采用控壓釋放技術處置地層圈閉效應

王軍 晏凌 李洪興 楊博仲

1. 川慶鉆探有限公司川西鉆探公司；2. 川慶鉆探有限公司鉆采工藝研究院

在鉆井作業中因井漏和堵漏作業、特殊井控工藝需要向地層反推鉆井液，當鉆井液漏入地層的速度大于地層通過自身漏失通道向遠端延伸的漏失速度，因漏斗效應會在一定范圍、一定時間內形成圈閉壓力［1-2］，停止循環后，前期漏失進入地層中的鉆井液又回吐到井筒，形同溢流。這給現場制定井控措施帶來困擾，并且存在較大井控風險。

國內外學者基于井控安全考慮對鉆井過程中的圈閉效應進行了大量研究，并取得了一定程度的進展。但受重視程度與研究方向的限制，大部分研究主要集中在圈閉壓力產生的機理，對地層回吐和井下溢流的識別總結不全面。對圈閉效應的判別主要是反復采用司鉆法對井筒排出流體循環檢查并以此作為下步措施的依據，對圈閉效應的處置技術主要依靠求取關井立壓、加重鉆井液壓井［3-4］。這不但增加了井控工作量和作業風險，而且對窄密度窗口井段而言，加重鉆井液進一步增加了井漏的風險，讓更多的鉆井液漏入圈閉之中，停泵后會有更多的流體回流，導致地層圈閉效應更加嚴重，鉆井現場陷入堵漏和壓井的惡性循環。

因此，筆者提出了新的處置方法，即根據圈閉效應的特殊性質，利用其停泵回流的特性，通過地面控壓設備，以少量、多次、受控的方式將圈閉內的流體引入井筒，以達到降低圈閉內壓力、減弱圈閉效應的目的。但具體實施過程當中，部分井效率低下，周期較長，降壓效果并不明顯，部分井因判斷失誤、操作不當引發井控問題。為了確保圈閉壓力的安全有效處置，必須對控壓釋放的主要方法和工藝、適用性評價、風險分析以及防控等方面進行深入研究，以期達到最佳效果。

1 技術難點

(1)在停泵鉆井液外溢的情況下，容易混淆鉆井液回吐和井下溢流，判斷錯誤將導致現場技術措施失當。

(2)即使是在回吐過程中，天然氣等地層流體因與鉆井液存在密度差而易通過置換方式侵入井筒，若天然氣持續侵入井筒則鉆井液回流將轉化為溢流，易造成高套壓等井控難題。

(3)現場實際操作中，缺乏規范，主要依靠經驗施工，可能會因為在施工中控壓不嚴、或者過量釋放引起井控險情。

(4)對釋放效果缺乏評價方法。由于釋放效率受多種因素影響，因此根據當前川渝地區控壓釋放統計結果，其效果差異性較大，部分井釋放效率較低、周期較長，降壓效果卻不夠理想。

2 技術措施

2.1 正確區分溢流和回流

(1)溢流為原始地層流體侵入井筒，而回流為圈閉內鉆井液再次返回井筒［5-6］。在釋放之前需仔細分析研究井筒中漏失壓力、油氣水層壓力并判斷入侵井筒流體的性質，特別是在同一個裸眼井段中有不同壓力系統氣層和漏層。若井底壓力高于氣層壓力低于漏失壓力且出口處存在停泵不斷流的現象，則漏失鉆井液回流井筒的可能性比較大。

(2)對井筒排出的流體進行循環檢查是判斷溢流和回流最直接的方法。

(3)回流前肯定會出現漏失或者因井控要求進行反推的情況，最終回流量不會大于漏失量［7］。

(4)若為漏失鉆井液回流，則其關井立壓與套壓相近，且關井立壓不大于漏失過程中的循環壓耗。

(5)若為漏失鉆井液回流，則井口壓力及單位時間內的回流量將始終呈現減小趨勢； 若壓力或者回流量呈增大趨勢時，則為裂縫內的地層流體侵入井筒，應及時啟動井控程序。

2.2 做好井下壓力窗口的實時監測

根據現場情況，在釋放完一定數量的鉆井液后，要關井求壓以判斷圈閉壓力的變化，確保不因過度釋放，造成鉆井液密度小于安全密度窗口的下限而造成井控險情。

2.3 選擇合理的鉆井液密度

在窄密度窗口范圍內盡量選用合理鉆井液密度，從而有效降低漏失量、控壓釋放的工作量及井控風險。

2.4 嚴格執行控壓工藝流程

根據現場經驗把控壓釋放全過程劃分為關井求壓、釋放、循環排污和節流降密度等4 個環節，反復進行直至圈閉壓力降至安全密度窗口內［8］。

(1)形成圈閉壓力，并出現停泵鉆井液回流現象時，采用關井求壓的方法，確定圈閉壓力的大小。

(2)適當開啟節流閥，開始釋放作業，保證少量、多次、控壓地釋放降壓。根據施工經驗，第1 次釋放量按照環空容積的0.5%來考慮，若以后排污無井控風險時，再逐次提高0.5%，但最多單次釋放量最多不得超過環空容積的5%，累計釋放量不得超過總漏失量。若控壓釋放過程中單次環空釋放量過大，造成進入井筒的天然氣等地層流體過多，將使井筒壓力下降，并可能使下步循環排污作業中產生高套壓。

