渤海油田火成岩地层呼吸效应钻井措施的探讨

2022-04-02罗伟李大伟向良炜陈同骁余建生

科学技术创新 2022年7期

罗伟李大伟向良炜陈同骁余建生

（1、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452 2、中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 火成岩地层呼吸效应机理

渤中34-9 油田东营组沙河街火成岩发育，主要岩性为玄武岩、安山岩、沉凝灰岩等。一是火山岩多期次沉积作用形成的弱面结构，地层承压能力较同期正常地层压力较小，二是天然微断层和裂缝等地质构造作用形成弱面结构导致裂缝段发育造成井漏[1-2]。地层孔隙压力和破裂压力窗口密度窄，循环当量钻井液密度（Equivalent Circulating Density ，简称ECD）接近地层破裂压力，超过地层闭合钻井液密度当量，就会形成地层呼吸效应，即正常钻进或循环会发生井下漏失，停泵后钻井液回吐形同溢流[3]。

2 M 井作业过程

2.1 基本数据

M 井是一口目的层为沙河街的常规定向井，设计井深4283m，最大井斜48°，设计为三开井身结构。一开φ406mm井眼钻进至中完井深800m，二开φ311mm 井眼钻进至中完井深3212m。一开及二开作业顺利，未发生井漏，见图1。

图1 M 井实际井身结构图

2.2 三开作业

三开φ215.9mm 使用钻具组合为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（液压）+5''HWDP×13+5''DP×9+ 6-3/4''水力振荡器。钻进至3270m，发生失返性漏失，起钻至套管鞋，监测静止漏失11m3/h。下钻至3198m，替入堵漏浆8m3，顶替到位，堵漏浆配方为SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t，逐步提高排量至1000L/min，监测循环漏速12m3/h。

继续三开钻进至3316m，发生失返性漏失，堵漏作业。起钻，更换简易钻具，钻具组合为8-1/2''PDC-Bit+X/0（双母浮阀）+6-1/2''DC+8''STB+6-1/2''DC×3+6-1/2''（F/J+JAR）+5''HWDP×13。下钻至井底，继续三开钻进至3376m，发生失返性漏失，钻进期间漏速由8m3/h 逐渐增大至16m3/h。替入堵漏浆8m3，顶替到位，堵漏浆配方为SZDL 1.0t+SEAL 1.0t+BLN1 1.0t。

继续三开钻进至3378m，漏速逐渐增大至30m3/h。短起钻至套管鞋，堵漏作业，堵漏浆配方为SEAL 1.0t+BLN1 1.0t+BLN2 1.0t+BLN3 0.5t。漏速减小至10m3/h，继续三开钻进至3389m，机械钻速持续只有1～2m/h，起钻检查钻具，钻头3 个流道泥包，4 个水眼堵塞，见图2-3。

图2 M 井第一次钻头泥包照片

图3 M 井第二次钻头泥包照片

更换钻头，下钻至井底，三开钻进至3392m，机械钻速仍只有1～2m/h，漏速为4m3/h，起钻检查钻具，钻头3 个流道泥包，3 个水眼堵塞，底部钻具内有大量堵漏材料，钻井液泵和循环管线内残留较多堵漏材料，导致钻井液泵上水差，泵效较低。

后续钻进期间漏速在16～36m3/h，钻井液殆尽则起钻至等待配浆，然后继续钻进，重复交替，最终三开钻进至完钻井深4027m，三开累计使用钻具10 趟，钻头泥包4 次，累计漏失钻井液2100m3。每次接卸立柱期间，井口返出流量如同溢流，停泵后返出流量比正常钻进流量更大，持续十分钟后呈衰减趋势。

3 钻井技术措施探讨

火成岩地层呼吸效应必然会伴随着不同程度的井漏，8.5寸井眼漏速在15～40 方/小时，依据海洋钻井手册及漏速进行分类属于中-大漏[4]。火成岩地层漏失通道不是一个单一的点或多个点，而是长达数百米的火成岩井段均发生漏失，由于地层回吐，堵漏材料很难形成架构提高地层承压能力，不建议进行堵漏作业，采取起钻静止-强行钻进的思路[5]。根据与M 井类似的出现地层呼吸效应的4 口井的钻井作业经验，形成了针对性的处理措施，同类型的井钻井工期从27.41天缩短至5.2 天，作业时效大幅度提升。

3.1 优选钻具组合

井漏会导致排量收受到限制，要选择防泥包钻头，优化钻头井底流场，提高齿面流速，加强钻头自清洁能力，增加排屑槽面积。选择低排量驱动的马达钻具，马达弯角选择单弯1.15 度，使用4 瓣φ209mm 的扶正套马达钻具，稳斜效果和扩眼率良好。其次选择小排量驱动的随钻测井工具，满足井眼轨迹的测量和测井资料的收集，同时考虑堵漏材料的粒径对井下仪器的影响。

如果已经中靶且达到钻探目的，井漏速度没有明显减缓趋势，可以更换简易钻具。使用简易钻具钻进速度虽然较慢，但钻进过程中可以根据作业情况随时进行堵漏作业，堵漏配方中可以加入较大尺寸的堵漏材料，且井下工具相对正常的马达随钻测井钻具更低，埋没成本较小。

