大牛地下古巖溶縫洞儲層安全鉆井技術

袁本福

中國石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院（河南 鄭州 450006）

大牛地氣田下古生界是中國石化華北油氣分公司重要的儲量和產量接替區，天然氣資源量650×108m3，目前投產100 余口井，最高無阻流量52.68×104m3/d。與中石油長慶靖邊氣田同屬盆地中部風化殼巖溶斜坡帶，是風化殼巖溶縫洞儲層發育的有利區，與大牛地上古生界碎屑巖的沉積作用不同，下古生界碳酸鹽巖受白云化影響造成了巖性差異，受到沉積后不同時期構造應力的變化產生了不規則的裂縫，流體沿著裂縫流動發生了大量的巖溶作用，最終出現了不規則的溶蝕孔、裂縫及縫洞，整體非勻質性較強，鉆井工程面臨諸多技術難題。

1 下古巖溶縫洞儲層鉆井難點

1.1 安全密度窗口較窄，鉆井易發生井漏、溢流

馬家溝組地層白云巖、灰巖發育天然裂縫和溶蝕孔，當地層壓力不能平衡鉆井液液柱壓力時會發生井漏，同時由于天然裂縫的存在，呈現漏失量大，漏失速度快的特點，若不能及時補充井筒漏失的鉆井液，又因鉆井液液柱壓力不能平衡地層壓力，導致溢流發生。通過分析下古2 口嚴重漏失、溢流水平井可知（表1），鉆井液安全密度窗口在1.06~1.08 g/m3，安全密度窗口較窄，漏、溢矛盾突出，給下古巖溶縫洞儲層安全鉆井帶來了挑戰。

表1 部分水平井井漏、溢流情況

1.2 下古鹽膏層發育，存在鹽溶、鈣侵及鉆井液污染

馬家溝組地層以白云巖、灰巖為主，局部含膏白云巖、偶夾膏巖層，存在鹽溶、鈣侵以及鉆井液污染等難題。D126 井目的層使用常規鉀銨基聚合物鉆井液體系，鉆至井深3 194 m馬三段地層時，鉆井液污染嚴重，流變性變差，通過控制鉆時鉆進，添加抗鹽抗鈣類處理劑循環處理調整鉆井液性能，自3 194 m 至完鉆井深3 548 m 鉆進過程中，不斷進行小型試驗和助劑配比調整，損失時間1.6 d，影響了正常鉆井進度，給鉆井施工帶來一定的風險。

1.3 防漏堵漏措施不當易造成儲層污染

下古巖溶縫洞儲層井漏問題比較突出，尤其是水平井儲層漏失比例較高。為了防漏堵漏水平段，鉆進過程中通常提前向鉆井液中加入FDL-1、SDL等隨鉆堵漏劑，發生井漏時通常應用常規的單封、彈性顆粒、橋塞堵漏劑、復合堵漏劑等進行堵漏作業，雖然起到了封堵地層溶孔和裂縫的作用，但水泥類和常規堵漏材料酸溶率低，對儲層也造成了一定的傷害，影響后期投產效果，因此需要優化防漏堵漏技術，降低對儲層的污染，提高儲層保護效果。

1.4 下古儲層含有硫化氫，鉆井存在安全風險

DPF-X3 井為三級井身結構水平井，儲層馬五5，二開導眼鉆至下古地層3 228 m時，井口監測有硫化氫氣體，濃度最高22 mg/m3，投產后硫化氫濃度最高4 980 mg/m3。D351 井鉆至目的層3 264 m 時，井口監測硫化氫濃度42 mg/m3，試氣階段硫化氫濃度最高3 136 mg/m3。多口井鉆井過程中監測到硫化氫，存在安全隱患，鉆井施工需要做好防硫技術措施。

2 下古巖溶縫洞儲層安全鉆井技術對策

2.1 簡易控壓鉆井技術

控壓鉆井技術在解決復雜地層安全鉆井方面發揮了重要作用，可降低井下復雜發生，有效縮短非生產時間，提高復雜地層鉆井成功率和石油天然氣開發經濟效益。精細控壓鉆井技術有微流量控制、井底恒壓控制等多種方式，配套設備比較復雜，一般包括旋轉控制頭、自動節流控制系統、回壓泵系統、PWD 井下隨鉆測壓系統、地面數據采集系統等。

簡易控壓鉆井技術與精細控壓鉆井相比，對壓力控制的能力相對不足，但與傳統過平衡鉆井方式相比，針對窄安全密度窗口或裂縫性地層，其對環空壓力剖面控制具有快速、靈活的特點，對于鉆進過程中發生的溢流、井漏處理能力更強[1-2]，簡易控壓流程如圖1所示。大牛地下古巖溶縫洞氣層壓力系數范圍在0.84~0.93，整體屬于低壓-常壓范圍，對控壓設備要求不高，使用簡易控壓技術即可節約成本，又能滿足近平衡鉆井要求。

