四川盆地裂縫儲(chǔ)層鉆井井漏安全起鉆技術(shù)認(rèn)識(shí)與探討

左 星 羅 超 張春林 尹 嘯

1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 4.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司

0 引言

石油天然氣鉆探作業(yè)，在起鉆過(guò)程中由于起出鉆具會(huì)使井筒內(nèi)液面下降，鉆井液液柱壓力降低，可能使井筒壓力小于地層孔隙壓力，地層流體進(jìn)入井筒造成起鉆過(guò)程溢流、井噴的風(fēng)險(xiǎn)。因此，按照石油行業(yè)相關(guān)井控規(guī)定，起下鉆過(guò)程鉆井液密度要求高于地層孔隙壓力系數(shù)0.07～0.15，并按行業(yè)規(guī)范或技術(shù)要求進(jìn)行灌漿，保證井筒壓力始終大于地層孔隙壓力，減少甚至避免地層流體進(jìn)入井筒，確保起下鉆過(guò)程處于安全狀態(tài)[1-3]。

與常規(guī)油氣層不同，裂縫儲(chǔ)層孔洞發(fā)育，安全密度窗口窄，對(duì)壓力極其敏感，較小的壓力波動(dòng)[4-5]就可能引發(fā)井漏，甚至是失返性井漏。此類地層難以將鉆井液密度提高至高于地層孔隙壓力系數(shù)0.07以上，給起鉆作業(yè)帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。

由于裂縫儲(chǔ)層縫寬較大，常規(guī)堵漏方式效果較差，達(dá)不到封堵裂縫提高儲(chǔ)層承壓能力的目的，起鉆通常采用重漿吊灌方式。此方式不但鉆井液漏失量大，而且如果對(duì)裂縫特性認(rèn)識(shí)不清，對(duì)裂縫漏失狀態(tài)掌握不準(zhǔn)確，致使灌漿量不足，最終也會(huì)導(dǎo)致井噴，處理難度大，井控風(fēng)險(xiǎn)高。如天東5井，在井深3 570.72 m鉆遇井漏，由于常規(guī)堵漏不成功，起鉆后采用光鉆具進(jìn)行堵漏。在吊灌起鉆過(guò)程中，由于灌漿量計(jì)算不準(zhǔn)，最終造成溢流并引發(fā)井噴，損失復(fù)雜處理時(shí)間93 d，直接經(jīng)濟(jì)損失1 000萬(wàn)元以上；青海油田的英9-4-A5井，在井深1 461 m鉆遇井漏后，起鉆更換鉆具，同樣是因?yàn)榫顟B(tài)掌握不清，灌漿量計(jì)算不準(zhǔn)確，最終引發(fā)井噴。

由于天然氣鉆探逐漸向深層、裂縫碳酸鹽儲(chǔ)層轉(zhuǎn)移，鉆遇井漏的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，因此，開(kāi)展鉆井井漏安全起鉆技術(shù)研究，確定合理灌漿量以及改進(jìn)起鉆方式，保障安全起下鉆作業(yè)有著重要意義。

1 裂縫儲(chǔ)層井漏起鉆作業(yè)安全影響因素分析

1.1 井漏程度分析

對(duì)于井漏程度主要與地層裂縫、孔洞發(fā)育，即跟裂縫、孔洞的導(dǎo)流能力密切相關(guān)。地層裂縫、孔洞的導(dǎo)流能力主要受裂縫寬度、接觸面特征、接觸端長(zhǎng)度等自身特征影響，同時(shí)也受壓差、流體黏度等工程控制因素影響。Zimmerman綜合考慮這些因素給出了地層裂縫的漏失速率的計(jì)算公式：

式中Q表示漏失速率，m3/s；w表示端面處裂縫長(zhǎng)度，m；h表示平均裂縫寬度，m；σH表示裂縫寬度標(biāo)準(zhǔn)差；c表示裂縫間接觸面積與裂縫面標(biāo)準(zhǔn)面積的比值；μ表示導(dǎo)流流體黏度，Pa·s；p表示漏失壓差，Pa。

由式（1）可知，裂縫漏失速率與裂縫接觸段長(zhǎng)度、壓差呈線性關(guān)系，與裂縫寬度的三次方成正比，與鉆井液黏度成反比。即在正壓差相同情況下，裂縫越長(zhǎng)越寬，漏失量速度越大，反之漏失速率越?。汇@井液黏度越高，漏失速率越小，反之漏失速度越大。

