川東地區(qū)高峰場(chǎng)區(qū)塊氣體鉆井后的鉆井液轉(zhuǎn)換工藝

摘 要

摘要：氣體鉆井技術(shù)近年來在川東地區(qū)高峰場(chǎng)區(qū)塊應(yīng)用較為廣泛，但在氣體鉆井之后的后續(xù)鉆進(jìn)中，容易因鉆井液性能不匹配或鉆井液轉(zhuǎn)換工藝不完善造成井壁不穩(wěn)定等復(fù)雜事故。為此，對(duì)氣
摘要：氣體鉆井技術(shù)近年來在川東地區(qū)高峰場(chǎng)區(qū)塊應(yīng)用較為廣泛，但在氣體鉆井之后的后續(xù)鉆進(jìn)中，容易因鉆井液性能不匹配或鉆井液轉(zhuǎn)換工藝不完善造成井壁不穩(wěn)定等復(fù)雜事故。為此，對(duì)氣體鉆井后替換鉆井液獲得良好效果的峰003-6井的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析總結(jié)，并得出以下認(rèn)識(shí)：①當(dāng)遇到地層大量出水或鉆遇含有塑性石膏地層，出現(xiàn)不利于氣體鉆井的因素以及工程技術(shù)要求等原因不能繼續(xù)用氣體進(jìn)行鉆井時(shí)，需要由氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)水基鉆井液鉆井；②進(jìn)行水基鉆井液轉(zhuǎn)換時(shí)，必須優(yōu)選鉆井液密度，高峰場(chǎng)區(qū)塊替入鉆井液密度參考密度值在1.17～1.25g/cm3較為合理；③氣體鉆井后替換的水基鉆井液，其性能還需特別考慮具有良好的抑制性能、濾失造壁性、封堵性、流變性和抗下部膏鹽層污染能力；④根據(jù)空氣鉆井后鉆井液需達(dá)到的性能，推薦使用聚磺鉆井液體系；⑤峰003-6井鉆井液替換時(shí)先呆用聚磺鉆井液加隨鉆堵漏劑和復(fù)合堵漏劑的橋漿作為前置液漿，以降低失水和井漏程度，替入鉆井液后及時(shí)按進(jìn)尺量和鉆井液消耗量補(bǔ)足瀝青類防塌劑和大小分子聚合物復(fù)配膠液。該轉(zhuǎn)換工藝可為同類地區(qū)氣體鉆井的后續(xù)措施提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：四川盆地東部；高峰場(chǎng)區(qū)塊；氣體鉆井；水基鉆井液；鉆井液轉(zhuǎn)換鉆井液密度；鉆井液配方；井壁穩(wěn)定
    川東地區(qū)高峰場(chǎng)區(qū)塊從2006年底開始推廣應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況來看，該區(qū)塊空氣鉆井取得的進(jìn)尺效果較好，機(jī)械鉆速高；但氣體鉆井后的后續(xù)措施還不夠完善，復(fù)雜事故接連發(fā)生，損失了大量時(shí)間，從而影響了氣體鉆井的最終效果。近兩年來，在高峰場(chǎng)區(qū)塊的峰003-4、峰003-5、峰003-6井都采用了氣體鉆井，有效地提高了鉆井速度，但在氣體鉆進(jìn)后替換鉆井液的過程中，峰003-4井和峰003-5井都先后出現(xiàn)了卡鉆事故，只有峰003-6井通過強(qiáng)化鉆井液性能和空氣鉆井后鉆井液替換工藝，取得良好的效果。為此，重點(diǎn)分析總結(jié)了峰003-6井氣體鉆井后替換鉆井液的技術(shù)措施，希望能為該區(qū)塊及其他區(qū)塊氣體鉆井的后續(xù)措施起到指導(dǎo)作用。
1 氣體鉆井實(shí)施情況及事故案例
    高峰場(chǎng)區(qū)塊氣體鉆井共應(yīng)用5口井——峰003-2、峰003-X3、峰003-4、峰003-5、峰003-6井(表1)，氣體鉆井取得的進(jìn)尺較高，總進(jìn)尺9461.29m，3口井按設(shè)計(jì)井段完成，最高機(jī)械鉆速14.68m/h，平均機(jī)械鉆速12.39m/h。氣體鉆井5口井中有2口井無時(shí)間損失，其余3口井總損失時(shí)間1061.89h，其損失時(shí)間很大部分是由于氣體鉆井后的后續(xù)技術(shù)措施不妥造成的。
