常低壓裂縫性地層氣舉穿漏鉆井技術

康波 樊洪海 唐洪林 鄧嵩 劉雅莉 邵帥 周延軍

1. 中國石油大學(北京)；2. 中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院；3. 常州大學

地下裂縫雖為油氣運移及儲集創(chuàng)造了良好的地質條件，但給鉆井施工帶來了很大的難度與挑戰(zhàn)，尤其是常低壓裂縫性地層。其特點一是漏失量大且頻繁，一旦發(fā)生即失返，很難提前預防和發(fā)現(xiàn)；二是壓力系數(shù)普遍較低(0.8～1.08)且較為敏感，處理方式不當，極易造成擴展和連通，使漏失進一步惡化，甚至可能導致井眼報廢等嚴重后果［1］。工程上常采用靜止堵漏、橋接堵漏、化學固結堵漏、凝膠堵漏及可變形材料堵漏等多種手段，但其受地下縫網結構影響很大，從實際施工效果來看，往往漏點不好判斷，施工效率低、周期長，復漏頻發(fā)。降低鉆井液密度及排量也可以有效控制漏失，但是由于常低壓地層壓力系數(shù)較低，導致常規(guī)水基鉆井液密度已經沒有降低調節(jié)的空間，而減小排量，會對攜巖效率與機械鉆速帶來很大影響。清水強鉆也是一種常用的方法，該技術的實施關鍵在于地層裂縫對鉆屑的接納能力，但是一般裂縫(除較大溶洞外)寬度通常難以滿足要求，經常出現(xiàn)“漏水不漏砂”情況，導致清水消耗量很大，攜巖能力差，極易造成沉砂卡鉆等井下復雜發(fā)生，施工難度大，風險高［2-4］。

國外常采用充氣欠平衡鉆井技術應對低壓裂縫性漏失。充氣鉆井是指鉆井時將一定量的可壓縮氣體通過充氣設備注入到液相鉆井液中作為循環(huán)介質的工藝，常用注入氣體主要是空氣和氮氣,此外還有二氧化碳、天然氣、柴油機尾氣等［5］。該技術從注氣工藝方式上可分為：鉆桿充氣鉆井技術、套管寄生管注氣技術、同心套管注氣技術等，常用是鉆桿充氣技術。國內外應用降壓工藝解決常低壓地層的漏失難題早有先例，但是這種基于鉆桿充氣的鉆井方式存在以下嚴重影響其應用范圍及效果的問題：深井當中由于氣體壓縮大，易隨鉆井液漏失，所以充氣效率不高，且難以控制；全井充氣，注入壓力高，對設備能力要求高，費用較高；鉆桿充氣接單根，循環(huán)恢復時間長，作業(yè)效率低；鉆桿充氣無法使用常規(guī)MWD，復雜結構井應用受限［6］。

筆者提出了一種氣舉高效降壓的穿漏鉆井新工藝［7］，同時對雙壁鉆桿下深等關鍵控制工藝參數(shù)進行了模擬與計算分析，形成了優(yōu)化施工方案，并完成了一口井的先導試驗，結果表明，該技術可在不堵漏、不降低鉆井液密度、不犧牲排量的前提下，快速建立滿足攜巖及軌跡控制要求的鉆井循環(huán)，大幅縮短施工周期，且經濟性突出，較好地解決裂縫性地層漏失難題，達到并滿足了現(xiàn)場施工要求，具有良好市場應用前景。

1 氣舉穿漏鉆井技術原理

氣舉穿漏鉆井技術是采用少量雙壁鉆桿注氣將上部鉆井液舉升，降低井筒環(huán)空ECD從而實現(xiàn)易漏地層快速穿越的鉆井新技術。在鉆進到達常低壓裂縫性地層時，將井筒上方的部分普通鉆桿替換為雙壁鉆桿(具體數(shù)量根據(jù)低壓地層的壓力與漏失量等計算得出)，在隨后的鉆進過程中，通過雙壁鉆桿的環(huán)空注入氣體，使雙壁鉆桿與井壁之間環(huán)空中鉆井液成為氣液兩相，從而降低了井底的壓力，滿足鉆井要求。該技術的核心理念是“高效降壓”，即降低井筒與地層之間的有效漏失壓差，使鉆井液很難克服地層裂縫的流動阻力，從而減少或停止漏失的發(fā)生。工藝原理如圖1所示。

