高密度油基鉆井液敏感地層變密度控壓鉆井技術(shù)

王華平,王富渝,羅良儀,張春林

1中國石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 2中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣項目經(jīng)理部

0 引言

位于四川簡陽地區(qū)的YT1井在二疊系的峨眉山玄武巖組中途測試中獲氣22.5×104m3/d，獲得勘探上的重大突破。該井在該段使用的鉆井介質(zhì)為水基鉆井液，完井試油對儲層酸化改造中因水敏返出乳白色漿糊狀液體，并且發(fā)生砂子堵塞管柱，致使完井試油失敗。TF2井是繼YT1井后部署在該地區(qū)火山巖地層的又一口探井，為避免水基鉆井液對產(chǎn)層的影響，?149.2 mm小井眼儲層段火山巖地層設(shè)計使用高密度油基鉆井液鉆進。

1 工程技術(shù)難點分析

四川簡陽地區(qū)火山巖儲層地層壓力系數(shù)高，按YT1井實測地層壓力預(yù)測TF2井地層壓力系數(shù)為2.30，鉆井液密度預(yù)計高達2.40 g/cm3以上。高密度油基鉆井液因其固相含量和黏度高、切力大，決定了鉆井液內(nèi)摩擦力大的特性[1],由此將造成環(huán)空循環(huán)壓耗、抽汲壓力、激動壓力均很高，引起各工況下井底壓力變化大，給安全鉆井作業(yè)帶來嚴(yán)重影響。主要存在以下工程技術(shù)難點[2]:

(1)井漏。因高密度油基鉆井液黏度高、切力大，加之小井眼環(huán)空間隙小，環(huán)空循環(huán)壓耗高和下鉆時激動壓力大，井漏風(fēng)險較大。

(2)溢流。停泵后失去較高的循環(huán)壓耗以及起鉆時產(chǎn)生較大的抽汲力，井底壓力驟降，極易引起溢流發(fā)生[3]。

(3)堵漏成功率低。常規(guī)的堵漏材料在油基鉆井液中膨脹率低，難以達到在水基鉆井液中的膨脹效果，堵漏效果差；使用水泥等凝結(jié)類堵漏對產(chǎn)層傷害大，不利于后期儲層改造。

(4)“溢漏”易轉(zhuǎn)換。地層壓力及井底液柱壓力均較高，受工況轉(zhuǎn)換影響，井底存在較大的壓力變化，易造成“溢、漏”頻繁發(fā)生并且互相轉(zhuǎn)換，嚴(yán)重影響作業(yè)安全[3]。

2 處理思路和對策

2.1 安全作業(yè)密度

通常所講的安全作業(yè)密度[4]是指：該密度產(chǎn)生的靜液柱壓力不低于地層壓力，并在起鉆中不會發(fā)生溢流；該密度在鉆進或循環(huán)中不會導(dǎo)致井漏，且在下鉆中不會因增加了激動壓力而發(fā)生井漏。尋找到能同時滿足四種不同工況下的安全作業(yè)密度是保證鉆井作業(yè)全過程井控安全的核心。

由于高密度油基鉆井液的特性和上述存在的工程技術(shù)難點，TF2井在?149.2 mm小井眼儲層段中鉆井同時滿足四種工況下“安全作業(yè)密度”的一個固定值難以實現(xiàn)，需要在現(xiàn)有技術(shù)條件下根據(jù)不同的工況采取不同的控壓方案進行控制。

2.2 變密度控壓鉆井技術(shù)

變密度控壓鉆井技術(shù)就是在不同工況下因循環(huán)壓耗、抽汲壓力、激動壓力的變化影響而調(diào)整對應(yīng)的鉆井液密度和控制一定的井口壓力來實現(xiàn)全作業(yè)過程中的井底壓力略大于地層壓力、保持井筒不溢、不漏或微漏的一個狀態(tài)，確保作業(yè)全過程的井控安全[5]。

(1)鉆進或循環(huán)時：鉆井液液柱壓力+環(huán)空循環(huán)壓耗+井口壓力>地層壓力，且不漏或微漏。

(2)停泵時：鉆井液液柱壓力+井口壓力>地層壓力，且不漏或微漏。

(3)起鉆時：鉆井液液柱壓力-抽汲壓力+井口壓力>地層壓力，且不漏或微漏。

(4)下鉆時：鉆井液液柱壓力+激動壓力+井口壓力<漏失壓力，且大于地層壓力。

2.3 各種工況密度和井口附加壓力的調(diào)節(jié)

