漏失地層圈閉壓力的形成與處置技術(shù)

劉德平，付 燾，楊 璨，劉風(fēng)云，趙任飛，李秋茂，蔡 剛

中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司

0 引言

在鉆井作業(yè)中因井漏治理、精細(xì)控壓作業(yè)以及因工藝需要向地層推入鉆井液，當(dāng)外部流體進(jìn)入地層的速度大于地層漏失速度，因漏斗效應(yīng)會(huì)形成短期圈閉壓力[1-2]，形成的圈閉壓力越大，處置難度、風(fēng)險(xiǎn)也越大。本文針對(duì)漏失地層形成的短期圈閉壓力的處置技術(shù)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 溢流與回流

1.1 原生地層流體與次生地層流體

1.1.1 原生地層流體

原生地層流體指在地層沉積過程中，地層流體生成、運(yùn)移，最后儲(chǔ)存在地層孔隙、裂縫中的流體。原始地層流體壓力系數(shù)一般高于靜水柱，有的可能會(huì)更高。

1.1.2 次生地層流體

次生地層流體是指在鉆、完井作業(yè)中由于井漏治理[3-4]、精細(xì)控壓鉆井以及因工藝需要向地層推入的鉆井液，這類進(jìn)入地層的外部流體為次生地層流體。次生地層流體進(jìn)入有圈閉或有限圈閉的漏失空間，會(huì)形成圈閉壓力或短期圈閉壓力，壓力系數(shù)一般高于原始地層流體。

1.2 溢流與回流

1.2.1 溢流

溢流是指井內(nèi)液柱壓力低于原始地層壓力，地層中原始地層流體進(jìn)入井筒，造成井口返出的鉆井液大于泵入量的現(xiàn)象，或停泵后井口鉆井液自動(dòng)外溢的現(xiàn)象。

1.2.2 回流

在鉆井作業(yè)中由于井漏治理、精細(xì)控壓[5]以及因工藝需要向地層推入鉆井液，外部流體進(jìn)入漏失地層的進(jìn)入量大或者地層漏失通道小，停泵后進(jìn)入地層的外部流體在未關(guān)井的條件下回流到井筒的現(xiàn)象。

2 圈閉壓力形成原因分析

2.1 地層原因

地層漏失通道一般為孔隙、微裂縫，存在漏失通道(容積)小、縫洞發(fā)育程度低的現(xiàn)象以及壓裂性井漏，漏失體存在圈閉或有限圈閉。在有圈閉的漏失層中一般不會(huì)表現(xiàn)為失返性漏失，有的井可能表現(xiàn)為短暫性失返，在漏失達(dá)到一定量的情況下井漏會(huì)出現(xiàn)減小甚至不漏的現(xiàn)象。

2.2 工藝原因

2.2.1 堵漏作業(yè)

鉆遇較大的井漏一般要進(jìn)行堵漏作業(yè)，堵漏作業(yè)通常會(huì)通過關(guān)井蹩擠提高堵漏效率。當(dāng)堵漏作業(yè)中鉆井液、堵漏漿等外部流體進(jìn)入漏層速度大于漏失速度，以及在蹩擠或者循環(huán)加壓施工停泵后可能形成圈閉壓力或短期圈閉壓力。

2.2.2 關(guān)井推入鉆井液

采用精細(xì)控壓鉆井作業(yè)時(shí)[6-7]，向地層反推鉆井液是一項(xiàng)常用的技術(shù)措施，可以有效地將重漿帽、氣侵鉆井液推入地層。外部流體漏入(擠入)地層，會(huì)產(chǎn)生漏失壓力疊加效應(yīng)，漏失壓力一般會(huì)逐漸增加[8-9]。以HS-2井為例，?149.2 mm井眼段長(zhǎng)394.2 m，裸眼容積7.20 m3，在鉆、完井近4個(gè)月的作業(yè)時(shí)間里漏失、推入漏失地層的鉆井液為3 500 m3，是裸眼容積的486倍，鉆井液密度從1.25 g/cm3提高到1.35～1.38 g/cm3，漏失(推入)量與漏失壓力的關(guān)系見圖1。

