高密度油基鉆井液敏感地層變密度控壓鉆井技術

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理部

0 引言

位于四川簡陽地區的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井后部署在該地區火山巖地層的又一口探井，為避免水基鉆井液對產層的影響，?149.2 mm小井眼儲層段火山巖地層設計使用高密度油基鉆井液鉆進。

1 工程技術難點分析

四川簡陽地區火山巖儲層地層壓力系數高，按YT1井實測地層壓力預測TF2井地層壓力系數為2.30，鉆井液密度預計高達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，決定了鉆井液內摩擦力大的特性[1],由此將造成環空循環壓耗、抽汲壓力、激動壓力均很高，引起各工況下井底壓力變化大，給安全鉆井作業帶來嚴重影響。主要存在以下工程技術難點[2]:

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

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

(3)堵漏成功率低。常規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；使用水泥等凝結類堵漏對產層傷害大，不利于后期儲層改造。

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

2 處理思路和對策

2.1 安全作業密度

通常所講的安全作業密度[4]是指：該密度產生的靜液柱壓力不低于地層壓力，并在起鉆中不會發生溢流；該密度在鉆進或循環中不會導致井漏，且在下鉆中不會因增加了激動壓力而發生井漏。尋找到能同時滿足四種不同工況下的安全作業密度是保證鉆井作業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“安全作業密度”的一個固定值難以實現，需要在現有技術條件下根據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

變密度控壓鉆井技術就是在不同工況下因循環壓耗、抽汲壓力、激動壓力的變化影響而調整對應的鉆井液密度和控制一定的井口壓力來實現全作業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，確保作業全過程的井控安全[5]。

(1)鉆進或循環時：鉆井液液柱壓力+環空循環壓耗+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節

(1)井口附加壓力調節[6]。通過旋轉防噴器，附加一定的井口壓力，作為各種工況下的鉆井液密度、環空循環壓耗、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場旋轉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，調試適合的鉆井液密度[7]。

(3)停泵密度。停泵關井的補壓值一般不超過旋轉防噴器的安全工作值，特殊情況下應使用常規防噴器控壓循環以提高井底當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起鉆[9]。起鉆控壓值不得超過旋轉防噴器的安全工作值，否則繼續加重鉆井液；循環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，將循環壓耗減少量轉變為鉆井液液柱壓力增加量[10]。

(5)下鉆密度。下鉆分段循環，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整[11]。具體密度值應依據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以井底壓力略大于地層壓力、小于漏失壓力為標準；控壓值不超過旋轉防噴器的安全工作值[12]。

3 變密度控壓鉆井技術在TF2井的應用

3.1 前期鉆井情況

TF2井?177.8 mm油層套管下至龍潭組底部，井深5 132.17 m，達到對目的產層峨眉山玄武巖組進行專層專打。固井后鉆井液介質由水基鉆井液轉換成油基鉆井液，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的鉆井參數鉆進至井深5 136.51 m發生井漏；降排量至6 L/s循環無漏失，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的鉆井液鉆開產層，停泵4.5 h僅外溢0.6 m3，后效氣侵也不嚴重，說明此密度基本平衡地層壓力，結合鄰井實鉆資料分析，TF2井地層壓力系數近似于2.30。

(2)地層漏失壓力。本井段共用7趟鉆完成，詳細數據見表1。根據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 實鉆數據統計表

(3)井口壓力值設定。根據本井現場使用旋轉防噴器設備能力情況，其井口壓力值不應超過6 MPa，因此井口壓力值控制范圍設定為0～6 MPa。

(4)鉆進密度。根據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2.30、最低密度為2.18 g/cm3計算，停泵關井井口壓力應為6 MPa，旋轉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，滿足起鉆要求。為防止起鉆前一次性加足高密度鉆井液導致存在較大循環壓耗發生井漏，可以采取兩種方法減少井漏的風險：一是適當上調一定密度+注重漿帽;二是控壓起鉆一段后再上調密度和注重漿帽,也可以同時采取以上兩種方法。

3.3 變密度控壓鉆井作業

(1)鉆進作業。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。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，根據套壓情況再從鉆具內注入2.55 g/cm3鉆井液5～15 m3，消除套壓后按常規起鉆。

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

(4)效果。通過使用旋轉防噴器，根據工況需要調整作業過程中鉆井液密度、循環排量、井口壓力等參數及相應的控制措施，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。完成了設計目標要求、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、地層承壓能力和高密度油基鉆井液在本井眼段對循環壓耗、抽汲壓力、激動壓力的影響關系，為不同工況的密度調整和井口壓力控制提供了依據。

(2)準確掌握地層壓力、漏失壓力是關鍵。針對不同作業工況調整鉆井液密度、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)旋轉防噴器的安全工作值應根據各井設備情況、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防噴器的安全工作值。

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

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

(6)小井眼完鉆后電纜測井作業的安全措施有待進一步研究。