對蘇里格水平井水平段防漏防塌措施的探討

吳滿祥，牟楊瓊杰，高潔

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710021；3.川慶鉆探工程有限公司鉆井總公司，西安710021）

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對蘇里格水平井水平段防漏防塌措施的探討

吳滿祥1，2，牟楊瓊杰3，高潔1，2

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710021；3.川慶鉆探工程有限公司鉆井總公司，西安710021）

吳滿祥等.對蘇里格水平井水平段防漏防塌措施的探討[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：46-50.

摘要以往蘇里格氣田水平井水平段鉆遇泥巖，通過提高鉆井液密度實現(xiàn)力學平衡保持井壁穩(wěn)定、防止坍塌。目前蘇里格水平井進入整體開發(fā)階段，地層壓力因采氣降低，高密度鉆進時易造成井漏，堵漏作業(yè)難度較大并且易引起托壓或黏附卡鉆。針對提高密度易引起井漏的原因和特點，提出了以提高封堵性、保持一定抑制性和活度、合理降低鉆井液ECD、采用合理的流變性和工程措施配合的方式預防井漏。分析了水平段常見泥巖類型和鉆井液性能要求，對發(fā)生井漏后的措施進行了探討。提出了做好低密度鉆井液的防塌工作是防漏，在水平段為砂巖或泥巖較穩(wěn)定下，可以降低密度與排量配合恢復正常；水平段漏失為壓差性漏失，采用擠堵方式容易造成裂縫，與鄰井串通而加重漏失；區(qū)別對待泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰色泥巖和炭質(zhì)泥巖，采取不同的鉆井液性能的觀點。

關鍵詞氣井水平井；井漏；泥巖

近年來隨著蘇里格水平井整裝開發(fā)，地層壓力因采氣而降低。以往水平段鉆遇泥巖時，通過提高鉆井液密度實現(xiàn)力學平衡保持井壁穩(wěn)定、防止坍塌的手段容易造成漏失。因此從井漏原因和特點入手剖析，在現(xiàn)場實踐中總結(jié)出了一套蘇里格水平井水平段防漏防塌的措施[1-2]。

1　目前水平段井漏與井塌復雜間的矛盾

1）需要提高密度來預防泥巖坍塌。蘇里格氣田水平井普遍存在鉆遇泥巖井壁不穩(wěn)定易坍塌的問題，造成井下復雜、施工難度增加、劃眼困難甚至無法鉆進水平段從而提前完鉆。該問題已成為該地區(qū)氣井水平井的首要技術難題，以往主要采用力學平衡手段，通過提高鉆井液密度來穩(wěn)定泥巖。但由于加入大量重晶石和石灰石，造成固相含量高、井下摩阻大、滑動托壓、甚至發(fā)生壓差卡鉆事故[3]。

2）開發(fā)區(qū)塊提高鉆井液密度易造成壓差漏失。目前蘇里格氣田水平井進入大規(guī)模開發(fā)階段，新布置的水平井基本都分布在老井區(qū)，由于鄰井采氣造成儲層壓力釋放，地層壓力降低。表1為蘇東區(qū)塊2011、2012年完鉆井情況對比。

表1　蘇東區(qū)塊2011年與2012年部分井鉆井液密度對比

由表1可以看出，同區(qū)塊鄰井，2011年完鉆井鉆井液密度上限達到1.35 g/cm3或更高，而2012年鉆井液密度提高到1.25 g/cm3就發(fā)生嚴重漏失，2012年蘇東區(qū)塊鉆遇泥巖鉆井液密度普遍降低到1.20 g/cm3左右。為保證井下安全，鉆遇泥巖時單純提高鉆井液密度會使井漏的風險增大。

