MY-2井筒呼吸效應及識別

劉占魁

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

井筒呼吸效應是指鉆進時發生井漏，停止循環后前期漏失進入地層中的鉆井液又回吐到井筒的一種特殊現象，基本表征是在井口能觀察到鉆井液外溢。國外學者較早開始研究天然裂縫性地層的呼吸效應。隨著深水鉆井的勘探開發，國內學者基于井控安全考慮開展井筒呼吸效應研究，取得了一定程度進展。受研究與重視程度的限制，鉆井施工過程中遇到停泵后鉆井液外溢很容易與溢流相混淆，判斷錯誤造成現場技術措施失當。比如：如果發生了井筒呼吸效應卻判斷為溢流，采取關井、求取關井立壓與套壓、提高鉆井液密度、壓井、循環檢查井筒排出來的流體并以此為依據確定后續措施等一系列步驟，對承壓能力較低的地層而言，提高鉆井液密度進一步增加了井漏的風險，隨之采取提高地層承壓能力、堵漏等技術措施，導致鉆井現場陷入惡性循環，耗時耗力。

1 井筒呼吸效應的鉆井地質條件

瑪湖凹陷北斜坡風城組處于堿湖生烴中心區，生烴強度大，在百口泉扇和夏子街扇的扇間地帶發育云質巖，是探索碳酸鹽巖頁巖油的重要領域，2020年部署上鉆MY-2井。MY-2鄰井的巖芯、壓汞、鑄體薄片及FMI成像測井等資料均顯示，風城組儲層整體較致密，儲集空間主要為基質孔、次生溶孔和微裂縫，同時發育晶間孔、晶內溶孔等，巖性和溶蝕作用共同控制了風城組云質巖的儲層物性。孔隙分選不好，具有小孔隙和細喉道，最大孔喉半徑為0.32～2.56μm，平均1.52μm；排驅壓力為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。烏夏斷裂風城組屬于頁巖油藏，壓力系數1.61～2.13，克百斷裂帶風城組主要為砂礫巖油藏，壓力系數最大1.32，MY-2與烏夏斷裂帶的井更接近。

受上述鉆井地質因素影響，該區鉆井易漏，為產生井筒呼吸效應提供了條件。①BQ-1井P2w-P1f井漏27次，漏失鉆井液1337m3。其中，風城組3122.33～3213.25m井段井漏7次、漏失鉆井液119m3。BQ-1井完井FMI及取芯資料證實夏子街組及風城組裂縫發育，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，長時間靜止后鉆井液流變性差，大排量循環過程中造成套管鞋附近漏失。③FN-5井在風城組2825.64～4444.62m井段井漏10次，漏失鉆井液358m3。該井構造上位于FN-3井北斷裂與FC-1井斷裂之間，裂縫發育，導致頻繁發生井漏。④MY-2井三開井段漏失1.08～1.26g/cm3鉆井液3000m3以上。

2 井筒呼吸效應機理

發生井筒呼吸效應與井筒內的壓力密切相關。安全鉆井要正確控制井筒壓力的變化，基本點是鉆進時采用合適的鉆井液密度。正常鉆進時井筒壓力為鉆井液靜液柱壓力和環空循環壓耗之和：

式中：Pb——井筒壓力，MPa；

Pm——鉆井液液柱壓力，MPa；

ΔPa——環空循環壓力，MPa。

現場實際操作時常采用循環當量鉆井液密度ECD來表示，即：

式中：ESD——鉆井液靜態當量密度，g/cm3；

Δρa——環空循環壓力當量密度，g/cm3。

控制井筒壓力的變化，實質上就是控制鉆井液靜液柱壓力和環空循環壓力之和。根據相關壓力數據控制井筒壓力應滿足：

式中：ρc——地層坍塌壓力當量密度，g/cm3；

ρp——地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；

ρf——地層破裂壓力當量密度，g/cm3；

ρl——地層漏失壓力當量密度，g/cm3。

最小與最大取值的差值為安全密度窗口，無論在循環鉆進還是停泵接單根等其它作業時，井筒內當量鉆井液密度應滿足上述安全密度窗口。對裂縫發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，鉆進中發生漏失的風險增加。隨著安全密度窗口變窄，為產生井筒呼吸效應提供了條件，發生呼吸效應的幾率增大。井筒呼吸效應是在特定地層條件和工況下產生的。鉆進過程中，當井筒內的壓力達到或超過地層漏失壓力或地層裂縫傳播所需的壓力時，就會形成穩定的徑向裂縫，鉆井液漏失進入地層。發生漏失后在地面觀察到鉆井液量減少。停泵后循環壓力消失，井筒內壓力降低，若其小于地層裂縫傳播所需的壓力時，在地層壓力、裂縫閉合壓力等相關因素作用下，前期漏入裂縫中的鉆井液返回井筒，井口出現鉆井液外溢現象。發生呼吸效應與地層裂縫開啟與關閉有關，與地層裂縫的產生與傳播有關。漏失量及漏失速度等受當量密度窗口、地層特征、承壓能力、鉆井液性能等諸多因素影響。

