碳酸鹽巖地層漏失水平井卡鉆泡酸解卡技術(shù)

鄧昌松， 李興亭， 馮少波， 宋周成， 劉 正

(中石油塔里木油田公司)

隨著對油氣能源需求的不斷增加及可開采油氣的不斷減少，碳酸鹽巖儲層將是今后油氣勘探開發(fā)的主要戰(zhàn)場。碳酸鹽巖儲層地質(zhì)條件相對復(fù)雜，鉆探過程中極易發(fā)生漏失、卡鉆等鉆井事故[1]。由于水平井具有貫穿油氣層段長、單井產(chǎn)量高的特點，受到各油田公司的廣泛重視。碳酸鹽巖水平井鉆遇裂縫、孔洞、洞穴的幾率大，發(fā)生溢流、井漏、卡鉆等鉆井復(fù)雜的概率相應(yīng)增加[2]。對于水平井卡鉆的處理，主要依據(jù)地層特性和卡鉆類型，采取泡油、泡解卡劑、震擊、倒扣、套銑、降壓解卡等處理方法[3]。對于水平井裸眼長，卡鉆時井斜接近90°，給事故處理方法的選擇帶來很大的局限，常用的套銑、倒扣、對扣等處理手段存在極大風(fēng)險。一些井通過泡油、泡解卡劑未解卡，而采用泡酸方式就能成功解卡。通過實踐證明，對于碳酸鈣、碳酸氫鈣地層，采用泡酸方式是一種非常有效的解卡方法[4]。塔里木油田開發(fā)奧陶系碳酸鹽巖儲層采用超深水平井技術(shù)，鉆井期間經(jīng)常遭遇頻繁溢流、井漏、溢漏同存、高套壓、高含硫、放空、卡鉆等事故復(fù)雜。漏失井發(fā)生卡鉆的幾率遠(yuǎn)大于正常井，從采用泡酸解卡技術(shù)處理的86口碳酸鹽巖儲層卡鉆事故統(tǒng)計，處理成功率達(dá)到100%。面對高風(fēng)險井的卡鉆處理，塔里木油田公司匯集了全國眾多鉆探公司人員的智慧，在酸液類型、注酸方式、操作要領(lǐng)等方面取得了豐碩成果，處理卡鉆事故的能力不斷增強(qiáng)，為類似復(fù)雜的處理提供了技術(shù)參考和經(jīng)驗借鑒。

一、地層漏失分析

井漏的發(fā)生受諸多因素的影響，地質(zhì)和操作是主要因素。地質(zhì)因素是引發(fā)井漏的內(nèi)因，人員操作不當(dāng)則是外因。地質(zhì)因素與儲層特性密切相關(guān)，碳酸鹽巖儲層類型分為裂縫型、孔洞型、裂縫—孔洞型、洞穴型，它們是構(gòu)造運(yùn)動和后期成巖作用的結(jié)果。構(gòu)造運(yùn)動愈劇烈，產(chǎn)生的斷裂、裂縫愈發(fā)育，后期巖溶作用的溶蝕通道就愈多，縫洞就愈發(fā)育[5]。碳酸鹽巖地層在構(gòu)造運(yùn)動作用下會發(fā)育多級斷裂，在斷裂附近往往會形成非常密集的裂縫，它們的走向與斷裂走向大致垂直。在斷裂、裂縫發(fā)育帶還常發(fā)育大量溶蝕孔洞，它們是巖石在下滲地層水與地層流體二氧化硫、二氧化碳等共同作用下巖溶的結(jié)果。裂縫為巖溶作用提供了通道，巖溶作用反過來又對裂縫進(jìn)行改造，形成了復(fù)雜的縫洞體系，控制著優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育和油氣富集。洞穴是孔洞在巖溶作用達(dá)到一定程度的結(jié)果，地震剖面上孤立的“串珠”狀強(qiáng)反射多代表洞穴型儲集體。裂縫及其相連通的孔洞、洞穴，是地層油氣與井筒良好的溝通通道，給油氣開采創(chuàng)造有利條件，但也給鉆井液漏失提供流動通道和容納空間，使鉆完井過程中容易發(fā)生漏失[6]。