(1)井口附加壓力調(diào)節(jié)[6]。通過旋轉(zhuǎn)防噴器，附加一定的井口壓力，作為各種工況下的鉆井液密度、環(huán)空循環(huán)壓耗、抽汲壓力等引起的壓力變化補償，始終保持井底壓力略大于地層壓力，實現(xiàn)井筒不溢不漏或微漏。其原則是鉆進時井口壓力值接近零，其余工況下井口壓力值不能超過現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值。

(2)鉆進密度。在滿足鉆進排量的前提下，以控制井口壓力值接近零為原則，保持井筒不溢、不漏或微漏，調(diào)試適合的鉆井液密度[7]。

(3)停泵密度。停泵關(guān)井的補壓值一般不超過旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值，特殊情況下應(yīng)使用常規(guī)防噴器控壓循環(huán)以提高井底當(dāng)量鉆井液密度或者注入一段重漿帽[8]。

(4)起鉆密度。起鉆前全井提高鉆井液密度或注入一段重漿帽，控制一定的井口壓力起鉆；起鉆至井口段用高密度鉆井液再次蓋帽或加重，消除井口壓力后常規(guī)起鉆[9]。起鉆控壓值不得超過旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值，否則繼續(xù)加重鉆井液；循環(huán)加重過程中為避免井漏，可隨密度的增加而降低排量或者分段加重，將循環(huán)壓耗減少量轉(zhuǎn)變?yōu)殂@井液液柱壓力增加量[10]。

(5)下鉆密度。下鉆分段循環(huán)，逐段降低鉆井液密度和控壓，保持井筒不溢、不漏或微漏為原則；下鉆到底按鉆進所需密度再次進行調(diào)整[11]。具體密度值應(yīng)依據(jù)井筒分段鉆井液密度的情況來確定，井口控制壓力值原則上應(yīng)以井底壓力略大于地層壓力、小于漏失壓力為標(biāo)準(zhǔn)；控壓值不超過旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值[12]。

3 變密度控壓鉆井技術(shù)在TF2井的應(yīng)用

3.1 前期鉆井情況

TF2井?177.8 mm油層套管下至龍?zhí)督M底部，井深5 132.17 m，達到對目的產(chǎn)層峨眉山玄武巖組進行專層專打。固井后鉆井液介質(zhì)由水基鉆井液轉(zhuǎn)換成油基鉆井液，在密度2.30 g/cm3、排量12 L/s相同情況下，實測油基鉆井液比水基鉆井液循環(huán)壓力增加了12 MPa，由此證明高密度油基鉆井液存在很高的循環(huán)壓耗。

用?149.2 mm鉆頭、密度2.30 g/cm3的油基鉆井液、排量11.5 L/s的鉆井參數(shù)鉆進至井深5 136.51 m發(fā)生井漏；降排量至6 L/s循環(huán)無漏失，氣測全烴最高2%；停泵靜觀4.5 h后有小股線流，液面上漲0.6 m3，循環(huán)后效全烴最高49.72%、油氣上竄速度348.03 m/h；橋漿堵漏兩次，無效。

由此可見本井?149.2 mm小井眼段在密度2.30 g/cm3、排量11.5 L/s條件下存在井漏，停止循環(huán)則溢流，溢、漏敏感明顯，無法用單一密度滿足鉆進、起鉆等多種工況的需要，變密度控壓鉆井勢在必行。

3.2 變密度控壓鉆井壓力與密度值確定

(1)地層壓力。用密度2.30 g/cm3的鉆井液鉆開產(chǎn)層，停泵4.5 h僅外溢0.6 m3，后效氣侵也不嚴(yán)重，說明此密度基本平衡地層壓力，結(jié)合鄰井實鉆資料分析，TF2井地層壓力系數(shù)近似于2.30。

(2)地層漏失壓力。本井段共用7趟鉆完成，詳細數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)第二趟鉆漏失后液面距井口80 m的情況計算本井段地層漏失壓力系數(shù)為2.40；其余6趟起鉆液面均在井口，說明鉆井液密度未超過漏失密度。地層漏失壓力也可采用憋壓、加重試漏等方法進行測試[13]。

表1 實鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(3)井口壓力值設(shè)定。根據(jù)本井現(xiàn)場使用旋轉(zhuǎn)防噴器設(shè)備能力情況，其井口壓力值不應(yīng)超過6 MPa，因此井口壓力值控制范圍設(shè)定為0～6 MPa。