圖1 漏失(推入)量與漏失壓力的關(guān)系

3 圈閉壓力處置技術(shù)

對(duì)于圈閉壓力，特別是圈閉能量較大的圈閉壓力，關(guān)井后通過地層漏失通道延展、地層再漏失進(jìn)行壓力釋放難度比較大。HS-2井在燈影組精細(xì)控壓作業(yè)中一次性反推鉆井液，停泵后壓力降至17.5 MPa，關(guān)井5.5 h后壓力從17.5 MP↓12 MPa。如果繼續(xù)關(guān)井，通過地層內(nèi)部釋放能量所耗時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)，如圖2所示。

圖2 地層圈閉壓力內(nèi)部釋放示意圖

3.1 井控風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1.1 單一層位風(fēng)險(xiǎn)較小

在同一層位，地層壓力系數(shù)、壓力窗口清楚，井控風(fēng)險(xiǎn)較低。推入量較大會(huì)將原始地層流體推離井筒較遠(yuǎn)，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更小[10-12]。HS-2井在燈影組鉆、完井作業(yè)中出現(xiàn)了4次較大地層回流，成功地進(jìn)行了處置。

3.1.2 不同壓力系統(tǒng)同存風(fēng)險(xiǎn)較大

同一裸眼中不同層位、不同壓力系統(tǒng)同存，且氣漏不同層，則井控風(fēng)險(xiǎn)較大。處置前需要具體分析研究漏失壓力、油氣水層壓力[13-14]，判斷進(jìn)入井筒流體性質(zhì)。如果漏失壓力仍大于油氣水層壓力，次生地層流體回流的可能性比較大。

3.2 處置關(guān)鍵技術(shù)

通過節(jié)流管匯釋放圈閉壓力，要進(jìn)行處置難度、井控風(fēng)險(xiǎn)分析，制定井控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。釋放較高的圈閉壓力，應(yīng)采取控壓措施，在釋放過程中根據(jù)控壓壓力變化、單位時(shí)間回流量變化以及累計(jì)回流量進(jìn)行處置。壓力較低的圈閉，在未控壓的情況下根據(jù)單位時(shí)間回流量變化、累計(jì)回流量進(jìn)行處置。

(1)通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯上的節(jié)流閥控壓釋放地層圈閉壓力。如果是次生地層流體回流，壓力會(huì)一直呈下降趨勢(shì);如果壓力有上升趨勢(shì)，原始地層流體進(jìn)入了井筒，應(yīng)及時(shí)關(guān)井，啟動(dòng)井控處置方案。

(2)單位時(shí)間內(nèi)次生地層的流體回流量會(huì)一直呈下降趨勢(shì)。如果單位時(shí)間回流量有上升趨勢(shì)，原始地層流體進(jìn)入了井筒，應(yīng)及時(shí)關(guān)井，啟動(dòng)井控處置方案。

3.3 有效降低地層流體回流措施

地層流體回流量與本次漏入或推入地層的液體量有關(guān)，推入量越多、排量越大、壓力越高發(fā)生地層流體回流可能性越大。地層回流量不會(huì)大于本次進(jìn)入漏失層的量，但隨著漏失量或推入量的增加，漏失壓力或擠入壓力會(huì)增加，地層回流會(huì)量可能會(huì)多，處置難度會(huì)增大。

3.3.1 合理的鉆井液密度

在窄壓力窗口鉆完井作業(yè)宜采用精細(xì)控壓技術(shù)，合理的鉆井液密度可以有效減少鉆完井作業(yè)中鉆井液漏失量[15]，降低鉆、完井作業(yè)難度。

3.3.2 合理應(yīng)用反推技術(shù)

目前精細(xì)控壓技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)全程控壓，起鉆過程中替注蓋帽鉆井液，下鉆到井底附近再把蓋帽鉆井液推入漏層。鉆完井時(shí)間越長(zhǎng)、起下鉆次數(shù)越多，漏失、推入地層的鉆井液越多，鉆井難度越大[16-17]。精細(xì)控壓作業(yè)要合理使用反推技術(shù)，特別在起下鉆作業(yè)中，只要有條件應(yīng)堅(jiān)持把蓋帽鉆井液循環(huán)出來[18]，盡量減少外部流體進(jìn)入漏失層。