3）水平段堵漏難度大，堵漏后容易發(fā)生托壓或壓差卡鉆。在高黏度、高切力鉆井液中加入大量的顆粒堵劑（如鋸末、單向壓力封閉劑等），大顆粒固相材料會黏附在井壁上，不僅增加泥餅的摩阻，而且影響了井眼的清潔。漏失井段滲透性較強，在壓差的作用下沉積作用明顯，容易形成厚泥餅，造成壓差卡鉆，繼而引起黏吸卡鉆。如蘇48-17-65H2井鉆至井深4 688 m鉆遇泥巖（水平段為853 m），鉆穿泥巖30 m后提高鉆井液密度至1.28 g/cm3時發(fā)生漏失，漏速為20 m3/h，通過各種粗、中、細堵漏材料成功堵漏，起鉆時發(fā)生壓差卡鉆，后期處理事故長達40 d，造成嚴重損失。

2　井漏特點

1）井漏多為壓差性滲透或誘導裂縫性漏失。下鉆速度過快，開泵過猛，為預防泥巖坍塌盲目在砂巖井段大幅度提高密度，都會導致地層憋壓產(chǎn)生裂縫，從而發(fā)生漏失。漏失多發(fā)生在砂巖和泥巖膠結(jié)處，或砂巖段中出現(xiàn)的泥巖小夾層中。

2）漏失速度大多為2～5 m3/h，且存在“反吐”現(xiàn)象，剛開泵時漏速大，隨著泵壓穩(wěn)定后漏速變緩，逐步趨于穩(wěn)定，停泵后仍然有泵壓（2～3 MPa），不斷流，經(jīng)歷10 min左右回吐鉆井液2～3 m3后斷流。部分井在井漏停止后首次循環(huán)出現(xiàn)強后效，說明地層相當于“被壓裂”，并且裂縫具有延展和閉合的特點，后期鉆進過程中有類似“吹氣球”的表現(xiàn)[4-5]。

比如蘇東27-38H1井在鉆至井深3 661m時鉆遇泥巖，當時鉆井液密度為1.24 g/cm3，考慮泥巖坍塌使用加重漿提高密度，但由于閥門操作錯誤，超過20 m3密度為1.30 g/cm3的鹽水加重漿直接泵入井內(nèi)，導致地層被壓漏，漏失速度達到5 m3/h，累計漏失15 m3。后由于螺桿使用時間到了，起鉆靜止，罐內(nèi)鉆井液密度降低至1.22 g/cm3。下鉆采取了分段循環(huán)處理，出現(xiàn)了停泵不斷流回吐現(xiàn)象。當下鉆到井底后，仍有0.8 m3/h輕微漏失，循環(huán)后效，最高氣測值達到70×104mg/L，而之前最高氣測值為20×104mg/L。說明地層已經(jīng)被壓開。使用離心機將循環(huán)鉆井液密度降到1.21g/cm3停止漏失，恢復正常。蘇東27-38H1井循環(huán)時漏失情況見表2。

表2　蘇東27-38H1井循環(huán)時漏失情況

3　預防井漏思路探討

針對蘇里格氣田施工現(xiàn)狀，提高鉆井液密度達到力學平衡來防塌極易誘發(fā)井漏。需要通過有效的封堵性與抑制性來防塌，從而實現(xiàn)低鉆井液密度鉆進，再配合得當?shù)墓こ檀胧?，從鉆井液和工程2個方面預防井漏、井塌和卡鉆等復雜情況的發(fā)生。

1）提高綜合封堵性能。在保持一定的鉆井液密度基礎上，通過提高封堵性來防止泥頁巖坍塌。反向思考，可以提高鉆井液的綜合封堵性能來換取適當降低鉆井液密度，降低液柱壓力來預防井漏[6-8]。