(4)鉆進密度。根據(jù)全面鉆進和取心鉆進排量需求不同，鉆井液密度隨之進行調(diào)整。在擬定鉆進排量、井口控壓值為“0”條件下，以不溢、不漏或微漏為原則，試探合適的鉆井液密度。經(jīng)過前三趟鉆試探，后4趟鉆驗證，滿足鉆進排量條件下密度控制在2.18～2.22 g/cm3較為合適。

(5)停泵密度。按照地層壓力系數(shù)2.30、最低密度為2.18 g/cm3計算，停泵關(guān)井井口壓力應(yīng)為6 MPa，旋轉(zhuǎn)防噴器工作能力滿足要求，實際控制情況與之相吻合。

(6)起鉆密度。通過各次起鉆探索，起鉆完液面在井口，井筒平均密度2.37～2.39 g/cm3，油氣上竄速度均在控制范圍內(nèi)，滿足起鉆要求。為防止起鉆前一次性加足高密度鉆井液導(dǎo)致存在較大循環(huán)壓耗發(fā)生井漏，可以采取兩種方法減少井漏的風(fēng)險：一是適當(dāng)上調(diào)一定密度+注重漿帽;二是控壓起鉆一段后再上調(diào)密度和注重漿帽,也可以同時采取以上兩種方法。

3.3 變密度控壓鉆井作業(yè)

(1)鉆進作業(yè)。全面鉆進排量11.5 L/s、鉆井液密度最低降至2.18 g/cm3；取心鉆進排量7～9 L/s、鉆井液密度2.21 g/cm3。鉆進過程中井口不控壓、液面穩(wěn)定、TG值10%左右；接立柱等停泵時補壓最高5 MPa，后效TG值最高47%。

(2)起鉆作業(yè)。起鉆前先在井底逐漸降低排量加重密度至2.30 g/cm3左右，再從鉆具水眼內(nèi)注入密度2.55 g/cm3鉆井液20～30 m3；控壓0.5～6 MPa起鉆，起鉆環(huán)空按鉆具體積灌入密度2.30 g/cm3鉆井液；起鉆至井深1 000 m左右，根據(jù)套壓情況再從鉆具內(nèi)注入2.55 g/cm3鉆井液5～15 m3，消除套壓后按常規(guī)起鉆。

(3)下鉆作業(yè)。下鉆采取分段降密度、控壓下鉆[14]。按控壓值計算分段循環(huán)，一般按下入500～800 m鉆具循環(huán)降密度一次，密度降至2.21～2.25 g/cm3，控壓最高套壓不超過6 MPa；下鉆完循環(huán)調(diào)整至所需鉆進排量的對應(yīng)鉆井液密度值。

(4)效果。通過使用旋轉(zhuǎn)防噴器，根據(jù)工況需要調(diào)整作業(yè)過程中鉆井液密度、循環(huán)排量、井口壓力等參數(shù)及相應(yīng)的控制措施，用7趟鉆順利完成井段5 132.17～5 372 m的安全鉆進，鉆獲進尺239.83 m。其中取心3筒，進尺28.70 m。完成了設(shè)計目標(biāo)要求、取全了各種資料、保障了施工安全。

4 認識及建議

(1)通過實際施工探索，摸清了本井地層壓力系數(shù)、地層承壓能力和高密度油基鉆井液在本井眼段對循環(huán)壓耗、抽汲壓力、激動壓力的影響關(guān)系，為不同工況的密度調(diào)整和井口壓力控制提供了依據(jù)。

(2)準(zhǔn)確掌握地層壓力、漏失壓力是關(guān)鍵。針對不同作業(yè)工況調(diào)整鉆井液密度、井口控壓值，始終保持井底壓力略大于地層壓力是保證井控安全的前提條件。

(3)旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值應(yīng)根據(jù)各井設(shè)備情況、地層壓力情況進行評估和選擇，井口控制壓力值不能超過旋轉(zhuǎn)防噴器的安全工作值。

(4)因敏感地層易發(fā)生井漏，起鉆前一次性加重到位井漏風(fēng)險較大，可采取分段多次加重、水眼注重漿混合、重漿蓋冒等手段，減少井漏的風(fēng)險。

(5)不同工況下井底當(dāng)量壓力值目前可借助井底壓力計等現(xiàn)有手段進行輔助判斷。但高密度油基鉆井液條件下，不同工況對井底當(dāng)量壓力影響的計算目前理論基礎(chǔ)尚不成熟，還需繼續(xù)研究攻關(guān)，以提高井底壓力計算精度。

(6)小井眼完鉆后電纜測井作業(yè)的安全措施有待進一步研究。