    典型事故案例如下。峰003-5井在410～2779m井段采用氣體鉆井：完成后替入密度1.30g/cm3、黏度57s的聚磺鉆井液，鉆井液替入后，發(fā)生井漏，漏速較大，經(jīng)處理恢復(fù)鉆進(jìn)，其后間斷鉆進(jìn)至井深3285.57m，期間以處理井漏為主，共配橋漿堵漏16次、注水泥堵漏1次，效果不好，在處理復(fù)雜過程中井壁又出現(xiàn)垮塌，將鉆井液密度提高(1.30↗1.40↗1.43g/cm3)，但抑制垮塌的效果仍不佳，并且由于鉆井液密度的提高加劇了井漏的發(fā)生，其后又進(jìn)行第二次水泥堵漏，在水泥堵漏時(shí)發(fā)生水泥漿提前凝固，將鉆具凝固在井內(nèi)，發(fā)生卡鉆事故。本井處理井漏復(fù)雜損失時(shí)間為330.58h，卡鉆事故損失時(shí)間為408h。
2 氣體鉆井后井壁失穩(wěn)的原因
    在氣體鉆井中，當(dāng)?shù)貙硬怀鏊虺鏊亢苌贂r(shí)，可以不考慮泥頁(yè)巖的水化膨脹問題。但由于井筒內(nèi)氣柱壓力低于地層壓力，長(zhǎng)期處于一種欠平衡狀態(tài)，隨著空氣錘震動(dòng)，加劇了井壁周圍微裂縫的發(fā)育，甚至在井壁周圍產(chǎn)生了大量的微裂縫，地層中的少量地層流體在壓差的作用下，穿過裂縫流到井內(nèi)，造成井壁周圍的應(yīng)力釋放，形成更多的微裂縫[1]。如果地層流體進(jìn)入量增多，由于泥頁(yè)巖的水化作用，會(huì)加劇井壁的不穩(wěn)定[2]。
    因?yàn)椴豢深A(yù)料的地質(zhì)原因(如地層出水量大或鉆遇含有塑性石膏等地層)而出現(xiàn)不利于氣體鉆井的諸多因素，以及工程技術(shù)要求等原因不能繼續(xù)用氣體進(jìn)行鉆井，需要由氣體鉆井轉(zhuǎn)換為水基鉆井液鉆井[3]。替入水基鉆井液容易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，分析其失穩(wěn)原因主要有以下幾點(diǎn)：①井筒內(nèi)的液柱壓力突然提高，此時(shí)井壁上不存在致密泥餅的保護(hù)，使得鉆井液中的小尺寸顆粒、自由水將通過地層孔隙、裂縫或微裂縫，迅速大量地進(jìn)入地層，誘導(dǎo)地層形成裂縫，進(jìn)一步擴(kuò)張地層裂縫，導(dǎo)致井漏[4]；②對(duì)于泥頁(yè)巖地層，大量的自由水將導(dǎo)致泥頁(yè)巖的水化膨脹、井眼縮徑甚至垮塌；③由于鉆井液中的自由水流失嚴(yán)重，在井壁周圍形成虛厚泥餅，加上泥頁(yè)巖的水化膨脹作用，增加了阻卡和泥餅黏附卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)[5]；④鉆井液對(duì)井壁的沖刷程度大大高于氣體對(duì)井壁的沖刷程度，就更加劇了井眼內(nèi)井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生[6]。
3 氣體鉆井后的鉆井液轉(zhuǎn)換技術(shù)
    氣體鉆井后替換鉆井液的過程中，原來裸露的地層，浸入各種液相和固相后，會(huì)引起地層巖性的物理化學(xué)變化，如果鉆井液性能不適合或鉆井液替換工藝考慮不當(dāng)，極有可能造成井壁垮塌，甚至?xí)?dǎo)致井下復(fù)雜情況及事故的發(fā)生。因此，鉆井液的轉(zhuǎn)換工藝和技術(shù)非常關(guān)鍵，必須注意以下幾個(gè)問題。
3.1 使用合理的鉆井液密度
