周 帆

（中石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心外圍項目監(jiān)督部，新疆輪臺841600）

地層流體入侵過程分析及控制

周 帆*

（中石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心外圍項目監(jiān)督部，新疆輪臺841600）

鉆井過程是油氣勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，鉆井過程的好壞直接影響到油氣田的開發(fā)效益；而井噴是危害最大的鉆井事故，最可能造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。井噴最早期的征兆就是地層流體入侵，這種入侵地層的流體包括油、氣、水。當(dāng)這些流體入侵井筒后，會產(chǎn)生一系列的反映：溢流、井涌、井噴乃至井噴失控。因此越早發(fā)現(xiàn)地層流體的入侵并及時采取措施，成功遏制井噴發(fā)生的可能性就越大。通過介紹地層流體入侵的過程和現(xiàn)象，從而探討如何去及時發(fā)現(xiàn)和控制事故的惡性發(fā)展。

塔河油田；地層流體入侵；溢流壓井

1 流體入侵井筒的過程和基本原理

1.1 地層流體入侵的過程

地層流體侵入井內(nèi)的根本機理是地層孔隙壓力大于鉆井液柱的有效壓力，造成負(fù)壓差，在負(fù)壓差作用下地層流體就能侵入井內(nèi)。因此只要在滲透性好的地層中有流體存在，不論其壓力高低，只要它的壓力高于鉆井液液柱壓力，就有可能產(chǎn)生井侵。由于井侵的發(fā)生，使環(huán)空液柱壓力越來越低，勢必導(dǎo)致地層流體入侵進(jìn)一步演變。如果演變過程未能及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，就會使鉆井液連續(xù)或間斷噴出，進(jìn)一步發(fā)展成井涌。而無控制的井涌會使鉆井液或地層流體的噴出加劇，會進(jìn)一步發(fā)展成井噴甚至井噴失控。地層流體入侵后的一系列演變過程見圖1。

圖1 地層流體入侵后演變過程

1.2 地層流體入侵的主要機理

綜合近年來發(fā)生過的溢流和井噴的情況分析得出，引起井侵的主要機理可以歸納于以下幾點（圖2）：

（1）地層壓力預(yù)測不準(zhǔn)確。這是新探區(qū)和開發(fā)井調(diào)整井時常遇到的情況，特別是裂縫性碳酸巖地層和其他硬地層壓力更難準(zhǔn)確掌握。由于地層壓力掌握不夠準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致選擇的井液密度過低和井控措施不到位，造成井侵；

（2）設(shè)計鉆井液密度偏低，不能平衡地層壓力；

（3）鉆遇異常高壓地層，地層超壓驅(qū)動地層流體進(jìn)入井筒中形成井侵；

（4）鉆井易漏地層發(fā)生井漏，鉆井液補充不及時使井筒液面下降，從而降低井內(nèi)液柱壓力；

（5）在井底壓力近平衡狀態(tài)下停止循環(huán)時，作用于井底的環(huán)空壓力耗消失，造成井底壓力小于地層壓力；

（6）起鉆時引起鉆抽汲作用使井底產(chǎn)生負(fù)壓誘發(fā)地層流體侵入；

（7）下鉆速度過快壓漏地層，導(dǎo)致井筒鉆井液液面下降，未按規(guī)定補充鉆井液使井筒液面下降，導(dǎo)致井底壓力小于地層孔隙壓力。

圖2 地層流體入侵的主要機理

從以上幾點可以看出，造成地層流體入侵的原因可大致歸結(jié)為兩類，一類是地層原因?qū)е?、一類是人員操作不當(dāng)導(dǎo)致。但不論是什么原因，最終都是反映出井內(nèi)液柱壓力小于地層壓力而導(dǎo)致井侵的發(fā)生。

2 地層流體入侵后的表征現(xiàn)象

地層流體在侵入到井筒時一定會伴有相應(yīng)的表征現(xiàn)象，比如說泥漿密度變小、氣泡增多、油味增大等。正常鉆進(jìn)過程發(fā)生地層流體侵入時，就可以通過以下表征現(xiàn)象的異常變化情況來進(jìn)行診斷。

地層流體侵入風(fēng)險發(fā)生時主要的表征可歸納于以下幾點：

（1）出口流量和鉆井液池體積增大（由于流體侵入）；

（2）井口和槽面出現(xiàn)油、氣、水顯示（如油花、氣泡、臭雞蛋味、氯離子含量增加和氣測全烴值增加）；

（3）鉆井液性能參數(shù)變化：密度減小、溫度升高（涌出物以油或水為主）或降低（涌出物為氣）、電導(dǎo)率升高（涌出物以水為主）或降低（涌出物以油或氣為主）、粘度升高或降低；