1.2 氣體上竄速度分析

現(xiàn)場(chǎng)氣體上竄速度通常采用遲到時(shí)間法和體積法，通過(guò)停泵、開(kāi)泵后氣測(cè)值的變化來(lái)計(jì)算，能夠較為準(zhǔn)確判斷氣體上竄真實(shí)情況。但在裂縫漏失儲(chǔ)層，由于井漏狀態(tài)會(huì)影響氣體上竄速度的真實(shí)判斷，因此參考性較低。國(guó)內(nèi)研究人員也對(duì)氣體上竄速度進(jìn)行過(guò)定性分析，認(rèn)為氣體上竄速度除了與儲(chǔ)層能量、井底壓差、進(jìn)入井筒氣體體積量有關(guān)外，還與鉆井液黏度有很大關(guān)系。鉆井液黏度越大，氣體上竄滑脫速度越小，反之上竄滑脫速度越大[6-9]。

1.3 井漏狀態(tài)監(jiān)測(cè)

裂縫井漏儲(chǔ)層常規(guī)起鉆中，現(xiàn)場(chǎng)人員大多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)灌漿，灌漿量一旦偏少，后期可能引發(fā)嚴(yán)重的井噴事件。因此，為確保安全起鉆，鉆井液灌入量和漏失量一般較大。顯然，鉆井液灌入量不應(yīng)該由經(jīng)驗(yàn)判斷，而應(yīng)該根據(jù)實(shí)際井筒壓力與漏失壓力的關(guān)系，即環(huán)空液面高度來(lái)確定?？梢圆捎铆h(huán)空液面監(jiān)測(cè)儀[10-11]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析環(huán)空液面高度及變化情況，從安全、高效、降低成本的角度出發(fā)，確保井筒壓力動(dòng)態(tài)平衡，為起鉆灌漿做出最合理的決策。

通過(guò)井漏與氣體上竄定性分析可以認(rèn)識(shí)到，只要井漏速度大于氣體上竄速度，即可避免氣體進(jìn)入井筒，防止溢流井噴的發(fā)生。將該認(rèn)識(shí)應(yīng)用至實(shí)際作業(yè)中，將大大提高起鉆作業(yè)的安全性：①起鉆過(guò)程中始終確保井筒壓力大于儲(chǔ)層壓力，并保持微漏狀態(tài)，避免地層氣體進(jìn)入井筒；②提高鉆井液黏度，即使在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)層氣體進(jìn)入井筒，可有效控制氣體滑脫上升速度，有足夠時(shí)間進(jìn)行處理；③使用環(huán)空液面監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)掌握液面高度和井底壓力狀態(tài)。

2 裂縫儲(chǔ)層井漏安全起鉆方式優(yōu)選

2.1 常規(guī)吊灌起鉆方式

該方式是采用較高密度鉆井液（目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般是高于儲(chǔ)層壓力系數(shù)0.05～0.07，若儲(chǔ)層氣量大，可能采用的鉆井液密度更高）進(jìn)行吊灌起鉆，每起一柱鉆具吊灌1.5～2倍鉆具體積的鉆井液量，多灌入的鉆井液確保在起鉆階段井筒壓力大于儲(chǔ)層漏失壓力，避免因井筒壓力降低后等于甚至低于儲(chǔ)層壓力，使氣體進(jìn)入井筒造成溢流。

常規(guī)吊灌起鉆方式充分考慮到了井筒內(nèi)只要保持連續(xù)井漏狀態(tài)，就能確保起鉆的安全性。但由于尚未開(kāi)展起鉆過(guò)程合理的井漏量化分析，也沒(méi)有有效液面高度監(jiān)測(cè)手段，這種方式只能通過(guò)犧牲鉆井液量來(lái)提高起鉆過(guò)程的安全性，整個(gè)過(guò)程鉆井液漏失量大。

同時(shí)應(yīng)注意，如果儲(chǔ)層縫寬大、井漏特別嚴(yán)重，可能在鉆具提升期間，由于井筒內(nèi)鉆井液液面快速下降，使得有效液柱壓力低于儲(chǔ)層壓力，增加了后期起鉆過(guò)程發(fā)生溢流的風(fēng)險(xiǎn)性。天東5井、英9-4-A5井也是在這樣的施工步驟下發(fā)生井噴事故的，說(shuō)明單一的增加灌漿量并不是萬(wàn)無(wú)一失的有效做法，增加環(huán)空液面監(jiān)測(cè)手段，掌握井漏狀態(tài)合理調(diào)整灌漿策略或減少吊灌起鉆過(guò)程，特別是裸眼段吊灌起鉆，將能進(jìn)一步提高起鉆作業(yè)安全性。

2.2 帶壓起鉆方式

帶壓起鉆是采用合適的鉆井液密度配合合理的井口套壓控制，精確并恒定控制井底壓力在安全的范圍內(nèi)，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）由于在井口額外增加了向下壓力，可進(jìn)一步降低起鉆過(guò)程的抽吸作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，帶壓起鉆產(chǎn)生的抽吸壓力比常規(guī)起鉆低0.02～0.05 g/cm3的當(dāng)量密度；

