頁巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆監(jiān)測方法研究及應用

陳 志 偉

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

隨著頁巖氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入，頁巖氣水平井技術得到規(guī)?；瘧?，為了盡可能提高頁巖氣水平井單井產(chǎn)量，要求水平井鉆井過程中，鉆頭盡可能在擁有較高滲透能力或具備可改造條件的泥頁巖裂縫發(fā)育帶的有利目標箱體中穿行，保證足夠的水平段長度。但是，頁巖氣有利目標箱體地層多發(fā)育天然微裂縫，呈現(xiàn)硬脆性力學特征，地層穩(wěn)定性差[1]，鉆進過程中井壁容易剝落產(chǎn)生掉塊，如果不能及時將掉塊從井筒環(huán)空循環(huán)排除，可能導致鉆井卡鉆事故，所以頁巖氣水平井鉆井在要求單井產(chǎn)量最大化前提下，必須對井壁易剝落地層中的卡鉆風險及時進行識別[2]。

鑒于目前還無法直接測量井壁剝落掉塊嚴重程度，而環(huán)空掉塊的數(shù)量及在環(huán)空的分布情況直接影響環(huán)空壓力的大小，盡管隨鉆環(huán)空壓力井下采集技術發(fā)展成熟[3]，但缺少相關的利用隨鉆環(huán)空壓力評價沉砂卡鉆風險的方法。本文研究了一種停泵時環(huán)空壓力窗口捕捉方法，通過建立隨鉆環(huán)空壓力數(shù)據(jù)與停泵期間井壁剝落掉塊嚴重程度表征關系，實現(xiàn)了對頁巖氣鉆井沉砂卡鉆風險評價，有助于對沉砂卡鉆事故的預判和預防，提高頁巖氣水平井施工安全性。

1 頁巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆原因分析

搜集整理四川威遠頁巖氣區(qū)塊76口井鉆井數(shù)據(jù)可知，發(fā)生卡鉆事故34口井，采用循環(huán)劃眼處理卡鉆事故損失時間占比14%，其中卡死、填井或提前完鉆21口井，嚴重影響鉆井時效，增加鉆井成本。對發(fā)生卡鉆事故井進行分析認為：卡鉆事故大多發(fā)生在起下鉆或停泵接立柱后上提期間，卡點多數(shù)在扶正器和鉆頭處，可以正常循環(huán)，鉆具下放順利，但上提困難，其原因是上部地層剝落產(chǎn)生掉塊，停泵后由于鉆井液失去攜帶能力和懸浮能力不足導致掉塊(或巖屑)沉降在井眼底邊，位于扶正器和鉆頭等處環(huán)空間隙窄小處，如圖1所示，鉆具上提時掉塊和鉆具及井壁硬性接觸導致沉砂卡鉆發(fā)生。

圖1 鉆具上提時掉塊(或巖屑)在井眼底邊堆積情況

上部地層剝落產(chǎn)生掉塊的原因如下：一是在硬脆性頁巖地層由于起下鉆或接立柱期間鉆具上提和下放產(chǎn)生的壓力波動、開泵和停泵期間由于循環(huán)壓力導致井底附加壓力的有無，造成井底壓力和地層坍塌壓力的差值變化；二是鉆具移動對硬脆性頁巖地層的機械碰撞。因此，預防頁巖氣鉆井沉砂卡鉆的關鍵是監(jiān)測停泵期間井壁剝落掉塊數(shù)量以及掉塊在鉆具和井壁形成的環(huán)形空間中的分布情況。

2 頁巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆監(jiān)測方法

2.1 環(huán)空壓力監(jiān)測窗口捕捉

停泵狀態(tài)下測量的環(huán)空壓力與鉆井液密度、井口回壓和環(huán)空掉塊(或鉆屑)數(shù)量有關，因此當鉆井液密度和井口回壓不變時，停泵狀態(tài)下測量的環(huán)空壓力大小可以直接反映環(huán)空掉塊數(shù)量[4]；在停泵到開泵的瞬間測量的環(huán)空壓力大小與鉆井液結構力、井口回壓和使沉降的掉塊重新懸浮的作用力有關，而使沉降的掉塊重新懸浮需要的作用力與掉塊在環(huán)空分布情況有關(影響環(huán)空間隙)。因此，當鉆井液結構力和井口回壓不變時，在停泵到開泵的瞬間測量的環(huán)空壓力大小可以直接反映掉塊在環(huán)空分布情況，通過定義環(huán)空壓力監(jiān)測窗口實現(xiàn)停泵期間測量的環(huán)空壓力在時間序列上可對比，并且可以表征掉塊對沉砂卡鉆的影響程度[4]。