圖1 氣舉穿漏與充氣欠平衡鉆井工藝對比Fig. 1 Comparison between the drilling technology of running through thief zone based on gas lift and the aerated underbalanced drilling technology

由圖1對比可看出，與一般的充氣鉆井技術相比，氣舉穿漏鉆井具有以下明顯的優(yōu)勢：(1)實現(xiàn)了氣液分注，效率更高并且易于控制，可通過調節(jié)多種參數(shù)(鉆井液密度、排量、雙壁鉆桿下深、注入氣量等)獲得并控制最佳井筒ECD；(2)漏層鉆進時不需要降低鉆井液密度也不犧牲鉆井液排量，可更好為井下工具提供充足的動力，增強提速效果及優(yōu)勢；(3)注氣段在上部套管內，井筒環(huán)空形成明顯雙梯度分布，減少對下部裸眼井段沖刷，有利于不穩(wěn)定地層井壁穩(wěn)定；(4)氣舉穿漏鉆井注氣壓力2～5 MPa，且不受井深限制，較小的氣量即可滿足降壓要求，所需注氣設備少，經濟性好；而充氣鉆井注氣壓力10～30 MPa，井深時所需氣量大，必須使用增壓機；(5)接單根等作業(yè)流程，氣舉穿漏循環(huán)恢復快(5～10 min)，充氣鉆井需要40 min以上；(6)可以使用常規(guī)MWD進行定向服務，由于鉆桿內是純鉆井液，不影響信號測量；(7)可同步實施隨鉆堵漏作業(yè)，加強穿漏防漏的效果。

2 氣舉穿漏鉆井工藝方案優(yōu)化

漏失量大且頻繁是常低壓裂縫性地層的特點，因此在鉆進到常低壓裂縫性地層時，可以考慮選擇氣舉穿漏鉆井。氣舉穿漏鉆井技術同充氣欠平衡鉆井一樣，其目的都是通過向鉆井液中加入氣體降低井底壓力，在不堵漏的情況下繼續(xù)進行鉆進作業(yè)的技術。

相比于充氣欠平衡鉆井，氣舉穿漏鉆井技術由于氣體從鉆具中部進入環(huán)空，并未經過井筒底部，因此氣體的壓縮量小，注氣壓力要求也低，降低井底壓力的效率反而更高。要達到“高效降壓”，需要利用氣液固多相流軟件進行數(shù)值模擬，計算氣舉穿漏的關鍵工藝參數(shù)，如立管壓力、雙壁鉆桿下深、注入氣體的體積流量、注入壓力、鉆井泵排量及鉆井液密度等，然后分析不同工況(井深、壓力)條件對氣舉效率的影響。在數(shù)據(jù)分析的基礎上建立基于“最優(yōu)氣舉效率”優(yōu)化原則，優(yōu)選參數(shù)與組合，最終形成氣舉穿漏鉆井施工優(yōu)化設計方法。

2.1 氣舉降壓效率的影響因素分析

氣舉施工參數(shù)直接影響降壓效率及實施效果，由于鉆具組合特殊的流道結構，影響因素較多［8］，本文選取其中影響較大的立管壓力、雙壁鉆桿下深、注氣量及壓力、鉆井泵排量等進行分析。以南方某定向井三開作為分析的基礎模型，為了模擬與計算的方便將底部鉆具組合進行適當簡化，井眼直徑215.9 mm，井深3 000 m，鉆桿為?127 mm雙壁鉆桿，內管內徑60 mm。

