采用控壓釋放技術(shù)處置地層圈閉效應(yīng)

王軍 晏凌 李洪興 楊博仲

1. 川慶鉆探有限公司川西鉆探公司；2. 川慶鉆探有限公司鉆采工藝研究院

在鉆井作業(yè)中因井漏和堵漏作業(yè)、特殊井控工藝需要向地層反推鉆井液，當(dāng)鉆井液漏入地層的速度大于地層通過(guò)自身漏失通道向遠(yuǎn)端延伸的漏失速度，因漏斗效應(yīng)會(huì)在一定范圍、一定時(shí)間內(nèi)形成圈閉壓力［1-2］，停止循環(huán)后，前期漏失進(jìn)入地層中的鉆井液又回吐到井筒，形同溢流。這給現(xiàn)場(chǎng)制定井控措施帶來(lái)困擾，并且存在較大井控風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于井控安全考慮對(duì)鉆井過(guò)程中的圈閉效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并取得了一定程度的進(jìn)展。但受重視程度與研究方向的限制，大部分研究主要集中在圈閉壓力產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)地層回吐和井下溢流的識(shí)別總結(jié)不全面。對(duì)圈閉效應(yīng)的判別主要是反復(fù)采用司鉆法對(duì)井筒排出流體循環(huán)檢查并以此作為下步措施的依據(jù)，對(duì)圈閉效應(yīng)的處置技術(shù)主要依靠求取關(guān)井立壓、加重鉆井液壓井［3-4］。這不但增加了井控工作量和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)窄密度窗口井段而言，加重鉆井液進(jìn)一步增加了井漏的風(fēng)險(xiǎn)，讓更多的鉆井液漏入圈閉之中，停泵后會(huì)有更多的流體回流，導(dǎo)致地層圈閉效應(yīng)更加嚴(yán)重，鉆井現(xiàn)場(chǎng)陷入堵漏和壓井的惡性循環(huán)。

因此，筆者提出了新的處置方法，即根據(jù)圈閉效應(yīng)的特殊性質(zhì)，利用其停泵回流的特性，通過(guò)地面控壓設(shè)備，以少量、多次、受控的方式將圈閉內(nèi)的流體引入井筒，以達(dá)到降低圈閉內(nèi)壓力、減弱圈閉效應(yīng)的目的。但具體實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，部分井效率低下，周期較長(zhǎng)，降壓效果并不明顯，部分井因判斷失誤、操作不當(dāng)引發(fā)井控問(wèn)題。為了確保圈閉壓力的安全有效處置，必須對(duì)控壓釋放的主要方法和工藝、適用性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析以及防控等方面進(jìn)行深入研究，以期達(dá)到最佳效果。

1 技術(shù)難點(diǎn)

(1)在停泵鉆井液外溢的情況下，容易混淆鉆井液回吐和井下溢流，判斷錯(cuò)誤將導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)措施失當(dāng)。

(2)即使是在回吐過(guò)程中，天然氣等地層流體因與鉆井液存在密度差而易通過(guò)置換方式侵入井筒，若天然氣持續(xù)侵入井筒則鉆井液回流將轉(zhuǎn)化為溢流，易造成高套壓等井控難題。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中，缺乏規(guī)范，主要依靠經(jīng)驗(yàn)施工，可能會(huì)因?yàn)樵谑┕ぶ锌貕翰粐?yán)、或者過(guò)量釋放引起井控險(xiǎn)情。

(4)對(duì)釋放效果缺乏評(píng)價(jià)方法。由于釋放效率受多種因素影響，因此根據(jù)當(dāng)前川渝地區(qū)控壓釋放統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其效果差異性較大，部分井釋放效率較低、周期較長(zhǎng)，降壓效果卻不夠理想。

2 技術(shù)措施

2.1 正確區(qū)分溢流和回流

(1)溢流為原始地層流體侵入井筒，而回流為圈閉內(nèi)鉆井液再次返回井筒［5-6］。在釋放之前需仔細(xì)分析研究井筒中漏失壓力、油氣水層壓力并判斷入侵井筒流體的性質(zhì)，特別是在同一個(gè)裸眼井段中有不同壓力系統(tǒng)氣層和漏層。若井底壓力高于氣層壓力低于漏失壓力且出口處存在停泵不斷流的現(xiàn)象，則漏失鉆井液回流井筒的可能性比較大。

(2)對(duì)井筒排出的流體進(jìn)行循環(huán)檢查是判斷溢流和回流最直接的方法。

(3)回流前肯定會(huì)出現(xiàn)漏失或者因井控要求進(jìn)行反推的情況，最終回流量不會(huì)大于漏失量［7］。

(4)若為漏失鉆井液回流，則其關(guān)井立壓與套壓相近，且關(guān)井立壓不大于漏失過(guò)程中的循環(huán)壓耗。

(5)若為漏失鉆井液回流，則井口壓力及單位時(shí)間內(nèi)的回流量將始終呈現(xiàn)減小趨勢(shì)； 若壓力或者回流量呈增大趨勢(shì)時(shí)，則為裂縫內(nèi)的地層流體侵入井筒，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)井控程序。

