多壓力系統中鉆井安全作業密度的確定和應用
——以四川盆地五探1井?333.38 mm井眼鉆井為例

鄭述權 羅良儀 陳正云 巫道富 付華才 鐘廣榮 黃春華 羅玉宏

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 2.中國石油西南油氣田公司勘探事業部

0 引言

隨著普光、龍崗和元壩等深層海相氣田的被發現[1-3]，特別是川中古隆起下寒武統龍王廟組特大型整裝氣藏的被發現，大型古隆起成為四川盆地重要的勘探目標和方向[4-5]。

川東地區達州—開江古隆起區具備良好的油氣成藏條件，中國石油天然氣股份有限公司在該區部署了1口勘探新領域的風險探井——五探1井，該井設計井深7 570 m，實鉆井深8 060 m，采用非標六開鉆頭尺寸（?660.4 mm×?444.5 mm×?333.38 mm×?241.3 mm×?190.7 m×?135.5 m），其中三開用?333.38 mm鉆頭從三疊系嘉二3層中部井深3 550 m鉆至韓家店上部井深5 331 m，進尺約1 800 m，筆者依據對四川盆地東部石炭系氣藏已有的鉆井資料分析，以預測壓力剖面為依據，通過確定和調控穿越三疊系、二疊系、石炭系和志留系多壓力系統地層安全作業密度與性能，順利鉆過該井眼段，為四開乃至全井的安全鉆進創造條件。

1 工程技術難點分析及處理技術手段

1.1 工程技術難點分析

五探1井三開用?333.38 mm鉆頭從嘉二3亞段中部井深3 550 m鉆至韓家店上部井深5 331 m，穿越三疊系、二疊系、石炭系和志留系多壓力系統地層。分析鄰井資料發現有如下突出問題：①多層段有氣顯示，壓力系數差異大。鄰井七里50井嘉二3亞段1.33 g/cm3井涌，茅二段1.73 g/cm3井涌，黃龍組1.21 g/cm3后效氣侵。五科1井飛仙關組、茅二段、棲一段均有程度不同的氣顯示。②多層段井漏，漏失性質各異。鄰井七里50井，在龍潭組1.73 g/cm3發生井漏，茅二段1.81 g/cm3井漏失返，棲一段1.85 g/cm3井漏。③存在多個垮塌、縮徑層段。嘉二段的石膏易蠕變縮徑；龍潭組、梁山組的頁巖、鋁土質泥巖易縮徑和垮塌；韓家店泥巖地層易井塌和縮徑；原川東地區開發石炭系的井，都是用?215.9 mm鉆頭從嘉二3亞段鉆至石炭系頂部，本井使用?333.38 mm鉆頭穿過石炭系并進入志留系120 m，井眼加長、增大，井壁穩定性更差[6-7]。④井眼容積大，加大了處理復雜的難度和風險。

1.2 處理技術手段

本井段壓力系統復雜，噴、漏、塌、縮徑的地層共存，為確保鉆井施工的正常進行，首先要保證井控安全；其次要保持井眼暢通，包括不垮塌、不縮徑。滿足該兩項要求的密度就是筆者提出的安全作業密度，這是井眼鉆成的最基本保證。井漏、厚泥餅可采取其他工程措施解決。

1.2.1 井漏處理

在漏速可接受條件下，繼續鉆進并加入隨鉆堵漏劑。漏速不可接受時進行專門堵漏，直到恢復鉆進作業[8-9]。本井石炭系黃龍組壓力系數最低，最可能井漏。

1.2.2 厚泥餅處理

優化鉆井液泥餅質量；使用好固控設備，降低鉆井液中的有害固含；簡化鉆具組合，減少鉆具與井壁的接觸面積；強化操作，減少鉆具在危險井段的靜止時間。本井嘉陵江組、飛仙關組和黃龍組段可能出現。

