東勝氣田劉家溝組易漏地層隨鉆防漏技術(shù)研究

李德紅，羅宏志，李明忠，王 翔，張軍義，王 健，張 輝

（1.中石化華北石油工程有限公司，河南 鄭州 450006；2.中國(guó)石油化工股份有限公司華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

東勝氣田位于鄂爾多斯盆地北緣，致密砂巖氣探明儲(chǔ)量1892.8億m3，天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)潛力大。受地殼運(yùn)動(dòng)影響，3條大斷裂帶構(gòu)成的雁陣式斷裂系統(tǒng)，斷層、裂縫發(fā)育，鉆井井漏尤其突出，漏失井占比57%，漏失井平均鉆井液漏失量597 m3，平均單井堵漏次數(shù)20.5次，平均單井堵漏治理時(shí)間22.3 d，導(dǎo)致平均鉆井周期長(zhǎng)達(dá)100.5 d，嚴(yán)重制約東勝氣田高效勘探與開發(fā)。為此深入開展東勝氣田漏失機(jī)理分析，建立漏失壓力剖面，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)，配套微裂縫預(yù)封堵承壓技術(shù)，達(dá)到鉆井防漏的目的。

1 井漏機(jī)理分析

東勝氣田在構(gòu)造應(yīng)力作用下，產(chǎn)生大量高角度縱向裂縫，貫穿多套層位，漏點(diǎn)多；砂巖段水平層理較為發(fā)育，連通性強(qiáng)。借助電成像測(cè)井分析J58P13H井裂縫寬度，測(cè)得的裂隙最大寬度9.39 mm，最小1.322 mm。在斷裂和褶皺的構(gòu)造作用下，泥巖破碎產(chǎn)生大量的不規(guī)則碎裂裂隙。鉆遇時(shí)，當(dāng)鉆井液液柱壓力＞漏失壓力即發(fā)生漏失，嚴(yán)重漏失層集中在劉家溝組。

由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺背斜發(fā)育，在背斜頂部受到拉張，產(chǎn)生大量的復(fù)合構(gòu)造縫和局部構(gòu)造縫，裂縫寬度10～150 μm，如圖1所示。鉆遇時(shí)不會(huì)直接引發(fā)漏失，但液柱壓力通過(guò)水力尖劈作用使裂縫開啟、擴(kuò)大，擴(kuò)大到致漏程度后即發(fā)生漏失，井筒壓力波動(dòng)將加速微裂縫擴(kuò)大，即發(fā)生誘導(dǎo)裂縫漏失。誘導(dǎo)裂縫產(chǎn)生后，不及時(shí)采取措施便會(huì)導(dǎo)致裂縫逐漸擴(kuò)大形成惡性漏失［1-3］。劉家溝組多發(fā)生誘導(dǎo)裂縫漏失，漏點(diǎn)頻繁改變，高效堵漏難度大，堵漏后極易復(fù)漏。

圖1 地層巖心電鏡掃描分析Fig.1 Scanning electron microscope analysis of formation core

2 漏失壓力預(yù)測(cè)

漏失壓力是地層發(fā)生漏失時(shí)的最高承壓臨界值，確定漏失壓力是提高防漏成功率的關(guān)鍵［4-6］。統(tǒng)計(jì)分析多孔隙地層的漏失速率，發(fā)現(xiàn)壓差與漏失速率存在較好關(guān)聯(lián)性。其表達(dá)形式為：

式中：Q——漏失速率，m3/h；K——漏失系數(shù)，無(wú)量綱；ΔP——漏失壓差，MPa；n——鉆井液漏失狀態(tài)的系數(shù)，無(wú)量綱；PP——地層孔隙壓力，MPa；PL——液柱壓力，MPa。

不同井深處漏失系數(shù)K不是常數(shù)，裂縫性地層的漏失狀態(tài)與裂縫幾何性質(zhì)密切相關(guān)，利用裂縫孔隙度Φf修正漏失系數(shù)K。

即式（1）修正為：

式中：K1——裂縫性漏失系數(shù)K關(guān)聯(lián)裂縫孔隙度Φf后的修正值。

將式（2）代入式（3）中可得：

式中：Φi——某井深處的裂縫孔隙度；Qcrit——臨界漏失速度，m3/h。

裂縫孔隙度可采用深、淺側(cè)向電阻率測(cè)井資料計(jì)算。

式中：RLLD、RLLS——分別為深、淺側(cè)向電阻率，Ω·m；Rmf——泥漿濾液電阻率，Ω·m。

東勝氣田錦58井區(qū)鉆井以中漏和失返性漏失為主，滲漏次數(shù)較少，見表1。以2 m3/h作為臨界漏失速率，超過(guò)臨界漏失速率時(shí)認(rèn)為鉆井發(fā)生漏失。統(tǒng)計(jì)東勝氣田漏失井的漏失速度、漏失壓差以及裂縫孔隙度，非線性擬合確定漏失系數(shù)K和漏失狀態(tài)系數(shù)n。