通過開展實驗，采用新型封堵劑G314-FDJ封堵泥巖微裂縫，強化鉆井液封堵性，降低地層坍塌壓力，取得了較好的效果?，F(xiàn)場試驗證明，其加量為2%～3%時封堵效果明顯，泥餅韌性強、摩阻小?，F(xiàn)場施工時，在鉆遇泥巖之后立即向鉆井液中加入（2%～3%）G314-FDJ，并始終維持鉆井液中封堵劑含量，確保隨鉆封堵。如加量不足，打開泥巖后液相侵入微裂縫，再提高封堵劑的加量已錯過最佳機會。同時，采用改性淀粉和超細碳酸鈣將濾失量控制到2 mL以內(nèi)，形成薄、 堅、 韌、 有彈性的高質(zhì)量泥餅。高質(zhì)量的泥餅能夠牢牢地吸附在井壁上，不易起下鉆時發(fā)生泥餅脫落，引起井壁地層第2次吸水。

根據(jù)實驗室對G314-FDJ、ASP-1250、磺化瀝青和石墨粉的激光粒徑對比分析，磺化瀝青水溶物的粒徑較小，其他3種較為接近，為了進一步提高封堵性能，可以考慮在水平段采用磺化瀝青與石墨粉進一步改善泥餅質(zhì)量和封堵性能。

2）鉆井液濾液具有一定的水活度和抑制性。以蘇東區(qū)塊幾口試驗井水平段現(xiàn)場鉆井液的KCl、加重鹽和胺基聚醇加量情況對比來看，盒8儲層對鉆井液抑制性的要求沒有斜井段高，KCl加量達到2%～3%即可。實驗結(jié)果證明，泥巖清水回收率可以達到80%，說明水平段鉆井液只需一定的水活度來防止濾液和地層流體置換即可?？梢钥紤]在今后水平段鉆井液使用NaCl加重，降低抑制性材料方面的投入，可適當增加封堵、潤滑材料的投入。

3）合理降低鉆井液ECD，避免壓力激動壓漏地層。使用設計中心Landmark水平井設計軟件，對三開水平段盒8儲層進行了水力學模擬，計算結(jié)果見表3。在軟件模擬計算過程中，使用了與現(xiàn)場實際基本符合的PDC鉆頭、螺桿、海藍MWD、泵、鉆具結(jié)構等，能夠反映出較為真實的數(shù)據(jù)。

根據(jù)模擬計算趨勢，可以得出以下結(jié)論。①環(huán)空壓降與鉆井液黏度、切力和排量呈線性關系，排量越大，ECD相應越大；受鉆井液密度影響不大。②總壓降除環(huán)空壓降之外的那部分，受鉆井液密度影響，密度越大，總壓降增幅越大。鉆井液密度提高，總壓降增加得更快，相應需要的泵壓會更高。根據(jù)現(xiàn)場設備的能力，密度提高到一定值后，能夠提供的排量就會受到影響，甚至要降低排量。③如果地層不坍塌，水平段井徑擴大率按3%計算，環(huán)空返速在排量為12 L/s左右就能接近1m/s，已經(jīng)夠用。（采用同心圓計算，若考慮為偏心，返速會更高。）如果出現(xiàn)泥巖坍塌，則存在大井眼段，返速降低得較多，僅10%的坍塌率就需要15到16 L/s以上的排量。

所以在現(xiàn)場發(fā)生漏失后，如果不存在大的掉塊，首先考慮適當降低排量，觀察到不漏的排量，繼而可以反算出需要降低的密度是多少。

4）流變性的合理控制。現(xiàn)場實踐證明，水平段采用高黏度的稠漿循環(huán)攜帶鉆屑的效果反而沒有相對低黏度的稠漿配合大排量進行井眼凈化的效果顯著。用于水平井井眼凈化的稠漿漏斗黏度一般比循環(huán)鉆井液高20 s即可。在使用稠漿掃底時選擇大排量循環(huán)，并不停地上下活動和轉(zhuǎn)動鉆具協(xié)助清砂，防止環(huán)空巖屑濃度過高和巖屑床的形成。

5）對鉆遇泥巖的認識和判斷。井漏與井塌的預防是避免井下復雜的最好措施。水平段鉆遇泥巖判斷得越及時準確，越早地對鉆井液進行封堵性和抑制性處理，可以避免由于泥巖長時間浸泡產(chǎn)生的一系列復雜情況。所以及時準確地對鉆遇泥巖的判斷顯得尤為重要。泥巖的判斷通常通過GR伽馬值、氣測值和砂樣等幾個方面進行。

