“控壓起鉆+重漿帽”技術(shù)在裂縫儲(chǔ)層中的應(yīng)用與認(rèn)識(shí)

左 星, 張 軍, 賀明敏, 舒 挺, 蔣 林, 何 嵬

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地 3中國石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部 4中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司)

隨著油氣鉆探逐漸向深井、碳酸鹽裂縫儲(chǔ)層轉(zhuǎn)移，鉆井過程表現(xiàn)出來的嚴(yán)重井漏、噴漏同存井下復(fù)雜越來越顯著，給鉆井作業(yè)，特別是起下鉆作業(yè)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如西南油氣田、塔里木油田、冀東油田等，一旦在儲(chǔ)層鉆遇裂縫，井漏、溢流交替轉(zhuǎn)換，井控風(fēng)險(xiǎn)升高、鉆井周期延長、成本增加，頻繁的井下事故與復(fù)雜嚴(yán)重影響了油氣資源的勘探與開發(fā)。

一、噴漏同存起下鉆技術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)于裂縫發(fā)育儲(chǔ)層，常規(guī)堵漏效果不佳，難以提高裂縫儲(chǔ)層承壓能力，常規(guī)起鉆通常采用較高密度鉆井液(高于儲(chǔ)層壓力系數(shù)0.07以上)吊灌起鉆[1-2]，起鉆過程井底壓力波動(dòng)較大，不但會(huì)造成鉆井液大量漏失，若操作不當(dāng)還會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重溢流，后期排氣難度大、風(fēng)險(xiǎn)高；并且，下鉆完在恢復(fù)鉆進(jìn)前需要將全井筒鉆井液密度降低，轉(zhuǎn)換周期長、時(shí)效低。

全程帶壓起鉆方式能夠有效降低起鉆過程的抽汲壓力，還能保持井筒壓力平穩(wěn)控制，避免地層流體進(jìn)入井筒，是裂縫儲(chǔ)層最佳起鉆方式。但由于起鉆至接近井口位置時(shí)鉆具重量減少，需要使用帶壓起下鉆裝置，若下部鉆具組合中有螺桿、振擊器等異形鉆具，還會(huì)影響帶壓起下鉆作業(yè)的順利實(shí)施，反而會(huì)增加起下鉆作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)性。

2010年，隨著國內(nèi)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的形成，因壓力敏感造成的嚴(yán)重井漏、噴漏同存井下復(fù)雜得到了有效解決，同時(shí)也形成了配套的“控壓起鉆+重漿帽”起下鉆技術(shù)?！翱貕浩疸@+重漿帽”[3-6]技術(shù)結(jié)合了全程帶壓起鉆與重漿帽吊灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既可提高起下鉆作業(yè)安全性，還可提高起下鉆效率，降低作業(yè)成本，是當(dāng)前裂縫井漏儲(chǔ)層起下鉆作業(yè)最安全、最有效的方式。

二、“控壓起鉆+重漿帽”技術(shù)

1. 工藝流程

針對(duì)裂縫井漏儲(chǔ)層，“控壓起鉆+重漿帽”起下鉆技術(shù)關(guān)鍵在于起鉆過程，起鉆工藝流程：下部井段采用井口套壓控制方式起鉆，減少裸眼井段起鉆抽吸作用；控壓起鉆至設(shè)計(jì)井段，注入重漿帽，使井筒壓力大于地層壓力，再吊灌原密度鉆井液起鉆，消除井口套壓，避免在接近井口位置時(shí)使用帶壓起下鉆裝置，也避免異形鉆具對(duì)帶壓起下鉆作業(yè)的影響。

2. 關(guān)鍵技術(shù)介紹

本文針對(duì)不同地層特點(diǎn)(嚴(yán)重井漏、微漏或不漏)，對(duì)“控壓起鉆+重漿帽”起下鉆技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 在嚴(yán)重井漏裂縫儲(chǔ)層中的技術(shù)實(shí)施

此類儲(chǔ)層，地層漏失壓力與孔隙壓力幾乎相等，安全作業(yè)密度窗口窄，起鉆過程要求井底壓力大于地層孔隙壓力，同時(shí)也大于了地層漏失壓力。由于裂縫發(fā)育，注入重漿帽后鉆井液漏失嚴(yán)重，造成液面不在井口，注入的重漿大多不會(huì)返入環(huán)空，而是隨著井漏逐漸下移至鉆頭下部。如圖1所示。

