降密度控壓欠平衡鉆井技術在頁巖氣井中的應用

胡云鋒，代一欽 （中石化江漢石油工程有限公司鉆井二公司，湖北 潛江433121）

隨著勘探開發逐漸轉向深層和復雜地層，鉆井面臨更多的挑戰，如窄安全密度窗口、深井鉆井周期長、井下故障頻發等問題。近年來，國內外開展對精細控壓鉆井的研究，有效解決了深井鉆井復雜問題。涪陵焦石壩頁巖氣田是國家級頁巖氣示范區，2013年實施大規模開發，并取得重大突破，同年9月設立“重慶涪陵國家級頁巖氣示范區”，其主要目的層在志留系龍馬溪組，水平段長度在1500～2000m，部分井安全密度窗口窄，使用密度為1.38g／cm3（設計下限）的油基鉆井液發生漏失，油基鉆井液配制成本高。為降低鉆井液液柱壓力，減小漏失程度，采用了降低密度控壓欠平衡鉆井技術［1，2］。但是降密度會給井下安全帶來極大的風險，一是井壁穩定風險；二是卡鉆埋鉆具風險；三是井控風險。筆者以焦頁XX－4HF井降密度控壓欠平衡鉆井技術的現場應用為實例，解決了水平段施工中的溢漏同存難題，保障了井下安全，成功完成了鉆探任務。

1 基本情況

焦頁XX－4HF井是位于焦石壩背斜帶焦石壩構造上的一口水平井，設計井深4590m。導眼井深60m，一開井深503m，二開井深2292m，技術套管下深2290.37m。三開?215.9mm井眼鉆進至井深4052m完鉆。鉆井周期51.58d，完井周期63.71d，建井周期68.56d，全井平均機械鉆速8.86m／h。由于鄰井鉆遇斷裂帶，發生失返性漏失，堵漏無效，提前完鉆。經研究決定，在該井采用控壓鉆井方式，利用降密度進行欠平衡施工，對地層壓力、坍塌壓力、防漏堵漏及地層裂縫分布提供參考［3］。

2 施工措施

2.1 降密度措施

2.1.1 前期準備

進入水平段以前，必須將油基鉆井液性能按照施工要求調整。三開鉆進至井段3850～3900m時，將鉆井液密度調整至設計下限1.38g／cm3。

2.1.2 降密度方法

降密度過程必須保證其他性能達到上述要求，如果其他性能不滿足上述要求，則需調整達到要求為止，然后才能降密度。此外，整個過程必須嚴格落實干部值班制和坐崗制度。如果在降密度過程中，起下鉆時摩阻大，阻卡嚴重，鉆進時扭矩大，掉塊增多，蹩跳嚴重，劃眼困難等，必須停止降密度。

鉆至預定井深時，起鉆到套管內，使用雙離心機降密度 （即先將地面循環罐內和套管內的鉆井液密度降低到預定值），然后靜止6h，再緩慢下鉆，下鉆時必須精心操作，注意觀察懸重、摩阻的變化，遇到異常應及時上提或倒劃，嚴禁繼續下鉆。繼續下鉆至井底，邊鉆進邊降密度，使整體密度降至預定值，鉆進時，注意觀察砂樣情況、槽面的變化以及參數的變化 （懸重、鉆壓、排量、泵壓、扭矩、上提下放摩阻等），注意遇到異常必須停止鉆進，停止降密度。

2.2 防漏堵漏措施

2.2.1 防漏措施

全面掌握鄰井資料，熟悉地層壓力。加強防塌封堵能力，提前加入隨鉆封堵材料。加強對高溫高壓濾失量控制，提高濾餅質量。保證鉆井液性能穩定，避免大幅度波動；如果需要加重，加重時一定要堅持“連續、均勻、穩定”的原則，防止局部密度過大，壓漏地層。在保證井眼良好凈化的前提下，應盡可能調低鉆井液的黏度和切力 （特別是靜切力），從而最大限度地降低環空循環當量密度和減小激動壓力。進入斷層帶，應選用合理的排量，避免過高的環空返速，控制起下鉆速度，平穩操作，下鉆時如發現連下三柱鉆桿井口不返鉆井液，應立即開泵循環。開泵前應先轉動鉆具2～3min，破壞鉆井液結構后再緩慢小排量開泵，下鉆要分段循環，杜絕一切人為蹩漏地層的操作。加強液面監測，控制鉆井液密度，起鉆嚴格按規程灌滿鉆井液。一旦發生溢流需要壓井時，一定要準確計算地層壓力，嚴格控制壓井液密度，防止壓井時發生井漏。加強固相控制，及時清除無用固相，防止無用固相分散，引起靜切力增大。井場按設計要求儲備好配漿材料、堵漏材料和加重材料。

