大牛地下古巖溶縫洞儲層安全鉆井技術(shù)

袁本福

中國石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院（河南 鄭州 450006）

大牛地氣田下古生界是中國石化華北油氣分公司重要的儲量和產(chǎn)量接替區(qū)，天然氣資源量650×108m3，目前投產(chǎn)100 余口井，最高無阻流量52.68×104m3/d。與中石油長慶靖邊氣田同屬盆地中部風(fēng)化殼巖溶斜坡帶，是風(fēng)化殼巖溶縫洞儲層發(fā)育的有利區(qū)，與大牛地上古生界碎屑巖的沉積作用不同，下古生界碳酸鹽巖受白云化影響造成了巖性差異，受到沉積后不同時期構(gòu)造應(yīng)力的變化產(chǎn)生了不規(guī)則的裂縫，流體沿著裂縫流動發(fā)生了大量的巖溶作用，最終出現(xiàn)了不規(guī)則的溶蝕孔、裂縫及縫洞，整體非勻質(zhì)性較強，鉆井工程面臨諸多技術(shù)難題。

1 下古巖溶縫洞儲層鉆井難點

1.1 安全密度窗口較窄，鉆井易發(fā)生井漏、溢流

馬家溝組地層白云巖、灰?guī)r發(fā)育天然裂縫和溶蝕孔，當(dāng)?shù)貙訅毫Σ荒芷胶忏@井液液柱壓力時會發(fā)生井漏，同時由于天然裂縫的存在，呈現(xiàn)漏失量大，漏失速度快的特點，若不能及時補充井筒漏失的鉆井液，又因鉆井液液柱壓力不能平衡地層壓力，導(dǎo)致溢流發(fā)生。通過分析下古2 口嚴重漏失、溢流水平井可知（表1），鉆井液安全密度窗口在1.06~1.08 g/m3，安全密度窗口較窄，漏、溢矛盾突出，給下古巖溶縫洞儲層安全鉆井帶來了挑戰(zhàn)。

表1 部分水平井井漏、溢流情況

1.2 下古鹽膏層發(fā)育，存在鹽溶、鈣侵及鉆井液污染

馬家溝組地層以白云巖、灰?guī)r為主，局部含膏白云巖、偶夾膏巖層，存在鹽溶、鈣侵以及鉆井液污染等難題。D126 井目的層使用常規(guī)鉀銨基聚合物鉆井液體系，鉆至井深3 194 m馬三段地層時，鉆井液污染嚴重，流變性變差，通過控制鉆時鉆進，添加抗鹽抗鈣類處理劑循環(huán)處理調(diào)整鉆井液性能，自3 194 m 至完鉆井深3 548 m 鉆進過程中，不斷進行小型試驗和助劑配比調(diào)整，損失時間1.6 d，影響了正常鉆井進度，給鉆井施工帶來一定的風(fēng)險。

1.3 防漏堵漏措施不當(dāng)易造成儲層污染

下古巖溶縫洞儲層井漏問題比較突出，尤其是水平井儲層漏失比例較高。為了防漏堵漏水平段，鉆進過程中通常提前向鉆井液中加入FDL-1、SDL等隨鉆堵漏劑，發(fā)生井漏時通常應(yīng)用常規(guī)的單封、彈性顆粒、橋塞堵漏劑、復(fù)合堵漏劑等進行堵漏作業(yè)，雖然起到了封堵地層溶孔和裂縫的作用，但水泥類和常規(guī)堵漏材料酸溶率低，對儲層也造成了一定的傷害，影響后期投產(chǎn)效果，因此需要優(yōu)化防漏堵漏技術(shù)，降低對儲層的污染，提高儲層保護效果。

1.4 下古儲層含有硫化氫，鉆井存在安全風(fēng)險

DPF-X3 井為三級井身結(jié)構(gòu)水平井，儲層馬五5，二開導(dǎo)眼鉆至下古地層3 228 m時，井口監(jiān)測有硫化氫氣體，濃度最高22 mg/m3，投產(chǎn)后硫化氫濃度最高4 980 mg/m3。D351 井鉆至目的層3 264 m 時，井口監(jiān)測硫化氫濃度42 mg/m3，試氣階段硫化氫濃度最高3 136 mg/m3。多口井鉆井過程中監(jiān)測到硫化氫，存在安全隱患，鉆井施工需要做好防硫技術(shù)措施。

2 下古巖溶縫洞儲層安全鉆井技術(shù)對策

2.1 簡易控壓鉆井技術(shù)