（4）鉆速變快（憋跳、鉆壓放空）即鉆時降低；

（5）立壓、泵壓變化，泵沖、泵速變化（由于油氣水的侵入，環(huán)空壓力下降，可使循環(huán)系統(tǒng)泵壓下降）；

（6）鉆柱懸重變化（鉆開高壓層時，井底壓力增加，懸重要下降，油氣水侵后，密度降低，懸重又會增加）；

（7）井下溫度變化：氣侵溫度下降，油水侵溫度增加。

這些表征現(xiàn)象在塔河油田的主體區(qū)塊具有一定的代表性，在鉆進(jìn)過程中都能通過以上現(xiàn)象去判斷地層流體的入侵與否，其中（1）、（2）為充分條件，（3）、（4）、（5）、（6）、（7）為重要條件。

3 國內(nèi)目前針對流體入侵進(jìn)行檢測的現(xiàn)狀

目前在鉆井過程中檢測地層流體入侵的工作主要是由地質(zhì)錄井隊來承擔(dān)的，這些工作都由綜合錄井儀器來進(jìn)行。但是由于井位的地區(qū)差異性和儀器的誤差性，一般情況下很難及時準(zhǔn)確地判斷出地層流體的入侵，相反很多時候都是在地層流體入侵至井眼，甚至外溢至井口的時候才被檢測和發(fā)現(xiàn)，而此時已經(jīng)錯過了最佳處理時間。也正因為如此，目前國內(nèi)大部分的油田對地層流體入侵進(jìn)行檢測都是在發(fā)現(xiàn)溢流后才能較為直觀地檢測到。更多的時候都是在儀器檢測的同時結(jié)合現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗去發(fā)現(xiàn)井下的復(fù)雜情況，比如司鉆對鉆進(jìn)參數(shù)變化的敏感發(fā)現(xiàn)、泥漿坐崗工對泥漿變化的及時發(fā)現(xiàn)等等。但值得一提的是，在當(dāng)前現(xiàn)狀下除了氣侵引起的溢流之外，因油侵或是水侵導(dǎo)致的溢流如果能被及時發(fā)現(xiàn)，還是能有效地控制住井噴的進(jìn)一步發(fā)展。因為氣侵的速度很快，一旦發(fā)現(xiàn)溢流如果不能做到迅速關(guān)井，那么很快就會演變成井噴乃至井噴失控，同時關(guān)井后的立套壓會很高，為后期壓井工作帶很許多不便；而油侵和水侵則不然，這種情況下的溢流有一定的時間去處理，雖然時間可能會很短，但是從大量的現(xiàn)場實例來看如果能做到及時關(guān)井是能比較有效控制住井噴發(fā)生的。

例如YJ1-1X井，該井于2013年4月25日2:00使用149.2mm鉆頭四開，4月25日20:00穩(wěn)斜鉆進(jìn)至7264.30m進(jìn)行接單根作業(yè)時發(fā)生溢流，20:10關(guān)井，溢流0.8m3。20:10～21:00關(guān)井觀察，套壓：0↗2.7MPa、立壓：0↗2.7MPa。從事情的經(jīng)過可以看出從發(fā)現(xiàn)溢流到關(guān)井，有一個時間段可以給現(xiàn)場施工人員去分析判斷并采取措施的。

以上所提到的檢測方法都是采取地面監(jiān)測方式，從發(fā)生流體入侵到被發(fā)現(xiàn)，時間上會有一定滯后。國外針對流體入侵早期檢測方法有聲波氣侵檢測技術(shù)、貝葉斯模型預(yù)測技術(shù)和隨鉆進(jìn)下壓力測量技術(shù)[4]。其中，貝葉斯模型預(yù)測技術(shù)對流體入侵預(yù)測的準(zhǔn)確性高，它能自動判斷干擾，靈敏度高；隨鉆井下壓力測量技術(shù)可以實時測量環(huán)空壓力，同時應(yīng)用水力學(xué)模型可以精確地監(jiān)測環(huán)空水力情況，實現(xiàn)流體入侵及時準(zhǔn)確地監(jiān)測。值得一提的是這兩種技術(shù)在國外很多油田都得到成功應(yīng)用，它們都能較準(zhǔn)確的及時檢測到流體的入侵。