2.2.2 堵漏方法及思路

1）關鍵點 準確判斷漏層 （依據液面變化、氣測值變化、鉆時變化、泵壓變化等判斷）。

2）堵漏方法 隨鉆堵漏、橋漿堵漏。注意：堵漏材料與鉆井液無明顯化學作用，不破壞鉆井液性能，有一定的抗溫性；起“架橋”作用的材料有一定強度，且不易變質。重點考慮濃度、顆粒大小兼顧軟硬匹配，并有針對性地封堵地層。

3）堵漏思路 ①封堵漏失通道；②減小或消除井筒與地層之間的正壓差，降低循環壓耗 （降排量、降密度、降靜切力），提高地層破裂壓力 （封堵材料進入裂縫，使井眼整體承壓能力提高）；③增大鉆井液在漏失通道中的流動阻力。橋漿堵漏重點考慮濃度、顆粒大小兼顧軟硬匹配，并有針對性地封堵地層。注重堵漏工藝、承壓值與承壓時間。

2.2.3 堵漏工藝

1）漏速≤5m3／h，降低25%～33%的排量，并加入隨鉆堵漏材料 （1%超細碳酸鈣QS－2、1%～2%單向封堵劑DF－1、1%～2%隨鉆堵漏劑），或者配堵漏漿15～20m3。鉆進時配方 （原鉆具配方）：井漿＋4%～6%單向封堵劑＋3%～5%隨鉆堵漏劑＋3%超細碳酸鈣QS－2。

2）5m3／h＜漏速≤15m3／h，配堵漏漿20～25m3。原鉆具配方：井漿＋6%～8%單向封堵劑DF－1＋4%～6%隨鉆堵漏劑＋2%復合堵漏劑1型FD－1＋2%～3%核桃殼HTK （0.5～1mm）＋3%超細碳酸鈣QS－2＋1%架橋堵漏劑 （0.5～1mm）；只下鉆桿時的配方 （光鉆桿配方）：井漿＋4%～6%單向封堵劑DF－1＋3%～5%隨鉆堵漏劑＋3%～4%復合堵漏劑1型FD－1＋2%～3%復合堵漏劑2型FD－2＋3%核桃殼HTK（0.5～1mm）＋2%核桃殼HTK （1～3mm）＋3%超細碳酸鈣QS－2＋2%架橋堵漏劑（1～3mm）。

3）漏速＞15m3／h至失返，配堵漏漿20～30m3。原鉆具配方：井漿＋6%～8%單向封堵劑DF－1＋4%～6%隨鉆堵漏劑＋2%～3%復合堵漏劑1型FD－1＋3%核桃殼HTK （0.5－1mm）＋3%～5%超細碳酸鈣QS－2＋2%架橋堵漏劑 （0.5～1mm）；光鉆桿配方：井漿＋4%～6%單向封堵劑DF－1＋3%～5%隨鉆堵漏劑＋3%～4%復合堵漏劑1型FD－1＋2%～3%復合堵漏劑2型FD－2＋4%～6%核桃殼HTK （0.5～1mm）＋3%～5%核桃殼HTK （1～3mm）＋0%～3%核桃殼HTK （5～8mm）＋3%～5%超細碳酸鈣QS－2＋2%～3%架橋堵漏劑 （1～3mm）＋1%～2%云母＋0%～1%棉籽殼＋0.1%雷特纖維。

發生漏失后，將鉆具起到套管內；根據漏失性質，確定配方及其數量，同時準備好配漿罐 （確保泵上水好）、基漿、堵漏材料等；先加入不易水化膨脹的堵漏材料，后加入易于水化膨脹的堵漏材料，最好在6h內配好堵漏漿，減少堵漏材料在地面的相互作用，提高堵漏效果。估算配堵漏漿的時間，提前下鉆 （最好是光鉆桿）至漏層或漏層附近，活動鉆具。配漿后立即將堵漏漿泵入鉆具內；用鉆井液將堵漏漿替至漏層，控制好鉆具內外的壓力，防止起鉆反噴。堵漏漿頂替到位后，起鉆至套管內，先開泵循環，不漏后，可關井蹩壓，根據蹩入量，確定承壓值，要求承壓值≤6MPa。