控壓鉆井技術(shù)在解決復(fù)雜地層安全鉆井方面發(fā)揮了重要作用，可降低井下復(fù)雜發(fā)生，有效縮短非生產(chǎn)時間，提高復(fù)雜地層鉆井成功率和石油天然氣開發(fā)經(jīng)濟效益。精細控壓鉆井技術(shù)有微流量控制、井底恒壓控制等多種方式，配套設(shè)備比較復(fù)雜，一般包括旋轉(zhuǎn)控制頭、自動節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓泵系統(tǒng)、PWD 井下隨鉆測壓系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

簡易控壓鉆井技術(shù)與精細控壓鉆井相比，對壓力控制的能力相對不足，但與傳統(tǒng)過平衡鉆井方式相比，針對窄安全密度窗口或裂縫性地層，其對環(huán)空壓力剖面控制具有快速、靈活的特點，對于鉆進過程中發(fā)生的溢流、井漏處理能力更強[1-2]，簡易控壓流程如圖1所示。大牛地下古巖溶縫洞氣層壓力系數(shù)范圍在0.84~0.93，整體屬于低壓-常壓范圍，對控壓設(shè)備要求不高，使用簡易控壓技術(shù)即可節(jié)約成本，又能滿足近平衡鉆井要求。

圖1 簡易控壓鉆井系統(tǒng)流程圖

2.1.1 壓力監(jiān)測與控制

1）壓力監(jiān)測方法。簡易控壓鉆井系統(tǒng)在節(jié)流管匯前和泥漿泵出口均安裝有壓力表，可實時監(jiān)測到泥漿進出口壓力變化，進出口壓力的監(jiān)測用于計算井筒壓力剖面、確定ECD（循環(huán)當(dāng)量密度），進而確定壓力控制調(diào)節(jié)的方式與回壓控制范圍，節(jié)約了PWD井下隨鉆測壓工具的費用。

2）壓力控制方法。壓力控制可采用變循環(huán)排量、變密度或手動節(jié)流的方式，而實際應(yīng)用最具操作性、迅速的是通過手動節(jié)流控制回壓。回壓的控制可采用兩個標(biāo)準(zhǔn)：一是可參照出口流量與壓力，以流量為主；二是可參照注入立壓，通過恒定立壓保持井底壓力處于控制范圍內(nèi)[1-3]。

2.1.2 具體操作流程

鉆井過程中，在鉆進、接單跟及起下鉆等不同工況下，鉆具組合會對井筒內(nèi)流體產(chǎn)生不同的壓力擾動，井筒壓力剖面由此會處于波動變化狀態(tài)，為降低鉆井液漏失或流體侵入等井下復(fù)雜引起井筒壓力波動較大而導(dǎo)致嚴重井下事故發(fā)生，通過人為操作干預(yù)以保持井底壓力處于可控范圍內(nèi)，是簡易控壓鉆井技術(shù)安全、有效操作成功的關(guān)鍵[4-5]。

1）鉆進：一口井開鉆前，要先收集或計算出地層孔隙壓力、地層漏失壓力以及地層破裂壓力三壓力剖面，在鉆井液當(dāng)量密度滿足大于地層孔隙壓力和小于地層破裂壓力所需當(dāng)量密度的原則基礎(chǔ)上，通過精確的水力學(xué)計算確定合理的鉆井液密度、ECD值（循環(huán)當(dāng)量密度）、排量、應(yīng)施加的回壓值等，排量大小應(yīng)滿足攜巖要求，ECD值可調(diào)節(jié)范圍應(yīng)合理、操作性強，且井口回壓在安全范圍內(nèi)，控制井底處于微過或溢漏平衡點狀態(tài)。

2）接單根：接單根時要關(guān)井停泵，環(huán)空中的循環(huán)壓耗消失，此部分壓力作用于井口回壓，井底仍可處于與地層壓力平衡狀態(tài)，為避免接單根停泵條件下關(guān)井操作壓力過高，通過節(jié)流管匯調(diào)節(jié)回壓，使鉆井液當(dāng)量密度處于合理的范圍。

3）起下鉆：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一是控制起下鉆速度在安全范圍內(nèi)，二是定量、及時灌漿，確保鉆井液液柱壓力平衡地層壓力，保障起、下鉆過程中井筒液柱與地層壓力平衡，減少地層流體侵入，實現(xiàn)開井起、下鉆。補充的鉆井液要根據(jù)當(dāng)前鉆井液密度、井身結(jié)構(gòu)與井底情況計算泵入量，保證足量而不過量，避免壓漏地層。