1.2.3 井塌處理

控制鉆井液濾失量，降低吸水和滲透作用；優化泥餅質量，鞏固井壁；發現垮塌立即停鉆循環劃眼，破除掉入井筒的巖石并攜帶到地面。本井龍潭組和韓家店可能出現。

1.2.4 縮徑處理

控制鉆井液濾失量，減少吸水膨脹量；勤劃眼，及時清除形變。本井嘉二段和韓家店組可能出現。

采取上述措施后，仍然不能有效克服，則考慮改變井身結構。

2 安全作業密度的確定方法與效果

安全作業密度是井控安全密度、縮徑抑制密度和垮塌抑制密度三者中的最高值。安全作業密度高于漏失密度則會井漏，必須堵漏提高承壓能力，以滿足繼續作業的需求。安全作業密度高于厚泥餅臨界密度會產生厚泥餅，須采取其他工程技術措施來解決。而對于井眼垮塌、縮徑，安全作業密度不能只考慮壓力因素，還要從鉆井液性能調整進行控制，所以，在安全作業密度下，井漏、厚泥餅難以避免，井塌、縮徑仍有可能出現。

2.1 安全作業密度確定方法

2.1.1 井控安全密度

井控安全密度是全裸眼段施工中保證井控安全的最低密度。通常采用短起下鉆測氣竄速度的方法或者靜止一段時間來實際驗證[10]。

對一般油氣層，發生溢流后，根據求得的地層壓力和需要的安全附加密度確定，并進行短起下鉆驗證。

對窄壓力窗口的敏感性壓力地層，目前普遍采用精細控壓鉆井[11-14]，用略低于地層壓力的鉆井液密度來控壓鉆進和起鉆至套管鞋，然后打加重鉆井液蓋帽、在漏失狀態下起下鉆[15-18]。這種情況的井控安全密度按敞井安全起下鉆的當量密度確定。

對高壓低產層，雖然壓力高，但單位時間內侵入量小，發生溢流后關井，短時間內無法求取到準確的地層壓力，壓井中通過多個循環周上提密度仍然不能消除氣侵[19]。以停泵不外溢、開井循環不溢流為“壓穩”的直觀判斷。有的井停泵一段時間后線流外溢，流量不增大，持續或斷續幾十小時外溢總量很少。通過短起下鉆或靜止一個起下鉆周期測氣竄速度來檢驗是否安全。被驗證為可以實現安全作業的密度即為井控安全密度。

高壓低產層還有個顯著特點，隨著打開時間的增長，近井壁地層能量的釋放，氣侵程度逐漸減弱，井控安全密度也隨之下降。

在同一裸眼段有多個不同壓力系數油氣層的井，井控安全密度按最高值確定。

2.1.2 垮塌抑制密度

因為井筒液柱壓力低，使得井壁圍巖的應力超過巖石本身的強度而造成井塌，阻礙正常鉆井的進行。地層所需的液柱支撐力通常是未知，只有在鉆井過程中加強監控，發現垮塌即提密度抑制，直到垮塌現象消失，此密度即為該層段的垮塌抑制密度。若同一裸眼段有多個層位的垮塌抑制密度，則取最高值。

2.1.3 縮徑抑制密度

塑性地層因為井筒支撐力不能阻止巖石形變而發生縮徑。阻止巖石形變需要的支撐力通常也是未知的，需要在鉆井過程中隨時監視，發現有縮徑，立即提密度抑制，直到井眼暢通。這個井眼暢通的最低密度就是該層段的縮徑抑制密度。若同一裸眼段有多個層位的縮徑抑制密度，則取最高值。

2.1.4 漏失密度

井漏后，根據探得的靜液面，計算漏失壓力，折算當量密度即為漏失密度。當出現兩個或多個油氣水層，高壓層井控安全密度高于低壓層的漏失密度時，低壓層按漏層考慮。

2.1.5 厚泥餅臨界密度

厚泥餅產生的前提是井筒有壓差，適度控制井筒壓差，有利于厚泥餅的消除[20]。不產生厚泥餅的最大壓差為厚泥餅臨界壓差，對應的密度為厚泥餅臨界密度。若同一裸眼段有多個層位的厚泥餅臨界密度，則取最小值。