4 流體入侵的控制

前面提到目前國內(nèi)大部分油田采用的流體入侵檢測方法都是地面監(jiān)測方式，這種方法從流體入侵到被發(fā)現(xiàn)有一定的時間滯后，只能是在流體入侵至井筒后反映到地面上才能檢測到。因此控制流體的入侵就顯得尤為重要，及時地控制入侵進(jìn)一步惡化就彌補了發(fā)現(xiàn)不及時帶來的弊端。而當(dāng)前控制流體入侵惡性發(fā)展最直接有效的辦法就是及時關(guān)井，然后再實施壓井，最終平衡地層壓力。

所謂關(guān)井，就是采用井口的防噴器組合對井眼實施控制。塔河工區(qū)目前采用的井口防噴器組合多為70MPa壓力級別的，常用的防噴器有環(huán)形和閘板兩種類型，配合壓井和節(jié)流管匯一起使用，最終實現(xiàn)對井內(nèi)流體的控制。關(guān)井有“硬關(guān)井”和“軟關(guān)井”兩種方式：硬關(guān)井就是在發(fā)生溢流或井噴之后, 在防噴器和四通的旁側(cè)通道全部關(guān)閉的情況下關(guān)閉防噴器。由于液流通道的突然關(guān)閉,使液流速度急劇變化,將會引起系統(tǒng)中液體動量的迅速變化, 其動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為壓力能,產(chǎn)生水擊現(xiàn)象,使井口裝置、套管和地層所承受的壓力急劇增加,有可能超出允許壓力,導(dǎo)致發(fā)生其它問題；軟關(guān)井就是在發(fā)生溢流或井噴時,在節(jié)流閥通道開啟而其它旁側(cè)通道關(guān)閉的情況下關(guān)閉防噴器,然后再關(guān)節(jié)流閥。兩種關(guān)井方式各有優(yōu)缺點，前者關(guān)井速度快、但是容易產(chǎn)生水擊效應(yīng)，這樣對井口設(shè)備的損害比較大；后者對井口設(shè)備的損害較小，但是關(guān)井速度相對慢。無論是何種關(guān)井，都有一個最大允許關(guān)井套壓，這個壓力的大小由3個因素（井口設(shè)備的額定工作壓力、地層破裂壓力、套管強度）共同確定。

關(guān)井之后要加密監(jiān)測立套壓的變化，為了防止壓力增速過快，有時需要采取節(jié)流循環(huán)和放噴的方式泄掉部分壓力。待壓力平穩(wěn)后，根據(jù)穩(wěn)定的立套壓數(shù)據(jù)測算出地層壓力，從而計算出需要多大密度的重漿來平衡它。目前工區(qū)內(nèi)井發(fā)生溢流關(guān)井后立套壓均不為零，這就說明地層壓力大于井內(nèi)的鉆井液液柱壓力,在這種情況下,必須提高鉆井液密度壓井。壓井方式一般采用節(jié)流壓井和平推壓井，兩種壓井方式根據(jù)溢流情況不同而定。節(jié)流循環(huán)壓井的前提是要能建立循環(huán)，節(jié)流循環(huán)壓井是通過控制節(jié)流閥開度的大小來控制套壓，保證在循環(huán)過程中套壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。平推壓井適用于在溢流的同時還存在著漏失，無法建立井內(nèi)循環(huán)的情況下，平推壓井分為正推和反推。兩種壓井方法的本質(zhì)均是用重漿置換出井內(nèi)的泥漿，最終平衡地層壓力，讓立套壓降為零。壓井成功后開井觀察是否還有溢流現(xiàn)象，若有溢流現(xiàn)象，則再次關(guān)井，重新組織下一次壓井施工[1-2]。

4.1 流體入侵控制實例分析和總結(jié)

4.1.1 躍進(jìn)1-1X井溢流壓井情況分析

YJ1-1X井于2013年4月25日02:00四開鉆進(jìn)，20: 00鉆進(jìn)至井深7264.30m（層位O2yj，進(jìn)入一間房組30.30m，）準(zhǔn)備接單根，20:05井隊在接單根的過程中，突然發(fā)現(xiàn)泥漿槽面出口處有溢流現(xiàn)象，井隊立即關(guān)井觀察（立壓0↑2.3↑2.7MPa、套壓0↑2.3↑2.7MPa）。后井隊開始實施節(jié)流循環(huán)壓井，本井段使用泥漿密度為1.17g/cm3，根據(jù)關(guān)井立壓計算地層當(dāng)量鉆井液密度為1.21g/cm3。為保證井控安全，迅速建立井內(nèi)平衡，井隊使用密度1.21～1.22g/cm3泥漿進(jìn)行一次循環(huán)法壓井。21:00調(diào)整密度后，始終保持入口密度1.21～1.22g/cm3進(jìn)行節(jié)流循環(huán)壓井，壓井排量23.4m3/h；通過節(jié)流管匯手動節(jié)流閥控制套壓，保證了井內(nèi)壓力略大于地層壓力，核實泵入壓井液量與返出泥漿量是否一致，以判定是否存在漏失，最終確保了壓井一次成功。