二、水平井卡鉆分析

碳酸鹽巖儲層類型決定了在該儲層鉆進(jìn)需要時刻警惕井漏。塔里木油田碳酸鹽巖水平井卡鉆事故有超過80%是發(fā)生在水平段鉆進(jìn)出現(xiàn)井漏和鉆具托壓以后，造成卡鉆的原因主要有以下幾點：

(1)發(fā)生井漏尤其是井漏失返后，環(huán)空液面迅速下降，液柱壓力也隨之降低。當(dāng)液柱壓力低于地層坍塌壓力后井壁失穩(wěn)，發(fā)生垮塌而掩埋鉆具，使鉆具被卡。為了減少鉆井液漏失量而采取必要的堵漏措施，堵漏作業(yè)時井筒置換嚴(yán)重，當(dāng)堵漏材料未有效進(jìn)入漏層就出現(xiàn)如套壓上漲等復(fù)雜情況，不能及時將鉆具起到安全井段，就采取節(jié)流循環(huán)或環(huán)空反推鉆井液的處理方法，造成堵漏材料堆積形成卡鉆。注完堵漏漿后未將鉆具提離漏層就進(jìn)行替漿作業(yè)也易引發(fā)卡鉆。堵漏作業(yè)后漏層封堵不嚴(yán)實，當(dāng)環(huán)空壓力變化，引起地層回吐，堵漏材料離開封堵層，而發(fā)生卡鉆。經(jīng)過多次堵漏，堵漏材料在漏層堆積，造成漏層井身質(zhì)量和鉆井液性能變差，易引發(fā)粘附卡鉆。

(2)裂縫持續(xù)發(fā)生漏失，環(huán)空壓力對鉆具有指向裂縫的壓持作用，摩擦阻力增大，當(dāng)井口傳來的鉆具轉(zhuǎn)動扭矩不足以克服摩擦力扭矩時發(fā)生壓差卡鉆。

(3)井漏影響了鉆井液的上返流量、上返速度和性能，嚴(yán)重影響鉆井液的攜砂能力，致使巖屑沉積，在水平段和斜井段形成巖屑床[7]。巖屑床的形成大大增加了鉆具摩擦阻力，促使或加劇卡鉆的發(fā)生。

(4)起下鉆速度過快，尤其是大尺寸鉆具經(jīng)過漏失層時，對水平井底沉積巖屑的推移，加劇堆積，遇阻后未開泵、未轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，而是采取硬提硬壓的錯誤操作造成卡鉆。

(5)通井鉆具結(jié)構(gòu)較鉆進(jìn)鉆具組合發(fā)生較大改變，加之井眼不平滑、狗腿度大、通井工具外部尺寸與井眼間隙過小且剛性過大等因素，以及地面人員操作不當(dāng)而造成鉆具硬卡。

三、酸液類型選擇

針對碳酸鹽巖儲層的裂縫、孔洞性漏失井卡鉆，采用泡酸解卡是非常有效的解卡手段，對于水平井尤顯其實用性和經(jīng)濟(jì)性。但該方法面臨如何更好地控制酸液漏失速度問題，這是影響泡酸解卡成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。酸液漏失速度與裂縫、孔洞的幾何尺寸與形態(tài)、酸液黏度等因素有關(guān)。裂縫、孔洞的幾何尺寸與形態(tài)由地質(zhì)環(huán)境決定，難以通過人為改變，要控制酸液漏失速度最行之有效的方法是依靠酸液黏度。這就要求酸液黏度能使漏失速度明顯減小，又不至于因黏度升高，鉆井液流動阻力增大、循環(huán)壓耗增加，作用在地層的壓力增加使裂縫擴(kuò)張并加速漏失。