表1 錦58井區(qū)已鉆井漏失速度統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of circulation loss rate in Jin-58 well block

基于上述方法，建立了東勝氣田錦58井區(qū)的漏失壓力模型：

分 別 計(jì) 算 錦58井 區(qū) 的 錦108、J58P13H和J58P14H等井的漏失壓力PL，經(jīng)漏失點(diǎn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，模型的符合率88.2%。并分別采用伊頓法、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測(cè)地層壓力Pp、坍塌壓力Pc和破裂壓力Pf。圖2為J58P13H井“四壓力”剖面，其中劉家溝組（井深2500～2700 m）漏失壓力當(dāng)量密度僅為1.15 g/cm3，且劉家溝組漏失壓力與下部是石千峰組（井深2700～2900 m）坍塌壓力窗口窄。提高劉家溝組漏失壓力，是解決同裸眼段漏塌復(fù)雜并發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 J58P13H井四壓力剖面Fig.2 Four pressure profiles of Well J58P13H

基于收集的錦58井區(qū)、錦72井區(qū)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算各井在劉家溝組的平均漏失壓力，然后插值得到劉家溝組漏失壓力橫向分布剖面，見圖3。預(yù)測(cè)結(jié)果能夠較精確地預(yù)測(cè)地層漏失情況，統(tǒng)計(jì)的漏失井大多位于漏失壓力較低的區(qū)域。錦58井區(qū)劉家溝組漏失壓力當(dāng)量密度在1.06～1.28 g/cm3，部分地區(qū)小于1.10 g/cm3，為漏失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，極易鉆井井漏；錦72井區(qū)漏失壓力總體高于錦58井區(qū)，但部分地區(qū)漏失壓力在1.11 g/cm3左右，為漏失中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。錦58井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，北部發(fā)育東西走向的泊爾江海子斷裂帶，西北部發(fā)育近東西向?yàn)跆m吉林廟斷裂，斷裂帶附近地層較為破碎；而錦72井區(qū)易漏地區(qū)位于泊爾江海子斷裂帶附近。

圖3 劉家溝組漏失壓力當(dāng)量密度橫向分布Fig.3 Lateral distribution of equivalent density of leakage pressure in Liujiagou Formation

3 井筒壓力預(yù)測(cè)

3.1 循環(huán)壓耗計(jì)算

鉆井循環(huán)排量或鉆井液密度變化均會(huì)引起井底動(dòng)液柱壓力變化，鉆井液符合賓漢流體，滿足層流流動(dòng)，作用在劉家溝組的循環(huán)壓耗包括以下2部分［7-8］。

3.1.1 鉆井液層流壓耗

式中：L——計(jì)算壓耗的環(huán)空段長(zhǎng)度，m；Q——循環(huán)排量，m3/s；D0——井眼直徑，m；Di——鉆桿外徑，m；μp——鉆井液屈服應(yīng)力，Pa·s；τ0——鉆井液動(dòng)切力，Pa。

3.1.2 巖屑固相顆粒產(chǎn)生壓耗

式中：ρs、ρ——分別為巖屑、鉆井液的密度，g/cm3；Ca——環(huán)空巖屑濃度，無(wú)量綱。

巖屑滑落速度采用Moore公式，環(huán)空巖屑濃度計(jì)算公式為：

式中：R——機(jī)械鉆速，m/h；K′——速度修正系數(shù)；Vf——鉆井液環(huán)空返速，m/s；Db——鉆頭直徑，cm；D0——井眼直徑，cm；Di——鉆桿外徑，cm；ds——巖屑直徑，cm；g——重力加速度，980 g/cm3。

3.2 激動(dòng)壓力計(jì)算

由于管柱頂替作用，起下鉆、下套管和通井等作業(yè)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)產(chǎn)生附加激動(dòng)壓力。

3.2.1 起下鉆激動(dòng)壓力

在鉆桿或套管下部裝有單向閥，屬于堵口管情況。激動(dòng)壓力計(jì)算公式為：

式中：vp——套管或單根鉆桿平均下放速度，m/s；Di——鉆桿或套管外徑，m；D0——井眼直徑，m；μp——鉆井液塑性粘度，Pa·s；τ0——鉆井液動(dòng)切力，Pa；L——鉆桿段長(zhǎng)，m。

