MY-2井筒呼吸效應(yīng)及識(shí)別

劉占魁

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

井筒呼吸效應(yīng)是指鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生井漏，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的一種特殊現(xiàn)象，基本表征是在井口能觀察到鉆井液外溢。國(guó)外學(xué)者較早開(kāi)始研究天然裂縫性地層的呼吸效應(yīng)。隨著深水鉆井的勘探開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)學(xué)者基于井控安全考慮開(kāi)展井筒呼吸效應(yīng)研究，取得了一定程度進(jìn)展。受研究與重視程度的限制，鉆井施工過(guò)程中遇到停泵后鉆井液外溢很容易與溢流相混淆，判斷錯(cuò)誤造成現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)措施失當(dāng)。比如：如果發(fā)生了井筒呼吸效應(yīng)卻判斷為溢流，采取關(guān)井、求取關(guān)井立壓與套壓、提高鉆井液密度、壓井、循環(huán)檢查井筒排出來(lái)的流體并以此為依據(jù)確定后續(xù)措施等一系列步驟，對(duì)承壓能力較低的地層而言，提高鉆井液密度進(jìn)一步增加了井漏的風(fēng)險(xiǎn)，隨之采取提高地層承壓能力、堵漏等技術(shù)措施，導(dǎo)致鉆井現(xiàn)場(chǎng)陷入惡性循環(huán)，耗時(shí)耗力。

1 井筒呼吸效應(yīng)的鉆井地質(zhì)條件

瑪湖凹陷北斜坡風(fēng)城組處于堿湖生烴中心區(qū)，生烴強(qiáng)度大，在百口泉扇和夏子街扇的扇間地帶發(fā)育云質(zhì)巖，是探索碳酸鹽巖頁(yè)巖油的重要領(lǐng)域，2020年部署上鉆MY-2井。MY-2鄰井的巖芯、壓汞、鑄體薄片及FMI成像測(cè)井等資料均顯示，風(fēng)城組儲(chǔ)層整體較致密，儲(chǔ)集空間主要為基質(zhì)孔、次生溶孔和微裂縫，同時(shí)發(fā)育晶間孔、晶內(nèi)溶孔等，巖性和溶蝕作用共同控制了風(fēng)城組云質(zhì)巖的儲(chǔ)層物性?？紫斗诌x不好，具有小孔隙和細(xì)喉道，最大孔喉半徑為0.32～2.56μm，平均1.52μm；排驅(qū)壓力為0.41～1.35MPa，平均0.54MPa；飽和中值壓力為6.32～18.60MPa，平均為11.2MPa；飽和中值半徑為0.03～0.13μm，平均為0.09μm。MY-2鄰井主要參考了烏夏斷裂帶和克百斷裂帶的井。烏夏斷裂風(fēng)城組屬于頁(yè)巖油藏，壓力系數(shù)1.61～2.13，克百斷裂帶風(fēng)城組主要為砂礫巖油藏，壓力系數(shù)最大1.32，MY-2與烏夏斷裂帶的井更接近。

受上述鉆井地質(zhì)因素影響，該區(qū)鉆井易漏，為產(chǎn)生井筒呼吸效應(yīng)提供了條件。①BQ-1井P2w-P1f井漏27次，漏失鉆井液1337m3。其中，風(fēng)城組3122.33～3213.25m井段井漏7次、漏失鉆井液119m3。BQ-1井完井FMI及取芯資料證實(shí)夏子街組及風(fēng)城組裂縫發(fā)育，造成裂縫性漏失。②FC-1井P1f-P1j井漏10次，漏失鉆井液902m3。FC-1井風(fēng)城組底部油氣侵，用密度1.76g/cm3鉆井液壓井，鉆井液密度高，長(zhǎng)時(shí)間靜止后鉆井液流變性差，大排量循環(huán)過(guò)程中造成套管鞋附近漏失。③FN-5井在風(fēng)城組2825.64～4444.62m井段井漏10次，漏失鉆井液358m3。該井構(gòu)造上位于FN-3井北斷裂與FC-1井?dāng)嗔阎g，裂縫發(fā)育，導(dǎo)致頻繁發(fā)生井漏。④MY-2井三開(kāi)井段漏失1.08～1.26g/cm3鉆井液3000m3以上。

2 井筒呼吸效應(yīng)機(jī)理

發(fā)生井筒呼吸效應(yīng)與井筒內(nèi)的壓力密切相關(guān)。安全鉆井要正確控制井筒壓力的變化，基本點(diǎn)是鉆進(jìn)時(shí)采用合適的鉆井液密度。正常鉆進(jìn)時(shí)井筒壓力為鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓耗之和：

式中：Pb——井筒壓力，MPa；

Pm——鉆井液液柱壓力，MPa；

ΔPa——環(huán)空循環(huán)壓力，MPa。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)常采用循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度ECD來(lái)表示，即：