(3)循環排污就是采用低泵沖參數，將井筒中受污染鉆井液排放出去的過程。為了維持井筒壓力平衡，特別是圈閉壓力較大時，需要在整個循環排污過程中，考慮井下漏失等因素，選擇適當排量，按照司鉆法第一步嚴格控壓，以避免天然氣過度膨脹，出現高套壓險情。在此過程中應注意調節節流閥，并在井底無溢流時附加0.5～1 MPa 套壓，以確保侵入井筒的地層流體被順利排出，并對鉆井液性能進行監控，記錄好立壓和套壓的變化情況。

(4)若節流閥安全打開，出口流量很小或斷流，但圈閉壓力尚未降至安全密度窗口以內時，逐步遞減鉆井液密度，一次遞減0.02～0.03 g/cm3。在循環降密度時控制節流壓力，使井筒內不發生溢流。

2.5 開展釋放效果評價

影響釋放效果的主要因素有圈閉特征、井底壓差、地層滲透率和釋放流體的性質等［8］。圈閉壓力下降主要取決于一定時間內累計釋放量的大小，圈閉容積越小則釋放效果越好。隨著井底壓差的增大和井口回壓的下降，釋放速度及圈閉壓力下降速度均明顯加快，利于控壓釋放技術的實施［8］。地層滲透率越低，地層壓力回升越慢，對采用控壓釋放工藝技術有利。地層流體的特性同樣會顯著影響釋放效果，因為氣體與液體的壓縮性不同，排放出的地層流體含氣量越小，則其釋放效果越好。

據統計，當前川渝地區地層圈閉壓力控壓釋放效果差異性較大，部分井釋放效率較低、周期較長，降壓效果不夠顯著。為了避免產生不必要的經濟損失，可以在先期釋放的過程中對地層圈閉特征、流體性質等進行判斷。具體做法: 觀察初始釋放時壓力變化情況，若壓力迅速減小且無回升現象時，可證明圈閉容積是有限的，可應用控壓釋放技術來降壓，持續釋放可達到降壓目的；若壓力下降不明顯或能夠迅速回升，則說明圈閉內部有足夠的能量，持續釋放可能無法達到降壓效果，為節省鉆井成本可采取堵漏后壓井的方法繼續鉆進；如果圈閉內部壓力在有效下降之后出現緩慢回升，則很可能是圈閉遠端出現能量供給并且地層滲透率偏低所致，這時根據具體情況決定是否繼續執行控壓釋放技術。

3 現場應用實例及效果分析

3.1 應用實例

YT1 井?177.8 mm 套管下深 5 748 m (峨眉山組頂)，隨后用?149.2 mm 鉆頭及密度2.21 g/cm3的油基鉆井液在井深 5 190 m 開始側鉆，所鉆地層巖性均為玄武巖，鉆至井深5 560.56 m 發生漏失，平均漏速4.0 m3/h。該段為區域漏層，根據鄰井電測資料，漏失通道以微裂縫為主，類型多為誘導縫。經多次堵漏效果不佳(油基鉆井液堵漏效果差［9-11］)，之后漏速逐漸降低，繼續觀察鉆進到井深5 561.17 m，徹底止漏，累計漏失73.6 m3。進行短起的過程中發現出口外溢，隨即關井，套壓6.2 MPa，立壓5 MPa，且壓力在5 h 內基本穩定。經精細控壓設備循環鉆井液，全烴含量最高62.686 9%，焰高0.5～1.0 m，火焰持續12 min 。

該漏失井段巖性是玄武巖，屬于硬脆性地層。初始漏速不高，分析認為是微裂縫造成的誘導性漏失，隨著漏入的鉆井液增加，地層漏失壓力逐漸升高，漏速漸低直至不漏。停泵時，因為誘導性裂縫閉合，漏入裂縫中的鉆井液又重新返流至井筒，井下由漏轉溢，從現象上看形成了局部圈閉。套壓略高于立壓，這可能與少量地層流體在回流過程中進入井筒有關。按關井壓力經過計算要平衡圈閉壓力的當量鉆井液密度為2.32 g/cm3。這時，若想采用堵漏工藝來提高地層的承壓能力是十分困難的，也難以在溢流與井漏之間尋找到平衡點。

