“控压起钻+重浆帽”技术在裂缝储层中的应用与认识

左 星, 张 军, 贺明敏, 舒 挺, 蒋 林, 何 嵬

(1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中国石油欠平衡与气体钻井试验基地 3中国石油西南油气田分公司勘探事业部 4中国石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司)

随着油气钻探逐渐向深井、碳酸盐裂缝储层转移，钻井过程表现出来的严重井漏、喷漏同存井下复杂越来越显著，给钻井作业，特别是起下钻作业带来了严峻挑战。如西南油气田、塔里木油田、冀东油田等，一旦在储层钻遇裂缝，井漏、溢流交替转换，井控风险升高、钻井周期延长、成本增加，频繁的井下事故与复杂严重影响了油气资源的勘探与开发。

一、喷漏同存起下钻技术现状

对于裂缝发育储层，常规堵漏效果不佳，难以提高裂缝储层承压能力，常规起钻通常采用较高密度钻井液(高于储层压力系数0.07以上)吊灌起钻[1-2]，起钻过程井底压力波动较大，不但会造成钻井液大量漏失，若操作不当还会诱发严重溢流，后期排气难度大、风险高；并且，下钻完在恢复钻进前需要将全井筒钻井液密度降低，转换周期长、时效低。

全程带压起钻方式能够有效降低起钻过程的抽汲压力，还能保持井筒压力平稳控制，避免地层流体进入井筒，是裂缝储层最佳起钻方式。但由于起钻至接近井口位置时钻具重量减少，需要使用带压起下钻装置，若下部钻具组合中有螺杆、振击器等异形钻具，还会影响带压起下钻作业的顺利实施，反而会增加起下钻作业风险性。

2010年，随着国内精细控压钻井技术的形成，因压力敏感造成的严重井漏、喷漏同存井下复杂得到了有效解决，同时也形成了配套的“控压起钻+重浆帽”起下钻技术。“控压起钻+重浆帽”[3-6]技术结合了全程带压起钻与重浆帽吊灌技术的优点，既可提高起下钻作业安全性，还可提高起下钻效率，降低作业成本，是当前裂缝井漏储层起下钻作业最安全、最有效的方式。

二、“控压起钻+重浆帽”技术

1. 工艺流程

针对裂缝井漏储层，“控压起钻+重浆帽”起下钻技术关键在于起钻过程，起钻工艺流程：下部井段采用井口套压控制方式起钻，减少裸眼井段起钻抽吸作用；控压起钻至设计井段，注入重浆帽，使井筒压力大于地层压力，再吊灌原密度钻井液起钻，消除井口套压，避免在接近井口位置时使用带压起下钻装置，也避免异形钻具对带压起下钻作业的影响。

2. 关键技术介绍

本文针对不同地层特点(严重井漏、微漏或不漏)，对“控压起钻+重浆帽”起下钻技术进行介绍。

2.1 在严重井漏裂缝储层中的技术实施

此类储层，地层漏失压力与孔隙压力几乎相等，安全作业密度窗口窄，起钻过程要求井底压力大于地层孔隙压力，同时也大于了地层漏失压力。由于裂缝发育，注入重浆帽后钻井液漏失严重，造成液面不在井口，注入的重浆大多不会返入环空，而是随着井漏逐渐下移至钻头下部。如图1所示。

图1 严重漏失性储层重浆注入后示意图

随着井漏进行，当井筒压力逐渐下降至与地层漏失压力一致时，井漏将停止，此时地层流体将逐渐侵入井筒。为了确保注入重浆帽后起钻过程的安全性，通常每起一柱钻具灌入一定量的钻井液，其一是填补起出钻具所占的体积，其二是保持井筒液柱压力始终大于地层漏失压力，避免起钻过程气体侵入井筒。

该方式主要有三个技术关键点：重浆帽注入量、重浆帽注入井段、压水眼重浆设计。

2.1.1 重浆帽注入量

重浆帽注入量主要补偿控压起钻过程井口的套压和需要附加的安全压力，由此计算重浆帽注入量：

(1)

式中：V—注入井筒的重浆量，m3；

p套—控压起钻时的井口套压，Pa；

p附—附加的安全压力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

ρ重—重浆密度，kg/m3；

ρ钻—钻井液密度，kg/m3；

S—套管内横截面积，m2。

井口套压取值：一般情况，井口控压越高，起钻风险越高，为确保控压起钻过程安全性，井口套压一般控制在5 MPa内。

附加的安全压力是为了形成环空液面与井口的高度差，便于定期监测液面高度变化，掌握吊灌起钻过程是否处于安全状态：①液面基本保持在某一小范围波动，说明井筒处于安全状态；②液面持续上涨，说明地层流体已滑脱至上部井筒，有发生溢流井喷的风险。一般保持环空液面距井口300 m以内，附加压力1～3 MPa即可。

