川東北海相地層特性與鉆井井控

楊風杰，魯 煜

（1．中國石化江漢油田分公司井控培訓中心，湖北 潛江433121；2．中國石油塔里木油田公司教育培訓中心，新疆 庫爾勒541000）

川東北海相地層特性與鉆井井控

楊風杰1，魯 煜2

（1．中國石化江漢油田分公司井控培訓中心，湖北 潛江433121；2．中國石油塔里木油田公司教育培訓中心，新疆 庫爾勒541000）

川東北海相地層的巖性特點、油氣聚集、異常高壓和異常低壓在海相地層的特點，決定了海相地層在鉆井施工中容易出現溢流和井漏交替發生的現象，很難建立井筒壓力的靜態平衡。川東北海相地層的鉆井井控有其特殊性，根據井控技術理論與鉆井現場實際，針對川東北海相地層的鉆井工作，總結出川東北海相地層的鉆井井控工作要點和工作思路。

海相地層；異常低壓；重力置換；壓井井漏；異常高壓；碳酸巖

0 前言

川東北地區海相地層地質情況復雜，存在多套壓力系統，飛仙關、長興組以孔隙型礁灘相白云巖儲層為主，多為常壓系統。飛四段、嘉陵江、雷口坡組以裂縫型儲層為主，為異常高壓系統。復雜的地質情況和壓力系統給鉆井施工帶來一定難度，給井控工作帶來很大風險。H2S含量的分布，受沉積相帶控制，很復雜，使井控裝置的配套安裝和使用顯得十分重要。海相地層是川東北勘探開發的主力地層，由于其復雜性，多年來在海相地層勘探開發沒有大的突破，其復雜性也給鉆井井控帶來巨大的風險。

在鉆井施工過程中，由于地層壓力的復雜性，會直接破壞井筒內原有的壓力平衡關系，其結果往往會導致發生井漏或井噴，極大的影響正常鉆井工作的順利開展，造成人力物力的巨大損失，同時也會導致油氣資源的極大浪費，破壞生態環境。歷史的教訓多次證明了井控安全問題的重要性。川東北地區海相地層地質條件具有傾角大、地層壓力高、油氣產量高、安全密度窗口小，造成了鉆井作業中復雜情況頻繁發生，嚴重的會引起井噴、井噴失控和著火。這些都給正常安全生產和井控工作帶來很大的難度和風險。這就要求在總結鉆井實踐的基礎上，有區域上的井控措施；提出高壓油氣藏鉆井井控工作的重點和低壓油氣層的特點；規避復雜情況的出現；提高川東北區塊海相地層的勘探開發和井控工作效率，十分重要。

1 海相地層異常高壓和異常低壓

一般的異常高壓分“沉積型”異常高壓和“構造型”異常高壓，通過近些年海相鉆探資料分析，有學者認為有“碳酸鹽巖型”異常高壓的存在。四川盆地侏羅系沉積末期，二疊系陽新統生物灰巖中所富含的有機質已從成油進而裂解為天然氣，由液態變為氣態，體積發生巨大的變化。由于當時的“儲藏室”空間有限而形成的氣量又十分巨大，故生成的氣體處于較高壓力的狀態，將給井控工作帶來一些難度。造山運動使地層強烈褶皺，在受力較強的部位產生裂縫，高壓天然氣不斷向“縫洞體”運移富集。

海相碳酸鹽地層儲藏量豐富，含有世界上60%以上的石油地質儲量，但是這些油氣資源很難采出。盡管海相碳酸鹽地層儲藏量豐富，但因其孔隙度、滲透率和其它儲層特性之間的相互關系要么很復雜，要么根本沒有相互關系，使其有了難以開發的說法。在海相地層鉆井現場總結出碳酸鹽巖型異常高壓受裂縫影響很大，規律性很差。有資料顯示，在高產大氣井附近出現干井，在低產量小氣井旁邊出現高產大氣井的情況。川南鹿角場構造高部位鉆探的鹿1井為干井，沒想到在鹿1井僅相距9000米的鹿3井初噴氣量日產915萬方的天然氣；新851井，日產279．29萬方的天然氣，該井由于油套管問題暫閉后，在距其900米另打一口接替新851井在同一層位竟沒有獲得天然氣。這就警示我們井控工作時刻不能松。決不能因為臨井沒有油氣就放松井控工作要求，這就是海相地層裂縫性油氣藏的特殊性。