2.3 防井壁失穩措施

2.3.1 泥頁巖輕微井塌現象及處理

返出物稍多，砂樣混雜，代表性差，呈顆粒狀或片狀，砂樣混雜比低。有輕微蹩跳現象，起下鉆有掛卡現象，下鉆不能到底。處理方案：①如果發生在降密度期間，首先停止降密度，然后適當提高黏度，清洗井底，井下正常后逐步恢復原黏度；②適當提高鉆井液密度0.02～0.03g／cm3；③適當提高液體瀝青含量，以改善泥餅質量，增強地層的膠結力，提高封堵抑制能力；④嚴重擴徑井段，需要不定期用稠漿洗井，保證井眼暢通。

2.3.2 泥頁巖嚴重垮塌現象及處理

返出物，代表性極差，有煤、碳質頁巖，鋁土質頁巖垮塌物，微裂縫明顯，條帶狀，大量成片狀。砂樣混雜比大于30%以上。泵壓忽高忽低，有蹩壓現象，蹩跳嚴重，接單根困難，起下鉆不同程度阻卡，反復劃眼劃不下去，很容易卡鉆。處理方案：①如果發生在降密度期間，首先停止降密度，然后提高鉆井液黏度及時帶出垮塌物；②從鉆井液性能上強化，例如進一步降低高溫高壓失水量；提高CaCl2含量，增大礦化度等；③適當提高液體瀝青含量，以改善泥餅質量，增強地層的膠結力，提高封堵抑制能力；④適當提高鉆井液密度0.03～0.05g／cm3以平衡地層坍塌壓力；⑤下鉆劃眼應甩掉扶正器，適當增大排量、改變鉆井液流變性以利于攜出坍塌物，同時劃眼接立柱速度要快、防卡防堵水眼；⑥起下鉆遇卡不可硬提強壓致卡死，應采取防卡措施；⑦恢復正常鉆進中應保持井漿黏度、動切力穩定，鉆進8～16h，方可根據井下情況逐步調整黏切或密度至合理的范圍；⑧垮塌嚴重井段，不定期用稠漿洗井，保證井眼暢通。

2.4 井控技術措施

嚴格落實“川東南井控標準化”井控管理規定，嚴格落實干部24h值班制度，嚴格落實“三崗聯坐”坐崗制度。作業前，按工程設計儲備足夠數量的壓井鉆井液，并儲備必要的加重材料和防塌處理劑，按設計配制調配好鉆井液。防噴器、相應管匯及閘門嚴格按設計要求試壓，確保井控設備安全可靠。每班做低泵沖試驗并記錄當時的立壓和對應的排量，便于回壓控制和為后期作業提供依據，加強井控裝備的定期檢查。若發現溢流后，關井求出地層壓力，并根據流體性質及井口壓力情況確定是否進行回壓控制或鉆井液密度的調整。求出地層壓力后，根據地層壓力當量密度、欠平衡鉆井施工情況及時調整使用鉆井液密度。盡可能保持井底具有較大的負壓值。正常鉆進時，若出現溢流，平穩操作節流閥控制井口回壓，確保井底壓力平衡地層壓力，回壓應根據工況調節，調節回壓一般不要超過4MPa，否則提密度壓井處理。鉆進時出現井涌，套壓升高，調節節流閥增大井口回壓，循環排出侵入的油氣；當井口回壓超限時，移交井隊轉入壓井程序。

3 施工情況

焦頁XX－4HF井二開中完井深2292m，下入?244.5mm的技術套管，套管下深2290.37m。采用?215.9mm鉆頭三開鉆進。按設計要求三開剛開始鉆進時，鉆井液密度1.40g／cm3。鉆進至3600m，在鉆進過程中利用離心機逐漸降低鉆井液密度至1.38g／cm3。鉆進至3864m時發生井漏，加入隨鉆堵漏劑堵漏成功。鉆進至3900m （龍馬溪組）開始循環，鉆井液密度1.38g／cm3，漏斗黏度82s，開始做降密度前的準備工作。循環時液面無變化，全烴值最高上漲至73%。停泵高架槽不斷流，溢流量1.6m3／h，關井觀察套壓0.1MPa。起鉆至3770m安裝選裝防噴器膠心，并利用雙離心機將地面循環罐內的鉆井液密度調整至1.36g／cm3，漏斗黏度82s。利用旋轉防噴器控時控壓鉆進至4000m，鉆井液密度1.36g／cm3，漏斗黏度82s，鉆進及循環最高烴值14%，單根氣最高烴值50%，振動篩無掉塊返出。循環時液面無變化，停泵高架槽不斷流，溢流量1.7m3／h。短起下至套管內，起下鉆順利無掛卡現象，最大摩阻20t。下回到井底后循環排后效氣，全烴值最高上漲至73%。控時控壓鉆進至4021m發生漏失，鉆井液密度1.35g／cm3，漏斗黏度80s。泵入堵漏漿25m3，起鉆至3500m循環觀察，無漏失；做地層承壓試驗，蹩入堵漏漿0.5m3，起壓3.0MPa，穩壓30min，壓降0.1MPa，堵漏成功。下鉆至井底循環排完后效氣恢復鉆進；鉆進至4034m再次發生漏失，漏速9.0m3／h；通過在鉆井液中加入隨鉆堵漏劑，邊鉆進邊觀察，鉆進至4052m （水平段長1529.00m）無漏失。因泵壓升高、螺桿扭矩異常起鉆；因在水平段鉆進過程中出現不同程度的井漏和溢流現象，繼續往下鉆進可能鉆遇大斷裂導致失返，同時存在很大的井控風險和井下安全風險，故完鉆。電測、通井后下入?139.7mm產層套管至4048.12m，使用低密度水泥漿固井，固井質量合格，完井井口試壓 （30MPa）合格。