2.1.2 重浆帽注入井段

重浆帽注入后，井筒内一直处于微漏状态，重浆帽也随着井漏过程逐渐下行。对于不同井型，重浆帽注入位置也不相同：①直井中：要求重浆帽在起下钻过程不会漏入地层中，防止有效液柱压力降低；②斜井或水平井：要求重浆帽不进入斜井段或水平段，防止有效液柱压力降低；③在悬挂套管井身结构中，重浆帽应尽量保持在小尺寸套管中，这样可适当节约钻井液使用量，也可避免重浆帽从大尺寸套管进入小尺寸套管使得井底压力波动，可能造成井漏、溢流的转换，影响井下情况的正确判断。

根据重浆帽注入原则，重浆帽注入井段设计如式(2)、式(3):

直井：

(2)

斜井或水平井：

(3)

式中：H注—重浆帽注入位置，m；H井—井深，m；H斜—斜井或水平井造斜点井深，m；V漏—注入重浆帽后，起下钻过程漏失钻井液量，m3。

在直井中，H注就是重浆帽的最低井深注入位置；在斜井或水平井中，应考虑将造斜点以上H注的位置作为重浆帽的最低井深注入位置。

2.1.3 压水眼重浆

控压起钻过程中，钻具内的钻井液可能从钻具内喷出，从而影响起钻效率。为防止起钻时钻井液从钻具内喷出，需要在钻具水眼中注入一定量的重浆，称之为压水眼重浆设计。根据“U”型管原理和水力学模型模拟，起钻过程保持水眼内液柱压力大于环空有效液柱压力即可避免钻井液从钻具内喷出，其注入的重浆量产生的压力需要克服“井口套压+井下内防喷工具开启压力+钻井液下行阻力”，见式(4)、式(5):

(4)

p压=p套+p阻

(5)

式中：V压—压水眼重浆体积，m3；

p压—压水眼需要的附加力，包括平衡井口套压和井下内防喷工具开启压力等钻井液下行阻力，Pa。

2.1.4 实施工艺

(1)根据储层漏失情况确认合理控压值，一般保持钻井液漏失量在1～2 m3/h内。

(2)控压起钻过程，起钻速度控制在0.2 m/s以内，既可确保井口套压的稳定，也可降低起钻抽吸作用。

(3)设计的重浆帽产生的附加压力当量密度高于储层压力当量0.05～0.07 g/cm3。

(4)吊灌起钻时，每柱灌浆量为起出钻具体积的1.5～2倍；起钻完后，每10～30 min灌浆一次。

(5)吊灌起钻期间，每隔30min采用环空液面监测仪测量液面高度一次；起钻完后每15 min测量液面高度一次。

2.2 在微漏或不漏裂缝储层中的技术实施

此类储层，采用“控压起钻+重浆帽”起钻方式是为了降低起钻过程抽汲压力，减少短程起下作业流程，简化起钻工序，降低风险，提高时效。该方式的技术关键点依然是重浆帽注入量、重浆帽注入井段、压水眼重浆设计。

2.2.1 重浆帽注入量

根据地层情况，保持井底压力当量密度高于地层孔隙压力0.07～0.15 g/cm3，结合现场储备重浆密度，设计合理的重浆帽注入量。

2.2.2 重浆帽注入井段

对于全井同一尺寸套管，重浆帽注入井段设计在中上部，既可减小后期常规起钻的抽汲压力，也可减少控压起钻井段，适当提升起钻速度。目前在西南油气田磨溪-高石梯灯影组储层实施的重浆帽起钻方式，一般设计在井深3 500～4 000 m处注入重浆帽；若是悬挂套管，为了减少重浆帽使用量，一般设计在小尺寸套管内。

2.2.3 压水眼重浆

在此类储层起钻作业中，无论在控压起钻过程，还是在注入重浆帽后吊灌起钻过程，钻具内的钻井液都可能从钻具内喷出，因此，要考虑两个过程的压水眼重浆设计。

(1)控压起钻前压水眼设计。控压起钻前，可直接在钻具顶部注入重浆，注入量产生的压力需要克服“井口套压+井下内防喷工具开启压力+钻井液下行阻力”，计算见式(4)、式(5)。

(2)注入重浆帽后压水眼设计。当注入重浆帽平衡地层压力后，由于储层微漏或不漏，井筒和钻具内的钻井液液面在井口附近，若钻具内钻井液产生的压力不能有效克服摩阻顺利下行，将从钻具内喷出，此过程需再次注入重浆压水眼。与控压起钻压水眼过程相比，此阶段需要准确计算重浆在井筒中的位置以及重浆量，否则起不到压水眼的作用。

根据最终压力平衡关系,见图2，即可推导出最佳替入的钻井液量，如式(6)、式(7)、式(8)。

图2 微漏或不漏储层重浆帽注入前后示意图

ρ钻gH1+ρ重gH2=ρ重gh1+ρ钻gh2+ρ重gh3

(6)

