樂東A區(qū)塊高溫高壓井漏失問題及井壁強(qiáng)化技術(shù)研究

黃靜 馬帥 李文拓 劉賢玉 鄧文彪

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

近年來，海上高溫高壓油田逐漸成為勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊。過高的孔隙壓力，使高溫高壓井面臨著壓力窗口窄的問題。當(dāng)鉆遇高壓儲層時(shí)，出于防控溢流考慮，需要稍提高鉆井液密度；然而，在此過程中一旦超出地層承壓能力，將會引發(fā)地層漏失現(xiàn)象。若井筒工作液漏失問題不能及時(shí)有效地得到控制，則有可能導(dǎo)致埋鉆、棄井等嚴(yán)重后果[1-4]。高溫高壓井對控制井漏、提高地層承壓能力提出了更高的要求，地層承壓能力能否滿足作業(yè)需要決定了高溫高壓井安全鉆井的成敗。

南海西部海域鶯歌海盆地是我國近海海域典型的高溫高壓型盆地，高溫高壓天然氣資源豐富，資源潛力巨大，具有極高的開發(fā)價(jià)值。盆地內(nèi)的樂東A區(qū)塊地質(zhì)條件苛刻，油井屬于超高溫及超高壓井。隨著溫度和壓力的進(jìn)一步上升，樂東A區(qū)塊的鉆完井難度系數(shù)呈幾何級數(shù)增長。樂東A區(qū)塊已鉆勘探井作業(yè)難度極大，頻發(fā)井漏事故，給后續(xù)的勘探開發(fā)作業(yè)帶來了很大困難。國內(nèi)外學(xué)者對于地層漏失機(jī)理及堵漏技術(shù)進(jìn)行了大量研究，且已取得了一定成果[5-11]。但目前為止，關(guān)于高溫高壓井的井漏機(jī)理及提高地層承壓能力方面的研究為數(shù)不多。

本次研究中充分考慮到溫度變化的影響，通過建立的漏失壓力計(jì)算模型，對樂東A區(qū)已鉆井漏失機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)選出滿足高溫高壓作業(yè)條件的堵漏體系。

1 樂東A區(qū)塊漏失現(xiàn)狀

樂東A區(qū)塊位于鶯歌海盆地凹陷斜坡帶南段，成藏條件良好，具有豐富的氣源基礎(chǔ)。該區(qū)塊已鉆7口勘探井，井深均超過4 000 m，是典型的高溫高壓甚至超高溫超高壓井。在鉆井過程中，其中的6口井均出現(xiàn)了不同程度的井漏現(xiàn)象，且儲層段溢流、井漏現(xiàn)象并發(fā)，同一漏層多次出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。井漏引發(fā)的復(fù)雜情況嚴(yán)重影響作業(yè)安全、時(shí)效及進(jìn)度。

1.1 漏失類型識別

依據(jù)工程特點(diǎn)及地層特性，可將井筒漏失分為壓裂性漏失、裂縫性漏失、滲透性漏失。其中，壓裂性漏失往往漏速較大、起下鉆有阻卡；裂縫性漏失的漏速及漏失量均較大；滲透性漏失漏速和漏失量較小。當(dāng)高溫超壓地層鉆井過程中發(fā)生漏失時(shí)，需確定漏失類型、漏層深度及其位置，根據(jù)相應(yīng)特征采取合理的防堵漏及提高地層承壓能力技術(shù)措施。對于漏失類型，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場工程特點(diǎn)與地質(zhì)認(rèn)識，以及理論漏失壓力與實(shí)際漏失壓力的比對情況，進(jìn)行綜合判斷。

地層被鉆開后，原來穩(wěn)定的地應(yīng)力狀態(tài)被破壞，井周應(yīng)力將沿井壁重新分布；同時(shí)，高溫井中鉆井液與地層相互熱交換將引起井壁溫度發(fā)生明顯變化，溫度變化幅度25～50 ℃較為常見，其劇烈變化將對井壁產(chǎn)生不可忽略的溫變附加應(yīng)力[12-13]。綜合考慮此影響，認(rèn)為井壁的三向應(yīng)力分量，就是鉆井液柱壓力與地應(yīng)力聯(lián)合作用下的井眼周圍地層應(yīng)力分量，以及井壁、地層溫度變化作用下的應(yīng)力分量之和。應(yīng)力計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：σr—— 徑向應(yīng)力，MPa；

σθ—— 周向應(yīng)力，MPa;

