渤海油田火成巖地層呼吸效應鉆井措施的探討

羅偉 李大偉 向良煒 陳同驍 余建生

（1、中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452 2、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 火成巖地層呼吸效應機理

渤中34-9 油田東營組沙河街火成巖發育，主要巖性為玄武巖、安山巖、沉凝灰巖等。一是火山巖多期次沉積作用形成的弱面結構，地層承壓能力較同期正常地層壓力較小，二是天然微斷層和裂縫等地質構造作用形成弱面結構導致裂縫段發育造成井漏[1-2]。地層孔隙壓力和破裂壓力窗口密度窄，循環當量鉆井液密度（Equivalent Circulating Density ，簡稱ECD）接近地層破裂壓力，超過地層閉合鉆井液密度當量，就會形成地層呼吸效應，即正常鉆進或循環會發生井下漏失，停泵后鉆井液回吐形同溢流[3]。

2 M 井作業過程

2.1 基本數據

M 井是一口目的層為沙河街的常規定向井，設計井深4283m，最大井斜48°，設計為三開井身結構。一開φ406mm井眼鉆進至中完井深800m，二開φ311mm 井眼鉆進至中完井深3212m。一開及二開作業順利，未發生井漏，見圖1。

圖1 M 井實際井身結構圖

2.2 三開作業

三開φ215.9mm 使用鉆具組合為8-1/2''PDC-Bit+6-3/4''PDM(1.15°)+6-1/2''F/V+6-3/4''Neoscope+ 6-3/4''Telescope+6-3/4''NMDC+6-1/2''JAR（液壓）+5''HWDP×13+5''DP×9+ 6-3/4''水力振蕩器。鉆進至3270m，發生失返性漏失，起鉆至套管鞋，監測靜止漏失11m3/h。下鉆至3198m，替入堵漏漿8m3，頂替到位，堵漏漿配方為SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t，逐步提高排量至1000L/min，監測循環漏速12m3/h。

繼續三開鉆進至3316m，發生失返性漏失，堵漏作業。起鉆，更換簡易鉆具，鉆具組合為8-1/2''PDC-Bit+X/0（雙母浮閥）+6-1/2''DC+8''STB+6-1/2''DC×3+6-1/2''（F/J+JAR）+5''HWDP×13。下鉆至井底，繼續三開鉆進至3376m，發生失返性漏失，鉆進期間漏速由8m3/h 逐漸增大至16m3/h。替入堵漏漿8m3，頂替到位，堵漏漿配方為SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t。

繼續三開鉆進至3378m，漏速逐漸增大至30m3/h。短起鉆至套管鞋，堵漏作業，堵漏漿配方為SEAL 1.0t+BLN1 1.0t+BLN2 1.0t+BLN3 0.5t。漏速減小至10m3/h，繼續三開鉆進至3389m，機械鉆速持續只有1～2m/h，起鉆檢查鉆具，鉆頭3 個流道泥包，4 個水眼堵塞，見圖2-3。

圖2 M 井第一次鉆頭泥包照片

圖3 M 井第二次鉆頭泥包照片

更換鉆頭，下鉆至井底，三開鉆進至3392m，機械鉆速仍只有1～2m/h，漏速為4m3/h，起鉆檢查鉆具，鉆頭3 個流道泥包，3 個水眼堵塞，底部鉆具內有大量堵漏材料，鉆井液泵和循環管線內殘留較多堵漏材料，導致鉆井液泵上水差，泵效較低。

后續鉆進期間漏速在16～36m3/h，鉆井液殆盡則起鉆至等待配漿，然后繼續鉆進，重復交替，最終三開鉆進至完鉆井深4027m，三開累計使用鉆具10 趟，鉆頭泥包4 次，累計漏失鉆井液2100m3。每次接卸立柱期間，井口返出流量如同溢流，停泵后返出流量比正常鉆進流量更大，持續十分鐘后呈衰減趨勢。