圖1 簡易控壓鉆井系統流程圖

2.1.1 壓力監測與控制

1）壓力監測方法。簡易控壓鉆井系統在節流管匯前和泥漿泵出口均安裝有壓力表，可實時監測到泥漿進出口壓力變化，進出口壓力的監測用于計算井筒壓力剖面、確定ECD（循環當量密度），進而確定壓力控制調節的方式與回壓控制范圍，節約了PWD井下隨鉆測壓工具的費用。

2）壓力控制方法。壓力控制可采用變循環排量、變密度或手動節流的方式，而實際應用最具操作性、迅速的是通過手動節流控制回壓。回壓的控制可采用兩個標準：一是可參照出口流量與壓力，以流量為主；二是可參照注入立壓，通過恒定立壓保持井底壓力處于控制范圍內[1-3]。

2.1.2 具體操作流程

鉆井過程中，在鉆進、接單跟及起下鉆等不同工況下，鉆具組合會對井筒內流體產生不同的壓力擾動，井筒壓力剖面由此會處于波動變化狀態，為降低鉆井液漏失或流體侵入等井下復雜引起井筒壓力波動較大而導致嚴重井下事故發生，通過人為操作干預以保持井底壓力處于可控范圍內，是簡易控壓鉆井技術安全、有效操作成功的關鍵[4-5]。

1）鉆進：一口井開鉆前，要先收集或計算出地層孔隙壓力、地層漏失壓力以及地層破裂壓力三壓力剖面，在鉆井液當量密度滿足大于地層孔隙壓力和小于地層破裂壓力所需當量密度的原則基礎上，通過精確的水力學計算確定合理的鉆井液密度、ECD值（循環當量密度）、排量、應施加的回壓值等，排量大小應滿足攜巖要求，ECD值可調節范圍應合理、操作性強，且井口回壓在安全范圍內，控制井底處于微過或溢漏平衡點狀態。

2）接單根：接單根時要關井停泵，環空中的循環壓耗消失，此部分壓力作用于井口回壓，井底仍可處于與地層壓力平衡狀態，為避免接單根停泵條件下關井操作壓力過高，通過節流管匯調節回壓，使鉆井液當量密度處于合理的范圍。

3）起下鉆：依據標準，一是控制起下鉆速度在安全范圍內，二是定量、及時灌漿，確保鉆井液液柱壓力平衡地層壓力，保障起、下鉆過程中井筒液柱與地層壓力平衡，減少地層流體侵入，實現開井起、下鉆。補充的鉆井液要根據當前鉆井液密度、井身結構與井底情況計算泵入量，保證足量而不過量，避免壓漏地層。

2.2 無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系應用

為了實現大牛地氣田下古少井高產的目標要求，以“無土相、低密度、強酸溶”為設計理念，嚴格控制液相、固相侵入儲層，優化抗鹽抗鈣性能，配合解堵完井液實現全程儲層保護。以硅酸鈉為主劑，結合優選淀粉、防水鎖劑等助劑，自主研發形成無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系，該體系無土相、防水鎖，基質滲透率恢復值高達90%以上，高酸溶性可將裂縫性儲層的滲透率恢復值由48.6%提升至81.24%，有效保護儲層[6-8]。無土相硅酸鹽儲保鉆井液與鉀銨基聚合物鉆井液性能對比見表2。

表2 無土相硅酸鹽儲保鉆井液與鉀銨基聚合物鉆井液性能對比

主要配方：清水+5%氯化鉀+0.1%黃原膠+2%抗高溫淀粉+5%硅酸鈉+1%環保潤滑劑+適量超細碳酸鈣+其他助劑。

針對馬家溝組下古地層巖性變化特征，現場應用過程中要根據鉆井液化驗結果及時調整鉆井液性能指標，以滿足安全、高效鉆進要求。進入下古馬家溝組地層前，加入5%（體積分數，下同）硅酸鈉和5%氯化鉀，完成無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系轉換；進入下古馬家溝組地層后，地面按規定實時監測H2S濃度，如果鉆遇硫化氫，按照鉆井液體積的0.5%~2%及時添加堿式碳酸鋅除去硫化氫，維護鉆井液pH 大于9.5，儲層段鉆進控制失水小于5 mL，鉆井液密度小于1.08 g/cm3，坂土含量小于30 g/L，測量中壓失水時若出現瞬時濾失量較大時，應立即采用黃原膠和改性淀粉進行維護，若坂含量上升過快，黏度難以控制，應停鉆循環，并開啟四級固控設備充分處理，并提升氯化鉀和硅酸鈉的加量。若鉆遇鹽膏層，應及時檢測鈣鎂離子含量，并采用純堿進行清除，加入抗鹽、抗鈣能力較強的聚陰離子纖維素和復合離子型聚丙烯酸鹽等處理劑維護好鉆井液性能。