σz—— 軸向應(yīng)力，MPa；

σH—— 水平最大地應(yīng)力，MPa；

σh—— 水平最小地應(yīng)力，MPa；

σv——上覆地應(yīng)力，MPa；

pw—— 鉆井液的液柱壓力，MPa；

θ—— 井周角，(°)；

Tw—— 井壁上的溫度，℃；

T0—— 地層原始溫度，℃；

αm—— 巖石體積熱膨脹系數(shù)；

E—— 巖石彈性模量，GPa；

ν—— 巖石泊松比。

對于完整性地層，當(dāng)井內(nèi)鉆井液的液柱壓力過大時(shí)，井壁巖石所承受的有效拉應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度，即σθ min-αpp=σt；同時(shí)，井壁地層產(chǎn)生壓裂誘導(dǎo)縫，導(dǎo)致地層發(fā)生漏失，對應(yīng)的漏失壓力為地層破裂壓力。由周向應(yīng)力與井周角的關(guān)系可知，當(dāng)θ取0°或180°時(shí)，σθ最小，從而推導(dǎo)得出地層破裂壓力計(jì)算模型，如式(2)所示：

pf=3σh-σH-αpp+σt+

(2)

式中：pf—— 地層破裂壓力，MPa；

σt—— 抗拉強(qiáng)度，MPa；

pp—— 孔隙壓力，MPa。

對于裂縫性地層，已經(jīng)形成的裂縫在應(yīng)力作用下處于閉合狀態(tài)，井壁有效應(yīng)力只需克服裂縫重張壓力即可使裂縫再度打開。此時(shí)，地層裂縫性漏失壓力計(jì)算如式(3)所示：

pf=3σh-σH-αpp+

(3)

對于孔隙度大、滲透率高的滲透性地層，當(dāng)井筒內(nèi)液柱壓力高于地層孔隙壓力與滲流阻力時(shí)，鉆井液會沿孔隙等滲流通道進(jìn)入地層，從而發(fā)生滲透性漏失。根據(jù)達(dá)西滲流理論，通過漏失量、滲流面積等計(jì)算鉆井液滲流壓力，如式(4)所示：

(4)

式中：pL—— 鉆井液滲透性漏失壓力，MPa；

qf—— 漏失體積速度，cm3s；

μ—— 鉆井液塑性黏度，mPa·s；

k—— 地層滲透率，μm2；

h—— 漏失地層厚度，m；

rf—— 漏失半徑，m；

rw—— 井眼半徑，m；

Φ——地層孔隙度，無量綱；

τ0—— 鉆井液屈服應(yīng)力，Pa。

1.2 漏失層位確定

鉆井前需依據(jù)鄰井資料，以及地震、地質(zhì)及測井資料等充分評估待鉆井的地質(zhì)特征，判斷井眼軌跡鉆遇的地層狀態(tài)，并選擇相應(yīng)的漏失壓力計(jì)算模型。在實(shí)鉆過程中，可根據(jù)隨鉆資料、地漏數(shù)據(jù)預(yù)測漏失壓力，其最低值所處位置即發(fā)生漏失可能性最大的位置。最易發(fā)生漏失的地層有：

(1) 含灰地層裸眼井段最低孔隙壓力位置。含灰砂巖本身存在大量的微裂隙，地層壓力得到一定程度的釋放，地層孔隙壓力降低，從而使巖石骨架承受更大的上覆巖層壓力，加劇裂縫的產(chǎn)生，最終形成誘導(dǎo)性裂縫，出現(xiàn)漏失；壓力釋放越大的位置，漏失風(fēng)險(xiǎn)越高。

(2) 巖性發(fā)生較大變化的交界面位置。漏失往往最易發(fā)生在不同巖性的交界面處，交界面處地層巖石強(qiáng)度特性會發(fā)生較大變化；砂巖的抗拉強(qiáng)度相對于泥巖有較大幅下降，導(dǎo)致地層更容易出現(xiàn)拉伸破壞，從而發(fā)生漏失。

實(shí)際地層漏失壓力除了與地層本身屬性相關(guān)外，還受到鉆井液性能、地層溫度及井壁泥餅質(zhì)量等的影響。在鉆井過程中，根據(jù)鉆井液漏速、起下鉆情況來判斷井漏的發(fā)生以及漏失類型、漏失壓力，鉆后根據(jù)漏失壓力理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)鉆情況對漏失層位進(jìn)行綜合識別。