    鉆井液密度過低不能支撐井壁的穩(wěn)定，將加劇井壁的垮塌，鉆井液密度過高則增加了井漏的可能，同時(shí)地層液相的浸入隨之增加，會(huì)劇井壁的垮塌。因此合理的鉆井液密度有利于平衡地層壓力，保證替入鉆井液后的井壁穩(wěn)定。
    高峰場(chǎng)區(qū)塊上三疊統(tǒng)須家河組以上屬于水敏性地層。因此要求替入鉆井液的密度應(yīng)盡量低，以減少鉆井液的漏失量，盡量防止地層吸水過多引起地層垮塌或井漏的發(fā)生。但氣體鉆進(jìn)結(jié)束后，井眼完全裸露，即便是替入低密度的鉆井液，瞬時(shí)失水也不可避免，已浸入地層的液相將使水敏性地層吸水膨脹，膨脹至一定程度很可能會(huì)發(fā)生地層垮塌；但此時(shí)并不能說明鉆井液密度偏低，這屬于地層性質(zhì)變化的正常現(xiàn)象，不能盲目提高鉆井液密度，鉆井液密度的提高將引起或加劇井漏的發(fā)生。此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)維護(hù)鉆井液性能并保持井壁的暢通，隨著鉆井液的作用時(shí)間的加長(zhǎng)和井壁形成泥餅，地層垮塌的情況會(huì)逐漸好轉(zhuǎn)[7]。
    根據(jù)幾口井地層壓力系數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，高峰場(chǎng)區(qū)塊氣體鉆井結(jié)束后，替入和維持的鉆井液密度參考密度值介于1.17～1.25g/cm3較為合理，以不引起井漏或較大井漏為標(biāo)準(zhǔn)。峰003-5井即在氣體鉆井結(jié)束替入密度1.30g/cm3鉆井液，發(fā)生井漏，后井壁垮塌，提泥漿密度至1.43g/cm3，井漏加劇，進(jìn)行水泥堵漏時(shí)發(fā)生卡鉆事故(見前述典型事故案例)；而峰003-4、峰003-6井氣體鉆井結(jié)束替入密度1.21～1.27g/cm3鉆井液恢復(fù)鉆進(jìn)，無垮塌及較大井漏情況發(fā)生，鉆進(jìn)正常。
3.2 鉆井液要有較強(qiáng)的抑制能力
氣體鉆井后鉆井液進(jìn)入井眼，接觸裸露地層，進(jìn)入地層的濾液和地層水活度、礦化度不同，必然產(chǎn)生交換、吸附等過程。因此要求鉆井液具有強(qiáng)的抑制能力，以阻止泥頁(yè)巖的水化、分散、膨脹。
3.3 鉆井液具有較小的濾失量或較強(qiáng)的封堵能力
氣體鉆井后的井壁無任何保護(hù)層，如果鉆井液濾失量過大，就會(huì)大大加劇水敏性地層的吸水膨脹過程，進(jìn)一步惡化井壁的穩(wěn)定性，出現(xiàn)垮塌，給井下的安全及下步作業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此必須要求鉆井液有較小的濾失量或較強(qiáng)的封堵能力，通過鉆井液自身所帶的不同粒徑的封堵顆粒，在井壁上快速形成屏蔽層，減少濾液進(jìn)入地層，此時(shí)選取的封堵材料應(yīng)該多樣化且不同粒徑材料加量要適當(dāng)，這樣才更有利于形成致密泥餅封堵層[8]。
3.4 鉆井液要具有良好的流變性
空氣鉆井后井眼為大井眼，此時(shí)鉆井液上返速度較慢。因此需要鉆井液具有較好的攜砂性能，即具備一定的黏度和切力，同時(shí)黏度也不能太高，黏切太高不不利于沖刷空氣鉆井后瞬時(shí)失水量大形成的虛厚泥餅，因而需要鉆井液具有合適的流變參數(shù)。這就要求嚴(yán)格控制鉆井液中膨潤(rùn)土和固相含量[9]。
3.5 鉆井液必須具有較強(qiáng)的抗膏鹽污染能力
氣體鉆井結(jié)束后，下伏井段的雷口坡組、嘉陵江組存在大段膏鹽層，要鉆過該地層，所用鉆井液就必須具有較強(qiáng)的抗污染能力，考慮到鉆井液施工中所要求的前期鉆井液為后期做準(zhǔn)備，因而要求鉆井液應(yīng)具備較強(qiáng)的抗膏鹽污染能力。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果