2）恒定的井底壓力控制，可避免各種因壓力波動(dòng)造成的不良后果。如在井漏層帶壓起鉆，可始終保持井底壓力略大于儲(chǔ)層漏失壓力，整個(gè)起鉆過(guò)程都能保持微漏狀態(tài)，避免出現(xiàn)氣體置換進(jìn)入井筒的情況；

3）可以大幅降低鉆井液漏失量，節(jié)約鉆井液成本。

由此而見(jiàn)，帶壓起鉆是裂縫儲(chǔ)層井漏安全起鉆的有效方式之一。

但帶壓起鉆也存在不足，即當(dāng)帶壓起鉆至接近井口位置時(shí)，由于鉆具重量減少，致使井口帶壓產(chǎn)生的上頂力大于鉆具重量，將會(huì)引發(fā)鉆具上頂現(xiàn)象。此時(shí)，一般會(huì)使用帶壓起下鉆裝置，但該裝置的安裝、使用復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，在井漏狀態(tài)下使用反而會(huì)增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 “帶壓起鉆+重漿帽吊灌”起鉆方式

針對(duì)全程帶壓起鉆方式的不足，可將其與常規(guī)吊灌起鉆方式結(jié)合，將更加滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求[12-13]。

該方式是先根據(jù)儲(chǔ)層安全密度窗口設(shè)定井口套壓值，帶壓起鉆至設(shè)計(jì)井段，注入設(shè)計(jì)好的重漿帽（重漿帽注入過(guò)程需進(jìn)行井口套壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)），最后再吊灌井漿起鉆。

在下部井段帶壓起鉆，是為了減少裸眼井段起鉆抽吸作用，保持恒定微漏狀態(tài)，避免地層氣體進(jìn)入井筒；上部井段吊灌起鉆，是為了避免在接近井口位置時(shí)使用帶壓起下鉆裝置，既可提高起鉆安全性，也有效降低了鉆井液漏失量；同時(shí)，在吊灌起鉆期間，還需要加強(qiáng)環(huán)空液面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖1）。

圖1 “帶壓起鉆+重漿帽吊灌”示意圖

關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方式如下所述。

1）重漿帽高度

重漿帽補(bǔ)償?shù)膲毫Πň谔讐汉托枰郊拥陌踩珘毫?，由此?jì)算出的重漿帽高度為：

式中H表示重漿在環(huán)空中的高度，m；p套表示帶壓起鉆時(shí)的井口套壓，MPa；p附表示附加的安全壓力，MPa；g表示重力加速度，m/s2；ρ重表示重漿密度，kg/m3；ρ鉆表示鉆井液密度，kg/m3。

2）重漿帽替入過(guò)程套壓調(diào)節(jié)

開(kāi)始注入重漿時(shí)，井口壓力降為p套1，重漿從鉆頭返出后，井口套壓開(kāi)始逐漸降低，直至為零，此處的環(huán)空高度為h2。重漿從井口注入至鉆頭處的時(shí)間設(shè)為t1，重漿從鉆頭返至環(huán)空高度h2時(shí)的時(shí)間設(shè)為t2，即

式中t1表示重漿從井口到鉆頭處時(shí)間，s；t2表示重漿從鉆頭返至環(huán)空高度h2的時(shí)間，s；S桿表示鉆桿內(nèi)橫截面積，m2；S環(huán)表示環(huán)空橫截面積，m2；h桿表示鉆桿長(zhǎng)度，m；h2表示重漿產(chǎn)生的與循環(huán)時(shí)井口套壓相等所對(duì)應(yīng)的高度，m；Q表示鉆井泵的排量，L/s。

根據(jù)（3）、（4）式可計(jì)算出不同時(shí)間下的井口套壓控制曲線（圖2）。

圖2 重漿帽替入過(guò)程井口套壓控制曲線圖

對(duì)比3種起鉆方式（表1），“帶壓起鉆+重漿帽吊灌”起鉆方式結(jié)合了常規(guī)吊灌和帶壓起鉆的優(yōu)點(diǎn)，不但提高了裂縫儲(chǔ)層井漏起鉆作業(yè)的安全性，還有利于現(xiàn)場(chǎng)操作與實(shí)施，更加滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

3 “帶壓起鉆+重漿帽吊灌”起鉆方式應(yīng)用情況

截至2017年12月，已在西南油氣田高石梯—磨溪區(qū)塊、雙魚(yú)石構(gòu)造等開(kāi)展50余口井精細(xì)控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用[14-17]，并在嚴(yán)重漏失井進(jìn)行了“帶壓起鉆+重漿帽吊灌”方式起鉆作業(yè)，與常規(guī)重漿吊灌起鉆方式相比，其安全性更好，鉆井液漏失量更少，起到了良好應(yīng)用效果。其主要做法如下：