利用酸液黏度控制漏失速度問題，隨著泡酸解卡技術(shù)的大量應(yīng)用，已經(jīng)取得了豐富的研究成果。李霜等[8]運(yùn)用防漏型乳化酸來解決超深水平井卡鉆問題取得非常好的效果。防漏型乳化酸在乳化劑及助乳劑作用下形成以油為連續(xù)相、酸為分散相的油包酸型乳狀液，未破乳時能阻隔H+與碳酸鹽巖反應(yīng)，減少沿途損耗，可對儲層進(jìn)行深部浸泡以增強(qiáng)泡酸效果。與此同時其基液黏度高、漏失阻力大、漏失量少，還可以懸浮固相堵漏材料。此外據(jù)戴建全等研究[9]，在利用酸液黏度控制漏失速度難題上，溫控變黏酸好于膠凝酸，膠凝酸好于常規(guī)酸。溫控變黏酸在高溫深井解卡作業(yè)時，降漏失效果非常明顯。它起到了暫堵降濾失作用，使堵塞物得到充分的溶解而解卡。膠凝酸容易配制且價格合理，對于一般性漏失井的運(yùn)用效果理想。常規(guī)酸主要為鹽酸和土酸。常規(guī)酸一般取自碳酸鹽巖儲層改造用酸，來源廣、便于迅速組織作業(yè)、操作技術(shù)成熟、成本低。塔里木油田水平井碳酸鹽巖地層發(fā)生卡鉆100%采用泡酸解卡技術(shù)，而使用常規(guī)酸解卡作業(yè)的井達(dá)90%以上。使用常規(guī)酸作業(yè)時，必須考慮酸液的濃度。酸液的濃度對泡酸解卡的影響表現(xiàn)在反應(yīng)時間和反應(yīng)速度。酸液反應(yīng)時間長有形成大肚子、井壁失穩(wěn)、增大摩擦阻力、污染鉆井液等風(fēng)險。反應(yīng)時間短，酸液作用距離短，酸液有效成分到達(dá)卡鉆部位參與反應(yīng)的量就少，影響泡酸解卡的效果。濃度為15%的鹽酸被公認(rèn)為溶解地層、提供導(dǎo)流能力最強(qiáng)[10]。濃度在24%～28%之前，鹽酸的反應(yīng)速度隨著濃度的增加而增加，超過這一濃度范圍后反應(yīng)速度不增反降。在外部影響因素一定時，濃度28%的鹽酸反應(yīng)速度不到濃度15%鹽酸反應(yīng)速度的一半，反應(yīng)時間大于15%鹽酸反應(yīng)時間的4倍。因此常規(guī)酸濃度范圍主要集中在12%～20%，通常選用濃度15%的酸液。至于常規(guī)酸控制漏失速度問題除了在酸液中添加增黏劑外，還可以采用優(yōu)選注酸方式解決。

四、注酸方式優(yōu)選

根據(jù)漏失速度、卡點位置、地層特性、鉆井復(fù)雜等因素，正確選擇正循環(huán)、反推或綜合注酸方式。比較常用的方式為正循環(huán)法，它主要用于解決鉆井液能建立循環(huán)、井況不太復(fù)雜、殘液返排處理得當(dāng)、漏失層在卡點以上或接近卡點的情形。該方法操作簡便，殘酸循環(huán)出井筒對井眼、鉆井液影響小，鉆井液損失量少，解卡成本低，是注酸方式的首選。

反推法是利用碳酸鹽巖儲集層裂縫發(fā)育，容易將環(huán)空流體推入地層并不會形成地層圈閉壓力和引發(fā)地層回吐的特性，在環(huán)空內(nèi)反推酸液以避開漏層的注酸方式。它主要用于循環(huán)漏失速度過大且酸液無法有效到達(dá)卡點、注酸作業(yè)有井控風(fēng)險、漏失層在卡點以下、井下復(fù)雜(如高含硫、高套壓、溢漏同存)等情形。其操作方式與井控壓井的壓回法作業(yè)類似，不僅能保證設(shè)備、井控安全，還無環(huán)保問題。反推時酸液直接與鉆具外壁接觸，必須做好鉆具、套管的防腐蝕工作。此外，還需要考慮酸液對套管鞋處水泥環(huán)的影響。油氣井專用水泥主要成分為氧化鈣和二氧化硅，其氧化鈣含量超過66%，二氧化硅含量超過22%[11]。氧化鈣能與鹽酸和氫氟酸反應(yīng)、二氧化硅能與氫氟酸反應(yīng)，泡酸時要防止酸液與水泥環(huán)過多反應(yīng)危害套管安全和影響固井質(zhì)量。因此酸液中需要添加一定量的緩蝕劑和鐵離子穩(wěn)定劑，操作上要迅速將酸液推至套管鞋以下的裸眼內(nèi)。

綜合法是先正循環(huán)解決漏層以下鉆頭至漏層或部分漏層的卡鉆問題，接著環(huán)空反推，解決漏層以上及部分漏層的卡鉆問題。該方法一般是單獨(dú)使用正循環(huán)和反推無效的情況下存在多處漏失且漏失量較大時使用。酸液用量大，頂替損耗鉆井液多，成本偏高，操作較繁瑣。