2 海相地層特征

由于海相地層油氣藏的特殊性，使這些油氣資源很難采出。川東北地區經過了兩個沉積旋回，地層發育齊全，形成了沉積厚度巨大的沉積旋回，地層總厚度達萬余米（見圖1）。

圖1 地層特征圖

2．1 雷口坡組

三段，3740m～3960m：厚層深灰色、灰色顯微晶灰巖與深灰色泥晶灰巖間夾薄層深灰色白云巖、灰白色硬石膏巖。

二段，3960m～4120m：深灰色白云巖、含泥白云巖、砂質白云巖與灰白色硬石膏巖呈不等厚互層，間夾薄層深灰色泥灰巖、深灰色白云質泥巖。

一段，4120m～4170m：深灰色膏質白云巖、灰質白云巖、白云質灰巖與灰白色硬石膏巖呈不等厚互層。2．2 嘉陵江組

嘉陵江組是川東北地區海相地層的典型，嘉陵江組主要為一套局限性地臺——湖坪——瀉湖環境的碳酸巖沉積，根據巖性組合特征可進一步分五段。五段及四段：上部巖性主要為深灰色白云質灰巖、灰質白云巖與灰白色硬石膏巖互層，中下部巖性為無色鹽巖與厚層灰白色硬石膏巖夾薄層深灰色膏質灰巖。

三段：上部巖性主要為深灰色含白云質灰巖與深灰色白云巖，中下部巖性為大段厚層灰色含泥灰巖與深灰色灰巖。

二段：上部巖性主要為灰白色硬石膏巖與褐灰色膏質灰巖；中部巖性為深灰色灰質白云巖、溶孔云巖和含泥灰巖；下部巖性為灰白色硬石膏巖與灰色膏質白云巖。

一段：中上部主要為厚層淺褐灰色、灰色灰巖，下部主要為棕紅色、灰色灰巖與棕紅、綠灰、淺灰色白云巖及棕紅色石膏質白云巖，其間夾灰白色硬石膏巖。

2．3 飛仙關組

四段：棕紅色、綠灰色白云巖、棕紅色泥質白云巖及灰白色硬石膏巖。

三段：深灰色灰巖、灰色灰質白云巖、白云質灰巖不等厚互層，夾鮞粒灰巖。

二段：灰色白云巖、灰質白云巖不等厚互層，夾深灰色灰巖、溶孔白云巖、鮞粒灰巖。

一段：上部巖性主要為灰色白云巖、灰質白云巖不等厚互層；下段巖性主要為灰色白云巖、溶孔白云巖。

2．4 龍潭組

上部主要為深灰色灰巖，夾燧石結核灰巖、泥灰巖，下部為黑色泥頁巖夾薄層灰褐色灰巖。

長興、龍潭組地層硬度相對較高，極少量的井段含有燧石結核，但大段巖性均質，燧石結核對金剛石鉆頭沖擊破壞性大，使用金剛石鉆頭時需密切注意鉆時變化，可避開含燧石結核的井段使用PDC鉆頭。

3 川東北海相地層鉆進工作面臨的問題

川東北有著豐富的天然氣資源，但勘探開發難度極大，不僅地上溝壑縱橫，山高路陡，物探、鉆前工程艱難，地下更是極其復雜，存在著“深、斜、硬、塌、漏、噴、毒”工程技術難題。

3．1 高陡構造、大傾角地層鉆井易斜

川東地區60%～80%構造屬高徒構造，地下斷層多，地層傾角一般30°～65°（最大的85°），靶區狹窄，嚴重制約了鉆井速度的提高，并因此帶來若干復雜情況和井下事故（見圖2）。

圖2 高陡構造圖

3．2 地層巖性堅硬、研磨性強，可鉆性差

海相雷口坡、嘉陵江和飛仙關組地層多為較均質的泥巖、灰巖和白云巖，選擇PDC鉆頭有利于提高速度，使用效果較好。毛壩2井在3179m～3725m，使用M1388SPDC鉆頭，進尺546m，鉆速3．19m／h，具體情況見表1。

表1 普光1井、普光2井、毛壩2井使用及磨損情況

3．3 地層漏失主要是地層孔隙、裂縫、孔洞發育，缺乏規律性

河壩1井全井發生漏失24次，損失鉆井液1933．26m3。其中，陸相地層漏失鉆井液372．16m3；海相地層漏失鉆井液1561．11m3，占全井漏失量的80%以上，海相地層的漏失較陸相地層更為嚴重。