2.2 做好井下壓力窗口的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在釋放完一定數(shù)量的鉆井液后，要關(guān)井求壓以判斷圈閉壓力的變化，確保不因過(guò)度釋放，造成鉆井液密度小于安全密度窗口的下限而造成井控險(xiǎn)情。

2.3 選擇合理的鉆井液密度

在窄密度窗口范圍內(nèi)盡量選用合理鉆井液密度，從而有效降低漏失量、控壓釋放的工作量及井控風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 嚴(yán)格執(zhí)行控壓工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)把控壓釋放全過(guò)程劃分為關(guān)井求壓、釋放、循環(huán)排污和節(jié)流降密度等4 個(gè)環(huán)節(jié)，反復(fù)進(jìn)行直至圈閉壓力降至安全密度窗口內(nèi)［8］。

(1)形成圈閉壓力，并出現(xiàn)停泵鉆井液回流現(xiàn)象時(shí)，采用關(guān)井求壓的方法，確定圈閉壓力的大小。

(2)適當(dāng)開(kāi)啟節(jié)流閥，開(kāi)始釋放作業(yè)，保證少量、多次、控壓地釋放降壓。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，第1 次釋放量按照環(huán)空容積的0.5%來(lái)考慮，若以后排污無(wú)井控風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，再逐次提高0.5%，但最多單次釋放量最多不得超過(guò)環(huán)空容積的5%，累計(jì)釋放量不得超過(guò)總漏失量。若控壓釋放過(guò)程中單次環(huán)空釋放量過(guò)大，造成進(jìn)入井筒的天然氣等地層流體過(guò)多，將使井筒壓力下降，并可能使下步循環(huán)排污作業(yè)中產(chǎn)生高套壓。

(3)循環(huán)排污就是采用低泵沖參數(shù)，將井筒中受污染鉆井液排放出去的過(guò)程。為了維持井筒壓力平衡，特別是圈閉壓力較大時(shí)，需要在整個(gè)循環(huán)排污過(guò)程中，考慮井下漏失等因素，選擇適當(dāng)排量，按照司鉆法第一步嚴(yán)格控壓，以避免天然氣過(guò)度膨脹，出現(xiàn)高套壓險(xiǎn)情。在此過(guò)程中應(yīng)注意調(diào)節(jié)節(jié)流閥，并在井底無(wú)溢流時(shí)附加0.5～1 MPa 套壓，以確保侵入井筒的地層流體被順利排出，并對(duì)鉆井液性能進(jìn)行監(jiān)控，記錄好立壓和套壓的變化情況。

(4)若節(jié)流閥安全打開(kāi)，出口流量很小或斷流，但圈閉壓力尚未降至安全密度窗口以內(nèi)時(shí)，逐步遞減鉆井液密度，一次遞減0.02～0.03 g/cm3。在循環(huán)降密度時(shí)控制節(jié)流壓力，使井筒內(nèi)不發(fā)生溢流。

2.5 開(kāi)展釋放效果評(píng)價(jià)

影響釋放效果的主要因素有圈閉特征、井底壓差、地層滲透率和釋放流體的性質(zhì)等［8］。圈閉壓力下降主要取決于一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)釋放量的大小，圈閉容積越小則釋放效果越好。隨著井底壓差的增大和井口回壓的下降，釋放速度及圈閉壓力下降速度均明顯加快，利于控壓釋放技術(shù)的實(shí)施［8］。地層滲透率越低，地層壓力回升越慢，對(duì)采用控壓釋放工藝技術(shù)有利。地層流體的特性同樣會(huì)顯著影響釋放效果，因?yàn)闅怏w與液體的壓縮性不同，排放出的地層流體含氣量越小，則其釋放效果越好。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前川渝地區(qū)地層圈閉壓力控壓釋放效果差異性較大，部分井釋放效率較低、周期較長(zhǎng)，降壓效果不夠顯著。為了避免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，可以在先期釋放的過(guò)程中對(duì)地層圈閉特征、流體性質(zhì)等進(jìn)行判斷。具體做法: 觀察初始釋放時(shí)壓力變化情況，若壓力迅速減小且無(wú)回升現(xiàn)象時(shí)，可證明圈閉容積是有限的，可應(yīng)用控壓釋放技術(shù)來(lái)降壓，持續(xù)釋放可達(dá)到降壓目的；若壓力下降不明顯或能夠迅速回升，則說(shuō)明圈閉內(nèi)部有足夠的能量，持續(xù)釋放可能無(wú)法達(dá)到降壓效果，為節(jié)省鉆井成本可采取堵漏后壓井的方法繼續(xù)鉆進(jìn)；如果圈閉內(nèi)部壓力在有效下降之后出現(xiàn)緩慢回升，則很可能是圈閉遠(yuǎn)端出現(xiàn)能量供給并且地層滲透率偏低所致，這時(shí)根據(jù)具體情況決定是否繼續(xù)執(zhí)行控壓釋放技術(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例及效果分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