式中：ESD——鉆井液靜態(tài)當(dāng)量密度，g/cm3；

Δρa(bǔ)——環(huán)空循環(huán)壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

控制井筒壓力的變化，實(shí)質(zhì)上就是控制鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓力之和。根據(jù)相關(guān)壓力數(shù)據(jù)控制井筒壓力應(yīng)滿足：

式中：ρc——地層坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3；

ρp——地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；

ρf——地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；

ρl——地層漏失壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

最小與最大取值的差值為安全密度窗口，無(wú)論在循環(huán)鉆進(jìn)還是停泵接單根等其它作業(yè)時(shí)，井筒內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度應(yīng)滿足上述安全密度窗口。對(duì)裂縫發(fā)育等地層承壓能力較低的地層，地層漏失壓力與地層孔隙壓力之間的壓力窗口窄，鉆進(jìn)中發(fā)生漏失的風(fēng)險(xiǎn)增加。隨著安全密度窗口變窄，為產(chǎn)生井筒呼吸效應(yīng)提供了條件，發(fā)生呼吸效應(yīng)的幾率增大。井筒呼吸效應(yīng)是在特定地層條件和工況下產(chǎn)生的。鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井筒內(nèi)的壓力達(dá)到或超過(guò)地層漏失壓力或地層裂縫傳播所需的壓力時(shí)，就會(huì)形成穩(wěn)定的徑向裂縫，鉆井液漏失進(jìn)入地層。發(fā)生漏失后在地面觀察到鉆井液量減少。停泵后循環(huán)壓力消失，井筒內(nèi)壓力降低，若其小于地層裂縫傳播所需的壓力時(shí)，在地層壓力、裂縫閉合壓力等相關(guān)因素作用下，前期漏入裂縫中的鉆井液返回井筒，井口出現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象。發(fā)生呼吸效應(yīng)與地層裂縫開(kāi)啟與關(guān)閉有關(guān)，與地層裂縫的產(chǎn)生與傳播有關(guān)。漏失量及漏失速度等受當(dāng)量密度窗口、地層特征、承壓能力、鉆井液性能等諸多因素影響。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)井口外溢，關(guān)井后達(dá)到平衡時(shí)地層壓力與地面壓力的關(guān)系如下：

式中：Pd——關(guān)井立管壓力，MPa；

Pmd——鉆柱內(nèi)原鉆井液靜液柱壓力，MPa；

Pp——地層壓力，MPa；

Pa——關(guān)井套管壓力，MPa；

Pma——環(huán)空內(nèi)鉆井液靜液柱壓力，MPa。

井筒呼吸效應(yīng)與溢流有相似之處，如兩者都伴隨停泵后環(huán)空返出鉆井液的現(xiàn)象，兩者相似之處在于初始的時(shí)候都是井口外溢。但是，兩者又存在本質(zhì)區(qū)別，關(guān)鍵點(diǎn)在于是否存在地層流體的參與。如果發(fā)生的是呼吸效應(yīng)，則回流到井筒內(nèi)的流體是之前漏失進(jìn)地層中的鉆井液，呼吸效應(yīng)前后鉆井液密度保持不變，井內(nèi)鉆井液液柱壓力不發(fā)生變化，關(guān)井立壓等于關(guān)井套壓。如果受地層流體侵入影響發(fā)生溢流，地層流體與環(huán)空中原鉆井液混合后密度發(fā)生變化，環(huán)空液柱壓力變化，關(guān)井立壓與關(guān)井套壓則不相同。

3 井筒呼吸效應(yīng)識(shí)別與實(shí)例

判斷井筒呼吸效應(yīng)和溢流，首先要確定之前是否發(fā)生過(guò)漏失，如果沒(méi)有發(fā)生井漏而停泵后發(fā)現(xiàn)井口外溢，應(yīng)按照溢流處理。第二，井筒呼吸效應(yīng)和溢流變化過(guò)程不同。呼吸效應(yīng)是窄密度窗口條件下鉆井液漏失進(jìn)入井筒周圍地層中補(bǔ)充了地層能量，停泵后循環(huán)壓耗消失導(dǎo)致井筒壓力減小，之前漏失的鉆井液回流，初始時(shí)回流的速度快速增加，隨著能量消耗回流的速度達(dá)到最大值之后開(kāi)始逐步減少，直至返出為零，此時(shí)回吐過(guò)程停止。溢流則不同。受地層流體侵入的影響，井筒內(nèi)混合流體密度降低，井筒壓力降低，地層流體進(jìn)一步侵入。隨著侵入過(guò)程的不斷演化發(fā)展，液柱壓力逐漸降低導(dǎo)致地層壓力與井筒內(nèi)壓力之差也越來(lái)越大。停泵后，液柱壓力不能平衡地層壓力產(chǎn)生井口外溢現(xiàn)象，外溢速度由小變大逐步增加直至關(guān)井。第三，對(duì)井筒呼吸效應(yīng)，回流量小于之前漏失量。第四，若關(guān)井，對(duì)井筒呼吸效應(yīng)來(lái)說(shuō)，關(guān)井立壓值與套壓值大致相等，立壓與套壓數(shù)值相對(duì)較小，基本上觀察不到壓力隨時(shí)間的變化發(fā)展。同時(shí)，只要節(jié)流放出少量流體，關(guān)井壓力就隨之減小。而對(duì)溢流，關(guān)井立壓與關(guān)井套壓不相等，發(fā)現(xiàn)溢流越晚、溢流量越多則關(guān)井壓力越高。而且，關(guān)井期間伴隨著侵入流體滑脫上升關(guān)井立壓與關(guān)井套壓隨之變化，若侵入井筒的是氣體長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井地面壓力變化很明顯，此外，試圖通過(guò)節(jié)流放出部分液體會(huì)導(dǎo)致關(guān)井壓力進(jìn)一步升高。