為了方便現(xiàn)場工程應用，將環(huán)空壓力轉換為當量鉆井液密度EMW，相應地環(huán)空壓力監(jiān)測窗口就表示一定時間內當量鉆井液密度隨時間的變化關系，如圖2所示。

圖2 停泵期間環(huán)空壓力監(jiān)測窗口示意

確定環(huán)空壓力監(jiān)測窗口方法是確定最小關泵壓力、最大關泵壓力、平均關泵壓力、停泵和開泵狀態(tài)及停泵時間[3]，各量分別定義如下：

最小關泵壓力pmin：停泵期間由于起下鉆和接立柱期間鉆具上提軸向運動引起抽吸壓力時環(huán)空壓力值(pmin，tmin)。

最大關泵壓力pmax：使鉆井液恢復循環(huán)引起激動壓力時測量的環(huán)空壓力值，發(fā)生在由停泵到開泵瞬間(pmax，tmax)。

平均關泵壓力pave：停泵期間鉆具靜止穩(wěn)定一定時間內測量的環(huán)空壓力平均值(pave，tave)。

停泵和開泵狀態(tài)：測量鉆具內水眼壓力為pi，測量環(huán)空壓力為pa，當pi≤pa時可判斷是停泵狀態(tài)，當pi>pa時可判斷是開泵狀態(tài)。

停泵時間t：根據(jù)停泵和開泵狀態(tài)方法，從判斷的停泵時刻toff直到下次開泵時刻ton，那么ton-toff就是停泵時間t。

根據(jù)環(huán)空壓力監(jiān)測窗口捕捉方法，可以得出環(huán)空壓力監(jiān)測窗口((pmin,pmax),(toff,ton))，其中pmax-pmin表示窗口高度，ton-toff表示窗口寬度。

2.2 沉砂卡鉆風險評價

pave-pmin(pd)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊數(shù)量，pmax-pave(ps)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊分布情況，根據(jù)二者數(shù)據(jù)變化關系可以評價沉砂卡鉆風險大小，具體流程如圖3所示。

圖3 基于環(huán)空壓力窗口的沉砂卡鉆風險評價流程

第一步：讀取環(huán)空壓力和鉆具水眼測量數(shù)據(jù)，首先判斷環(huán)空壓力和鉆具水眼壓力大小關系用以識別停泵和關泵狀態(tài)。從開泵到停泵期間環(huán)空壓力變化特征是慢慢下降，直到等于鉆具水眼壓力，記錄此時刻t1作為窗口左邊界；從停泵到開泵期間環(huán)空壓力變化特征是逐漸升高到最大值，慢慢下降并趨于穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定時刻t2作為窗口右邊界。

第二步：在窗口左、右邊界之間，通過比較數(shù)據(jù)之間大小關系，找出最小環(huán)空壓力數(shù)值(pmin，tmin)，pmin作為窗口下邊界p1，找出最大環(huán)空壓力數(shù)值(pmax，tmax)，pmax作為窗口上邊界p2；在tmin和tmax之間環(huán)空壓力數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定期間取5條環(huán)空壓力數(shù)據(jù)平均值作為平均環(huán)空壓力值(pave，tave)。

第三步：計算pave-pmin值pd用于監(jiān)測掉塊在環(huán)空的數(shù)量，計算pmax-pave值ps用于監(jiān)測掉塊在環(huán)空分布情況；對實測環(huán)空壓力數(shù)據(jù)重復上述步驟得出全部接單根過程pd和ps值，按照順序依次繪制pd和ps曲線，并對兩條曲線進行實時監(jiān)測。

第四步：將沉砂卡鉆風險定義為4個等級，分別是高、較高、低、較低。如果pd和ps曲線同時增大，提示沉砂卡鉆風險等級高；如果pd曲線減小，ps曲線增大，提示沉砂卡鉆風險等級較高；如果pd曲線增大，ps曲線減小，提示沉砂卡鉆風險等級低；如果pd和ps曲線同時減小，提示沉砂卡鉆風險等級較低?，F(xiàn)場實際施工過程中，根據(jù)風險提示等級制定井眼清潔操作策略，防止沉砂卡鉆發(fā)生。