3.3.3 提高鉆完井效率

精細(xì)控壓鉆完井作業(yè)過程中起下一趟鉆漏(反推)進(jìn)漏層鉆井液至少30～50 m3，只有提高鉆完井效率、縮短鉆完井周期才能有效減少外部流體進(jìn)入漏失層。

4 圈閉壓力處置案例

4.1 單一層位地層回流

4.1.1 基本情況

HS-2井?177.8 mm套管下至燈影組頂部、井深5 686 m，燈影組鉆厚394.2 m，井身結(jié)構(gòu)見圖3所示。燈影組鉆完井時(shí)間近4個(gè)月，漏失、推入漏失地層的鉆井液為3 500 m3，先后發(fā)生了4次異常地層回流。

圖3 HS- 2井井身結(jié)構(gòu)示意圖

HS-2井?177.8 mm套管固井后，用密度1.25 g/cm3鉆井液鉆至井深5 856.38 m井漏失返，裸眼段長(zhǎng)216.38 m、裸眼容積3.95 m3，堵漏2次,吊灌并起鉆下光鉆桿堵漏。正反推鉆井液10次，前后14 d,漏失、擠入地層鉆井液近2 000 m3，堵漏效果差。采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)后，反推密度1.25 g/cm3鉆井液70 m3+密度1.60 g/cm3鉆井液20 m3+密度1.25 g/cm3鉆井液10 m3，停泵返吐30 m3以上仍然回流不止，全井正反推密度1.60 g/cm3鉆井液110 m3，套壓很快降到0，敞井起鉆。下鉆至井深5 480 m，預(yù)計(jì)井內(nèi)還有密度1.60 g/cm3高密度鉆井液40 m3。因?yàn)榫┭h(huán)排1.60 g/cm3高密度鉆井液難度較大,采用密度1.25 g/cm3鉆井液100 m3將井內(nèi)密度1.60 g/cm3高密度鉆井液推進(jìn)漏失地層，排量16～18 L/s，套壓20～23 MPa，停泵后泵壓17.5 MPa，關(guān)井觀察5.5 h套壓17.5 MPa↓12 MPa。

4.1.2 圈閉壓力處置難度與風(fēng)險(xiǎn)分析

雖然該井為典型的窄密度窗口，裸眼為單一層位，但圈閉壓力高，關(guān)井5.5 h后壓力僅降了5.5 MPa，隨著壓力的逐漸降低，通過地層漏失通道延展、地層再漏失釋放圈閉壓力時(shí)間可能會(huì)較長(zhǎng)。

根據(jù)MG構(gòu)造燈影組大量的鉆完井資料表明，燈影組壓力系數(shù)一般為1.05～1.08，最高壓力系數(shù)不超過1.15。該井燈影組設(shè)計(jì)壓力系數(shù)為1.05。采用密度為1.25 g/cm3的鉆井液鉆井,井漏失返、液面在井口，鉆井作業(yè)中油氣顯示不明顯。分析認(rèn)為，通過節(jié)流管匯控壓釋放圈閉壓力井控安全是可控的。

4.1.3 圈閉壓力處置情況

(1)控壓釋放圈閉壓力。通過調(diào)節(jié)壓井管匯節(jié)流閥控壓釋放圈閉壓力，每5 min記1次套壓值，在壓力值有下降趨勢(shì)時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥降低控壓值1～1.5 MPa，重復(fù)作業(yè)。通過節(jié)流管匯經(jīng)液氣分離器控壓泄壓，連續(xù)泄壓時(shí)間長(zhǎng)達(dá)140 min，在控壓釋放過程中壓力一直呈下降趨勢(shì)，最后降到0。開井循環(huán)，恢復(fù)正常，地層回流量較大。HS-2井控壓釋放地層回流壓力變化見圖4。

