渤海油田火成巖地層呼吸效應(yīng)鉆井措施的探討

羅偉 李大偉 向良煒 陳同驍 余建生

（1、中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452 2、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 火成巖地層呼吸效應(yīng)機(jī)理

渤中34-9 油田東營組沙河街火成巖發(fā)育，主要巖性為玄武巖、安山巖、沉凝灰?guī)r等。一是火山巖多期次沉積作用形成的弱面結(jié)構(gòu)，地層承壓能力較同期正常地層壓力較小，二是天然微斷層和裂縫等地質(zhì)構(gòu)造作用形成弱面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致裂縫段發(fā)育造成井漏[1-2]。地層孔隙壓力和破裂壓力窗口密度窄，循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度（Equivalent Circulating Density ，簡稱ECD）接近地層破裂壓力，超過地層閉合鉆井液密度當(dāng)量，就會(huì)形成地層呼吸效應(yīng)，即正常鉆進(jìn)或循環(huán)會(huì)發(fā)生井下漏失，停泵后鉆井液回吐形同溢流[3]。

2 M 井作業(yè)過程

2.1 基本數(shù)據(jù)

M 井是一口目的層為沙河街的常規(guī)定向井，設(shè)計(jì)井深4283m，最大井斜48°，設(shè)計(jì)為三開井身結(jié)構(gòu)。一開φ406mm井眼鉆進(jìn)至中完井深800m，二開φ311mm 井眼鉆進(jìn)至中完井深3212m。一開及二開作業(yè)順利，未發(fā)生井漏，見圖1。

圖1 M 井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)圖

2.2 三開作業(yè)

三開φ215.9mm 使用鉆具組合為8-1/2''PDC-Bit+6-3/4''PDM(1.15°)+6-1/2''F/V+6-3/4''Neoscope+ 6-3/4''Telescope+6-3/4''NMDC+6-1/2''JAR（液壓）+5''HWDP×13+5''DP×9+ 6-3/4''水力振蕩器。鉆進(jìn)至3270m，發(fā)生失返性漏失，起鉆至套管鞋，監(jiān)測靜止漏失11m3/h。下鉆至3198m，替入堵漏漿8m3，頂替到位，堵漏漿配方為SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t，逐步提高排量至1000L/min，監(jiān)測循環(huán)漏速12m3/h。

繼續(xù)三開鉆進(jìn)至3316m，發(fā)生失返性漏失，堵漏作業(yè)。起鉆，更換簡易鉆具，鉆具組合為8-1/2''PDC-Bit+X/0（雙母浮閥）+6-1/2''DC+8''STB+6-1/2''DC×3+6-1/2''（F/J+JAR）+5''HWDP×13。下鉆至井底，繼續(xù)三開鉆進(jìn)至3376m，發(fā)生失返性漏失，鉆進(jìn)期間漏速由8m3/h 逐漸增大至16m3/h。替入堵漏漿8m3，頂替到位，堵漏漿配方為SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t。

繼續(xù)三開鉆進(jìn)至3378m，漏速逐漸增大至30m3/h。短起鉆至套管鞋，堵漏作業(yè)，堵漏漿配方為SEAL 1.0t+BLN1 1.0t+BLN2 1.0t+BLN3 0.5t。漏速減小至10m3/h，繼續(xù)三開鉆進(jìn)至3389m，機(jī)械鉆速持續(xù)只有1～2m/h，起鉆檢查鉆具，鉆頭3 個(gè)流道泥包，4 個(gè)水眼堵塞，見圖2-3。

圖2 M 井第一次鉆頭泥包照片

圖3 M 井第二次鉆頭泥包照片

更換鉆頭，下鉆至井底，三開鉆進(jìn)至3392m，機(jī)械鉆速仍只有1～2m/h，漏速為4m3/h，起鉆檢查鉆具，鉆頭3 個(gè)流道泥包，3 個(gè)水眼堵塞，底部鉆具內(nèi)有大量堵漏材料，鉆井液泵和循環(huán)管線內(nèi)殘留較多堵漏材料，導(dǎo)致鉆井液泵上水差，泵效較低。

后續(xù)鉆進(jìn)期間漏速在16～36m3/h，鉆井液殆盡則起鉆至等待配漿，然后繼續(xù)鉆進(jìn)，重復(fù)交替，最終三開鉆進(jìn)至完鉆井深4027m，三開累計(jì)使用鉆具10 趟，鉆頭泥包4 次，累計(jì)漏失鉆井液2100m3。每次接卸立柱期間，井口返出流量如同溢流，停泵后返出流量比正常鉆進(jìn)流量更大，持續(xù)十分鐘后呈衰減趨勢。