2.2 無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系應(yīng)用

為了實現(xiàn)大牛地氣田下古少井高產(chǎn)的目標(biāo)要求，以“無土相、低密度、強酸溶”為設(shè)計理念，嚴格控制液相、固相侵入儲層，優(yōu)化抗鹽抗鈣性能，配合解堵完井液實現(xiàn)全程儲層保護。以硅酸鈉為主劑，結(jié)合優(yōu)選淀粉、防水鎖劑等助劑，自主研發(fā)形成無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系，該體系無土相、防水鎖，基質(zhì)滲透率恢復(fù)值高達90%以上，高酸溶性可將裂縫性儲層的滲透率恢復(fù)值由48.6%提升至81.24%，有效保護儲層[6-8]。無土相硅酸鹽儲保鉆井液與鉀銨基聚合物鉆井液性能對比見表2。

表2 無土相硅酸鹽儲保鉆井液與鉀銨基聚合物鉆井液性能對比

主要配方：清水+5%氯化鉀+0.1%黃原膠+2%抗高溫淀粉+5%硅酸鈉+1%環(huán)保潤滑劑+適量超細碳酸鈣+其他助劑。

針對馬家溝組下古地層巖性變化特征，現(xiàn)場應(yīng)用過程中要根據(jù)鉆井液化驗結(jié)果及時調(diào)整鉆井液性能指標(biāo)，以滿足安全、高效鉆進要求。進入下古馬家溝組地層前，加入5%（體積分數(shù)，下同）硅酸鈉和5%氯化鉀，完成無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系轉(zhuǎn)換；進入下古馬家溝組地層后，地面按規(guī)定實時監(jiān)測H2S濃度，如果鉆遇硫化氫，按照鉆井液體積的0.5%~2%及時添加堿式碳酸鋅除去硫化氫，維護鉆井液pH 大于9.5，儲層段鉆進控制失水小于5 mL，鉆井液密度小于1.08 g/cm3，坂土含量小于30 g/L，測量中壓失水時若出現(xiàn)瞬時濾失量較大時，應(yīng)立即采用黃原膠和改性淀粉進行維護，若坂含量上升過快，黏度難以控制，應(yīng)停鉆循環(huán)，并開啟四級固控設(shè)備充分處理，并提升氯化鉀和硅酸鈉的加量。若鉆遇鹽膏層，應(yīng)及時檢測鈣鎂離子含量，并采用純堿進行清除，加入抗鹽、抗鈣能力較強的聚陰離子纖維素和復(fù)合離子型聚丙烯酸鹽等處理劑維護好鉆井液性能。

2.3 水平段縫洞儲層防漏堵漏技術(shù)

為了滿足地質(zhì)儲層保護要求和安全鉆井要求，水平段鉆井液中及時添加強酸溶防漏堵漏劑為安全鉆進提供技術(shù)保障。強酸溶堵漏劑是通過研選具有不同特性的防漏堵漏材料，按照不同比例進行復(fù)配后形成的堵漏劑，主要是基于強力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理，顆粒之間通過擠壓產(chǎn)生接觸應(yīng)力，相互嵌入后形成力鏈結(jié)構(gòu)，分散的力鏈結(jié)構(gòu)逐漸堆積、擠壓形成具有一定強度的封堵層。其中SDGD（剛性堵漏劑）為不同粒徑的礦物顆粒，SDRUB（彈性橡膠堵漏劑）為不同粒徑的彈性橡膠顆粒，SDFIB（纖維堵漏劑）為不同長短復(fù)合纖維，SDFT（軟化瀝青）為變形充填顆粒，其他防漏堵漏材料有單封、果殼、彈性顆粒等。其中單封、核桃殼、彈性顆粒等屬于低酸溶率材料，SDGD（剛性堵漏劑）等則屬于高酸溶性材料，部分架橋、填充、纖維類堵漏材料酸溶率不小于95%，封堵層骨架酸溶后，儲層滲透率恢復(fù)值高[9-10]。強酸溶防漏堵漏配方的酸溶率評價見表3，室內(nèi)承壓實驗如圖2 所示，強酸溶堵漏材料泥餅如圖3所示。