3.2 优选钻井参数

排量越大循环当量密度越大，井下漏速越大，见表1。Φ215.9mm 井段正常地层排量通常在1800～2100 升/分钟，但为减小井下漏速，不影响井眼清洁度，预防钻头泥包，排量选择1200m～1500 升/分钟，排量小于1200 升/分钟，钻头发生泥包概率大幅度提高。由于排量相对较小，钻压不宜过大，一般选择3～5 吨。

表1 M 井8.5 寸井段不同钻井参数漏速对应表

3.3 优化钻井液

渤中34-9 油田东营组火山岩段地层孔隙压力为1.03～1.12g/cm3，坍塌压力系数达1.33g/cm3，漏失压力系数为1.43g/cm3[2]。渤中34-9 油田东营组正常使用的钻井液密度为1.37～1.42/cm3，为降低井筒静液柱压力减小漏速，将钻井液比重控制在1.34～1.36g/cm3。监测井口回吐的钻井液比重1.22～1.30g/cm3，回吐的地层流体比重低于1.22g/cm3，见图4。

图4 M 井φ215.9mm 井段返出口钻井液密度变化曲线

当ECD 超过1.46g/cm3时，漏速明显增大。地层回吐以后，钻井液密度降低，ECD 降低至1.44g/cm3漏速有所减缓，钻进过程中可以通过ECD 调整钻井液性能。为防止井壁坍塌，入口钻井液密度不低于1.36g/cm3。停泵接立柱期间井口回吐钻井液导致钻井液密度不均匀，静液柱当量密度为1.32g/cm3。

井漏较为严重，配制钻井液工作量巨大，但是必须保证钻井液的基本性能，钻井液要有一定的粘度和切粒，钻井液的悬浮性足够悬浮重晶石，否则重晶石容易沉淀，堵塞钻具。

钻井液密度越高漏失速度越大，可以根据地层的坍塌压力逐步降低钻井液比重，寻找更加合适的钻井液比重。已作业4 口井静液柱当量密度虽然略低于坍塌压力系数，但是起下钻过程中井眼极其顺畅，没有坍塌迹象。

3.4 优选堵漏方式

火成岩地层呼吸效应导致的井漏是钻遇火山通道附近，地层微裂缝发育，地层承压能力较弱导致的，井漏以后尝试过多次不同粒径堵漏材料的堵漏作业，收效甚微。堵漏作业带来的副作用很大，大颗粒的堵漏材料容易沉积在泥浆泵和循环管线，导致泥浆泵上水较差，清理循环管线和泥浆泵浪费大量时间。堵漏材料在井筒里，不但不能堵塞漏失通道，返而容易造成钻头水眼堵塞和钻具堵塞，导致频繁更换钻具。

渤海油田常用的堵漏材料主要成分为硬质果壳、云母、蛭石，粒径在1～10mm，堵漏材料与火成岩微裂缝配伍性不强，不能迅速膨胀，无法提高地层承压能力。堵漏作业中，堵漏浆漏失过程中，漏速无明显减小趋势。

在φ215.9mm 井段钻进过程中，漏速忽大忽小，大致规律总结为，相同的钻井参数，钻遇沉积松散的火成岩或砂岩机械钻速加快，漏速很快很加大，钻遇泥岩机械钻速变慢，漏速会有所减小。后续作业中，建议尝试能够提高地层压力的堵漏方法，不建议采取常规堵漏方式。如平台配浆速度能跟上漏失速度，建议强行钻进，见表2。

表2 渤海油田常用堵漏材料参数表

3.5 井控风险的把控

地层呼吸效应引起井口溢流，这种溢流现象和传统的溢流现象有分别。传统溢流发展趋势是井涌、井喷、井喷失控。地层呼吸效应导致的溢流是停泵后即发生溢流，溢流量呈衰减趋势，溢流量30～40m3，见图5。如何区分两种溢流，非常关键。通常情况下，发现溢流关防喷器检查，如果是地层呼吸效应导致的溢流，读取到的立压和套压几乎为零，另外一种则有一定的立压和套压，需要组织压井作业。

图5 A 井8.5 寸井段循环池钻井液体系变化曲线

地层呼吸回吐的地层流密度较低，监测到的出口钻井液最低密度小于于1.22g/cm3，井筒静液柱压力迅速降低无法平衡油气层压力，导致油气层流体进入井筒，井控风险增加。作业过程中不能对地层呼吸效应习以为常从而忽视井控风险。钻进过程中要监测好钻井液出口密度和气全量，特殊情况下加密监测。根据返出钻井液密度和返出时间计算井筒静液柱压力，提高入口钻井液密度。

决定起钻下套管前，建议裸眼段倒划眼起钻减少地层流体侵入量，套管内长起前泵入重浆塞等方式保持井筒静液柱压力过平衡地层压力，最佳状态漏速控制在5 方/小时，起钻过程中连续灌浆，做好监测。