當發現井口外溢，關井后達到平衡時地層壓力與地面壓力的關系如下：

式中：Pd——關井立管壓力，MPa；

Pmd——鉆柱內原鉆井液靜液柱壓力，MPa；

Pp——地層壓力，MPa；

Pa——關井套管壓力，MPa；

Pma——環空內鉆井液靜液柱壓力，MPa。

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

3 井筒呼吸效應識別與實例

判斷井筒呼吸效應和溢流，首先要確定之前是否發生過漏失，如果沒有發生井漏而停泵后發現井口外溢，應按照溢流處理。第二，井筒呼吸效應和溢流變化過程不同。呼吸效應是窄密度窗口條件下鉆井液漏失進入井筒周圍地層中補充了地層能量，停泵后循環壓耗消失導致井筒壓力減小，之前漏失的鉆井液回流，初始時回流的速度快速增加，隨著能量消耗回流的速度達到最大值之后開始逐步減少，直至返出為零，此時回吐過程停止。溢流則不同。受地層流體侵入的影響，井筒內混合流體密度降低，井筒壓力降低，地層流體進一步侵入。隨著侵入過程的不斷演化發展，液柱壓力逐漸降低導致地層壓力與井筒內壓力之差也越來越大。停泵后，液柱壓力不能平衡地層壓力產生井口外溢現象，外溢速度由小變大逐步增加直至關井。第三，對井筒呼吸效應，回流量小于之前漏失量。第四，若關井，對井筒呼吸效應來說，關井立壓值與套壓值大致相等，立壓與套壓數值相對較小，基本上觀察不到壓力隨時間的變化發展。同時，只要節流放出少量流體，關井壓力就隨之減小。而對溢流，關井立壓與關井套壓不相等，發現溢流越晚、溢流量越多則關井壓力越高。而且，關井期間伴隨著侵入流體滑脫上升關井立壓與關井套壓隨之變化，若侵入井筒的是氣體長時間關井地面壓力變化很明顯，此外，試圖通過節流放出部分液體會導致關井壓力進一步升高。

MY-2井位于準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巨厚云質、（粉）砂質泥頁巖區頁巖油新類型，進一步落實盆地堿湖頁巖油勘探潛力，實現頁巖油資源有序接替。該井完鉆井深5050m。二開?311.2mm鉆頭鉆至井深3750m進入風城組風三段后中完，下入?244.5mm技術套管。三開井段采用F215.9mm鉆頭鉆進。針對風城組裂縫發育易漏特征，結合前期已完鉆井采用液相欠平衡或注氮氣技術取得了較好的防漏效果，考慮到MY-2井風城組地層坍塌壓力系數小于0.80，井壁穩定，為減少井漏保障連續施工，MY-2井自三開采用1.15g/cm3鉆井液密度鉆進(設計起步密度1.35g/cm3)，根據實鉆逐步降低鉆井液密度最低至1.08g/cm3。然而，僅鉆進至三開上部3779～3806m井段就發生4次井漏，鉆井液密度1.15～1.11g/cm3，漏失鉆井液127m3，損失時間36h。后續鉆進過程中采取了高濃度并優化堵漏劑級配集中堵漏、應用隨鉆固結技術提高地層承壓能力、帶濃度5%～12%堵漏劑鉆進、調整鉆進排量等技術措施，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井筒呼吸效應現象。受基質孔、次生溶孔和地層微裂縫欠充填影響，回流量小于漏失量。發生井筒呼吸效應后井口返出量及返出速度迅速增加，返出速度可達到10L/s，之后逐漸減少至斷流。該區鄰井生產烴類相態主要為液態、產氣量小或不產氣。MY-2井自井漏后停泵到出現呼吸效應以及井口返出速度與井筒內發生地層流體侵入的表現明顯不同。前兩次漏失停泵后，采取關井措施、套壓0.5MPa，隨時間增長關井套壓未發生變化。節流放出約30L液體關井壓力降低、壓力不增高。現場判斷為井筒呼吸效應，循環后未見地層流體。針對MY-2井采取低密度鉆井液鉆進可能存在的井控風險，三開井段鉆進前加裝了旋轉防噴器，提前安裝壓井硬管線，現場儲備密度為1.60g/cm3壓井重漿120m3，安裝液面監測儀監測井筒液面變化，同時，地質研究及時分析對比巖性與鄰井的異同、定期提供了地層壓力研究成果指導現場調整鉆井液密度，通過應用上述措施，保障了現場井控安全，實現了連續作業。

4 結論

（1）正確識別井筒呼吸效應與溢流對風城組裂縫發育地層安全鉆進至關重要，可減少現場技術措施失當。

（2）風城組地層具有高壓低滲特征，采用液相欠平衡技術鉆進可以滿足現場井控要求。