3.2.2 通井時(shí)激動(dòng)壓力

在通井時(shí)，鉆井液在環(huán)空上返速度由鉆柱底面積頂替流動(dòng)引起的流速、鉆柱粘附引起的流速、泵循環(huán)引起的流速組成。激動(dòng)壓力計(jì)算公式為：

式中：Dii——鉆桿或套管內(nèi)徑，m。

3.3 鉆井參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)東勝氣田常規(guī)井況，優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)：劉家溝組井深2500 m，地層漏失壓力按1.15 g/cm3計(jì)算，鉆至劉家溝組時(shí)鉆井液密度1.08 g/cm3，鉆頭外徑222 mm，鉆柱外徑127 mm，井眼內(nèi)徑240 mm，鉆井液動(dòng)切力6 Pa、塑性粘度40 mPa·s，巖屑密度2.4 g/cm3、平均直徑0.85 cm。為滿足地層防漏，作用在劉家溝組的循環(huán)壓耗與激動(dòng)壓力之和應(yīng)不超過(guò)1.72 MPa。

鉆井液排量影響巖屑效率和環(huán)空壓耗，作用在劉家溝組上的總壓耗、循環(huán)壓耗和巖屑產(chǎn)生壓耗如圖4所示，確定以20～23 L/s的排量鉆進(jìn)時(shí)有效預(yù)防井漏。機(jī)械鉆速增加，鉆井液巖屑濃度增大，增大作用于劉家溝組的當(dāng)量密度，易誘發(fā)井漏，如圖5所示，控制劉家溝組的機(jī)械鉆速＜8 m/h。下鉆速度越快，激動(dòng)壓力越大。塑性粘度、動(dòng)切力越大，下鉆速度極值越低，如圖6所示。若塑性粘度μp=60 mPa·s、動(dòng)切力τ0=12 Pa，下鉆速度應(yīng)小于0.15 m/s；若塑性粘度μp=40 mPa·s、動(dòng)切力τ0=12 Pa，下鉆速度應(yīng)小于0.25 m/s。東勝氣田二開in（1 in=25.4 mm，下同）井眼下7 in套管，環(huán)空間隙小，下套管時(shí)的激動(dòng)壓力高于下鉆，井漏頻發(fā)。

圖4 循環(huán)排量對(duì)井底壓力的影響Fig.4 Effect of circulation displacement on bottom hole pressure

圖5 機(jī)械鉆速對(duì)井底壓力的影響Fig.5 Effect of ROP on bottom hole pressure

圖6 下鉆速度對(duì)激動(dòng)壓力的影響Fig.6 Effect of tripping-down speed on induced pressure

4 隨鉆預(yù)承壓防漏技術(shù)

東勝氣田劉家溝組微裂縫寬度10～150 μm，多為誘導(dǎo)性井漏，實(shí)施隨鉆防漏意義重大。隨鉆預(yù)承壓防漏技術(shù)在于誘導(dǎo)裂縫開啟到很小的時(shí)候，隨鉆防漏劑進(jìn)入裂縫，逐級(jí)架橋變縫為孔，然后逐級(jí)填充，在漏失量很少的情況下堵死裂縫，使堵塞段具有一定的承壓能力［9-12］。提高泥餅致密性及其在裂縫中的駐留堵塞作用，阻滯液相壓力在天然裂縫中的傳遞［13-15］。為適應(yīng)復(fù)雜且受壓多變的地層天然裂縫尺寸，優(yōu)選纖維材料、片狀材料及變形材料，開發(fā)隨鉆預(yù)承壓堵漏體系。超細(xì)碳酸鈣作為剛性架橋粒子，借助粒徑級(jí)配理論，一級(jí)架橋粒子的最大尺寸約為85 μm，二級(jí)架橋粒子最大尺寸約為20.7 μm，三級(jí)架橋粒子的最大尺寸約為5.1 μm，配比約為75∶20∶5（質(zhì)量比）。優(yōu)選木質(zhì)纖維或竹纖維作為拉筋封堵材料，通過(guò)多點(diǎn)吸附和纏繞作用提高微裂縫成網(wǎng)封堵效果。優(yōu)選可變形片狀合成石墨，在裂縫中具有良好封堵和橋接能力。在鉆進(jìn)至劉家溝組前，鉆井液中加入隨鉆預(yù)承壓堵漏體系；控制劉家溝組鉆時(shí)≮6 min/m，預(yù)防裂縫誘導(dǎo)開啟，保證有效封堵微裂縫和形成致密泥餅，提高承壓能力。