2.2 安全作業密度的應用情況

五探1井三開井段安全作業密度的探索分為兩個階段，第一階段為茅口組井漏前，第二階段為茅口組井漏后。為便于分析，先列出五探1井三開實鉆地質分層數據，如表1所示。

表1 實鉆地層分層數據表

2.2.1 第一階段安全作業密度的確定

嘉二段縮徑抑制密度：用密度1.50 g/cm3鉆井液鉆至嘉二段井深3 643 m短起下鉆，在井段3 572.79～3 641.62 m不暢通。判斷為石膏層縮徑。通過劃眼、加重鉆井液到1.65 g/cm3恢復正常。確定嘉二段的縮徑抑制密度為1.65 g/cm3。

飛仙關組井控安全密度：用密度1.65 g/cm3鉆井液鉆進至井深4 058.51 m發現氣測異常，繼續鉆進148分鐘至井深4 066.72 m，發現液面上漲0.8 m3，全烴3.6↑92.7%。關井30 min套壓0.1↑0.68 MPa，立壓0 MPa。通過三個循環周壓井，逐漸提密度至1.81 g/cm3恢復鉆進，并經短程起下鉆驗證為井控安全密度。

從顯示層位、巖性、鉆時、發生溢流及壓井過程分析，飛仙關組為典型高壓低產層。后續鉆進中逐漸降密度至1.78 g/cm3并被驗證為井控安全密度，直至茅口組發生井漏。

嘉一段至飛仙關組層段厚泥餅臨界密度：用密度1.65 g/cm3鉆井液在嘉一段鉆進無異常。飛仙關組用密度1.81 g/cm3壓井后起下鉆，在3 602～4 542 m井段（嘉一段至飛仙關組）內13個小段發生阻卡。判斷為厚泥餅。后續鉆進中降密度至1.78 g/cm3，井眼暢通。確定嘉一段至飛仙關組的厚泥餅臨界密度為1.78 g/cm3。

采用1.78 g/cm3的密度既滿足井控安全的需要，也能抑制縮徑，更沒有發生垮塌，被確認為這個階段的安全作業密度，同時該密度還能抑制厚泥餅。

用密度1.78 g/cm3的鉆井液安全鉆完飛仙關組、長興組、龍潭組。

2.2.2 第一階段安全作業密度下出現的問題及處理

用密度1.78 g/cm3的鉆井液鉆進茅口組5 m至井深4 829.17 m發現井漏，漏速18 m3/h。原鉆具5次堵漏無效，逐次增加堵漏漿濃度和數量，堵漏中漏速變為失返，同時有天然氣侵入井筒。判斷為較大裂縫產層；進入井筒的氣以茅口組為主；探得靜液面井深800 m。

按靜液面計算，茅口組的漏失密度為1.49 g/cm3，此時作用于飛仙關組的當量密度為1.43 g/cm3。與之前的安全作業密度1.78 g/cm3相比發生了很大變化。必須簡化鉆具組合進一步堵漏，求取新的安全作業密度。

下?139.7 mm光鉆桿至井深4 602.79 m后發現溢流。在堵漏壓井準備期間，進行間斷反推、置換及正循環堵漏壓井共5次，最后套壓12.76 MPa，立壓0 MPa。準備充分后，全井筒反推壓井一次成功。分別在井深3 901 m和3 511 m各打水泥100 t，堵漏成功。

2.2.3 第二階段安全作業密度的確定

從塞面井深3 607 m鉆塞至4 743 m，鉆井液密度從1.78 g/cm3降至1.65 g/cm3，經短起下鉆驗證，符合安全起下鉆條件，獲得飛仙關組井控安全密度一個參考值。

繼續下調密度至1.60 g/cm3鉆塞至井底完，井不漏，有氣侵。

用1.60 g/cm3密度鉆進，在井段4 829.17～4 845.68 m井漏，堵漏成功，井眼暢通，經短起下鉆驗證符合安全起下鉆條件。探明了飛仙關組井控安全密度又一個參考值。該密度比原探明的嘉二段縮徑抑制密度低0.05，沒有發生阻卡，可認為該密度為第二階段的縮徑抑制密度。