在用GR伽馬值判斷泥巖時，以往都是設定幾個臨界點，例如以120、150、180這3個分界點來定義泥質(zhì)含量增高、有泥巖夾層、進入泥巖3個階段，相應地在鉆井液處理規(guī)范上設定了最低密度為1.20、1.25、1.30 g/cm3。但這種判斷可能僅適用于部分區(qū)塊，對于整個蘇里格地區(qū)來講，儲層有盒8、山1、山2、馬家溝等，由于某些巖屑中放射性礦物含量高，導致砂巖層放射性強度與泥巖差別不大，或者是砂巖孔隙中泥質(zhì)填充很緊密，也同樣造成高伽馬值，多數(shù)情況下泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)夾層伽馬值非常相近，所以最有效的方法是通過地層含氣顯示情況結(jié)合巖屑特征綜合區(qū)分。通常鉆遇泥質(zhì)夾層時有氣測異常，巖屑中砂巖、泥巖分界明顯。鉆遇泥質(zhì)夾層隨鉆伽馬曲線形態(tài)多為漸變型，即在鉆進過程中巖性逐漸發(fā)生變化并向泥質(zhì)巖過渡，而當穿過泥質(zhì)夾層后隨鉆伽馬值又隨即逐漸降低，曲線形態(tài)形似“饅頭狀”凸起且較為圓滑。當鉆遇巖性相變化時，隨鉆伽馬會發(fā)生突變，伽馬值急增，這種情況多屬于鉆遇河道間泥巖。下面以蘇東59-56H1井鉆遇泥巖情況來舉例說明通過伽馬值和巖屑特征綜合判斷鉆遇地層情況。

蘇東59-56H1井全井累計鉆遇大段泥巖188 m，巖性為灰色泥巖，質(zhì)純，性硬，吸水性及可塑性差。該井在井深3 821m開始鉆遇泥巖，在鉆遇泥巖初期伽馬值逐漸增加，后期隨著巖性的變化，伽馬值一直維持在一個高的范圍。圖1為該井進入山西組前出現(xiàn)的炭質(zhì)泥巖，從巖屑可以辨別出巖性的變化。圖2為該井錄井所取的砂樣，可以看出鉆遇地層巖性的變化。該井鉆至井深4 005 m遇到黑色泥巖夾煤線，至井深4 009 m完鉆前振動篩返出大量掉塊。經(jīng)項目組研究認為進入山西組，通知完鉆。

圖1　蘇東59-56H1井鉆入山西組前出現(xiàn)的炭質(zhì)泥巖

圖2　蘇東56-56H1井砂樣

綜上所述，可以通過伽馬值、鉆屑巖性和氣測值等多種途徑綜合判斷鉆遇地層，從而選擇不同的鉆井液需求。根據(jù)蘇東區(qū)塊試驗的幾口井鉆遇泥巖情況，按照現(xiàn)場的鉆井液性能和井下情況，提出了對常見3種泥巖的防塌要求，如表4中所述。靖平51-8井所在區(qū)域為典型的大規(guī)模開發(fā)區(qū)塊，且該區(qū)塊水平段泥巖鉆遇率高。靖平51-8井在井深3 450 m入窗進入水平段，設計使用φ203.2 mm鉆頭鉆進水平段2 000 m，實際完成2 052 m。水平段共鉆遇3大段泥巖。施工過程中，在鉆進水平段561m時鉆遇泥巖，根據(jù)鄰近鉆遇泥巖長時間浸泡井壁容易垮塌等復雜問題，該井在鉆遇泥巖后立即對整個鉆井液進行了處理，加入3%封堵劑G314-FDJ+3%改性磺化瀝青FT-1+2%NaCl+0.5% ASP-1250，并且一直維持鉆井液中3%G314-FDJ的加量。通過對鉆井液的及時準確處理，該井至井深5 502 m完鉆，鉆井液密度一直維持在1.23～1.25 g/cm3，并且在1223 m水平段鉆遇252 m泥巖的情況下，仍然確保了井底無垮塌、無漏失。最后在鉆遇70 m泥巖后決定完鉆。該井水平段從入窗到下尾管結(jié)束共計62 d，確保了下尾管一次性到底。

