏失的一个重要原因[30]，因此，预测长宁区块裂缝的三维展布规律，对探究钻井液漏失具有重要意义。利用长宁区块已有地震数据体，采用蚂蚁追踪技术对目标区域进行裂缝的追踪预测。裂缝预测结果如图1(一个色块代表一个裂缝)所示。

图1 长宁区块裂缝预测结果

由图1可知：长宁区块裂缝较为发育，区块四周裂缝发育程度较区块中心要高；宁216井区裂缝密度明显高于宁201井区和宁209井区，这可能是导致宁216井区钻井液漏失相对严重的重要因素之一。

3.2 地应力及地层压力预测

地应力、地层压力与钻井液漏失的关系同样密切，从页岩地层常见的钻井液漏失机理可以看出：地应力的大小可以决定地层破裂压力，从而确定井壁是否被压裂、闭合缝是否张开；天然裂缝是否发生钻井液漏失则与地层压力有关。

利用地震解释数据建立三维地质模型，利用单井地应力、地层压力数据，基于地质统计学原理，通过井间插值法建立地应力与地层压力模型。

3.2.1 地应力预测

长宁区块最小水平主地应力预测结果见图2。由图2可知：长宁区块地应力的大小与地质构造、地层埋深密切相关；构造向斜低部位地层埋藏深，地应力大，向南、北方向地应力有减小趋势，位于构造向斜部位的宁201、宁209井区的地应力要高于位于背斜部位的宁216井区。

图2 长宁区块最小水平主应力预测结果

3.2.2 地层压力预测

长宁区块地层压力预测结果见图3(ρp为当量钻井液密度)。由图3可知：地层压力的预测结果在展布规律上与地应力大致相同，构造中心向斜部位地层压力要高于构造背斜部位，即宁201、宁209井区的地层压力要高于宁216井区。

图3 长宁区块地层压力模型预测结果

利用实测的龙马溪组地层压力数据验证地层压力预测的可靠性(表3)。由表3可知：地层压力预测值的平均准确率为91.7%，具有较高的可信度。

表3 长宁区块实测地层压力与预测结果对比

4 钻井液漏失与主控因素响应关系

统计了20口井的钻井液漏失情况，将其与裂缝、地应力场及地层压力场的预测结果叠合，以此分别探究裂缝、地应力和地层压力与钻井液漏失的响应关系(图4～6，图中红色柱子代表钻井液漏失次数)。

4.1 裂缝发育与钻井液漏失响应关系

钻井液漏失情况与裂缝预测结果叠合图见图4。由图4可知：钻井液漏失情况与预测的裂缝展布情况有着较好的响应关系；宁216井区裂缝密度高于宁201井区和宁209井区，裂缝分布错综复杂，宁216井区的钻井液漏失发生次数也相应高于宁201井区和宁209井区。由此可见，裂缝发育程度是导致长宁区块钻井液漏失平面分布不均的重要原因之一。

图4 长宁区块裂缝分布与钻井液漏失叠合图

4.2 地应力与钻井液漏失响应关系

钻井液漏失情况与地应力预测结果叠合图见图5。由图5可知：地应力预测结果与钻井液漏失情况响应关系较好，地应力高的部位钻井液漏失次数要少于地应力低的部位。构造高部位地层埋藏浅，地应力较低，裂缝开启、延伸和井壁破裂压力的阈值均较低，导致钻井液漏失频发；构造低部位地层埋藏深，地应力较大，裂缝开启、延伸和井壁破裂压力的阈值均较高，钻井液漏失不易发生。由此可见，长宁区块地应力的分布规律与钻井液漏失同样关系密切，响应度高。

4.3 地层压力与钻井液漏失响应关系

钻井液漏失情况与地层压力预测结果叠合图见图6。由图6可知：地层压力预测结果与钻井液漏失情况响应关系较好，钻井液漏失频发的宁216井区地层压力较低，钻井液漏失次数较少的宁209井区地层压力较高。可见长宁区块地层压力的分布规律同样是影响钻井液漏失的因素之一。

综合以上响应关系验证结果可知，裂缝发育情况和地应力、地层压力分布是长宁区块钻井液漏失的重要影响因素。钻井液失情况严重的位置通常裂缝发育、地应力和地层压力小；反之，裂缝发育程度低、地应力和地层压力大的位置钻井液漏失次数通常相对较少。

图5 长宁区块地应力场与钻井液漏失叠合图

图6 长宁区块地层压力场与钻井液漏失叠合图

5 钻井液漏失防控措施

基于上文研究结果，结合长宁区块裂缝发育情况、地应力与地层压力分布规律，提出以下钻井液漏失防控措施。

(1) 构造高部位裂缝发育，钻井液漏失风险高，结合裂缝发育情况，科学合理部署井位，优化设计井身结构，强化钻井液漏失风险评估，可做到有效预防。

(2) 地应力影响闭合裂缝扩展性漏失的临界压力，结合长宁区块地应力分布特征，明确闭合裂缝的开启临界压力与裂缝延伸临界压力，为确定龙马溪组页岩储层钻井液密度窗口上限值提供科学依据，有效控制钻井液密度低于最小水平地应力，降低闭合裂缝扩展性漏失发生概率。

(3) 对于溶洞及张开型裂缝，主要发生压差性钻井液漏失，压差性钻井液漏失与地层压力密切相关，准确预测长宁区块龙马溪组地层压力分布特征，可为不同构造位置、不同井区龙马溪组页岩地层钻井液密度窗口下限值的确定提供依据，采用精细控压钻井与近平衡钻井技术，可有效降低压差性钻井液漏失发生概率。

6 结 论

(1) 长宁区块深层页岩钻井液漏失情况突出，在平面上及纵向上分布范围较广，涵盖多个井区及地层，长宁区块钻井液漏失频发与裂缝、地应力以及地层压力均具有较高响应关系。

(2) 张开型裂缝的压差性漏失与裂缝发育、地层压力相关。长宁区块构造低部位，地层埋藏深、裂缝发育程度低，地层压力高，且漏失临界压力高，因此，构造低部位压差性漏失情况不突出；区块构造高部位，地层埋藏浅，裂缝发育程度高，地层压力低，且漏失临界压力低，因此，构造高部位压差性漏失情况严重。

(3) 闭合裂缝扩展性漏失与地应力相关。长宁区块构造低部位地层埋藏深，地应力高，闭合裂缝张开与延伸难度大，闭合裂缝扩展性漏失发生困难，钻井液漏失情况不突出；构造高部位地层埋藏浅，地应力低，闭合裂缝张开与延伸相对容易，因此，构造高部位闭合裂缝扩展性漏失情况严重。