表3 強酸溶防漏堵漏配方的酸溶率評價結(jié)果

圖2 強酸溶堵漏材料室內(nèi)承壓實驗

圖3 強酸溶堵漏材料泥餅

通過室內(nèi)實驗結(jié)果，優(yōu)選出強酸溶堵漏劑配方1#，針對不同類型漏失，形成了2 種防漏堵漏方案，分別為強酸溶隨鉆暫堵和惡性漏失強酸溶凝膠堵漏。當(dāng)漏速在0~10 m3/h時，應(yīng)用強酸溶隨鉆堵漏材料，鉆井過程中，在易漏失層位隨鉆加入強酸溶隨鉆暫堵，提前預(yù)防鉆井漏失，若鉆井過程中無惡性漏失發(fā)生，投產(chǎn)前酸洗，一個循環(huán)周即可。當(dāng)漏速大于10 m3/h，采用惡性漏失強酸溶堵漏儲保方案進行堵漏作業(yè)，堵漏成功后繼續(xù)鉆進至完鉆，投產(chǎn)前酸洗，酸溶時間48 h。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

因DK13-X1、DK13-FP X2井發(fā)生井漏、溢流被迫提前完鉆后，后期部署井全部配套使用旋轉(zhuǎn)控制頭、節(jié)流管匯回壓控制系統(tǒng)、無土相鉆井液體系、強酸溶防漏堵漏等關(guān)鍵技術(shù)，目前在下古儲層5 口水平井實現(xiàn)了成功應(yīng)用，其中4 口井通過靈活控制水平段鉆井液密度范圍在1.06~1.08 g/cm3內(nèi)，保障了水平段巖溶縫洞儲層安全、高效鉆進，另DK13-X12井因水平段鉆遇較大裂縫，發(fā)生了溢流，但通過簡易控壓裝備實現(xiàn)了不壓井正常鉆進，并超出地質(zhì)設(shè)計水平段20 m完鉆。

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用效果

DK13-X12 設(shè)計井深4 389 m，設(shè)計水平段長1 200 m，鉆至3 375 m 時（水平段186 m）發(fā)生井漏，鉆井液密度1.08 g/cm3，漏速2~3 m3/h，鉆井液中及時添加強酸溶堵漏劑，有效地控制了井漏，保障正常鉆進。鉆進至4 360 m時（水平段1 171 m）發(fā)生溢流，通過地面節(jié)流管匯節(jié)流循環(huán)放噴點火，火苗高約20 cm，同時鉆井隊利用旋轉(zhuǎn)控制頭繼續(xù)鉆進至4 409 m完鉆，實鉆水平段1 220 m不壓井、不起鉆一趟鉆完成，用時5.94 d，刷新下古水平段最短周期記錄。該井應(yīng)用無扶螺桿和五刀翼強研磨鉆頭保障了一趟鉆高效鉆進；強酸溶堵漏降低了儲層傷害，后期室內(nèi)實驗堵漏劑酸溶率大于91%，滲透率恢復(fù)值大于90%，達到了儲層保護的目的；旋轉(zhuǎn)控制頭與節(jié)流管匯回壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)了簡易控壓正常鉆進，避免了因溢流無法控制，只能壓井打水泥塞提前完鉆情況的發(fā)生。

3.2 酸壓投產(chǎn)效果

DK13-X12酸壓后，最大油嘴16 mm+20 mm，初期最大產(chǎn)量約10×104m3/d，投產(chǎn)后穩(wěn)定配產(chǎn)4.2×104m3/d，油壓17.2 MPa，生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)量相比鄰井DK13-X11井大幅提升，提升幅度達到49%以上（圖4與表4）。

圖4 DK13-X12酸壓后試氣放噴階段

表4 DK13-X12酸壓參數(shù)及投產(chǎn)后生產(chǎn)情況與DK13-X11對比

4 結(jié)論與建議

1）針對下古巖溶縫洞儲層安全鉆井難點，通過應(yīng)用簡易控壓鉆井技術(shù)、無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系、強酸溶防漏堵漏技術(shù)，解決了窄密度窗口漏溢矛盾、鉆井液污染、硫化氫風(fēng)險以及常規(guī)防漏堵漏造成儲層傷害的難題。

2）4口井通過靈活控制水平段鉆井液安全密度窗口，保障了巖溶縫洞儲層安全、高效鉆進；DK13-X12 在發(fā)生井漏、溢流的情況下，實現(xiàn)了水平段1 220 m 不壓井、不起鉆一趟鉆完成施工，避免了打水泥塞提前完鉆，初期最大產(chǎn)量約10×104m3/d，不僅控制了損失，而且創(chuàng)造了更大的效益。

3）建議加強地質(zhì)、工程一體化技術(shù)協(xié)作，地質(zhì)提高儲層裂縫預(yù)測精度，工程根據(jù)預(yù)測結(jié)果做好針對性配套技術(shù)應(yīng)用，提升現(xiàn)場應(yīng)用效果。