(7)

V2=Sh2

(8)

式中：H1—环空中轻浆高度，已知参数，m；H2—进入环空的重浆帽高度，已知参数，m；h1—压水眼重浆高度，为克服“井下内防喷工具开启压力+钻井液下行阻力”附加的力，已知参数，m；h2—顶替重浆进入环空的轻浆高度，未知参数，m；h3—留在钻具内的重浆帽高度，已知参数，m；S—钻具内横截面积，m2；V2—替入的轻浆量，求取参数，m3。

2.2.4 实施工艺

(1)根据储层漏失压力确认合理控压值。

(2)控压起钻过程，起钻速度控制在0.2 m/s以内，既可确保井口套压的稳定，也可降低起钻抽汲作用。

(3)设计的重浆帽产生的附加压力当量密度高于储层压力当量0.07～0.10 g/cm3。

(4)起钻至设计井段，注入重浆帽，顶入压水眼重浆后，取出旋转控制头，按照常规方式起钻。起钻时，每起三柱钻杆或每一柱钻铤灌浆一次，灌浆量不少于理论灌浆量。

三、现场应用情况

截止2018年11月，已在西南油气田高石梯-磨溪区块、双鱼石构造等开展80余口井精细控压钻井技术应用，并进行了“控压起钻+重浆帽”方式起钻作业，与常规起钻方式相比，其安全性更好，钻井液漏失量更少，起到了良好应用效果。

1. 高石001-X4井应用情况

西南油气田高石001-X4井[7]在灯影组5 356～5 860 m钻遇良好显示气层，密度窗口1.18～1.19 g/cm3，后期通过精细控压钻井技术安全、顺利完成了钻探作业。由于该井裂缝发育，对压力极其敏感，起钻方式采用了“控压起钻+重浆帽”。

控压起钻过程，钻井液密度1.13 g/cm3，井口控压3.5 MPa，井底压力当量密度约1.2 g/cm3。起钻至3 700 m左右，注入14 m32.04 g/cm3的重浆帽，保持井底压力当量密度1.25 g/cm3；吊灌起钻期间，每次多灌0.1～0.2 m3，且每30 min采用环空液面监测仪测量液面高度一次，确保液面在安全范围。

本井采用该方式起下钻13趟，没有发生溢流风险，每次起下钻漏失钻井液60～80 m3，共漏失钻井液997.5 m3，较常规起钻减少钻井液漏失70%以上见表1。

表1 不同方式起下钻钻井液漏失情况

2. 高石001-H9井应用情况

高石001-H9井在灯影组钻井过程中，采用密度1.20 g/cm3的钻井液钻至井深5 270 m遇显示，压力系数约1.20，停泵接立柱后效点火0.5～1.0 m，持续10～15 min。由于该井不漏，采用常规起钻需将钻井液密度提高至1.27～1.30 g/cm3，不但需要进行短程起下钻检测油气上窜速度，并且完成起下钻作业后，需要将降密度由1.27～1.30 g/cm3↓1.20 g/cm3才能继续钻进。为在安全条件下提高时效，现场采用了“控压起钻+重浆帽”方式起钻。

表2 常规起钻与“控压起钻+重浆帽”时效对比

根据储层压力系数，设计重浆帽附加压力5.0 MPa(当量密度约0.10 g/cm3)，准备2.20 g/cm3重浆10.5 m3。控压起钻过程井口控压3.5 MPa，起钻至约4 000 m时，注入重浆帽，然后吊灌起钻，并按起钻要求正常灌浆；下钻至套管鞋后循环替出重浆帽，再控压下钻到底。整个起下钻作业严格执行灌浆与坐岗，没有溢流情况。该起下钻方式在井控安全情况下，简化了作业程序，较常规起下钻作业节约时间至少23 h，见表2。

四、结论与认识

(1)“控压起钻+重浆帽”方式结合了全程带压起钻与重浆吊灌技术的优点，现场应用表明该方式不但可提高起钻作业安全性，还可简化流程、缩短作业时间，达到提高时效、节约成本的目的。

(2)“控压起钻+重浆帽”方式属于分段压力控制方式，对于不同特性地层，应采用不同策略和控制方式，才能在起下钻过程保障合理的井底压力控制。

(3)压水眼重浆设计是“控压起钻+重浆帽”的重要设计环节，合理压水眼重浆设计是实现优化井底压力控制，避免压漏地层、减少重浆消耗及重浆、轻浆混浆的关键，从而节约作业时间及成本，提高作业安全性。

(4)“控压起钻+重浆帽”方式需要在套管中开泵循环，若下部钻具组合带有螺杆，可能损伤套管壁，建议采用多次开关的旁通阀，可避免注入重浆时对套管壁的损坏。