YT1 井?177.8 mm 套管下深 5 748 m (峨眉山組頂)，隨后用?149.2 mm 鉆頭及密度2.21 g/cm3的油基鉆井液在井深 5 190 m 開(kāi)始側(cè)鉆，所鉆地層巖性均為玄武巖，鉆至井深5 560.56 m 發(fā)生漏失，平均漏速4.0 m3/h。該段為區(qū)域漏層，根據(jù)鄰井電測(cè)資料，漏失通道以微裂縫為主，類型多為誘導(dǎo)縫。經(jīng)多次堵漏效果不佳(油基鉆井液堵漏效果差［9-11］)，之后漏速逐漸降低，繼續(xù)觀察鉆進(jìn)到井深5 561.17 m，徹底止漏，累計(jì)漏失73.6 m3。進(jìn)行短起的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)出口外溢，隨即關(guān)井，套壓6.2 MPa，立壓5 MPa，且壓力在5 h 內(nèi)基本穩(wěn)定。經(jīng)精細(xì)控壓設(shè)備循環(huán)鉆井液，全烴含量最高62.686 9%，焰高0.5～1.0 m，火焰持續(xù)12 min 。

該漏失井段巖性是玄武巖，屬于硬脆性地層。初始漏速不高，分析認(rèn)為是微裂縫造成的誘導(dǎo)性漏失，隨著漏入的鉆井液增加，地層漏失壓力逐漸升高，漏速漸低直至不漏。停泵時(shí)，因?yàn)檎T導(dǎo)性裂縫閉合，漏入裂縫中的鉆井液又重新返流至井筒，井下由漏轉(zhuǎn)溢，從現(xiàn)象上看形成了局部圈閉。套壓略高于立壓，這可能與少量地層流體在回流過(guò)程中進(jìn)入井筒有關(guān)。按關(guān)井壓力經(jīng)過(guò)計(jì)算要平衡圈閉壓力的當(dāng)量鉆井液密度為2.32 g/cm3。這時(shí)，若想采用堵漏工藝來(lái)提高地層的承壓能力是十分困難的，也難以在溢流與井漏之間尋找到平衡點(diǎn)。

該井所形成的圈閉壓力達(dá)120.44 MPa，關(guān)井5 h后壓力基本趨于穩(wěn)定，由此可以看出要通過(guò)地層自身的漏失通道釋放圈閉內(nèi)壓力需要較長(zhǎng)的時(shí)間。YT1 井正眼實(shí)鉆及完井測(cè)試資料顯示，玄武巖井段的最大壓力系數(shù)均未大于2.05。側(cè)鉆段使用密度2.21 g/cm3的鉆井液鉆井，出現(xiàn)井漏、液面位于井口，且鉆井過(guò)程中油氣顯示不明顯。分析表明，利用精細(xì)控壓設(shè)備控壓釋放圈閉內(nèi)壓力是安全可控的。結(jié)合對(duì)圈閉的認(rèn)識(shí)判斷，嘗試先在密度2.21 g/cm3的情況下采用控壓釋放技術(shù)，通過(guò)先期的釋放判斷進(jìn)入井筒流體的性質(zhì)、摸索單次釋放量等關(guān)鍵參數(shù)以及進(jìn)行效果驗(yàn)證和評(píng)估。

密度2.21 g/cm3時(shí)控壓釋放施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從前4 次循環(huán)排污來(lái)看，該井地層氣體并不活躍，在單次釋放量0.5～1.3 m3的情況下，均能安全正常完成排污作業(yè)。對(duì)回吐流體進(jìn)行取樣檢測(cè)，除井底部分鉆井液密度因受氣侵污染降低外，其他性能與井漿一致，回吐物為鉆井液，且沒(méi)有其他流體污染，處置的難度較小。然后再逐級(jí)加大釋放量，當(dāng)單次釋放量達(dá)到3 m3以后，循環(huán)排污過(guò)程中的液面上漲量、最高氣體流量及關(guān)井套壓反而呈增大趨勢(shì)，在循環(huán)排污階段套壓最高達(dá)到22 MPa，出口間斷噴純氣，這說(shuō)明過(guò)量釋放造成大量氣體進(jìn)入井筒，排污過(guò)程中出現(xiàn)高套壓，造成了井控風(fēng)險(xiǎn)。為了防止再次出現(xiàn)上述險(xiǎn)情，規(guī)定之后的單次釋放量不超過(guò)2 m3，同時(shí)嚴(yán)密觀測(cè)回流速度、關(guān)井壓力等參數(shù)。