井漏是石油天然氣鉆探過程中普遍存在、經常遇到的復雜問題（見圖3、4、5）。由于井漏引起的井下復雜事故，對鉆井、完井施工危害極大，一直是國內外石油工程界十分關注的問題。但由于井漏原因復雜、影響因素較多。溶洞及天然裂縫有進無出的嚴重漏失，長井段地層承壓能力低的漏失問題是當前海相地層鉆井的一大難點，這是困擾我國石油、天然氣勘探開發的重大技術難題，也是國內外至今未能很好解決的重大技術難題。海相地層瀉湖環境的碳酸巖沉積地層特點對鉆井、完井壓力控制來說，其難度相對較大，認識它就更為重要。其特點：

1）由于不遵守壓實效應，因此難以準確預報地層壓力，而且不宜做破裂壓力試驗，因壓開后難以閉合。

2）流體為天然氣時，對壓力特別敏感，有時甚至停泵溢流，開泵井漏。井噴、井漏普遍存在，且極易轉化。因此，既要重視井噴的防治，也應同時重視井漏的防治，特別應重視兩者的轉化。

3）裂縫和溶洞相對較多較大，預報難度大，井漏普遍，特別是大縫大洞的惡性井漏很難處理。

4）鉆遇裂縫或溶洞時，鉆時加快或放空表現明顯，發生溢流或井漏反應速度快。

5）夾含膏鹽較碎屑巖地層相對多，故該地層天然氣中含硫化氫和二氧化碳比例較大。

6）雖鉆井完井作業中對儲層存在傷害，但酸化可解堵。加之地層內幾乎不含粘土，不存在水化膨脹和水鎖情況。

7）地層一旦破裂會越來越大。

8）底水層中的水有硫化氫。

9）裂縫和溶洞大，井底壓力等于地層壓力，漏失是置換性漏失。產層井漏不一定是低產井，高壓油氣井在水平井或大斜度井通常存在重力置換，嚴重的重力置換如同井漏。

圖3 裂縫性漏失

圖4 溶洞性漏失

圖5 誘導性漏失

3．4 鉆井過程中的漏噴問題

川東北鉆井現場大量實踐證明，鉆迂海相地層產層大多是先漏后噴或又噴又漏，如清溪1井、龍8井。在大斜度的定向井或水平井鉆遇的裂縫性和溶洞性油氣藏，井底鉆井液與地層孔隙、裂縫之間的重力置換必然存在，多少鉆井液進入地層就有多少氣進入井眼內。井漏導致鉆井液嚴重氣浸或井噴，重力置換進入井內的天然氣多少不僅與地層特性、鉆井液性能有關，更重要與鉆井液停止時間有關。因換鉆頭、電測等作業而起出鉆桿的井，雖然在早先檢查的時候平靜，但是有可能由于抽汲以及較長時間停止循環，而在井底積聚相當數量的天然氣氣柱。然后，或者由于其輕于泥漿而上升膨脹或者在下鉆循環時上行膨脹，當到達某深度時就會發生泥漿外溢噴出。并且由于天然氣上升接近地表時，在低的壓力下它將取代大量的泥漿，大大降低了井底壓力，使更多的天然氣以更快的速度侵入井內。因此實際的鉆井液外溢噴出現象是氣體進入井內運移到上部井眼的結果。

在鉆井液液柱壓力大于地層孔隙壓力時也會使井內鉆井液嚴重氣侵。如果鉆井液密度越高，地層中的天然氣與鉆井液由重力置換作用進入井筒的天然氣就越多；鉆井液粘度越高含在鉆井液中的氣就越難除掉。這就要求在天然氣井中鉆進鉆井液的粘度越低越好。有些區塊井隊儲備的加重料通常是石灰石，如果用石灰石加重鉆井液粘度必然上升，給除氣造成一定困難，現場常出現經過液氣分離器后，地面鉆井液體積還是增加，且越加重，地層中的天然氣與鉆井液之間的重力置換越嚴重。如果出現井漏，重力置換也將進行。這一點可以解釋為有的井越加重越氣侵，當鉆井液密度提高到很高值時井漏還是氣侵。