2.3 水平段縫洞儲層防漏堵漏技術

為了滿足地質儲層保護要求和安全鉆井要求，水平段鉆井液中及時添加強酸溶防漏堵漏劑為安全鉆進提供技術保障。強酸溶堵漏劑是通過研選具有不同特性的防漏堵漏材料，按照不同比例進行復配后形成的堵漏劑，主要是基于強力鏈網絡結構原理，顆粒之間通過擠壓產生接觸應力，相互嵌入后形成力鏈結構，分散的力鏈結構逐漸堆積、擠壓形成具有一定強度的封堵層。其中SDGD（剛性堵漏劑）為不同粒徑的礦物顆粒，SDRUB（彈性橡膠堵漏劑）為不同粒徑的彈性橡膠顆粒，SDFIB（纖維堵漏劑）為不同長短復合纖維，SDFT（軟化瀝青）為變形充填顆粒，其他防漏堵漏材料有單封、果殼、彈性顆粒等。其中單封、核桃殼、彈性顆粒等屬于低酸溶率材料，SDGD（剛性堵漏劑）等則屬于高酸溶性材料，部分架橋、填充、纖維類堵漏材料酸溶率不小于95%，封堵層骨架酸溶后，儲層滲透率恢復值高[9-10]。強酸溶防漏堵漏配方的酸溶率評價見表3，室內承壓實驗如圖2 所示，強酸溶堵漏材料泥餅如圖3所示。

表3 強酸溶防漏堵漏配方的酸溶率評價結果

圖2 強酸溶堵漏材料室內承壓實驗

圖3 強酸溶堵漏材料泥餅

通過室內實驗結果，優選出強酸溶堵漏劑配方1#，針對不同類型漏失，形成了2 種防漏堵漏方案，分別為強酸溶隨鉆暫堵和惡性漏失強酸溶凝膠堵漏。當漏速在0~10 m3/h時，應用強酸溶隨鉆堵漏材料，鉆井過程中，在易漏失層位隨鉆加入強酸溶隨鉆暫堵，提前預防鉆井漏失，若鉆井過程中無惡性漏失發生，投產前酸洗，一個循環周即可。當漏速大于10 m3/h，采用惡性漏失強酸溶堵漏儲保方案進行堵漏作業，堵漏成功后繼續鉆進至完鉆，投產前酸洗，酸溶時間48 h。

3 現場應用效果

因DK13-X1、DK13-FP X2井發生井漏、溢流被迫提前完鉆后，后期部署井全部配套使用旋轉控制頭、節流管匯回壓控制系統、無土相鉆井液體系、強酸溶防漏堵漏等關鍵技術，目前在下古儲層5 口水平井實現了成功應用，其中4 口井通過靈活控制水平段鉆井液密度范圍在1.06~1.08 g/cm3內，保障了水平段巖溶縫洞儲層安全、高效鉆進，另DK13-X12井因水平段鉆遇較大裂縫，發生了溢流，但通過簡易控壓裝備實現了不壓井正常鉆進，并超出地質設計水平段20 m完鉆。

3.1 現場應用效果

DK13-X12 設計井深4 389 m，設計水平段長1 200 m，鉆至3 375 m 時（水平段186 m）發生井漏，鉆井液密度1.08 g/cm3，漏速2~3 m3/h，鉆井液中及時添加強酸溶堵漏劑，有效地控制了井漏，保障正常鉆進。鉆進至4 360 m時（水平段1 171 m）發生溢流，通過地面節流管匯節流循環放噴點火，火苗高約20 cm，同時鉆井隊利用旋轉控制頭繼續鉆進至4 409 m完鉆，實鉆水平段1 220 m不壓井、不起鉆一趟鉆完成，用時5.94 d，刷新下古水平段最短周期記錄。該井應用無扶螺桿和五刀翼強研磨鉆頭保障了一趟鉆高效鉆進；強酸溶堵漏降低了儲層傷害，后期室內實驗堵漏劑酸溶率大于91%，滲透率恢復值大于90%，達到了儲層保護的目的；旋轉控制頭與節流管匯回壓控制系統實現了簡易控壓正常鉆進，避免了因溢流無法控制，只能壓井打水泥塞提前完鉆情況的發生。

3.2 酸壓投產效果

DK13-X12酸壓后，最大油嘴16 mm+20 mm，初期最大產量約10×104m3/d，投產后穩定配產4.2×104m3/d，油壓17.2 MPa，生產穩定，產量相比鄰井DK13-X11井大幅提升，提升幅度達到49%以上（圖4與表4）。

圖4 DK13-X12酸壓后試氣放噴階段

表4 DK13-X12酸壓參數及投產后生產情況與DK13-X11對比

4 結論與建議

1）針對下古巖溶縫洞儲層安全鉆井難點，通過應用簡易控壓鉆井技術、無土相硅酸鹽儲保鉆井液體系、強酸溶防漏堵漏技術，解決了窄密度窗口漏溢矛盾、鉆井液污染、硫化氫風險以及常規防漏堵漏造成儲層傷害的難題。

2）4口井通過靈活控制水平段鉆井液安全密度窗口，保障了巖溶縫洞儲層安全、高效鉆進；DK13-X12 在發生井漏、溢流的情況下，實現了水平段1 220 m 不壓井、不起鉆一趟鉆完成施工，避免了打水泥塞提前完鉆，初期最大產量約10×104m3/d，不僅控制了損失，而且創造了更大的效益。

3）建議加強地質、工程一體化技術協作，地質提高儲層裂縫預測精度，工程根據預測結果做好針對性配套技術應用，提升現場應用效果。