3 鉆井技術措施探討

火成巖地層呼吸效應必然會伴隨著不同程度的井漏，8.5寸井眼漏速在15～40 方/小時，依據海洋鉆井手冊及漏速進行分類屬于中-大漏[4]。火成巖地層漏失通道不是一個單一的點或多個點，而是長達數百米的火成巖井段均發生漏失，由于地層回吐，堵漏材料很難形成架構提高地層承壓能力，不建議進行堵漏作業，采取起鉆靜止-強行鉆進的思路[5]。根據與M 井類似的出現地層呼吸效應的4 口井的鉆井作業經驗，形成了針對性的處理措施，同類型的井鉆井工期從27.41天縮短至5.2 天，作業時效大幅度提升。

3.1 優選鉆具組合

井漏會導致排量收受到限制，要選擇防泥包鉆頭，優化鉆頭井底流場，提高齒面流速，加強鉆頭自清潔能力，增加排屑槽面積。選擇低排量驅動的馬達鉆具，馬達彎角選擇單彎1.15 度，使用4 瓣φ209mm 的扶正套馬達鉆具，穩斜效果和擴眼率良好。其次選擇小排量驅動的隨鉆測井工具，滿足井眼軌跡的測量和測井資料的收集，同時考慮堵漏材料的粒徑對井下儀器的影響。

如果已經中靶且達到鉆探目的，井漏速度沒有明顯減緩趨勢，可以更換簡易鉆具。使用簡易鉆具鉆進速度雖然較慢，但鉆進過程中可以根據作業情況隨時進行堵漏作業，堵漏配方中可以加入較大尺寸的堵漏材料，且井下工具相對正常的馬達隨鉆測井鉆具更低，埋沒成本較小。

3.2 優選鉆井參數

排量越大循環當量密度越大，井下漏速越大，見表1。Φ215.9mm 井段正常地層排量通常在1800～2100 升/分鐘，但為減小井下漏速，不影響井眼清潔度，預防鉆頭泥包，排量選擇1200m～1500 升/分鐘，排量小于1200 升/分鐘，鉆頭發生泥包概率大幅度提高。由于排量相對較小，鉆壓不宜過大，一般選擇3～5 噸。

表1 M 井8.5 寸井段不同鉆井參數漏速對應表

3.3 優化鉆井液

渤中34-9 油田東營組火山巖段地層孔隙壓力為1.03～1.12g/cm3，坍塌壓力系數達1.33g/cm3，漏失壓力系數為1.43g/cm3[2]。渤中34-9 油田東營組正常使用的鉆井液密度為1.37～1.42/cm3，為降低井筒靜液柱壓力減小漏速，將鉆井液比重控制在1.34～1.36g/cm3。監測井口回吐的鉆井液比重1.22～1.30g/cm3，回吐的地層流體比重低于1.22g/cm3，見圖4。

圖4 M 井φ215.9mm 井段返出口鉆井液密度變化曲線

當ECD 超過1.46g/cm3時，漏速明顯增大。地層回吐以后，鉆井液密度降低，ECD 降低至1.44g/cm3漏速有所減緩，鉆進過程中可以通過ECD 調整鉆井液性能。為防止井壁坍塌，入口鉆井液密度不低于1.36g/cm3。停泵接立柱期間井口回吐鉆井液導致鉆井液密度不均勻，靜液柱當量密度為1.32g/cm3。

井漏較為嚴重，配制鉆井液工作量巨大，但是必須保證鉆井液的基本性能，鉆井液要有一定的粘度和切粒，鉆井液的懸浮性足夠懸浮重晶石，否則重晶石容易沉淀，堵塞鉆具。

鉆井液密度越高漏失速度越大，可以根據地層的坍塌壓力逐步降低鉆井液比重，尋找更加合適的鉆井液比重。已作業4 口井靜液柱當量密度雖然略低于坍塌壓力系數，但是起下鉆過程中井眼極其順暢，沒有坍塌跡象。