3 鉆井技術(shù)措施探討

火成巖地層呼吸效應(yīng)必然會(huì)伴隨著不同程度的井漏，8.5寸井眼漏速在15～40 方/小時(shí)，依據(jù)海洋鉆井手冊及漏速進(jìn)行分類屬于中-大漏[4]。火成巖地層漏失通道不是一個(gè)單一的點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)，而是長達(dá)數(shù)百米的火成巖井段均發(fā)生漏失，由于地層回吐，堵漏材料很難形成架構(gòu)提高地層承壓能力，不建議進(jìn)行堵漏作業(yè)，采取起鉆靜止-強(qiáng)行鉆進(jìn)的思路[5]。根據(jù)與M 井類似的出現(xiàn)地層呼吸效應(yīng)的4 口井的鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，形成了針對(duì)性的處理措施，同類型的井鉆井工期從27.41天縮短至5.2 天，作業(yè)時(shí)效大幅度提升。

3.1 優(yōu)選鉆具組合

井漏會(huì)導(dǎo)致排量收受到限制，要選擇防泥包鉆頭，優(yōu)化鉆頭井底流場，提高齒面流速，加強(qiáng)鉆頭自清潔能力，增加排屑槽面積。選擇低排量驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)鉆具，馬達(dá)彎角選擇單彎1.15 度，使用4 瓣φ209mm 的扶正套馬達(dá)鉆具，穩(wěn)斜效果和擴(kuò)眼率良好。其次選擇小排量驅(qū)動(dòng)的隨鉆測井工具，滿足井眼軌跡的測量和測井資料的收集，同時(shí)考慮堵漏材料的粒徑對(duì)井下儀器的影響。

如果已經(jīng)中靶且達(dá)到鉆探目的，井漏速度沒有明顯減緩趨勢，可以更換簡易鉆具。使用簡易鉆具鉆進(jìn)速度雖然較慢，但鉆進(jìn)過程中可以根據(jù)作業(yè)情況隨時(shí)進(jìn)行堵漏作業(yè)，堵漏配方中可以加入較大尺寸的堵漏材料，且井下工具相對(duì)正常的馬達(dá)隨鉆測井鉆具更低，埋沒成本較小。

3.2 優(yōu)選鉆井參數(shù)

排量越大循環(huán)當(dāng)量密度越大，井下漏速越大，見表1。Φ215.9mm 井段正常地層排量通常在1800～2100 升/分鐘，但為減小井下漏速，不影響井眼清潔度，預(yù)防鉆頭泥包，排量選擇1200m～1500 升/分鐘，排量小于1200 升/分鐘，鉆頭發(fā)生泥包概率大幅度提高。由于排量相對(duì)較小，鉆壓不宜過大，一般選擇3～5 噸。

表1 M 井8.5 寸井段不同鉆井參數(shù)漏速對(duì)應(yīng)表

3.3 優(yōu)化鉆井液

渤中34-9 油田東營組火山巖段地層孔隙壓力為1.03～1.12g/cm3，坍塌壓力系數(shù)達(dá)1.33g/cm3，漏失壓力系數(shù)為1.43g/cm3[2]。渤中34-9 油田東營組正常使用的鉆井液密度為1.37～1.42/cm3，為降低井筒靜液柱壓力減小漏速，將鉆井液比重控制在1.34～1.36g/cm3。監(jiān)測井口回吐的鉆井液比重1.22～1.30g/cm3，回吐的地層流體比重低于1.22g/cm3，見圖4。

圖4 M 井φ215.9mm 井段返出口鉆井液密度變化曲線

當(dāng)ECD 超過1.46g/cm3時(shí)，漏速明顯增大。地層回吐以后，鉆井液密度降低，ECD 降低至1.44g/cm3漏速有所減緩，鉆進(jìn)過程中可以通過ECD 調(diào)整鉆井液性能。為防止井壁坍塌，入口鉆井液密度不低于1.36g/cm3。停泵接立柱期間井口回吐鉆井液導(dǎo)致鉆井液密度不均勻，靜液柱當(dāng)量密度為1.32g/cm3。

井漏較為嚴(yán)重，配制鉆井液工作量巨大，但是必須保證鉆井液的基本性能，鉆井液要有一定的粘度和切粒，鉆井液的懸浮性足夠懸浮重晶石，否則重晶石容易沉淀，堵塞鉆具。

鉆井液密度越高漏失速度越大，可以根據(jù)地層的坍塌壓力逐步降低鉆井液比重，尋找更加合適的鉆井液比重。已作業(yè)4 口井靜液柱當(dāng)量密度雖然略低于坍塌壓力系數(shù)，但是起下鉆過程中井眼極其順暢，沒有坍塌跡象。

3.4 優(yōu)選堵漏方式

火成巖地層呼吸效應(yīng)導(dǎo)致的井漏是鉆遇火山通道附近，地層微裂縫發(fā)育，地層承壓能力較弱導(dǎo)致的，井漏以后嘗試過多次不同粒徑堵漏材料的堵漏作業(yè)，收效甚微。堵漏作業(yè)帶來的副作用很大，大顆粒的堵漏材料容易沉積在泥漿泵和循環(huán)管線，導(dǎo)致泥漿泵上水較差，清理循環(huán)管線和泥漿泵浪費(fèi)大量時(shí)間。堵漏材料在井筒里，不但不能堵塞漏失通道，返而容易造成鉆頭水眼堵塞和鉆具堵塞，導(dǎo)致頻繁更換鉆具。