用密度1.55 g/cm3鉆井液鉆進10 h至井深4 855.05 m，井下不漏，發現龍潭組垮塌，逐漸提密度至1.65 g/cm3，井下恢復正常。龍潭組的垮塌抑制密度被證實為1.65 g/cm3。

茅口組井漏時作用于飛仙關組的當量密度為1.43 g/cm3，用1.55 g/cm3的密度鉆進10 h沒發生溢流，但是未被驗證為飛仙關組的井控安全密度，也沒有證實嘉二段是否縮徑。

至此，飛仙關組的最低井控安全密度被驗證為1.60 g/cm3，龍潭組的垮塌抑制密度為1.65 g/cm3，嘉二段的縮徑抑制密度為1.60 g/cm3，所以第二階段安全作業密度即取1.65 g/cm3。該密度小于嘉一段至飛仙關組的厚泥餅臨界密度1.78 g/cm3，不會產生厚泥餅；該密度高于茅口組漏失密度，茅口組以下地層漏失密度未知，有發生井漏的可能。

2.2.4 二階段安全作業密度下出現的問題及處理

茅口組至石炭系黃龍組地層間斷性井漏。用1.65 g/cm3密度鉆井液鉆茅口組、棲霞組、黃龍組3個層位，6個井段發生井漏，根據不同的漏速，用不同的配方堵漏，安全穿越3個層位，進入韓家店組。

韓家店組垮塌及縮徑。用1.65 g/cm3密度鉆達固井井深5 331 m，已進韓家店組120 m，無異常。靜止觀察3 d后，下鉆通井至井深5 263 m遇阻，正、倒劃眼都困難，返出的巖屑中有泥巖掉塊，通過處理鉆井液和16 h劃眼通井至井底，之后井眼通暢，電測、下套管都順利。經測井證實為垮塌和縮徑并存，如圖1、2所示。

2.3 其他配套措施

簡化鉆具組合。在茅二段發生井漏后，去掉螺桿鉆具和扶正器，使用塔式鉆具＋?139.7 mm鉆桿組合。

優化鉆井液性能。根據井下情況的需要，及時調整處理鉆井液性能，確保井下安全。

井漏液面不在井口時，堅持吊灌，確保液面在一定高度，防止溢流和井塌。

2.4 實施效果

應用安全作業密度的方法，及時分析研究各層段實際情況，獲取了各層段的相關密度并及時確定了安全作業密度，同時配套其他工程技術措施，順利完成了該井眼段鉆探。經電測，最大井斜2.22°/4 500 m，在井深4 800 m處最大井徑422 mm，平均井徑349 mm，井眼擴大率5%，井身質量全優，下到位。

圖1 韓家店組劃眼扭矩曲線圖

圖2 韓家店測井井徑曲線圖（1 in = 25.4 mm, 1 ft = 0.304 8 m）

3 結論與建議

1）安全作業密度系統考慮了多壓力系統共存的井眼安全問題，提出了5個相關密度的概念，闡明了各密度與安全作業密度的關系。

2)五探1井實施了在氣顯示活躍、縮徑井段，選擇井控安全密度、縮徑抑制密度二者中高者為安全作業密度；在井漏、垮塌為主的井段，選擇井控安全密度、垮塌抑制密度二者中高者為安全作業密度，再輔以堵漏和其他工程技術措施提高地層承壓能力等技術措施,有力地保障了?333.38 mm井眼段的順利完成。

3）把多壓力系統設計為共存同一裸眼段，建議采用安全作業密度法進行論證，充分考慮井眼內各層壓力關系，確定可能風險預防措施，合理設計井身結構，并預留一層備用套管。同時，施工中注意拾取各層位的相應密度，為下步技術決策和進一步優化設計提供依據。

4）復雜井段作業要簡化鉆具組合，鉆井液性能要優化，處理復雜要合理選擇鉆具的下入位置。