圖1 嚴(yán)重漏失性儲(chǔ)層重漿注入后示意圖

隨著井漏進(jìn)行，當(dāng)井筒壓力逐漸下降至與地層漏失壓力一致時(shí)，井漏將停止，此時(shí)地層流體將逐漸侵入井筒。為了確保注入重漿帽后起鉆過程的安全性，通常每起一柱鉆具灌入一定量的鉆井液，其一是填補(bǔ)起出鉆具所占的體積，其二是保持井筒液柱壓力始終大于地層漏失壓力，避免起鉆過程氣體侵入井筒。

該方式主要有三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：重漿帽注入量、重漿帽注入井段、壓水眼重漿設(shè)計(jì)。

2.1.1 重漿帽注入量

重漿帽注入量主要補(bǔ)償控壓起鉆過程井口的套壓和需要附加的安全壓力，由此計(jì)算重漿帽注入量：

(1)

式中：V—注入井筒的重漿量，m3；

p套—控壓起鉆時(shí)的井口套壓，Pa；

p附—附加的安全壓力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

ρ重—重漿密度，kg/m3；

ρ鉆—鉆井液密度，kg/m3；

S—套管內(nèi)橫截面積，m2。

井口套壓取值：一般情況，井口控壓越高，起鉆風(fēng)險(xiǎn)越高，為確保控壓起鉆過程安全性，井口套壓一般控制在5 MPa內(nèi)。

附加的安全壓力是為了形成環(huán)空液面與井口的高度差，便于定期監(jiān)測(cè)液面高度變化，掌握吊灌起鉆過程是否處于安全狀態(tài)：①液面基本保持在某一小范圍波動(dòng)，說明井筒處于安全狀態(tài)；②液面持續(xù)上漲，說明地層流體已滑脫至上部井筒，有發(fā)生溢流井噴的風(fēng)險(xiǎn)。一般保持環(huán)空液面距井口300 m以內(nèi)，附加壓力1～3 MPa即可。

2.1.2 重漿帽注入井段

重漿帽注入后，井筒內(nèi)一直處于微漏狀態(tài)，重漿帽也隨著井漏過程逐漸下行。對(duì)于不同井型，重漿帽注入位置也不相同：①直井中：要求重漿帽在起下鉆過程不會(huì)漏入地層中，防止有效液柱壓力降低；②斜井或水平井：要求重漿帽不進(jìn)入斜井段或水平段，防止有效液柱壓力降低；③在懸掛套管井身結(jié)構(gòu)中，重漿帽應(yīng)盡量保持在小尺寸套管中，這樣可適當(dāng)節(jié)約鉆井液使用量，也可避免重漿帽從大尺寸套管進(jìn)入小尺寸套管使得井底壓力波動(dòng)，可能造成井漏、溢流的轉(zhuǎn)換，影響井下情況的正確判斷。

根據(jù)重漿帽注入原則，重漿帽注入井段設(shè)計(jì)如式(2)、式(3):

直井：

(2)

斜井或水平井：

(3)

式中：H注—重漿帽注入位置，m；H井—井深，m；H斜—斜井或水平井造斜點(diǎn)井深，m；V漏—注入重漿帽后，起下鉆過程漏失鉆井液量，m3。

在直井中，H注就是重漿帽的最低井深注入位置；在斜井或水平井中，應(yīng)考慮將造斜點(diǎn)以上H注的位置作為重漿帽的最低井深注入位置。

2.1.3 壓水眼重漿

控壓起鉆過程中，鉆具內(nèi)的鉆井液可能從鉆具內(nèi)噴出，從而影響起鉆效率。為防止起鉆時(shí)鉆井液從鉆具內(nèi)噴出，需要在鉆具水眼中注入一定量的重漿，稱之為壓水眼重漿設(shè)計(jì)。根據(jù)“U”型管原理和水力學(xué)模型模擬，起鉆過程保持水眼內(nèi)液柱壓力大于環(huán)空有效液柱壓力即可避免鉆井液從鉆具內(nèi)噴出，其注入的重漿量產(chǎn)生的壓力需要克服“井口套壓+井下內(nèi)防噴工具開啟壓力+鉆井液下行阻力”，見式(4)、式(5):

(4)

p壓=p套+p阻

(5)

式中：V壓—壓水眼重漿體積，m3；

p壓—壓水眼需要的附加力，包括平衡井口套壓和井下內(nèi)防噴工具開啟壓力等鉆井液下行阻力，Pa。

2.1.4 實(shí)施工藝

(1)根據(jù)儲(chǔ)層漏失情況確認(rèn)合理控壓值，一般保持鉆井液漏失量在1～2 m3/h內(nèi)。

(2)控壓起鉆過程，起鉆速度控制在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)，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30min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。

