濕瀝青地層控壓鉆井技術先導試驗及效果評價

郭京華，張華衛，黃河福，龐小旺

(1.中石化石油勘探開發研究院，北京 100083;2.中國石油大學，北京 102249;3.中石化石油工程技術研究院，北京 100101;4.中石化國際石油勘探開發有限公司，北京 100029)

引 言

深井不規則瀝青地層鉆井面臨著嚴峻挑戰，在墨西哥灣深海油田，瀝青蠕動造成了多口井井眼報廢［1－2］，在伊朗 Y油田，嚴重的濕瀝青侵入、硫化氫侵和鉆井液漏失共存，先后導致3口井工程報廢。為解決濕瀝青地層出現的鉆井問題，伊朗Y油田引進了控壓鉆井技術，S3井的先導試驗表明，控壓鉆井技術提供了安全可靠的井口屏障，可以實現不停鉆處理瀝青侵入和硫化氫侵入，完成常規鉆井技術難以繼續的鉆井作業，取得了很好的應用效果，為同類地層的安全高效鉆井提供了新的思路。

1 控壓鉆井技術難點

1.1 地質狀況復雜，鉆前很難精確設計施工壓力窗口

Y油田中生代白堊紀K地層巖性主要為灰巖，間或發育半固態或液態的濕瀝青。K地層濕瀝青的儲集空間為孔洞、溶洞或裂縫，由于儲集空間足夠大，溶洞和大裂縫中的“瀝青巖”本身會承擔一部分上覆巖石壓力。獨特的地質特征和復雜多變的力學因素，決定了濕瀝青侵入井眼的機理非常復雜，除了常規油氣侵入外，還存在置換或蠕動侵入［3－5］。

K地層鉆井資料表明，不存在濕瀝青地層的井，鉆井液密度值保持在1.35～1.37 g/cm3之間，井眼狀況就非常穩定。鉆遇濕瀝青地層的井，地層壓力系統比較紊亂，鉆井液漏失與濕瀝青侵入頻繁發生，鉆井液密度在1.37～1.72 g/cm3之間反復嘗試，但無法找到漏失與瀝青侵入之間的平衡點。鄰井鉆井液密度對濕瀝青地層鉆井參考價值小，鉆前很難精確設計施工壓力窗口，需要揭開濕瀝青地層后根據情況適時做出調整。

1.2 濕瀝青破壞鉆井液流變性能，鉆井循環壓耗波動范圍大

不論何種鉆井方式，環空循環壓耗的變化都可以引起井底壓力的變化。環空壓耗的數值與環空流體的性質、流態和流變參數有關［6］。受侵入井眼的濕瀝青影響，鉆井液流變性能和流態都可能發生劇烈的變化，造成環空壓耗大幅度波動，增加控壓操作難度，降低控壓調節精度。

1.3 井漏井涌共存，井控與防硫化氫風險高，處理難度大

Y油田是高含硫油田，鉆井液漏失與濕瀝青侵入、硫化氫侵入并存，使鉆井作業面臨著極高的安全風險，處理難度大。F13井為處理瀝青侵入和井漏，經過25次壓井和堵漏作業(包括打水泥12次)，多次變換鉆井液密度，采用了多種堵漏技術，試圖建立正常循環，都先后失敗，最后被迫在遠離濕瀝青的淺層井眼回填。鉆井期間共漏失鉆井液5289 m3，注入不同配方水泥漿200 m3，返出液態瀝青近7000 m3，硫化氫含量最高為40000 mg/L。

2 控壓鉆井技術方案

2.1 井身結構優化

根據K地層的復雜地質狀況，對井身結構做了適當調整，對潛在濕瀝青地層進行固封(表1)。由表1可知，井身結構優化后，一開井眼擴大，?244.5 mm套管下至S儲層底部，K地層上部所有的低壓層都用套管固封，提高了井眼承壓能力。與優化前比較，裸露濕瀝青地層的井眼長度由2362 m降低至373 m，地層壓力系數單一，有利于辨別井下復雜情況，及時采取應對措施。