4 施工情況分析

1）在井深3864m前使用1.38g／cm3鉆井液鉆進，可保持井底壓力平衡。

2）在井深3900m鉆井液密度降至1.36g／cm3實施控壓鉆井后，循環時液面無變化，停泵后高架槽不斷流，溢流量1.6～1.7m3／h，再開泵單根氣現象明顯，使用密度1.36g／cm3的鉆井液加上開泵時循環壓耗剛好能夠平衡地層壓力，實現平衡壓力鉆井。

3）使用密度1.38g／cm3的鉆井液，循環烴值為6%，密度降至1.36g／cm3后循環烴值為13%，降密度后烴值上升明顯，且接單根后效氣明顯，烴值明顯升高。

4）控壓鉆進期間發生6次漏失，根據鉆時計算環空巖屑含量得出地層漏失當量密度為1.47g／cm3，地層溢流與漏失窗口小，可調鉆井液密度范圍不大。

5）地質預測斷裂帶在井深4072m處，使用設計的鉆井液密度進行鉆進，已經發生大漏，鉆遇斷層后發生失返性漏失可能性極大。

6）最后一次井漏前停泵后高架槽不斷流，證明有氣體不斷侵入井筒，由于氣侵后甲烷等溶于油基鉆井液內，在地面觀察鉆井液表面氣泡明顯；施工季節氣溫較高，鉆井液含氣量較高，在地面聚集可能發生閃爆，導致防火防爆風險較大。

通過控壓設備可以進行簡單有效地低密度近平衡鉆井，尤其是類似的水平段氣侵、溢流的井比較有效，降低了鉆進中的井控風險。井地層平衡壓力當量密度為1.36g／cm3，井底壓力當量密度為1.50g／cm3。

5 存在問題及建議

1）焦頁XX－4HF井三開3900m前采用1.38g／cm3的鉆井液鉆進，后期逐步降密度，密度每降低0.02g／cm3，則井底壓力降低0.5MPa，會導致井壁誘導垮塌；建議從三開開始即安裝旋轉防噴器，保持低密度鉆進。

2）焦頁XX－4HF井施工中較特殊，鉆井液密度在1.38、1.36、1.35g／cm3時均發生井口不斷流，表現為氣侵溢流征兆，但同時在鉆進中又發生井漏，井下情況復雜；密度窗口較窄，地層承壓低，后續施工承壓、堵漏、固井施工難度大；難以在現有技術手段下穿越大斷裂帶。

3）降密度控壓欠平衡鉆井技術試驗在焦頁XX－4HF井取得了一定的應用成效，對工區三開易漏和斷裂帶邊緣井進行欠平衡鉆井試驗，通過旋轉防噴器和帶壓起下鉆裝置控制井噴和溢流。為今后在工區實行欠平衡鉆井積累了一定的經驗和數據，該技術在焦石工區水平段頁巖氣施工井中有較大的新技術推廣應用價值。

［1］ 瞿高明，郭本頌，孔軍亮 .欠平衡鉆井技術的優缺點及應用 ［J］.中國石油和化工標準與質量，2012，35（1）：261.

［2］ 楊火海 .頁巖氣藏井壁穩定性研究 ［D］.成都：西南石油大學，2012.

［3］ 譚希碩 .涪陵頁巖氣水平井鉆井液防滲漏技術 ［J］.承德石油高等專科學校學報，2015，17（1）：10～13.