該井所形成的圈閉壓力達120.44 MPa，關井5 h后壓力基本趨于穩定，由此可以看出要通過地層自身的漏失通道釋放圈閉內壓力需要較長的時間。YT1 井正眼實鉆及完井測試資料顯示，玄武巖井段的最大壓力系數均未大于2.05。側鉆段使用密度2.21 g/cm3的鉆井液鉆井，出現井漏、液面位于井口，且鉆井過程中油氣顯示不明顯。分析表明，利用精細控壓設備控壓釋放圈閉內壓力是安全可控的。結合對圈閉的認識判斷，嘗試先在密度2.21 g/cm3的情況下采用控壓釋放技術，通過先期的釋放判斷進入井筒流體的性質、摸索單次釋放量等關鍵參數以及進行效果驗證和評估。

密度2.21 g/cm3時控壓釋放施工數據見表1。從前4 次循環排污來看，該井地層氣體并不活躍，在單次釋放量0.5～1.3 m3的情況下，均能安全正常完成排污作業。對回吐流體進行取樣檢測，除井底部分鉆井液密度因受氣侵污染降低外，其他性能與井漿一致，回吐物為鉆井液，且沒有其他流體污染，處置的難度較小。然后再逐級加大釋放量，當單次釋放量達到3 m3以后，循環排污過程中的液面上漲量、最高氣體流量及關井套壓反而呈增大趨勢，在循環排污階段套壓最高達到22 MPa，出口間斷噴純氣，這說明過量釋放造成大量氣體進入井筒，排污過程中出現高套壓，造成了井控風險。為了防止再次出現上述險情，規定之后的單次釋放量不超過2 m3，同時嚴密觀測回流速度、關井壓力等參數。

表1 YT1 井鉆井液密度2.21 g/cm3 時控壓釋放數據Table 1 Data of pressure-controlled release of Well YT1 with the drilling fluid density of 2.21 g/cm3

通過6 次釋放，累計放出7.6 m3圈閉流體，套壓降為0，出口完全斷流，關井套壓明顯降低，且圈閉內壓力沒有回升跡象，說明圈閉內體積有限，滿足控壓釋放的前提條件。因此按照以下步驟實施后續控壓釋放作業。

(1)出口完全斷流或流速小于0.05 m3/10 min 及關井套壓有減小趨勢的情況下，進行降密度作業(每次控制降低 0.02 g/cm3) ；

(2)控壓釋放，壓力控制由地面控壓裝置進行控制，保證單次釋放量不超過2 m3；

(3)循環排污，在司鉆法第一步控壓值的基礎上附加0.5～1 MPa，將釋放出的圈閉內流體循環排出，并對鉆井液性能進行調整；

(4)在鉆井液密度及流變性能得到充分調整的前提下，觀察停泵時出口流速，每次釋放后進行關井求壓，檢驗壓力恢復情況，并對比釋放前套壓及出口流速，對釋放效果進行評價；

(5)重復以上步驟，直到圈閉內壓力降到目標值。

YT1 井在不同密度下累計控壓釋放34 次，再通過反復活動鉆具抽吸等方式在可控的狀態下，逐漸釋放圈閉內能量，累計回吐鉆井液51.3 m3(表2)。

表2 YT1 井控壓釋放施工整體數據Table 2 Overall performance of pressure-controlled release operation in Well YT1

從圖1 可知，在釋放的初期，由于圈閉體的壓力較高，圈閉流體快速進入井筒，造成初期圈閉壓力迅速降低，隨著進一步的釋放，圈閉內的彈性能量逐漸被消耗，缺乏遠端的能量補充，下降幅度逐漸變慢。由此可知，當量密度2.10 g/cm3以后再試圖通過有限次的釋放將無法短期內實現圈閉內壓力的快速降低，在鉆井液密度已經滿足下部安全鉆進的前提下，決定終止釋放。

圖1 YT1 井累計釋放量與圈閉壓力關系曲線Fig. 1 Cumulative release vs. trap pressure in Well YT1

3.2 效果分析

YT1 井通過控壓釋放的方法成功地處置了由井漏引起的圈閉壓力，擴大了鉆井液安全密度窗口，鉆井液密度維持在2.10 g/cm3直至完鉆，期間沒有發生溢流和漏失的復雜現象。與周邊鄰井采用堵漏壓井的處置方法相比，復雜時效降低了54%，提高了鉆井作業的連續性，鉆井周期相比同區塊鄰井平均水平縮短了32 d。

相比同區塊鄰井在遇到圈閉壓力進行反復堵漏壓井的處理方法，YT1 井采用控壓釋放的方法將安全密度窗口擴大至0.10 g/cm3，使漏失量下降91%，降低了鉆井液損失和物資消耗，同時避免了大量高密度鉆井液對儲層的傷害。

4 結論及建議

(1)控壓釋放技術為安全有效處置窄安全密度窗口井段地層圈閉壓力提供了有效的技術保障，具有一定的現實意義和指導價值。

(2)由于在控壓釋放過程中長時間停止循環，裂縫中地層流體侵入等原因，可能使回流的鉆井液被污染導致性能惡化，給后期施工帶來極大的安全隱患，這是施工過程中必須考慮的問題。

(3)需要進一步加強單次釋放量和井底壓力降低值的精準預測和研究，進一步完善控壓釋放工藝技術。