表1 井身結構優化前后數據對比

2.2 控壓鉆井關鍵設備

控壓鉆井設備包括旋轉控制裝置(旋轉控制頭)、節流控制系統、液氣分離系統、井下鉆具浮閥(單向閥)等［7］。旋轉控制頭是控壓鉆井的關鍵設備，由底座、軸承總成、膠心、旁通閥和動力站等部分組成。軸承總成與底座之間靠一個高壓動密封組件來實現旋轉密封。膠心是密封鉆具與井眼之間環形空間的主要部件，所用鉆桿為帶18°坡度接頭的對焊鉆桿，以降低起下鉆作業對膠心的傷害。Y油田選用的旋轉控制頭為SLXFD35－35型，主要參數:高度為1.78 m，動態(旋轉)時額定壓力為17.5 MPa，靜態時額定壓力為35.0 MPa，額定轉速為100 r/min。旋轉控制頭與常規防噴器配套使用，S3井井口裝置從下到上的順序為:套管頭+FS35－70鉆井四通+FZ35－70變徑閘板+FS35－70鉆井四通+2FZ35－70雙閘板+FH35－35環形防噴器+SLXFD35－35旋轉控制頭。

2.3 鉆井液技術措施

采用混柴油鹽水鉆井液體系，加入0.2% ～0.5%除硫劑，提高鉆井液防瀝青污染能力和防硫化氫能力。發生濕瀝青侵入后，利用機械清除、固相吸附、排放、置換、乳化分散等多種工藝技術措施，維護鉆井液性能穩定［8－9］。

2.4 控壓鉆井施工方案

2.4.1 控壓鉆井方案

控壓鉆井的鉆井液循環路線為:鉆井泵—立管—鉆柱—環空—節流管匯—液氣分離器—震動篩—循環罐。接立柱時的鉆井液循環路線為:鉆井泵—壓井管匯—四通—節流管匯—液氣分離器—震動篩—循環罐。鉆進過程中對環空施加不超過5.0 MPa的回壓，接立柱施加的回壓等于鉆進時的環空循環壓耗和鉆進回壓之和，保持井底壓力恒定。

2.4.2 控壓處理井涌方案

發現井涌后，觀察環空回壓變化和地層流體(濕瀝青、天然氣、硫化氫)返出情況，判斷是否發生惡性置換侵入或漏失，若井下沒有此類復雜情況發生，可以邊控壓鉆井邊逐步提高鉆井液密度，待進出口鉆井液密度平衡后，轉換為常規鉆井作業方式，如果進出口密度始終不平衡，密度差值在0.10 g/cm3以內，并且繼續加重對縮小進出口密度差值的作用不大，可維持控壓鉆進方式。

2.4.3 加壓泥漿帽強鉆方案

若井下發生漏失或惡性置換侵入，地層流體會大量涌入井眼，使用旋轉控制頭作為井口安全屏障，進行強行鉆穿K層作業。強鉆過程中，若循環失返，硫化氫濃度超標，濕瀝青侵入量很大，則鉆進期間完全關井，泵入鉆柱的鉆井液作為犧牲液，攜帶巖屑進入地層裂縫或者溶洞，同時經壓井管匯向環空注入高黏、高密度抗硫泥漿，形成“泥漿帽”降低硫化氫風險，并控制地層流體侵入量，鉆進過程中觀察泵壓和套管壓力的變化，對井下情況進行判斷［10］。

2.4.4 起下鉆方案

起鉆前，可依情況提高鉆井液密度平衡地層壓力，泵入高密度段塞漿或過膠心起下鉆作業。

3 現場應用與效果評價

3.1 現場應用簡況

S3井是報廢濕瀝青井F13井的替代井，井口與F13井相距400 m，鉆遇濕瀝青的可能性非常大，選擇作為控壓鉆井的先導試驗井。四開前，安裝控壓鉆井設備，采用簡化的鉆具組合:?212.7 mm PDC鉆頭+浮閥+MPD單流閥+?165.1 mm鉆鋌 ×3根 +?127.0 mm加重鉆桿 ×8柱 +?165.1 mm震擊器+?127.0 mm加重鉆桿×1柱+?127.0 mm鉆桿，鉆頭采用大水眼，避免堵漏作業堵塞水眼。

S3井控壓鉆井井段為3437.0～3808.5 m，進行了控壓鉆進、控壓循環、短程控壓起下鉆、控壓封堵等工藝的現場試驗。鉆遇2段濕瀝青地層，分別為3494.2～3551.0 m和3581.0～3595.0 m，純控壓鉆井進尺為300 m，鉆進時鉆井液密度為1.60～1.66 g/cm3，下尾管前全井提密度至1.76 g/cm3。

3.2 應用效果評價

3.2.1 控壓鉆井實現了不停鉆壓井

井深3501.5 m處，濕瀝青侵入并且井涌，入口鉆井液密度為1.60 g/cm3，出口鉆井液密度降至1.55 g/cm3，循環罐體積增加3 m3，錄井氣測全烴值為100%，振動篩處發現大量濕瀝青。轉換循環流程至控壓節流管匯和氣液分離器，環空施加回壓1.0 MPa，提高入口鉆井液密度至1.62 g/cm3，全烴值逐步降低至45.6%，出口鉆井液密度從1.55 g/cm3增加至1.56 g/cm3，保持入口密度和環空回壓值，控壓鉆進至3504.0 m，在此期間測量循環罐液面，沒有溢流。S3井控壓鉆井技術的應用，在Y油田首次實現了不停鉆壓井，為處理濕瀝青井涌提供了新的技術路線。