2.2 在微漏或不漏裂縫儲(chǔ)層中的技術(shù)實(shí)施

此類儲(chǔ)層，采用“控壓起鉆+重漿帽”起鉆方式是為了降低起鉆過程抽汲壓力，減少短程起下作業(yè)流程，簡(jiǎn)化起鉆工序，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高時(shí)效。該方式的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)依然是重漿帽注入量、重漿帽注入井段、壓水眼重漿設(shè)計(jì)。

2.2.1 重漿帽注入量

根據(jù)地層情況，保持井底壓力當(dāng)量密度高于地層孔隙壓力0.07～0.15 g/cm3，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備重漿密度，設(shè)計(jì)合理的重漿帽注入量。

2.2.2 重漿帽注入井段

對(duì)于全井同一尺寸套管，重漿帽注入井段設(shè)計(jì)在中上部，既可減小后期常規(guī)起鉆的抽汲壓力，也可減少控壓起鉆井段，適當(dāng)提升起鉆速度。目前在西南油氣田磨溪-高石梯燈影組儲(chǔ)層實(shí)施的重漿帽起鉆方式，一般設(shè)計(jì)在井深3 500～4 000 m處注入重漿帽；若是懸掛套管，為了減少重漿帽使用量，一般設(shè)計(jì)在小尺寸套管內(nèi)。

2.2.3 壓水眼重漿

在此類儲(chǔ)層起鉆作業(yè)中，無論在控壓起鉆過程，還是在注入重漿帽后吊灌起鉆過程，鉆具內(nèi)的鉆井液都可能從鉆具內(nèi)噴出，因此，要考慮兩個(gè)過程的壓水眼重漿設(shè)計(jì)。

(1)控壓起鉆前壓水眼設(shè)計(jì)?？貕浩疸@前，可直接在鉆具頂部注入重漿，注入量產(chǎn)生的壓力需要克服“井口套壓+井下內(nèi)防噴工具開啟壓力+鉆井液下行阻力”，計(jì)算見式(4)、式(5)。

(2)注入重漿帽后壓水眼設(shè)計(jì)。當(dāng)注入重漿帽平衡地層壓力后，由于儲(chǔ)層微漏或不漏，井筒和鉆具內(nèi)的鉆井液液面在井口附近，若鉆具內(nèi)鉆井液產(chǎn)生的壓力不能有效克服摩阻順利下行，將從鉆具內(nèi)噴出，此過程需再次注入重漿壓水眼。與控壓起鉆壓水眼過程相比，此階段需要準(zhǔn)確計(jì)算重漿在井筒中的位置以及重漿量，否則起不到壓水眼的作用。

根據(jù)最終壓力平衡關(guān)系,見圖2，即可推導(dǎo)出最佳替入的鉆井液量，如式(6)、式(7)、式(8)。

圖2 微漏或不漏儲(chǔ)層重漿帽注入前后示意圖

ρ鉆gH1+ρ重gH2=ρ重gh1+ρ鉆gh2+ρ重gh3

(6)

(7)

V2=Sh2

(8)

式中：H1—環(huán)空中輕漿高度，已知參數(shù)，m；H2—進(jìn)入環(huán)空的重漿帽高度，已知參數(shù)，m；h1—壓水眼重漿高度，為克服“井下內(nèi)防噴工具開啟壓力+鉆井液下行阻力”附加的力，已知參數(shù)，m；h2—頂替重漿進(jìn)入環(huán)空的輕漿高度，未知參數(shù)，m；h3—留在鉆具內(nèi)的重漿帽高度，已知參數(shù)，m；S—鉆具內(nèi)橫截面積，m2；V2—替入的輕漿量，求取參數(shù)，m3。

2.2.4 實(shí)施工藝

(1)根據(jù)儲(chǔ)層漏失壓力確認(rèn)合理控壓值。

(2)控壓起鉆過程，起鉆速度控制在0.2 m/s以內(nèi)，既可確保井口套壓的穩(wěn)定，也可降低起鉆抽汲作用。

(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0.07～0.10 g/cm3。

(4)起鉆至設(shè)計(jì)井段，注入重漿帽，頂入壓水眼重漿后，取出旋轉(zhuǎn)控制頭，按照常規(guī)方式起鉆。起鉆時(shí)，每起三柱鉆桿或每一柱鉆鋌灌漿一次，灌漿量不少于理論灌漿量。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