不同的注酸方式對于酸液用量的附加體積也不相同。正循環(huán)注酸時，酸液用量至少按裸眼井徑擴(kuò)大率20%計算[12]。除了卡點以下鉆具被浸泡外，還要求在鉆具水眼內(nèi)預(yù)留2～3 m3的酸液，浸泡一段時間不解卡后，每隔30 min頂替0.5 m3酸液出水眼繼續(xù)參與反應(yīng)。反推注酸時要考慮酸液經(jīng)過的裸眼段長短、井徑規(guī)則程度、沿途可能與鉆具或套管反應(yīng)等不利因素，酸液用量按泡酸段環(huán)空體積的1.5～2倍附加[13]。鉆具浸泡時要不間斷上下活動和扭轉(zhuǎn)鉆具，這樣有利于酸液接觸卡鉆充填物、釋放被卡鉆具。解卡后將殘酸要么循環(huán)出井筒并進(jìn)行環(huán)保處理要么迅速推入地層，防止過多地破壞優(yōu)質(zhì)濾餅和形成“大肚子”。頂替鉆井液要求性能優(yōu)良，潤滑劑含量達(dá)15%以上，API失水量小于3 mL。

注酸和替酸排量決定了酸液的運(yùn)行速度，提高排量，酸液運(yùn)行速度也隨之加快。酸液運(yùn)行速度決定了酸液的流態(tài)，盡量使酸液在非卡鉆地層保持層流，卡鉆地層達(dá)到紊流。層流時流體的運(yùn)動狀態(tài)近似直線，這樣可以減少酸液的運(yùn)行消耗，讓酸液有效成分更多地到達(dá)卡鉆地層。紊流時酸液對巖屑床、井壁及卡鉆充填物沖刷作用強(qiáng)，大大增加了與酸液的接觸機(jī)會，且不易形成竄槽，反應(yīng)效果好，解卡迅速。

五、案例分析

ZGxHy井目的層為奧陶系鷹山組層間“串珠”與“片狀”反射的碳酸鹽巖巖溶儲層。設(shè)計井深7 267 m，控壓鉆進(jìn)至水平井深6 600 m時，發(fā)現(xiàn)液面下降0.4 m3，套壓3.6↓2.6 MPa，立即停止鉆進(jìn)，測量漏失速度達(dá)18 m3/h。從地震剖面圖分析，已進(jìn)入第一個“串珠”的中心附近，即已鉆遇地層大型裂縫、孔洞、洞穴而發(fā)生漏失。靜止觀察發(fā)現(xiàn)，環(huán)空水眼液面距井口400 m，計算井底液柱壓力62.40 MPa，折合井底當(dāng)量鉆井液密度1.01 g/cm3，低于設(shè)計密度底限值1.08 g/cm3，綜合考慮只得提前完鉆。發(fā)生井漏后不到3 d時間漏失鉆井液達(dá)1 068 m3，鉆井成本大大增加。由于漏失速度大，在未能建立循環(huán)的情況下，下單扶正器通井至井深6 172 m遇阻17 t，間斷開泵劃眼至井深6 358 m。發(fā)現(xiàn)套壓上漲至5 MPa，達(dá)到旋轉(zhuǎn)防噴器的規(guī)定工作壓力。接著環(huán)空反推密度1.45 g/cm3鉆井液25 m3，停泵后套壓降為0 MPa。繼續(xù)下鉆通井至井深6 372 m(井斜88.3°，狗腿度6.65°/30 m)遇阻33 t，上提鉆具懸重由162.5↑210 t未提出鉆具。接著上提下放來回活動鉆具，大鉤懸重控制在175～237 t范圍，不間斷活動2 h未能解卡，鉆具卡死。

分析發(fā)生卡鉆的主要原因有以下幾點：

(1)井漏導(dǎo)致巖屑床增厚，摩擦阻力增大和井眼空間被壓縮。井漏還造成濾餅的潤滑性變差，起下鉆摩擦阻力迅速增加，不利于鉆具活動和扭矩傳導(dǎo)。下鉆致使巖屑推移、嚴(yán)重堆積和壓實，扶正器與井眼間隙小且被充填。