MY-2井位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起烏夏斷裂帶，緊鄰中央坳陷瑪湖凹陷。鉆探目的為探索堿湖中心區(qū)巨厚云質(zhì)、（粉）砂質(zhì)泥頁(yè)巖區(qū)頁(yè)巖油新類型，進(jìn)一步落實(shí)盆地堿湖頁(yè)巖油勘探潛力，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油資源有序接替。該井完鉆井深5050m。二開(kāi)?311.2mm鉆頭鉆至井深3750m進(jìn)入風(fēng)城組風(fēng)三段后中完，下入?244.5mm技術(shù)套管。三開(kāi)井段采用F215.9mm鉆頭鉆進(jìn)。針對(duì)風(fēng)城組裂縫發(fā)育易漏特征，結(jié)合前期已完鉆井采用液相欠平衡或注氮?dú)饧夹g(shù)取得了較好的防漏效果，考慮到MY-2井風(fēng)城組地層坍塌壓力系數(shù)小于0.80，井壁穩(wěn)定，為減少井漏保障連續(xù)施工，MY-2井自三開(kāi)采用1.15g/cm3鉆井液密度鉆進(jìn)(設(shè)計(jì)起步密度1.35g/cm3)，根據(jù)實(shí)鉆逐步降低鉆井液密度最低至1.08g/cm3。然而，僅鉆進(jìn)至三開(kāi)上部3779～3806m井段就發(fā)生4次井漏，鉆井液密度1.15～1.11g/cm3，漏失鉆井液127m3，損失時(shí)間36h。后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中采取了高濃度并優(yōu)化堵漏劑級(jí)配集中堵漏、應(yīng)用隨鉆固結(jié)技術(shù)提高地層承壓能力、帶濃度5%～12%堵漏劑鉆進(jìn)、調(diào)整鉆進(jìn)排量等技術(shù)措施，4275～5050m井段漏速1～48.6m3/h至完鉆。MY-2井3779～3806m井漏及打完堵漏漿后停泵即出現(xiàn)井筒呼吸效應(yīng)現(xiàn)象。受基質(zhì)孔、次生溶孔和地層微裂縫欠充填影響，回流量小于漏失量。發(fā)生井筒呼吸效應(yīng)后井口返出量及返出速度迅速增加，返出速度可達(dá)到10L/s，之后逐漸減少至斷流。該區(qū)鄰井生產(chǎn)烴類相態(tài)主要為液態(tài)、產(chǎn)氣量小或不產(chǎn)氣。MY-2井自井漏后停泵到出現(xiàn)呼吸效應(yīng)以及井口返出速度與井筒內(nèi)發(fā)生地層流體侵入的表現(xiàn)明顯不同。前兩次漏失停泵后，采取關(guān)井措施、套壓0.5MPa，隨時(shí)間增長(zhǎng)關(guān)井套壓未發(fā)生變化。節(jié)流放出約30L液體關(guān)井壓力降低、壓力不增高?，F(xiàn)場(chǎng)判斷為井筒呼吸效應(yīng)，循環(huán)后未見(jiàn)地層流體。針對(duì)MY-2井采取低密度鉆井液鉆進(jìn)可能存在的井控風(fēng)險(xiǎn)，三開(kāi)井段鉆進(jìn)前加裝了旋轉(zhuǎn)防噴器，提前安裝壓井硬管線，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備密度為1.60g/cm3壓井重漿120m3，安裝液面監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)井筒液面變化，同時(shí)，地質(zhì)研究及時(shí)分析對(duì)比巖性與鄰井的異同、定期提供了地層壓力研究成果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆井液密度，通過(guò)應(yīng)用上述措施，保障了現(xiàn)場(chǎng)井控安全，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）正確識(shí)別井筒呼吸效應(yīng)與溢流對(duì)風(fēng)城組裂縫發(fā)育地層安全鉆進(jìn)至關(guān)重要，可減少現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)措施失當(dāng)。

（2）風(fēng)城組地層具有高壓低滲特征，采用液相欠平衡技術(shù)鉆進(jìn)可以滿足現(xiàn)場(chǎng)井控要求。