4.1 鉆井液轉(zhuǎn)換基本思路
高峰場(chǎng)區(qū)塊須家河組以上井段地層屬水敏性地層，采用油基鉆井液效果最佳，但油基鉆井液成本過高，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，推薦使用聚磺鉆井液體系。該鉆井液體系在川東地區(qū)應(yīng)用較為成熟且具備良好的性能，成本適中，性能維護(hù)方便。
氣體鉆井后轉(zhuǎn)化鉆井液時(shí)采用所配置的鉆井液加入隨鉆堵漏劑和復(fù)合堵漏劑的橋漿作為前置液漿，讓不同粒徑的封堵材料進(jìn)入地層，有效封堵裂紋，降低后續(xù)鉆井液替換時(shí)的井漏嚴(yán)重程度。采用配置新漿和現(xiàn)有原漿混配，根據(jù)對(duì)鉆井液的要求，在新漿中主要通過加入瀝青、柴油類來改善鉆井液濾餅質(zhì)量，通過加大K+、Ca2+、聚合醇、聚合物抑制劑等處理劑的用量來提高鉆井液防塌抑制能力[10]。
4.2 鉆井液配方及性能
   峰003*6井氣體鉆井后替換鉆井液，配制鉆井液18m3，采用以下配方：水+3%鉆井膨潤(rùn)土+0.2%K-PAM+4%SMP-1+3%RSTF+0.2%NaOH+4%KCl+5%PPL+0.5%CaO+5%柴油+0.3%SP-80+2%MSJ+重晶石。同時(shí)配合其他井隊(duì)回用鉆井液120m3，混合后共300m3，混合后的鉆井液性能預(yù)計(jì)控制在：密度介于1.17～1.25g/cm3；黏度介于40～50s，中壓失水量低于2.8mL；pH值不低于10.5。由于混合后鉆井液部分性能達(dá)不到要求，根據(jù)現(xiàn)有材料又補(bǔ)充了瀝青類(RLC-101、FT-401等)、聚合醇類(MSJ、JMS-2等)、潤(rùn)滑劑類(ZFRJ、FK-10等)，調(diào)節(jié)鉆井液性能達(dá)到上述要求。
實(shí)測(cè)鉆井液性能：密度為1.21g/cm3；黏度為51s；中壓失水量為2mL；泥餅厚度為0.5mm；初切力為1Pa；終切力為3.5Pa；pH值為11。
4.3 鉆井液替換及其施工情況
峰003-6井在403～2270m井段采用Φ311.20mm牙輪鉆頭空氣鉆進(jìn)，測(cè)斜3.5°，起鉆后下光鉆桿至2210.77m，正替密度1.21g/cm3粗顆粒為主的橋漿30m3(配漿+5%WTD+3%FDJ+5%WN-5)，再正替密度1.21g/cm3細(xì)顆粒為主的橋漿30m3(配漿+3%WTD+5%FDJ+3%WN-5)，繼續(xù)替入聚磺鉆井液136m3，見返，循環(huán)正常，下鉆至井深2270m循環(huán)正常，起鉆完下牙輪鉆頭通井正常(不垮不漏)，篩出井漿中橋塞物，再起鉆下牙輪鉆頭帶扶正器通井基本正常，某幾點(diǎn)稍有掛卡，對(duì)井壁進(jìn)行反復(fù)“拉、劃”，破壞鉆井液替換初期由堵漏劑形成的虛厚泥餅后通井正常。
鉆井液替換后，繼續(xù)控制API濾失量在4mL以內(nèi)，補(bǔ)充K-PAm膠液調(diào)整井漿的流變性，井漿維護(hù)堅(jiān)持細(xì)水長(zhǎng)流、間斷補(bǔ)充維持各主體處理劑濃度，尤其是各類瀝青類和防塌類處理劑，用KOH和生石灰控制pH值介于10～11，井壁穩(wěn)定后逐步調(diào)整黏度到45s左右，同時(shí)使用好各類固控設(shè)備，控制含砂量小于0.2%，固相含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
5 認(rèn)識(shí)與建議
1) 氣體鉆井能提高鉆井速度、避免表層惡性井漏，當(dāng)遇到地層大量出水或鉆遇含有塑性石膏地層，出現(xiàn)不利于氣體鉆井的因素以及工程技術(shù)要求等原因不能繼續(xù)用氣體進(jìn)行鉆井時(shí)，需要南氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)水基鉆井液鉆井。