圖4 HS- 2井控壓釋放地層回流壓力變化

在釋放圈閉壓力期間，每5 min記1次回流量、累計(jì)回流量。在沒調(diào)節(jié)節(jié)流閥的條件下，單位時(shí)間的回流增量會(huì)呈下降趨勢(shì)，最后斷流。HS-2井控壓釋放地層回流量變化見圖5。

圖5 HS- 2井控壓釋放地層回流量變化

4.2 多壓力系統(tǒng)同存地層回流

4.2.1 基本情況

JT-1井?273.05 mm套管下深6 056 m(龍?zhí)兜?，見圖6。固井后用?241.3 mm鉆頭及密度1.97 g/cm3鉆井液鉆至茅口組頂，在井深6 158.98 m出現(xiàn)溢流關(guān)井，茅口組實(shí)際壓力系數(shù)2.19。壓井后用密度2.30～2.32 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)至井深7 370 m(筇竹寺底)井漏至失返，累計(jì)漏失鉆井液220 m3。靜止觀察，液面在井口。

圖6 JT- 1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

4.2.2 堵漏作業(yè)形成圈閉壓力

采用密度2.30 g/cm3、濃度20%橋漿30.0 m3，關(guān)井蹩擠堵漏，橋漿進(jìn)漏層24.0 m3。候堵8 h后用密度2.30 g/cm3鉆井液循環(huán)，泵壓6.0 MPa，排量12 L/s，出口未返。繼續(xù)候堵7 h，液面在井口，出口無異常。開泵循環(huán)測(cè)漏速，泵壓7.5～17.4 MPa，排量14～22 L/min，漏速60～12 m3/h，漏速逐漸減小，漏失鉆井液21.0 m3，停泵后地層流體回流。

4.2.3 圈閉壓力處置難度與風(fēng)險(xiǎn)分析

該井裸眼中多壓力系統(tǒng)同存，上有茅口組的高壓氣層，下有筇竹寺漏失層，是同一裸眼中較為典型的氣漏同存，釋放回流有井控風(fēng)險(xiǎn)。但茅口組實(shí)際壓力系數(shù)2.19，鉆井井漏密度2.30～2.32 g/cm3，井漏后液面一直在井口，筇竹寺漏失壓力大于茅口組地層流體壓力，井控風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

4.2.4 圈閉壓力處置情況

該井因?yàn)槎侣┖笱h(huán)井漏，漏速逐漸減小至不漏，停泵有回流，從現(xiàn)象上看形成了輕微圈閉。采取通過節(jié)流管匯控制單位時(shí)間內(nèi)回流量、累計(jì)回流量釋放地層圈閉壓力。每5 min液面上漲1.2 m3逐漸降至出口斷流，累計(jì)回流20 m3，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)120 min，地層回流量釋放變化見圖7。

圖7 JT- 1井釋放地層回流量變化

5 認(rèn)識(shí)與建議

(1)漏失地層形成的圈閉能量，不僅與圈閉壓力、圈閉的大小有關(guān)，還與漏失地層漏失性質(zhì)、漏失通道有關(guān)。

(2)無論是原生地層流體、還是次生地層流體進(jìn)入井筒都有風(fēng)險(xiǎn)。原生地層流體進(jìn)入井筒容易引起井控風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)入井筒量越多，井控風(fēng)險(xiǎn)越大。要高度重視地層流體進(jìn)入井筒量較大的流體性質(zhì)分析和處置技術(shù)研究，確保井控安全。

(3)目前的精細(xì)控壓技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)全程控壓，起下鉆作業(yè)還需要采用重漿蓋帽技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步開展精細(xì)控壓技術(shù)系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)鉆完井全過程精細(xì)控壓作業(yè)。減少起下鉆等作業(yè)漏入地層、擠入地層的鉆井液量，漏失地層形成圈閉壓力的可能性會(huì)大大降低，既保護(hù)了產(chǎn)層、又降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

(4)針對(duì)MX、GST構(gòu)造窄密度窗口的儲(chǔ)層承壓堵漏難度大、堵漏成功率低，采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)時(shí)又存在起下鉆過程中重漿蓋帽致鉆井液進(jìn)入漏失地層而形成圈閉壓力。針對(duì)這一技術(shù)問題應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)研究。