渤海油田常用的堵漏材料主要成分為硬質(zhì)果殼、云母、蛭石，粒徑在1～10mm，堵漏材料與火成巖微裂縫配伍性不強(qiáng)，不能迅速膨脹，無法提高地層承壓能力。堵漏作業(yè)中，堵漏漿漏失過程中，漏速無明顯減小趨勢。

在φ215.9mm 井段鉆進(jìn)過程中，漏速忽大忽小，大致規(guī)律總結(jié)為，相同的鉆井參數(shù)，鉆遇沉積松散的火成巖或砂巖機(jī)械鉆速加快，漏速很快很加大，鉆遇泥巖機(jī)械鉆速變慢，漏速會(huì)有所減小。后續(xù)作業(yè)中，建議嘗試能夠提高地層壓力的堵漏方法，不建議采取常規(guī)堵漏方式。如平臺(tái)配漿速度能跟上漏失速度，建議強(qiáng)行鉆進(jìn)，見表2。

表2 渤海油田常用堵漏材料參數(shù)表

3.5 井控風(fēng)險(xiǎn)的把控

地層呼吸效應(yīng)引起井口溢流，這種溢流現(xiàn)象和傳統(tǒng)的溢流現(xiàn)象有分別。傳統(tǒng)溢流發(fā)展趨勢是井涌、井噴、井噴失控。地層呼吸效應(yīng)導(dǎo)致的溢流是停泵后即發(fā)生溢流，溢流量呈衰減趨勢，溢流量30～40m3，見圖5。如何區(qū)分兩種溢流，非常關(guān)鍵。通常情況下，發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)防噴器檢查，如果是地層呼吸效應(yīng)導(dǎo)致的溢流，讀取到的立壓和套壓幾乎為零，另外一種則有一定的立壓和套壓，需要組織壓井作業(yè)。

圖5 A 井8.5 寸井段循環(huán)池鉆井液體系變化曲線

地層呼吸回吐的地層流密度較低，監(jiān)測到的出口鉆井液最低密度小于于1.22g/cm3，井筒靜液柱壓力迅速降低無法平衡油氣層壓力，導(dǎo)致油氣層流體進(jìn)入井筒，井控風(fēng)險(xiǎn)增加。作業(yè)過程中不能對(duì)地層呼吸效應(yīng)習(xí)以為常從而忽視井控風(fēng)險(xiǎn)。鉆進(jìn)過程中要監(jiān)測好鉆井液出口密度和氣全量，特殊情況下加密監(jiān)測。根據(jù)返出鉆井液密度和返出時(shí)間計(jì)算井筒靜液柱壓力，提高入口鉆井液密度。

決定起鉆下套管前，建議裸眼段倒劃眼起鉆減少地層流體侵入量，套管內(nèi)長起前泵入重漿塞等方式保持井筒靜液柱壓力過平衡地層壓力，最佳狀態(tài)漏速控制在5 方/小時(shí)，起鉆過程中連續(xù)灌漿，做好監(jiān)測。

3.6 固井技術(shù)措施

選擇低密度1.5g/cm3及以下的水鉆井液密度，在水鉆井液稠化時(shí)間范圍內(nèi)，通過降低固井排量，加入堵漏纖維等措施盡可能降低固井過程中井底循環(huán)當(dāng)量密度。固井期間監(jiān)測計(jì)量好水鉆井液泵入量和返出量，返算水鉆井液封固井段。及時(shí)檢測固井質(zhì)量，若沒有有效封固油氣層，則采取射孔擠水泥等補(bǔ)救措施[6-7]。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

4.1 確定是地層呼吸效應(yīng)導(dǎo)致井漏，不建議進(jìn)行堵漏作業(yè)，因?yàn)椴粩嘟议_的新地層均可能發(fā)生漏失，堵漏作業(yè)導(dǎo)致鉆井循環(huán)系統(tǒng)及鉆具堵塞，堵漏效果甚微，得不償失。

4.2 強(qiáng)行鉆進(jìn)所需鉆井液量極大，預(yù)留起鉆所需鉆井液（根據(jù)最小排量且無返出計(jì)算起鉆至套管鞋所需鉆井液量）。起鉆至套管鞋處靜止等待配漿，4～8 小時(shí)靜止時(shí)間，地層自然愈合，繼續(xù)鉆進(jìn)初期漏速會(huì)減小，隨著新地層的揭開漏速逐漸變大。

4.3 作業(yè)過程中做好井控工作，在保證井壁穩(wěn)定的前提下逐步探索合理的鉆井液比重，減小漏速。比重越高，漏速越大，回吐更猛，比重下降更快，形成惡性循環(huán)。