表4　水平段不同泥巖的防塌要求

4　井漏發(fā)生后采取的措施

①觀察漏失量、停開泵“反吐”情況。首先降低排量，記錄觀察漏失量。②根據(jù)已鉆地層類型和水平段長度，考慮密度降多少。③如果漏速降低到1～2 m3/h以內(nèi)，繼續(xù)維持鉆進。④如果漏速很大，需要堵漏的話，注意幾點：避免全井隨鉆堵漏，防止托壓、發(fā)生壓差卡鉆；配少量（5～10 m3）高黏度高切力堵漏漿，以石灰石和單向壓力封閉劑為主，避免使用重晶石和白土。泵入堵漏漿后，起鉆到套管鞋循環(huán)，同時盡量使用光鉆桿堵漏。

5　結(jié)論

1.做好低密度鉆井液的防塌工作需要做到防漏，在水平段為砂巖或泥巖較穩(wěn)定的情況下，可以降低密度與降低排量配合恢復正常鉆進作業(yè)。

2.水平段漏失為壓差性漏失，采用擠堵容易造成裂縫，與鄰井串通，加重漏失。

3.區(qū)別對待泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰色泥巖和炭質(zhì)泥巖，采用不同的鉆井液，不應該過度擔心和謹慎，人為提高鉆井液密度造成井漏復雜。

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Discussion on the Mud Loss and Borehole Wall Collapse Prevention in Horizontal Drilling in Sulige Gas Field

WU Manxiang1, 2, MOUYANG Qiongjie3, GAO Jie1, 2
(1. National Key Laboratory of Low Permeability Oil Field Exploration and Development, Xi’an, Shaanxi 710021; 2. Drilling & Production Technology Research Institute of CCDC, Xi'an, Shaanxi 710021; 3. CCDC Drilling Company, Xi’an, Shaanxi 710021)

AbstractBorehole stabilization previously in horizontal drilling in Sulige gas feld has been realized through increase in mud weight. Presently，the development of the Sulige gas feld has entered a new stage of overall development in which formation pressure has been depleted because of gas production. Mud losses caused by high density and diffculties in controlling severe mud losses often led to inability to exert WOB and differential pressure pipe sticking. To prevent mud losses caused by high mud weight，several things have to be done，for example，improve the sealing and plugging performance of the drilling fuid，maintain the inhibitive capacity and activity of the mud fltrates，reduce the ECD to a certain level，and improve the mud rheology and use good engineering practices. The types of the mudstones commonly found in the horizontal section are analyzed，and requirements on drilling fuid studied. Measures for controlling mud losses are discussed. It is presented that to prevent borehole wall collapse，the important thing is to avoid mud losses. If sandstones are drilled in the horizontal section，or，if the mudstones encountered in the horizontal section is stable，mud weigh and fow rate can be reasonably reduced. Mud losses in the horizontal section are generally losses caused by differential pressures，and squeezing LCM slurries may induce new fractures in the formations，hence aggravating mud losses even into adjacent wells. For different formation lithology，such as argillaceous sandstone，sandy mudstone，gray mudstone and carbonaceous mudstone，different mud properties shall be adopted.

Key wordsHorizontal gas well； Mud losses； Mudstone

中圖分類號：TE282 TE283

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0046-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.009

第一作者簡介：吳滿祥，男，1981年生，工程師，2004年畢業(yè)于西南石油學院應用化學專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井液完井液方面工作。電話（029）86594935；E-mail：gcywmx@163.com。

收稿日期（2015-12-30；HGF=1603M7；編輯馬倩蕓）