該井發(fā)生溢流后，關(guān)井時立管壓力和套管壓力均不為零,因此井隊根據(jù)立套壓值計算后，采用了比井漿密度高0.05g/cm3的壓井液進(jìn)行壓井。由于該井關(guān)井后立套壓不高，而且沒有漏失現(xiàn)象，采用節(jié)流循環(huán)壓井排出井內(nèi)受污染的泥漿和氣體，加密測量進(jìn)出口泥漿密度，達(dá)到動態(tài)平衡就能很有效地控制溢流。在節(jié)流循環(huán)的同時勤核對實際泵入的壓井液量和返出的泥漿量是否一致，保持泵入的壓井液量略大于返出泥漿量，觀察壓井過程中是否存在漏失，如發(fā)生漏失可降低壓井排量或調(diào)整井口回壓，確保壓井一次成功。

4.1.2 躍進(jìn)3井溢流壓井情況分析

YJ3井于6月6日19：01鉆進(jìn)至7197.51m，發(fā)生放空，并井口失返。19:30下放鉆具探底，至井深7203.88m（放空井段：7197.00～7203.88m）,隨后于6月7日01:35強鉆至7207.66m時發(fā)生放空，并高架槽有泥漿流出，停泵高架槽不斷流，總池體積92.88↗97.57m3，發(fā)生溢流。隨即立即關(guān)井，觀察立壓3.5MPa，套壓1.8MPa，先后3次開節(jié)流閥觀察發(fā)現(xiàn)，井口返出泥漿氣侵嚴(yán)重，含有大量氣泡。至6月7日09：00，立壓6.3MPa，套壓7.8MPa。之后開始組織壓井，每次壓井均采用平推法，壓井液密度都比前一次壓井液提高0.02～0.05g/cm3，待立套壓為0時開井起鉆，最終分5次起完井眼內(nèi)鉆具，轉(zhuǎn)入完井測試。

該井發(fā)生溢流，考慮到溢流伴隨著較大的氣侵，由于井內(nèi)還有大量鉆具，為了避免反復(fù)壓井，同時爭取較多的安全時間進(jìn)行起鉆作業(yè)，采取平推法壓井是可行性較強的方法。每次壓井至立套壓為零后，由于高密度液柱壓力的作用，致使用井內(nèi)泥漿無法外溢，利用這段安全時間可以進(jìn)行起鉆作業(yè)。但由于氣侵的不斷發(fā)生，會導(dǎo)致井筒內(nèi)液體置換，同時導(dǎo)致液柱的密度降低。一旦液柱壓力不能平衡地層壓力，就開始有液體入侵，因此需要再次關(guān)井，然后組織壓井。

4.1.3 躍進(jìn)2-3井溢流壓井情況分析

YJ2-3井于6月10日四開第二次取芯鉆進(jìn)至井深7091.73m時，發(fā)生溢流，立即割芯關(guān)井，套壓30.5MPa，立壓23.3MPa，鉆井泥漿密度為1.17g/cm3。6月11日1:00用1.42g/cm3進(jìn)行第一次壓井，12:00壓井完畢，然后控制套壓節(jié)流循環(huán)排污，但環(huán)空泥漿氣侵嚴(yán)重，隨即關(guān)井，套壓從6.2MPa逐漸上升9.3MPa，立壓從7MPa逐漸上升9.7MPa。12日3:30用密度1.45g/cm3的泥漿進(jìn)行了第二次壓井，11:30壓井完再控制回壓進(jìn)行循環(huán)排污，環(huán)空泥漿仍然氣侵嚴(yán)重，出口泥漿密度在1.30g/cm3左右，14:00停止節(jié)流循環(huán)，打開節(jié)流閥，出口不斷流，繼續(xù)關(guān)井（中途泄壓），立壓從3MPa上升到4.5MPa，套壓從1.5MPa上升到2.7MPa。13日零點，提高鉆井液密度至1.48g/cm3節(jié)流循環(huán)壓井，壓井完后停泵觀察，立壓回零，套壓1.2MPa，打開節(jié)流閥，出口有細(xì)流，流量2m3/h，開井循環(huán)，測得在5min內(nèi)溢流有0.3m3，立即停泵，高架槽有溢流，關(guān)井，立壓4MPa，套壓8MPa。6月15日用1.55g/cm3的泥漿壓井，16日零點節(jié)流壓井完畢，入口泥漿密度1.53～1.55g/cm3，出口泥漿1.53g/cm3，進(jìn)出口泥漿密度基本一致，但液氣分離器仍見火焰，高約0.5～1m。敞開節(jié)流閥循環(huán)，液面下降很快，泥漿漏失嚴(yán)重，循環(huán)排量24m3/h，漏速18.45m3/h，11:45停泵開井觀察，11:50井口出現(xiàn)溢流，關(guān)井，立壓為零，套壓1.5MPa。隨后井隊采取平推法壓井，最終起完井內(nèi)取芯鉆具轉(zhuǎn)入完井測試。