3.4 優選堵漏方式

火成巖地層呼吸效應導致的井漏是鉆遇火山通道附近，地層微裂縫發育，地層承壓能力較弱導致的，井漏以后嘗試過多次不同粒徑堵漏材料的堵漏作業，收效甚微。堵漏作業帶來的副作用很大，大顆粒的堵漏材料容易沉積在泥漿泵和循環管線，導致泥漿泵上水較差，清理循環管線和泥漿泵浪費大量時間。堵漏材料在井筒里，不但不能堵塞漏失通道，返而容易造成鉆頭水眼堵塞和鉆具堵塞，導致頻繁更換鉆具。

渤海油田常用的堵漏材料主要成分為硬質果殼、云母、蛭石，粒徑在1～10mm，堵漏材料與火成巖微裂縫配伍性不強，不能迅速膨脹，無法提高地層承壓能力。堵漏作業中，堵漏漿漏失過程中，漏速無明顯減小趨勢。

在φ215.9mm 井段鉆進過程中，漏速忽大忽小，大致規律總結為，相同的鉆井參數，鉆遇沉積松散的火成巖或砂巖機械鉆速加快，漏速很快很加大，鉆遇泥巖機械鉆速變慢，漏速會有所減小。后續作業中，建議嘗試能夠提高地層壓力的堵漏方法，不建議采取常規堵漏方式。如平臺配漿速度能跟上漏失速度，建議強行鉆進，見表2。

表2 渤海油田常用堵漏材料參數表

3.5 井控風險的把控

地層呼吸效應引起井口溢流，這種溢流現象和傳統的溢流現象有分別。傳統溢流發展趨勢是井涌、井噴、井噴失控。地層呼吸效應導致的溢流是停泵后即發生溢流，溢流量呈衰減趨勢，溢流量30～40m3，見圖5。如何區分兩種溢流，非常關鍵。通常情況下，發現溢流關防噴器檢查，如果是地層呼吸效應導致的溢流，讀取到的立壓和套壓幾乎為零，另外一種則有一定的立壓和套壓，需要組織壓井作業。

圖5 A 井8.5 寸井段循環池鉆井液體系變化曲線

地層呼吸回吐的地層流密度較低，監測到的出口鉆井液最低密度小于于1.22g/cm3，井筒靜液柱壓力迅速降低無法平衡油氣層壓力，導致油氣層流體進入井筒，井控風險增加。作業過程中不能對地層呼吸效應習以為常從而忽視井控風險。鉆進過程中要監測好鉆井液出口密度和氣全量，特殊情況下加密監測。根據返出鉆井液密度和返出時間計算井筒靜液柱壓力，提高入口鉆井液密度。

決定起鉆下套管前，建議裸眼段倒劃眼起鉆減少地層流體侵入量，套管內長起前泵入重漿塞等方式保持井筒靜液柱壓力過平衡地層壓力，最佳狀態漏速控制在5 方/小時，起鉆過程中連續灌漿，做好監測。

3.6 固井技術措施

選擇低密度1.5g/cm3及以下的水鉆井液密度，在水鉆井液稠化時間范圍內，通過降低固井排量，加入堵漏纖維等措施盡可能降低固井過程中井底循環當量密度。固井期間監測計量好水鉆井液泵入量和返出量，返算水鉆井液封固井段。及時檢測固井質量，若沒有有效封固油氣層，則采取射孔擠水泥等補救措施[6-7]。

4 結論及認識

4.1 確定是地層呼吸效應導致井漏，不建議進行堵漏作業，因為不斷揭開的新地層均可能發生漏失，堵漏作業導致鉆井循環系統及鉆具堵塞，堵漏效果甚微，得不償失。

4.2 強行鉆進所需鉆井液量極大，預留起鉆所需鉆井液（根據最小排量且無返出計算起鉆至套管鞋所需鉆井液量）。起鉆至套管鞋處靜止等待配漿，4～8 小時靜止時間，地層自然愈合，繼續鉆進初期漏速會減小，隨著新地層的揭開漏速逐漸變大。

4.3 作業過程中做好井控工作，在保證井壁穩定的前提下逐步探索合理的鉆井液比重，減小漏速。比重越高，漏速越大，回吐更猛，比重下降更快，形成惡性循環。