3.2.2 控壓鉆井能有效降低瀝青侵入速度

井深3543.0 m處，旋轉控制頭膠心刺漏，停泵0.5 h卸掉旋轉總成，轉換至常規鉆井方式，進尺為7 m，鉆進時間為2.5 h，排放瀝青污染漿30.5 m3，瀝青污染鉆井液速度為12.2 m3/h。井深3550.0 m處，停泵0.5 h安裝旋轉總成，恢復控壓鉆井方式，環空回壓為1.0～2.8 MPa，進尺為22 m，鉆進時間為12 h，排放瀝青污染漿15.1 m3，瀝青污染鉆井液速度為1.3 m3/h，與常規鉆井方式相比降低90%。

3.2.3 控壓循環封堵能減緩濕瀝青的侵入

從鉆井液進出口密度差值看，封堵前后，鉆井液密度差由0.10 g/cm3降為0.04 g/cm3，差值明顯收窄。從瀝青污染漿量來看:封堵前，井深3629.0 m處，接立柱停泵12 min，開泵循環后井底返出14.0 m3瀝青污染漿;封堵后，井深3653.0 m處接立柱，停泵14 min，開泵循環后無明顯的瀝青污染漿返出;鉆進18 h后，井深3682.0 m處，再一次接立柱，停泵15 min，開泵循環后返出4 m3瀝青污染漿。由此可見，剛性顆粒類封堵材料對抑制瀝青侵入有一定效果，但可能由于封堵強度或是深度不夠，只能在短時間內起到效果。

3.2.4 控壓鉆井為處理氣侵入和硫化氫侵提供了安全屏障

常規鉆井時井口環空是敞開狀態，處理硫化氫侵入需要中斷鉆井作業，關封井器節流循環除硫化氫，此時，鉆具在井內只能小幅度上下活動，不能旋轉，增加了卡鉆的風險。控壓鉆井時，旋轉控制頭在井口和鉆臺面之間提供了安全屏障，返出的鉆井液先由液氣分離器處理，分離出的天然氣和硫化氫經放噴管線引入燃燒池，降低了安全隱患。S3井控壓鉆井過程中在鉆臺面沒有監測到硫化氫，在振動篩處有3次監測到硫化氫，濃度分別為16、167和200 mg/L。

3.3 控壓鉆井過程中存在的問題

井隊的3臺鉆井泵和同一立管閘門組連接，接立柱施加環空回壓時需要來回倒泵和閥門，在嘗試一次后，放棄了接立柱也要施加環空回壓的方案，因此S3井控壓鉆井沒有達到全過程保持井底壓力恒定。S3井濕瀝青地層中溶解氣比較多，地質錄井氣測總烴值的變化可以反映濕瀝青和氣體的侵入程度，提高鉆井液密度，氣測總烴值呈降低趨勢，但是無論密度值低或是高，在接立柱或起下鉆后，氣測總烴值都急劇上升，這表明濕瀝青地層對壓力波動敏感。

4 結論與認識

(1)S3井采用對濕瀝青地層固封的井身結構，控壓鉆井過程中沒有發生惡性置換性濕瀝青侵，順利鉆穿并封隔了濕瀝青地層。控壓鉆井現場應用表明，環空施加回壓和提高鉆井液密度都能夠在一定程度上抑制濕瀝青侵入，但濕瀝青地層對壓力變化敏感，細微的壓力波動都會增大濕瀝青的侵入速度。

(2)濕瀝青地層中溶解氣比較多，對鉆井液密度影響大，控壓鉆井施工過程中，鉆井液進出口始終存在密度差，采用剛性顆粒類封堵材料對瀝青地層進行控壓循環封堵后，鉆井液進出口密度差值短時間內收窄，說明封堵作業對抑制瀝青侵有一定效果。

(3)S3井的成功經驗表明，控壓鉆井技術可以實現不停鉆屏蔽井眼環空，防止有毒有害氣體侵襲鉆臺危害鉆井作業人員，可以通過對井眼環空施加回壓而控制井底壓力，能夠快速轉換作業方式來處理井下復雜情況，進行常規鉆井技術難以繼續的鉆井作業，為解決含酸性氣體瀝青地層的鉆井問題開辟了新的技術途徑。

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