由圖7、圖8所示，加入優(yōu)選的隨鉆堵漏材料后，泥餅薄而致密，纖維材料、柔性片狀材料等分散在濾餅中，參與泥餅形成，有效改善了泥餅質(zhì)量、降低濾餅滲透率。利用自制高溫高壓動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)裝置，在石英粒徑范圍250～375 μm、厚度20 cm的沙床中進(jìn)行封堵承壓實(shí)驗(yàn)。當(dāng)加量達(dá)到4%后，砂床承壓能力可以達(dá)到7 MPa以上。

圖7 實(shí)驗(yàn)濾餅Fig.7 Experimental filter cake

圖8 濾餅顯微鏡分析Fig.8 Microscopic analysis of the filter cake

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于東勝氣田劉家溝組井漏機(jī)理與漏失壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，并保證水平井斜井段井壁穩(wěn)定，優(yōu)化鉆井防漏技術(shù)措施。保持鉆井液密度1.05～1.08 g/cm3鉆穿劉家溝組，通過(guò)隨鉆預(yù)承壓堵漏體系，提高劉家溝組承壓能力。井斜角0～30o時(shí)，鉆井液密度控制在1.08～1.10 g/cm3；井斜角30°～45o時(shí)，鉆井液密度控制在1.10～1.12 g/cm3；井斜角45°～60o時(shí)，鉆井液密度控制在1.12～1.14 g/cm3；井斜角60°～90o時(shí)，鉆井液密度控制在1.14～1.16 g/cm3、粘度55～65 s，靜切（2～5）/（8～15）Pa，中壓濾失量＜5 mL，坂土含量50～55 g/L，固相含量＜8%，塑性粘度15～25 mPa·s，動(dòng)切8～12 Pa。

鉆至劉家溝組前采用32～40 L/s的大排量高效攜巖鉆進(jìn)，進(jìn)入劉家溝組后降低排量至20～23 L/s，機(jī)械鉆速控制在8 m/h以內(nèi)。鉆穿劉家溝組以深50 m后，逐步提高排量至28～30 L/s。如發(fā)生漏失，及時(shí)降低排量。下鉆至劉家溝組時(shí)控制下放速度＜0.25 m/s，每300 m分段循環(huán)鉆井液降低粘切，開泵操作平穩(wěn)，減少激動(dòng)壓力。下套管前井內(nèi)注入封閉漿，封閉井段不得高于劉家溝組，井深1200 m以淺下套管速度控制在0.4 m/s以內(nèi)，1200 m至劉家溝底部下套管速度控制在0.15 m/s以內(nèi)，劉家溝底部至井底下套管速度控制在0.3 m/s以內(nèi)。井深1000 m之后每300 m分段循環(huán)一次，降低上部鉆井液的塑性粘度與動(dòng)切力，減少激動(dòng)壓力。

以此為基礎(chǔ)，制定東勝氣田劉家溝組鉆井防漏堵漏技術(shù)推薦做法，累計(jì)推廣應(yīng)用197口井。東勝氣田水平井漏失率由57%降至25.7%，平均單井鉆井液漏失量減少80.6%，鉆井周期縮短32.3%。助力東勝氣田鉆井周期縮短，為致密天然氣高效勘探與效益開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

（1）東勝氣田劉家溝組發(fā)育天然裂縫和微裂縫，井漏類型屬于裂縫性井漏，且以誘導(dǎo)裂縫漏失為主，造成漏點(diǎn)頻繁改變，高效堵漏難度大，堵漏后極易復(fù)漏。建立了東勝氣田漏失壓力預(yù)測(cè)模型，繪制漏失壓力橫向分布剖面，為鉆井防漏技術(shù)優(yōu)化提供定量依據(jù)。

（2）建立井筒壓力預(yù)測(cè)方法，滿足劉家溝組防漏需要，優(yōu)化了循環(huán)排量、機(jī)械鉆速、下鉆及下套管速度和鉆井液塑性粘度、動(dòng)切力等。開發(fā)隨鉆預(yù)承壓堵漏體系，提高泥餅致密性及其在裂縫中的駐留堵塞作用，阻滯液相壓力在裂縫中傳遞，砂床承壓能力可以達(dá)到7 MPa以上。

（3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，東勝氣田漏失率、單井鉆井液漏失量與漏失次數(shù)均顯著降低。優(yōu)選隨鉆堵漏材料及優(yōu)化粒徑級(jí)配、組分配比，進(jìn)一步提高劉家溝組承壓能力，將有效預(yù)防東勝氣田鉆井井漏。