表1 YT1 井鉆井液密度2.21 g/cm3 時(shí)控壓釋放數(shù)據(jù)Table 1 Data of pressure-controlled release of Well YT1 with the drilling fluid density of 2.21 g/cm3

通過(guò)6 次釋放，累計(jì)放出7.6 m3圈閉流體，套壓降為0，出口完全斷流，關(guān)井套壓明顯降低，且圈閉內(nèi)壓力沒(méi)有回升跡象，說(shuō)明圈閉內(nèi)體積有限，滿足控壓釋放的前提條件。因此按照以下步驟實(shí)施后續(xù)控壓釋放作業(yè)。

(1)出口完全斷流或流速小于0.05 m3/10 min 及關(guān)井套壓有減小趨勢(shì)的情況下，進(jìn)行降密度作業(yè)(每次控制降低 0.02 g/cm3) ；

(2)控壓釋放，壓力控制由地面控壓裝置進(jìn)行控制，保證單次釋放量不超過(guò)2 m3；

(3)循環(huán)排污，在司鉆法第一步控壓值的基礎(chǔ)上附加0.5～1 MPa，將釋放出的圈閉內(nèi)流體循環(huán)排出，并對(duì)鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整；

(4)在鉆井液密度及流變性能得到充分調(diào)整的前提下，觀察停泵時(shí)出口流速，每次釋放后進(jìn)行關(guān)井求壓，檢驗(yàn)壓力恢復(fù)情況，并對(duì)比釋放前套壓及出口流速，對(duì)釋放效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(5)重復(fù)以上步驟，直到圈閉內(nèi)壓力降到目標(biāo)值。

YT1 井在不同密度下累計(jì)控壓釋放34 次，再通過(guò)反復(fù)活動(dòng)鉆具抽吸等方式在可控的狀態(tài)下，逐漸釋放圈閉內(nèi)能量，累計(jì)回吐鉆井液51.3 m3(表2)。

表2 YT1 井控壓釋放施工整體數(shù)據(jù)Table 2 Overall performance of pressure-controlled release operation in Well YT1

從圖1 可知，在釋放的初期，由于圈閉體的壓力較高，圈閉流體快速進(jìn)入井筒，造成初期圈閉壓力迅速降低，隨著進(jìn)一步的釋放，圈閉內(nèi)的彈性能量逐漸被消耗，缺乏遠(yuǎn)端的能量補(bǔ)充，下降幅度逐漸變慢。由此可知，當(dāng)量密度2.10 g/cm3以后再試圖通過(guò)有限次的釋放將無(wú)法短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)圈閉內(nèi)壓力的快速降低，在鉆井液密度已經(jīng)滿足下部安全鉆進(jìn)的前提下，決定終止釋放。

圖1 YT1 井累計(jì)釋放量與圈閉壓力關(guān)系曲線Fig. 1 Cumulative release vs. trap pressure in Well YT1

3.2 效果分析

YT1 井通過(guò)控壓釋放的方法成功地處置了由井漏引起的圈閉壓力，擴(kuò)大了鉆井液安全密度窗口，鉆井液密度維持在2.10 g/cm3直至完鉆，期間沒(méi)有發(fā)生溢流和漏失的復(fù)雜現(xiàn)象。與周邊鄰井采用堵漏壓井的處置方法相比，復(fù)雜時(shí)效降低了54%，提高了鉆井作業(yè)的連續(xù)性，鉆井周期相比同區(qū)塊鄰井平均水平縮短了32 d。

相比同區(qū)塊鄰井在遇到圈閉壓力進(jìn)行反復(fù)堵漏壓井的處理方法，YT1 井采用控壓釋放的方法將安全密度窗口擴(kuò)大至0.10 g/cm3，使漏失量下降91%，降低了鉆井液損失和物資消耗，同時(shí)避免了大量高密度鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

4 結(jié)論及建議

(1)控壓釋放技術(shù)為安全有效處置窄安全密度窗口井段地層圈閉壓力提供了有效的技術(shù)保障，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值。

(2)由于在控壓釋放過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間停止循環(huán)，裂縫中地層流體侵入等原因，可能使回流的鉆井液被污染導(dǎo)致性能惡化，給后期施工帶來(lái)極大的安全隱患，這是施工過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。

(3)需要進(jìn)一步加強(qiáng)單次釋放量和井底壓力降低值的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和研究，進(jìn)一步完善控壓釋放工藝技術(shù)。