2.1.1 立管壓力的影響

由于雙壁鉆桿的內管內徑較小，當雙壁鉆桿下入較深時，純鉆井液循環(huán)會導致立管壓力升高，從而影響氣舉降壓的效果和機泵條件，因此需要開展不同雙壁鉆桿長度情況下，不同注氣量時立管壓力模擬與分析。圖2是鉆井泵排量30 L/s時，不同條件下立管壓力的計算結果，可以看出，在純鉆井液循環(huán)方式下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，立管壓力也隨之增加，二者成正比例關系，當雙壁鉆桿下深超過800 m以后，立管壓力已增加近一倍，因此對鉆井的機泵條件提出一定的要求；相同雙壁鉆桿下深時，隨著注氣量的增加，立管壓力明顯小于純鉆井液循環(huán)方式，500 m以內在30～60 m3/min注氣量時，立管壓力增加最大為2.32 MPa，對鉆井的機泵條件及氣舉效率影響不大。

圖2 不同雙壁鉆桿下深和注氣量對立管壓力的影響Fig. 2 Effect of double-wall drill pipe depth and gas injection rate on the standpipe pressure

2.1.2 雙壁鉆桿下深的影響

氣舉穿漏鉆井中氣體注入點的位置與雙壁鉆桿的下深有關，而氣體注入點的位置又會影響到氣舉降壓的效率，因此選取3組注氣速度(30 m3/min、40 m3/min、60 m3/min)，對氣舉降壓的效率進行對比分析，結果見圖3。

圖3 不同注氣量下雙壁鉆桿下深對井筒壓降的影響Fig. 3 Effect of double-wall drill pipe depth on the well pressure drop at different gas injection rates

從圖3可以看出，在相同注氣量的情況下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，鉆井液當量循環(huán)密度(即ECD)總體呈下降趨勢，說明氣舉降壓的效果在逐步增加。同時，不同注氣量下ECD隨雙壁鉆桿下深的變化趨勢大體相同，在100～300 m范圍內ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降較快，其變化呈線性規(guī)律；在300～500 m范圍內ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降更快，可見此時氣舉降壓的提升效果處在突變區(qū)；在雙壁鉆桿下深超過500 m后，ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降減緩，說明氣舉降壓的提升效果處在衰退區(qū)。為保持理想的氣舉降壓效果，在設計雙壁鉆桿的下深時，應盡量保持在線性區(qū)與突變區(qū)域以內。

2.1.3 注氣量與壓力的影響

注氣是降壓的主要手段，同時注氣量與壓力也是衡量氣舉降壓經濟特性的重要指標。圖4是注氣量對降壓效果的影響，可以看出，相同雙壁鉆桿下深時，降壓效果隨注氣量的增加而增加。但由于本井較深(3 000 m)，雙壁鉆桿長度小于200 m時，降壓效果隨注氣量增加變化不大，300～800 m降壓效果隨注氣量的增加變化顯著，1 000 m以上降壓效果有減弱的趨勢。因此對于不同井深，需要結合降壓工藝目標，選取合適的注氣量才能達到較好效果。結合圖4、圖5分析可以看出，雙壁鉆桿300 m以內注氣壓力隨注氣量變化不大，保持在2.5 MPa以內，依據(jù)目前空壓機技術水平，無需增壓設備即可滿足施工要求，超300 m以上需要增加氣體增壓設備(即增壓機)才能滿足工藝需求。

圖4 注氣量對降壓效果的影響Fig. 4 Influence of gas injection rate on the depressurization effect

圖5 不同注氣量下雙壁鉆桿下深對注氣壓力的影響Fig. 5 Effect of double-wall drill pipe depth on the gas injection pressure at different gas injection rates

2.1.4 鉆井泵排量的影響

泵的排量是鉆井過程中的重要參數(shù)之一，它不僅要滿足鉆進時鉆屑攜帶的要求，而且還可以通過其產生的循環(huán)壓耗來控制和調節(jié)井底壓力。常規(guī)的鉆井方式因其地層壓力窗口較寬，通常情況下可以忽略循環(huán)壓耗，但是對于常低壓易漏地層來說，由于其壓力敏感的特性，在分析氣舉降壓效果時必須考慮排量的影響。如圖6所示：在滿足攜巖要求的前提下，相同的雙壁鉆桿下深及注氣量時，改變鉆井泵排量，會對降壓效果產生0.03～0.04 g/cm3的影響。對于常低壓地層來說，表現(xiàn)尤為明顯，因此可以通過鉆井泵排量與其他參數(shù)組合來進一步優(yōu)化降壓效果。