2) 進(jìn)行水基鉆井液轉(zhuǎn)換時(shí)，必須優(yōu)選鉆井液密度，鉆井液密度過低不能支撐井壁的穩(wěn)定，密度過高則增加了井漏的可能，同時(shí)地層液相的浸入增加，加劇井壁的垮塌，合理的鉆井液密度有利于平衡地層壓力。高峰場(chǎng)區(qū)塊氣體鉆井結(jié)束后，替入鉆井液密度參考密度值在1.17～1.25g/cm3較為合理，以不引起井漏或較大井漏為標(biāo)準(zhǔn)。
    3) 氣體鉆后替換的水基鉆井液，其性能還需特別考慮具有良好的抑制性能、濾失造壁性、封堵性、流變性和抗下部膏鹽層污染能力。
    4) 根據(jù)空氣鉆井后鉆井液需達(dá)到的性能，推薦使用聚磺鉆井液體系。鉆井液中主要通過加入瀝青、柴油改善鉆井液濾餅質(zhì)量，通過加大K+、Ca2+、聚合醇、聚合物抑制劑等處理劑的用量，提高鉆井液防塌抑制能力；鉆井液性能控制在黏度介于40～50s，中壓失水量為2.8mL，pH值為10.5。
    5) 峰003-6井鉆井液替換時(shí)先采用聚磺鉆井液加隨鉆堵漏劑和復(fù)合堵漏劑的橋漿作為前置液漿，降低失水和井漏程度。替入鉆井液后及時(shí)按進(jìn)尺量和鉆井液消耗量補(bǔ)足瀝青類防塌劑和大小分子聚合物復(fù)配膠液，用KOH和生石灰控制pH值介于10～11，井壁穩(wěn)定后黏度調(diào)整到45s左右。同時(shí)使用好各類固控設(shè)備，控制含砂量小于0.2%，固相含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬光長(zhǎng)，杜良民.空氣鉆井技術(shù)及其應(yīng)用[J].鉆采工藝2004，27(3)：4-8.
[2] 艾驚濤，余銳，廖兵，等.四川油氣田氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].天然氣工業(yè)，2009，29(7)：39-41.
[3] 許愛.氣體鉆井技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(4)：16-18.
[4] 吳志均，唐紅君.淺談氣體鉆井需要關(guān)注的問題[J].鉆采工藝，2008，31(3)：28-30.
[5] 趙業(yè)榮.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.
[6] LYONS W C，GUO Boyun，SEIDELF A.空氣和氣體鉆井手冊(cè)[M].曾義金，樊洪海，譯.北京：中國(guó)石化出版社，2006.
[7] 許期聰，劉奇林，侯偉，等.四川油氣田氣體鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2007，27(3)：60-62.
[8] 侯樹剛，劉新義，楊玉坤.氣體鉆井技術(shù)在川東北地區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(3)：24-28.
[9] 張金成，位華，于文紅.空氣鉆井技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2006，28(6)：8-10.
[10] 馮學(xué)榮，賈興明，周華安.等.川東北地區(qū)氣體鉆進(jìn)后的鉆井液技術(shù)及應(yīng)用.鉆井液與完井液，2006，23(5)：18-20.
 
(本文作者：王亮 吳正權(quán) 楊蘭平 葉祖才 龍愛國(guó) 曾健 川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司)