1）根據(jù)儲(chǔ)層漏失情況控制井底壓力，一般保持鉆井液漏失量在1～2 m3/h內(nèi)。

2）控制起鉆速度，一般在0.2 m/s以內(nèi)，既可確保井口套壓的穩(wěn)定，也可降低起鉆抽吸作用。

3）設(shè)計(jì)的重漿帽產(chǎn)生的附加壓力當(dāng)量密度高于儲(chǔ)層壓力當(dāng)量0.05～0.07 g/cm3。

4）吊灌起鉆時(shí)，若液面不在井口，每柱灌漿量為起出鉆具體積的1.5～2倍；起鉆完后，每10～30 min灌漿一次。

5）吊灌起鉆期間，每隔30 min采用環(huán)空液面監(jiān)測(cè)儀測(cè)量液面高度一次；起鉆完后每15 min測(cè)量液面高度一次。

西南油氣田高石001-X4井[18]在燈影組5 356～5 860 m鉆遇良好顯示氣層，后期通過(guò)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)安全、順利完成了鉆探作業(yè)。由于氣層裂縫發(fā)育，起鉆方式采用了“帶壓起鉆+重漿帽吊灌”。

根據(jù)氣層壓力系數(shù)1.18～1.19，采用密度為1.13 g/cm3的鉆井液，井口控壓3～3.5 MPa，保持井底壓力當(dāng)量密度保持在1.20 g/cm3。帶壓起鉆至井深3 700～3 800 m，注入2.0～2.05 g/cm3的高密度鉆井液13～15 m3，保持井底壓力當(dāng)量密度高于氣層壓力系數(shù)0.05～0.07，再吊灌井漿起鉆，每柱灌1.13 g/cm3的鉆井液一次，為確保安全，每次多灌0.1～0.2 m3，起鉆完后，每半小時(shí)灌0.5 m3。

下鉆過(guò)程，常規(guī)下鉆至套管鞋處，用1.13 g/cm3的鉆井液替出2.04 g/cm3的重漿帽，然后帶壓1～3 MPa下鉆到底。

本井采用該方式起下鉆13趟，沒(méi)有發(fā)生溢流風(fēng)險(xiǎn)，每次起下鉆漏失鉆井液60～80 m3。

表1 3種起鉆方式對(duì)比表

4 認(rèn)識(shí)與探討

1）裂縫漏層起鉆作業(yè)，應(yīng)保持井筒壓力大于地層壓力，避免或減少地層氣體進(jìn)入井筒；盡量采用高黏度鉆井液，有利于控制氣體滑脫上竄速度。

2）對(duì)于常規(guī)重漿吊灌方式，鉆井液漏失量大，無(wú)有效液面監(jiān)測(cè)手段，若灌漿量控制不準(zhǔn)容易造成溢流、井噴風(fēng)險(xiǎn)。

3）全程帶壓起鉆可較好的保持井底壓力恒定，有效控制漏失量，避免儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒，是一種安全性較高的起鉆方式，但需要使用帶壓起下鉆裝置，反而會(huì)增加裂縫儲(chǔ)層起下鉆作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4）將帶壓起鉆與重漿帽吊灌結(jié)合，可以更好地融合兩者優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該起鉆方式是目前裂縫漏層起鉆作業(yè)的最佳方式，更適合于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，安全性更高、綜合成本更低。

5）從不同方式起下鉆鉆井液漏失情況看（表2），目前雖然采用“帶壓起鉆+重漿帽吊灌”的方式能夠滿足裂縫儲(chǔ)層安全起下鉆作業(yè)，且較常規(guī)重漿吊灌方式節(jié)約鉆井液成本，但鉆井液漏失量依然較大。

表2 不同方式起下鉆鉆井液漏失情況

表2表明，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)解決了該區(qū)塊裂縫儲(chǔ)層噴漏同存復(fù)雜問(wèn)題，節(jié)約了鉆井液成本，但起下鉆過(guò)程，鉆井液漏失量依然較大。因此，裂縫儲(chǔ)層起鉆方式還有待進(jìn)一步改進(jìn)完善：①可考慮采用井下套管閥技術(shù)，帶壓起鉆至套管閥以上，封閉下部井段后再常規(guī)起鉆，將大大提升漏失井起鉆作業(yè)安全性，大幅減少起下鉆過(guò)程鉆井液漏失量；②研究發(fā)展井下凍膠閥技術(shù)，通過(guò)鉆具注入膠塞，封閉下部井段，工藝簡(jiǎn)單，2012年冀東油田曾在裂縫儲(chǔ)層起下鉆過(guò)程使用過(guò)凍膠閥，起到了較好的封隔作用，但破膠方式還需進(jìn)一步完善。