川東北海相天然氣井，對鉆井液密度的要求只是鉆井液密度比地層壓力密度量綱大（0．07～0．15）g／cm3或鉆井液靜液柱壓力比地層壓力大3MPa～5MPa就可以了。但對鉆井液粘度要求很高，通常粘度越低越好，越接近水的粘度越有利于氣體的分離，液氣分離器的除氣效果就越好。過去川東北用低密度、低粘度的鉆井液鉆完目的層，經測試獲高產天然氣。有的井地層壓力不高，只是因為氣侵而過高加重后使鉆井液粘度大幅度上升，在循環加重過程中就出現鉆井液液面上升，按井控規定不得不關井。若長時間關井，井口套壓還會不斷上升。這時的井口壓力不能作為確定地層壓力的依據，也不能作為確定壓井液的依據。有的井加重是用儲備的加重鉆井液加重，要特別注意新注入的鉆井液與原鉆井液及地層流體油氣要有相容性。就是要求它們相遇后不能過度的稠化。如果過度的稠化以后，注入的新鉆井液還將嚴重氣侵，使加重或壓井工作很難進行，因此應在地面做一些化驗工作，確定壓井液的最佳配方。

3．5 地層壓力高

“三高”井常出現在海相碳酸巖地層。中石化“三高”是指具有高產、高壓、高含H2S特征的井。其中，“高產”是指天然氣無阻流量達100×104m3／d及以上；“高壓”是指地層壓力達70MPa及以上；“高含H2S”是指地層氣體介質H2S含量達1000ppm以上。（中石油對“三高”的定義有所不同）

海相碳酸巖地層壓力高，如果關井天然氣體積沒有膨脹，壓力將會很高。1985年完鉆的龍4井井深6026米，完井測試關井井口壓力很快升至103．95MPa，壓力還在上升，因超過卡麥隆井口封井器額定工作壓力15000psi（105MPa），被迫放噴，預計最高井口壓力為108．42MPa。1976年完鉆的關基井井深7175米，在井深7158米處測得原始地層壓力為150．90MPa，完井測試完后不敢關井，立即進行壓井，關井一直到現在。

4 川東北海相高壓氣層的井控工作

在高壓油氣層中鉆進溢流顯示來得快，烈度大。據川東100多口井資料統計，從發現溢流到井噴的間隔時間小于30min的占三分之二，其中一半在10min以內，且來勢兇猛，容易失控。許多井發現溢流后關井，壓力升得很快，關井壓力很高，給壓井工作帶來很大困難，很難重建井內壓力平衡。有的關井壓力達到或超過最高允許關井套壓值，只好卸壓，卸壓又帶來更高的套壓，最后只好防噴。

通過近些年來海相地層的鉆探，總結出高壓油氣藏鉆井井控工作的重點和低壓油氣層特點。4．1 海相地層井控要求高

川東北海相碳酸鹽巖地層不滿足達西滲流定律，滲流阻力小，導致井內壓差安全窗口很小，井筒承壓能力小，環空流動阻力就可以使裸眼井筒擴張。當停泵時，裸眼井筒收縮，表現為井口外溢；由于井內壓力變化與波動，使地層產生次生裂縫，停泵后，裂縫閉合，也表現為井口外溢。鉆井液密度高，泵排量高，又使井漏。漏溢現象的交替發生，使鉆井施工中不能有效建立井內液柱壓力的靜態平衡，海相地層的井控工作不能忽視儲層對井筒的影響。由此，對海相地層提出很高的井控要求。

1）避免長時間關井，防止簡單問題復雜化。長時間關井，井口壓力高，易超過極限套壓；另一方面，硫化氫進入環空，會產生氫脆破壞。

2）當溢流不能有效通過“節流循環”排出井筒時，可以采取壓回的方法，以適量的漏失來避免溢流的重復發生，達到延長安全時間。

3）如果是重力置換形成的溢流。現場實踐是用環形防噴器關井起鉆，使鉆頭到油氣層頂部，再節流循環排除環空油氣效果很好（用環形防噴器起鉆時，一定要是18°坡度的對焊鉆桿，井口套壓不超過7MPa）王平1井就是典型的成功案例。

4．2 必須重視井控裝置的配套安裝和使用

1）高壓油氣井原則上都要安裝使用壓力等級不低于本次開鉆最高地層的壓力的35MPa或70 MPa或105 MPa套管頭、雙四通、雙閘板防噴器，以及與以上裝置配套使用的司鉆控制臺和遠程控制臺。

2）對于探井、高壓（35 MPa以上）、高產（日產量10萬方以上），高含硫（75mg／m3）氣井，必須加裝1個閘板和1個剪切閘板。

3）在油氣層中鉆進必須安裝使用鉆具回壓閥、投入式止回閥、循環閥、方鉆桿上下旋塞和防噴單根、內防噴裝置等。

4）防噴和防噴管匯要求安裝使用同井口裝置壓力等級一致的節流管匯、壓井管匯、液氣分離器、4條大通徑放噴管匯、燃燒筒、放噴管線出口自動點火裝置等，還需要砌燃燒池、防火墻。