1.3 區(qū)塊漏失現(xiàn)狀

對該區(qū)塊井漏情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見表1。有6口已鉆探井發(fā)生了井下漏失，漏失層位集中在HW2段與MK組，在HW2段高發(fā)；漏失類型表現(xiàn)為裂縫性漏失與壓裂誘導(dǎo)性漏失特征。這6口井中：LDA-11井沒有作業(yè)窗口，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，在未達(dá)預(yù)想地質(zhì)目標(biāo)的狀況下棄井；LDA-12井由于井漏引發(fā)卡鉆，爆炸松扣后棄井；LDA-31井完鉆后加深鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生了井漏，處理后棄井；其他3口井在發(fā)生井漏后堵漏成功，順利完成鉆井作業(yè)。

2 樂東A區(qū)塊高溫高壓井井壁強(qiáng)化技術(shù)

高溫高壓井地層壓力大，壓力窗口窄，對于因過平衡鉆井方式使井筒內(nèi)液柱壓力超過地層承壓能力而導(dǎo)致的地層發(fā)生漏失只能從地層本身著手。封堵裂縫從而強(qiáng)化井壁、提高地層承壓能力以滿足安全鉆井需要，是唯一可行的解決手段。

井底原始地層溫度超過180 ℃，甚至更高。這就要求堵漏材料具有良好的抗溫性，在高溫下不能變質(zhì)，避免使井況進(jìn)一步惡化。同時(shí)還要求，加入高比重堵漏材料后的鉆井液性能良好。超高密度鉆井液中固相含量高而液相含量低，鉆井液自身黏度較高，在加入堵漏材料以后，應(yīng)能確?？杀眯?。此外，配方需滿足堵漏能力的要求，能將地層承壓能力提高至預(yù)期水平。

針對常用堵漏材料進(jìn)行高溫老化實(shí)驗(yàn)，高溫老化16 h后，觀察老化前后材料的性質(zhì)變化，從中優(yōu)選出可以抗溫200 ℃的堵漏材料。通過實(shí)驗(yàn)，分析堵漏材料復(fù)配、不同堵漏材料加量、基漿配方，在保證堵漏能力及承壓能力的同時(shí)，篩選出具備可泵性的配方。

經(jīng)過室內(nèi)性能評價(jià)優(yōu)選出CoSeal堵漏體系，該體系由淡水、海水等鉆井水，及CoVIS、CoSeal、CoGA等3種功能性材料構(gòu)成，具有良好的增黏懸浮、快速填充、即時(shí)封堵效果。采用“300 mL現(xiàn)場海水+2.0%CoVIS+重晶石(ρ=2.3 gcm3)+ CoSeal堵漏劑”配方堵漏漿，其在200 ℃條件下老化16 h后的濾失情況見表2。對于高密度堵漏漿，當(dāng)堵漏劑加量增加時(shí)，濾失時(shí)間縮短，高濾失效果變得更顯著，濾失后堵漏漿中的固相及堵漏材料形成高強(qiáng)度填塞。

對CoSeal和CoGA不同加量堵漏漿進(jìn)行堵漏評價(jià)實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方法為：首先，裝入20 — 40 mm砂床，砂床體積為500 mL，先加入700 mL堵漏漿，加壓快速濾失，然后再加入600 mL室內(nèi)高密度鉆井液進(jìn)行承壓實(shí)驗(yàn)，每隔5 min加壓1 MPa，一直加壓至7 MPa，承壓30 min；最后，記錄所得濾失量。所測承壓能力及漏失量見表3。當(dāng)CoSeal加量為20%、CoGA加量為7%時(shí)，堵漏材料即可進(jìn)入砂床底部，在整個(gè)砂床中形成橋架封堵，堵漏漿承壓7 MPa，漏失量僅為20 mL。

面對水基鉆井液和油基鉆井液，CoSeal體系堵漏材料均表現(xiàn)出惰性。在200 ℃高溫下，CoSeal體系堵漏材料具有較好的穩(wěn)定性，可在裂縫內(nèi)快速形成高抗壓和高抗剪切屏障，有效地防止堵漏封門、堵漏漿返吐和裂縫閉合。該體系可實(shí)現(xiàn)隨鉆堵漏和段塞堵漏，適用于各類型誘導(dǎo)裂縫的堵漏處理。在樂東A區(qū)塊：在前期，針對LDA-11井、LDA-12井、LDA-31井等3口漏失井，采用了碳酸鈣和云母等堵漏材料，均未取得理想效果，多次堵漏后提高地層承壓的能力非常有限；在后期，針對LDA-21井、LDA-15井、LDA-16井等3口漏失井，采用CoSeal體系堵漏材料均實(shí)現(xiàn)了一次性成功堵漏，后續(xù)作業(yè)順利，無井漏發(fā)生。