(2)鉆井與通井時鉆具結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，通井時扶正器替代鉆進(jìn)時的螺桿，二者組合剛性發(fā)生較大改變，通井過程中在狗腿度大的井段形成硬卡。

(3)井眼軌跡不平滑，操作人員麻痹大意，造成鉆具被卡死。

由于井漏嚴(yán)重且溢漏同存，在進(jìn)行泡酸作業(yè)前需要進(jìn)行試驗論證正注酸方法的可行性。第一次正注酸試驗時，關(guān)井、水眼擠鉆井液12 m3，套壓0↑1.4 MPa，停泵2 min套壓降為0 MPa，靜止觀察環(huán)空液面迅速降至200 m。第二次正注酸試驗時，關(guān)井?dāng)D鉆井液23 m3，套壓0↑3.2 MPa，停泵8 min后套壓消失，環(huán)空液面回落至230 m。通過2次試驗說明正循環(huán)有套壓，但一旦停泵，套壓迅速消失，在沒有循環(huán)壓耗的情況下套壓值也均不高。如果采用正循環(huán)注酸，酸液進(jìn)入環(huán)空后，與下部地層劇烈反應(yīng)，勢必加劇漏失，酸液極可能運(yùn)移不到上部卡鉆井段已漏入地層，不能起到泡酸解卡目的。鑒于該井卡鉆地層巖性為碳酸鹽巖，卡點在漏層以上，反推酸液必定經(jīng)過卡點位置，完全具備反推法注酸的條件。于是決定采用20%鹽酸、0.3%膠凝劑(DJ-09)、4%緩蝕劑(KMS-6)組成的15 m3膠凝酸對卡點附近的碳酸鹽巖進(jìn)行反推注酸作業(yè)。

為防止卡點上移，不間斷上下活動、扭轉(zhuǎn)鉆具，鉆具容易發(fā)生疲勞損傷，需要倒扣更換井口鉆桿。針對作業(yè)期間油氣上竄引起液面上漲和引發(fā)井控安全問題，環(huán)空及鉆具水眼分別注入密度1.45 g/cm3加重鉆井液5 m3，使液面高度下降至距井口400 m以下。更換井口鉆桿后開始進(jìn)行反推注酸施工，先后環(huán)空反推10 m3膨潤土漿作為前置液、15 m3膠凝酸作為解卡液、10 m3膨潤土漿作為后置液，替密度1.08 g/cm3鉆井液81 m3時酸液到達(dá)卡點附近。然后間斷泵入12 m3鉆井液后，上提鉆具懸重188↑235↓183 t，繼續(xù)上提鉆具后懸重不變，鉆具解卡。解卡后持續(xù)上下活動和轉(zhuǎn)動鉆具，反推密度1.45 g/cm3高密度鉆井液18 m3及密度1.08 g/cm3鉆井液15 m3，觀察2 h，環(huán)空液面高度基本維持在300 m左右，說明殘酸已推入地層且反應(yīng)產(chǎn)生的氣體暫時未迅速上移，井控相對安全。然后按起出鉆具本體2倍體積吊灌起鉆，同時密切監(jiān)測環(huán)空液面變化，當(dāng)液面高度小于200 m時改用環(huán)空吊灌密度1.45 g/cm3高密度鉆井液的方式控制好環(huán)空液面。裸眼段控制好起鉆速度，進(jìn)入套管內(nèi)后正常起鉆，并對起出鉆具全部探傷檢測。

六、結(jié)論

漏失碳酸鹽巖水平井卡鉆，采用泡酸解卡關(guān)鍵技術(shù)之一是控制好酸液的漏失量，主要通過注酸類型、注酸方式等手段解決。根據(jù)地層巖性、漏失情況合理選擇酸液類型，漏失量不太大時首選鹽酸或土酸，漏失量大時選擇黏度較高的酸，以此控制漏失量達(dá)到更好的泡酸效果。常規(guī)酸酸液濃度范圍主要集中在12%～20%，最常使用的濃度為15%。對于漏失量大的井，注酸方式選擇也影響泡酸作業(yè)的成敗。井漏失返、高含硫、高套壓等復(fù)雜井，選用反推法注酸方式更安全可靠。注酸時泵排量要求在未到達(dá)卡點前為層流，能減少沿途損耗，使有效成分更多地參與解卡反應(yīng)；接近或到達(dá)卡點后為紊流，沖刷作用強(qiáng)，利于解卡。