3 應用實例

四川威遠區(qū)塊龍馬溪組地層硬脆特征明顯且局部裂縫發(fā)育，對井下壓力波動敏感，鉆進過程中容易產(chǎn)生掉塊，區(qū)域已鉆井中在停泵上提鉆具時發(fā)生多次“秒殺式”卡鉆。A 井是一口頁巖氣開發(fā)水平井，如圖4所示，在2 950～3 050 m井段，鉆遇龍一段14號層、龍一段13號層、龍一段12號層、龍一段11號層，地層脆性指數(shù)0.37～0.77，Ca、Mg元素含量先增大后減小，井斜由61°增加到81.6°，鉆井液密度2.0 g/cm3，排量1.9～2.2 m3/min，轉速90～120 r/min，利用巖屑稱重設備[5]所測量的體積差由0.4 m3逐漸增大到2.1 m3，返出角狀掉塊增多，最大尺寸3.8 cm，平均1.5 cm(圖4)。以上變化表明：(1)該井段鉆遇多個小層，地層脆性逐漸增大，地層脆性主要受白云巖、方解石影響；(2)隨著井斜角的逐漸增加，地層坍塌壓力逐漸增大；(3)返出巖屑體積差逐漸增加，井壁剝落產(chǎn)生掉塊。該井段井壁穩(wěn)定性差，鉆進過程井壁易剝落產(chǎn)生掉塊，如果掉塊未及時返出則容易導致“秒殺式”卡鉆事故。因此，需要在停泵上提鉆具時評價掉塊卡鉆風險，通過優(yōu)化施工，提高鉆井施工安全。

為了進一步驗證本文研究方法評價沉砂卡鉆的可行性，在2 950～3 050 m井段實時測量了井下環(huán)空壓力值，隨鉆捕捉了環(huán)空壓力監(jiān)測窗口。圖5顯示了連續(xù)采集5次接立柱期間的最大環(huán)空壓力當量密度EMWmax、平均環(huán)空壓力當量密度EMWave和最小環(huán)空壓力當量密度EMWmin變化情況；圖6顯示了利用本文研究的沉砂卡鉆風險評價方法得到的掉塊在環(huán)空的數(shù)量pd和掉塊在環(huán)空分布ps變化情況?？梢钥闯雒看谓恿⒅陂gEMW的大小和變化趨勢：從第1號立柱到第4號立柱，隨著EMWmax和EMWave增加，相應的pd在增加；隨著EMWave和EMWmin增加，相應的ps在增加。這表明井下沉砂卡鉆風險高，現(xiàn)場技術人員據(jù)此及時建議鉆井操作人員增加循環(huán)時間和拉劃次數(shù)提高環(huán)空掉塊(或巖屑)返出效率，防止沉砂卡鉆事故發(fā)生。建議得到采納后，第5號立柱pd和ps同時減小，表明沉砂卡鉆風險降低到安全水平；同時，第4號立柱打完循環(huán)和拉劃期間發(fā)現(xiàn)實際返出巖屑數(shù)量大于理論值，證明了利用本文研究的方法判斷沉砂卡鉆風險的正確性。

圖4 A井井眼清潔監(jiān)測圖

圖5 EMW值變化趨勢曲線

圖6 掉塊分布和掉塊數(shù)量趨勢曲線

4 結論與認識

本文利用隨鉆環(huán)空壓力分析環(huán)空掉塊含量和分布情況，建立了基于隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測窗口的沉砂卡鉆評價方法,為頁巖氣水平井卡鉆預判和預防提供了可行的技術手段，在研究和應用中取得了如下認識:

(1)威遠頁巖氣水平井卡鉆突發(fā)性強，屬于掉塊、鉆柱和井壁硬性接觸的力學卡鉆，要想對其實現(xiàn)預判和預防需要直接和間接評價環(huán)空掉塊情況。

(2)本文建立的沉砂卡鉆風險評價方法可以有效分析停泵期間環(huán)空巖屑濃度和環(huán)空巖屑分布，根據(jù)二者變化趨勢得出沉砂卡鉆風險等級。

(3)下一步需要根據(jù)建立的沉砂卡鉆評價方法開發(fā)一套基于環(huán)空壓力的頁巖氣水平井鉆進卡鉆風險評價軟件系統(tǒng)，有效支撐頁巖氣水平井鉆井卡鉆事故防治。