表3 CoSeal體系承壓能力評價(jià)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

LDA-15井四開1214″井段從3 113 m鉆進(jìn)，至958″套管下入深度3 950 m后，循環(huán)調(diào)整泥漿性能，逐步提高鉆井液比重至1.78 gcm3，測得井底ECD(當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度)為1.80 gcm3，加重過程中井口突然失返。據(jù)此判斷井下發(fā)生了漏失。由于在循環(huán)調(diào)整中發(fā)生井漏，因此，無法準(zhǔn)確判斷井下漏失位置，需要從地質(zhì)力學(xué)的角度進(jìn)行分析。

根據(jù)隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)、電纜測井?dāng)?shù)據(jù)、地漏數(shù)據(jù)、測壓數(shù)據(jù)等,計(jì)算出完整性地層破裂壓力及裂縫性漏失壓力。圖1所示為LDA-15井1214"井段漏失壓力及破裂壓力計(jì)算結(jié)果。針對1214″井段，計(jì)算出理論完整性地層破裂壓力對應(yīng)的漏失當(dāng)量鉆井液密度為2.09～2.22 gcm3，裂縫性地層漏失壓力對應(yīng)的漏失當(dāng)量鉆井液密度為1.82～2.06 gcm3；實(shí)際現(xiàn)場循環(huán)過程中，漏失壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.80 gcm3，對比完整性地層破裂壓力與裂縫性漏失壓力數(shù)值，判斷該井地層存在裂縫。當(dāng)井下ECD達(dá)到1.80 gcm3時(shí)，超過了裂縫重張壓力，使裂縫再度打開而造成地層裂縫性漏失。深度3 804 — 3 880 m井段漏失壓力較低，該井段為井漏發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)井段。結(jié)合巖性、地層壓力進(jìn)行綜合判斷，認(rèn)為在漏失深度3 800 — 3 850 m井段，其最薄弱層位在3 804 m 處。此位置既是砂泥巖交界面，也是孔隙壓力最低點(diǎn)處。該井段FMI電成像測井情況如圖2所示，在深度3 800 — 3 843 m井段分布不連續(xù)、裂縫面規(guī)則、平行羽列的高角度裂縫。經(jīng)分析，判斷此裂縫為鉆開地層后巖石內(nèi)應(yīng)力瞬間釋放形成的應(yīng)力釋放性誘導(dǎo)裂縫，此結(jié)論與理論分析結(jié)果相吻合。

發(fā)生井漏后，現(xiàn)場緊急對工具及堵漏措施進(jìn)行了綜合判斷?？紤]到鉆具組合帶有隨鉆工具LWD，且采用的堵漏材料顆粒粒徑最大不能超過3 mm，決定開啟堵漏短節(jié)進(jìn)行堵漏，泵入密度為1.75 gcm3的堵漏漿40 m3。堵漏后將鉆井液密度逐漸提高至1.78 gcm3，靜止及循環(huán)期間液面保持穩(wěn)定，后續(xù)起鉆通井、電測、下套管及固井過程等作業(yè)順利完成，井下無漏失發(fā)生。

圖1 LDA-15井12 14"井段漏失壓力及破裂壓力計(jì)算結(jié)果

圖2 LDA-15井12 14"井段FMI成像測井圖像

4 結(jié) 語

在本次研究中，充分考慮巖石力學(xué)、溫度影響、滲流作用、巖性變化等因素，提出了漏失類型識別、漏失層位確定的漏失機(jī)理綜合分析技術(shù)。樂東A區(qū)塊已鉆井頻發(fā)井漏，以HW2段裂縫性漏失、壓裂性漏失為主。針對樂東A區(qū)塊漏失情況，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出適用于高溫高壓井的通用型堵漏體系—— CoSeal體系，該體系具有良好的溫度穩(wěn)定性、 快速的封堵能力、較高的抗壓強(qiáng)度，適用于各種類型、尺寸裂縫堵漏。采用CoSeal堵漏體系，其漏失類型及漏失層位綜合分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合，完成了裂縫封堵及井壁強(qiáng)化，現(xiàn)場堵漏效果顯著。