截止2018年11月，已在西南油氣田高石梯-磨溪區(qū)塊、雙魚石構(gòu)造等開展80余口井精細(xì)控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用，并進(jìn)行了“控壓起鉆+重漿帽”方式起鉆作業(yè)，與常規(guī)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。

1. 高石001-X4井應(yīng)用情況

西南油氣田高石001-X4井[7]在燈影組5 356～5 860 m鉆遇良好顯示氣層，密度窗口1.18～1.19 g/cm3，后期通過精細(xì)控壓鉆井技術(shù)安全、順利完成了鉆探作業(yè)。由于該井裂縫發(fā)育，對(duì)壓力極其敏感，起鉆方式采用了“控壓起鉆+重漿帽”。

控壓起鉆過程，鉆井液密度1.13 g/cm3，井口控壓3.5 MPa，井底壓力當(dāng)量密度約1.2 g/cm3。起鉆至3 700 m左右，注入14 m32.04 g/cm3的重漿帽，保持井底壓力當(dāng)量密度1.25 g/cm3；吊灌起鉆期間，每次多灌0.1～0.2 m3，且每30 min采用環(huán)空液面監(jiān)測(cè)儀測(cè)量液面高度一次，確保液面在安全范圍。

本井采用該方式起下鉆13趟，沒有發(fā)生溢流風(fēng)險(xiǎn)，每次起下鉆漏失鉆井液60～80 m3，共漏失鉆井液997.5 m3，較常規(guī)起鉆減少鉆井液漏失70%以上見表1。

表1 不同方式起下鉆鉆井液漏失情況

2. 高石001-H9井應(yīng)用情況

高石001-H9井在燈影組鉆井過程中，采用密度1.20 g/cm3的鉆井液鉆至井深5 270 m遇顯示，壓力系數(shù)約1.20，停泵接立柱后效點(diǎn)火0.5～1.0 m，持續(xù)10～15 min。由于該井不漏，采用常規(guī)起鉆需將鉆井液密度提高至1.27～1.30 g/cm3，不但需要進(jìn)行短程起下鉆檢測(cè)油氣上竄速度，并且完成起下鉆作業(yè)后，需要將降密度由1.27～1.30 g/cm3↓1.20 g/cm3才能繼續(xù)鉆進(jìn)。為在安全條件下提高時(shí)效，現(xiàn)場(chǎng)采用了“控壓起鉆+重漿帽”方式起鉆。

表2 常規(guī)起鉆與“控壓起鉆+重漿帽”時(shí)效對(duì)比

根據(jù)儲(chǔ)層壓力系數(shù)，設(shè)計(jì)重漿帽附加壓力5.0 MPa(當(dāng)量密度約0.10 g/cm3)，準(zhǔn)備2.20 g/cm3重漿10.5 m3。控壓起鉆過程井口控壓3.5 MPa，起鉆至約4 000 m時(shí)，注入重漿帽，然后吊灌起鉆，并按起鉆要求正常灌漿；下鉆至套管鞋后循環(huán)替出重漿帽，再控壓下鉆到底。整個(gè)起下鉆作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行灌漿與坐崗，沒有溢流情況。該起下鉆方式在井控安全情況下，簡(jiǎn)化了作業(yè)程序，較常規(guī)起下鉆作業(yè)節(jié)約時(shí)間至少23 h，見表2。

四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)“控壓起鉆+重漿帽”方式結(jié)合了全程帶壓起鉆與重漿吊灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方式不但可提高起鉆作業(yè)安全性，還可簡(jiǎn)化流程、縮短作業(yè)時(shí)間，達(dá)到提高時(shí)效、節(jié)約成本的目的。

(2)“控壓起鉆+重漿帽”方式屬于分段壓力控制方式，對(duì)于不同特性地層，應(yīng)采用不同策略和控制方式，才能在起下鉆過程保障合理的井底壓力控制。

(3)壓水眼重漿設(shè)計(jì)是“控壓起鉆+重漿帽”的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，合理壓水眼重漿設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化井底壓力控制，避免壓漏地層、減少重漿消耗及重漿、輕漿混漿的關(guān)鍵，從而節(jié)約作業(yè)時(shí)間及成本，提高作業(yè)安全性。

(4)“控壓起鉆+重漿帽”方式需要在套管中開泵循環(huán)，若下部鉆具組合帶有螺桿，可能損傷套管壁，建議采用多次開關(guān)的旁通閥，可避免注入重漿時(shí)對(duì)套管壁的損壞。