圖6 鉆井泵排量對氣舉降壓效果影響分析Fig. 6 Influence of the displacement of drilling pump on the depressurization effect of gas lift

2.2 基于最優(yōu)氣舉效率的工藝參數(shù)優(yōu)化設計

通過上述關鍵參數(shù)對氣舉降壓效果影響的分析，可建立基于“最優(yōu)氣舉效率”優(yōu)化設計的原則來指導施工方案。首先根據(jù)鄰井以及現(xiàn)場施工的資料，估算本井發(fā)生漏失的井筒環(huán)空內液面高度，從而確定采用氣舉穿漏鉆井技術所要降低ECD的范圍；然后根據(jù)ECD降低值以及模擬計算結果確定雙壁鉆桿的下深以及需要的注氣量，并且雙壁鉆桿下深以及注氣量的選擇都盡量選取較小的值；最后結合上述的選擇確定設計的立壓和鉆井液排量。具體參數(shù)見表1。

表1 氣舉穿漏鉆井模擬施工優(yōu)化方案Table 1 Optimized scheme on the simulated construction of running through thief zone based on gas lift

氣舉穿漏鉆井技術解決了在常低壓裂縫性地層中鉆進時易發(fā)生的井漏問題，節(jié)省了堵漏的作業(yè)并且大幅縮短非生產時效，為鉆井作業(yè)提供了技術上的支持。但是相比于常規(guī)的鉆井方式，氣舉穿漏鉆井仍然比較復雜，其應用情況也更適用于低壓裂縫性的地層。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 基本情況

京津冀地區(qū)古生界裂縫發(fā)育，屬于常低壓地層，鉆井過程漏失嚴重。該區(qū)域地層發(fā)育較齊全，由新生界、中生界、古生界、中上元古界和太古界構成，并且地熱資源豐富，發(fā)育兩套基巖裂縫儲層：寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲地層、薊縣系巖溶裂隙熱儲地層。地層裂縫及溶洞發(fā)育，堵漏的施工難度很大，一次堵漏成功率很低。而且由于總投資較低及保護地熱儲層等原因，基本上限制了堵漏技術的應用。

試驗井為定向井，設計井深3 932.72 m，三開采用PDC鉆頭，井眼直徑為215.9 mm，在常規(guī)鉆井工藝定向鉆進至2 271 m的古生界白云巖地層時發(fā)生失返性漏失，進入漏失地層4.3 m后，漏失速度為90～100 m3/h；隨后嘗試清水強鉆至2 483 m，起下鉆時發(fā)現(xiàn)井下沉砂有近100 m深，多次堵漏均未起到明顯效果，而且MWD沒有信號，因此被迫采用氣舉穿漏鉆井工藝。依據(jù)鄰井實鉆資料計算分析，漏失壓力0.88～0.93 g/cm3，確定ECD設計范圍為0.88～0.93 g/cm3，氣舉穿漏前對井內液位進行重新測量，井筒環(huán)空內液面距井口172～184 m，據(jù)此進一步完善工藝參數(shù)的矯正。

3.2 鉆具組合及參數(shù)設計

鉆具組合：?215.9 mm 牙輪鉆頭+底部常規(guī)鉆具組合(根據(jù)原鉆井設計)+井下單向氣舉閥+?127 mm雙壁鉆桿(先下入230 m，然后鉆進并接雙壁鉆桿到400 m)+?152 mm六方雙壁方鉆桿+氣液雙注旋轉循環(huán)適配器+水龍頭。

依據(jù)本文建立的“最優(yōu)氣舉效率”的優(yōu)化設計方法，開展本井參數(shù)設計。由圖7可知，在泵排量為30 L/s，注氣量為30 m3/min情況下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，井筒環(huán)空液面高度隨之下降，且下降速率在逐漸增大；同時，井底壓力也隨著雙壁鉆桿下深的增加而下降，變化情況與井筒環(huán)空液面高度相近。