5）油氣監測方面則要配置泥漿缸液面自動報警器（儀），可燃氣體監測儀、硫化氫氣體監測儀，以及必要的安全消防器材。

6）必須配備主要目的層井筒容積2倍以上容積的鉆井液儲備器。大于最大井筒容積的循環罐、自動灌鉆井液裝置、鉆井液攪拌器、加重裝置、凈化裝置和鉆井液材料、處理劑的堆放處理場地。

7）井控裝置必須按行業標準安裝、試壓、使用管理和維護。

4．3 高壓油氣藏井控工藝的工作要點

井控有一、二、三次井控之說。一次井控就是實行平衡壓力鉆井；二次井控就是在井內壓力失去平衡后，進行壓井，重建井內壓力平衡；三次井控就是發生井噴后，特別是井噴失控后，采用技術手段，重新恢復對井的控制，并重建井內壓力平衡。

井控工作的實質就是在鉆井工作中努力實現、建立、維護或重建井內壓力平衡。井控工作的重點簡言之就是：立足于一次井控；重點做好二次井控；重視三次井控，減少或杜絕溢流和井噴的發生。

1）立足一次井控。在高壓油氣藏的油氣層中鉆井，必須立足于一次井控，即立足于進行平衡壓力鉆井。所謂平衡壓力鉆井，即選擇合適的鉆井液密度，控制適當的安全附加壓力值，在保持井底壓力（包括循環和起下鉆時）與地層壓力基本平衡的情況下進行鉆井作業，這是減少和防止發生溢流最有效的手段。只是認真搞好了平衡壓力鉆井的工作，即使由于各種原因發生了溢流，也會很快得到控制和重建井內壓力平衡。

2）重點搞好二次井控。搞好二次井控是防止井噴的關鍵。鉆高壓油氣井很容易發生溢流，并且溢流來得快，很容易演變為井噴。因此，鉆高壓油氣井要重點搞好二次井控，即及時發現溢流，及時關井，盡快調整鉆井液密度或壓井，盡快重建井內壓力平衡。

3）重視三次井控。井噴就是事故，井噴失控便是惡性事故，井噴著火是災民性事故。在石油天然氣勘探開發過程中，地層流體（油、氣、水）一旦失去控制進入井內，就會導致井噴或井噴失控，使井下情況復雜化，無法進行正常作業。天然氣井，尤其是含硫化氫的天然氣井井噴過程中，如果處理方法和措施不當，極易引起井噴失控著火、井場爆炸、井場下陷甚至波及周圍群眾生命財產安全等災難性事故，給國家、企業造成重大的經濟損失和不良的社會影響。因此要十分重視三次井控即在井噴失控后，就迅速采取適當措施，避免事態惡化，根據失控的具體情況，使用適當的技術與設備恢復對井的控制。

［1］張桂林．石油作業井控技術［M］．北京：石油大學出版社，2003．

［2］張發展．復雜鉆井工藝技術［M］．北京：石油大學出版社，2006．

The Characteristics of Northeastern Sichuan Marine strata and the Well Control

YANG Feng－jie，LU Yu

（1．Well Control Training Center of Jianghan Oilfield Company，SINOPEC，Qianjiang，Hubei，433121，China；2．Education and Training Center of Talimu Oilfield，CNPC，Korla，Xinjiang，541000，China）

It＇s difficult to establish a static balance of shaft pressure in the northeast of Sichuan marine strata due to the tendency of the alternating appearances of overflow and leakage during drilling operations caused by the particular strata characteristics of lithology，hydrocarbon accumulation，unusually high and low pressure．According to the special conditions of well control in northeastern Sichuan marine strata，this paper，based on the well control theory and drilling practices，sums up the key links and working methods of well control during drilling in the marine strata of northeastern Sichuan Province．

Marine Strata；Unusually Low Pressure；Gravity Replacement；Leakage during the Well Killing；Unusually High Pressure；Carbonates

TE1；TE24

A

1009—301X（2012）04—0009—05

2012－02－15

楊風杰（1960－），男，中國石化江漢油田分公司井控培訓中心鉆井工程師、井控培訓師 ，1988年畢業于江漢油田職工大學；魯煜（1975－），女，新疆庫爾勒人，中國石油塔里木油田公司教育培訓中心工程師、教育培訓師，畢業于浙江大學。

［責任編輯 郭華玉］