圖7 試驗井氣舉穿漏參數(shù)設計Fig. 7 Parameter design on the drilling technology of running through thief zone based on gas lift in the test well

3.3 施工過程及效果分析

施工前，依據(jù)設計連接好所需鉆具下鉆到底，首先以小排量(10 L/s)開鉆井泵頂通水眼，立壓出現(xiàn)并開始下降后逐漸提升至鉆井排量(28 L/s)，過程中鉆井液始終未見返出，漏失嚴重，立壓波動較大，MWD信號無法解碼。停泵，開始實施氣舉穿漏鉆井工藝，按照氣舉穿漏鉆井操作規(guī)程，首先開空壓機注氣，注氣壓力穩(wěn)定后，待液氣分離器有液或者氣返出時，小排量開鉆井泵，直到恢復鉆井正常排量，注氣壓力與立管壓力穩(wěn)定后，測量鉆井液漏失速度，滿足要求后開始正常鉆進。開始鉆進時雙壁鉆桿下入深度為230 m，然后鉆進并接雙壁鉆桿到400 m，記錄鉆進過程中的具體施工參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗井氣舉穿漏鉆井施工參數(shù)Table 2 Construction parameter for the drilling technology of running through thief zone based on gas lift in the test well

本次施工是在不堵漏的情況下，通過應用氣舉穿漏鉆井工藝，在常低壓裂縫性地層中進行鉆井作業(yè)。本次試驗證明了氣舉穿漏鉆井工藝可以解決常低壓裂縫性惡性漏失的難題，同時試驗井的施工參數(shù)也基本符合氣舉穿漏鉆井模擬施工的優(yōu)化方案，驗證了設計方法的準確性。在氣舉穿漏鉆井施工過程中，保證注氣速度不變，隨著雙壁鉆桿的下深從300 m逐漸增加到400 m，鉆井過程中的漏失量逐漸減小，最低被控制在0.3 m3/h，已經基本達到了滿足攜巖要求的穩(wěn)定循環(huán)，在微漏的情況下鉆過常低壓裂縫性地層。與常規(guī)的堵漏后再鉆進相比，氣舉穿漏鉆井技術不僅減小了作業(yè)量，減少了對地層的傷害，更是降低了多次停鉆所帶來的事故風險。同時，因為井筒下方是正常鉆井液，并不影響現(xiàn)場MWD軌跡控制要求，表明氣舉穿漏鉆井工藝參數(shù)優(yōu)化設計方法具有一定的可靠性。

但是，在這次施工中也發(fā)現(xiàn)氣舉穿漏鉆井工藝的應用仍然存在著一定的局限性。在鉆井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)已經漏失后，根據(jù)漏失位置以及漏失速度等相關參數(shù)才能確定相關的施工工藝，并且更換一定數(shù)量的雙壁鉆桿后才能具有堵漏成效，由此可見氣舉穿漏鉆井工藝的應用目前還不具有普遍性。

4 結論和建議

(1)氣舉穿漏鉆井技術是一種應用于常低壓裂縫性地層鉆井的新工藝，與傳統(tǒng)的充氣鉆井相比，可解決失返性漏失井鉆井液循環(huán)與攜巖難題，可以有效縮短因井漏引起復雜時效，且氣體只參與井筒上段的循環(huán)，井筒下段仍然是正常的鉆井液，不影響常規(guī)MWD的使用。

(2)本文通過建立氣舉穿漏鉆井模型，分析立管壓力、雙壁鉆桿下深、注氣量以及鉆井泵排量等工藝參數(shù)對降壓效率的影響，形成了一套適應于常低壓裂縫性地層施工的優(yōu)化設計方法。

(3)氣舉穿漏鉆井工藝具有氣液分注、注氣壓力低、注氣效率高等優(yōu)點，可以避免或大幅減少堵漏作業(yè)，降低非生產時效，進一步滿足常低壓裂縫性油氣藏低成本高效開發(fā)的要求，具有較好的應用前景。