該井流溢后隨即關(guān)井，關(guān)井后套壓高達(dá)30.5MPa,說明溢流中伴隨著嚴(yán)重的氣侵。根據(jù)錄井綜合儀的記錄，發(fā)現(xiàn)在關(guān)井前40min就有全烴值的顯示，而且上升變化值較大，但是錄井隊和鉆井隊均未發(fā)現(xiàn)并未及時采取措施，導(dǎo)致氣體滑脫到井口急劇膨脹。關(guān)井不及時是導(dǎo)致關(guān)井后立套壓高的原因，也為后期壓井帶來了較大的困難（由于立套壓過高，超出了鉆井泵的額定工作壓力，只能組織水泥車進(jìn)行壓井）。若關(guān)井再延遲一段時間，勢必造成井噴發(fā)生。井隊在關(guān)井后，先采用節(jié)流循環(huán)壓井，通過循環(huán)排出入侵井漿的輕質(zhì)原油和天然氣。根據(jù)前幾次節(jié)流循環(huán)壓井情況，可以分析出1.55g/cm3的泥漿密度基本能夠平衡地層壓力，但同時這種密度的泥漿造成地層漏失嚴(yán)重，井下存在噴漏同層，重泥漿與地層烴類氣體發(fā)生置換，導(dǎo)致泥漿不停漏失，氣體不斷溢出，井口不斷外溢，無法繼續(xù)施工。這種情況下只能采取平推法壓井，用重漿進(jìn)行全井置換，將井內(nèi)被污染的泥漿全部壓入地層，建立新的平衡。

4.2 壓井經(jīng)驗總結(jié)

總結(jié)3口井的溢流發(fā)生以及處理情況，得出以下結(jié)論：①發(fā)現(xiàn)有溢流顯示要第一時間采取關(guān)井措施，即做到疑似溢流立即關(guān)井。②關(guān)井后，要認(rèn)真仔細(xì)求取立套壓，準(zhǔn)確計算地層壓力，為壓井提供詳實、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。③在壓井過程中要盡快做好壓井液的配制，避免壓井液密度不均勻，影響壓井時對井內(nèi)壓力控制不準(zhǔn)。④壓井多采用節(jié)流循環(huán)壓井和平推的壓井的方式，若井口壓力過大，可采取節(jié)流循環(huán)先卸壓。在節(jié)流循環(huán)壓井的同時要監(jiān)測好進(jìn)出口泥漿量的大小，做到及時發(fā)現(xiàn)是否有井漏發(fā)生。⑤在溢流過程中伴隨漏失的情況下，建議采用平推壓井方法[3]。⑥以上3口井均位于躍進(jìn)區(qū)塊，由于躍進(jìn)區(qū)塊是新開辟區(qū)塊，3口井發(fā)生溢流時鉆進(jìn)用的泥漿密度均為1.17g/cm3，可能存在地層壓力預(yù)測不準(zhǔn)確的原因，因此建議在該區(qū)塊油氣層鉆進(jìn)可以考慮提高鉆井液密度。

5 減輕流體入侵造成危害的一些建議

鉆井過程中，地層流體入侵井筒的情況隨時都可能發(fā)生。我們只有了解為什么會發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象并做好預(yù)防工作才能避免事態(tài)進(jìn)一步惡化。減輕流體入侵帶來的危害可以從2個大的方面去闡述：①及時地發(fā)現(xiàn)和檢測出流體入侵；②如果未能及時發(fā)現(xiàn)，那么就做到及時地遏制入侵的惡性發(fā)展。對應(yīng)這2種情況，總結(jié)幾條建議供參考：

（1）認(rèn)真搜集鄰井資料，準(zhǔn)確預(yù)計高壓地層。加強鉆井參數(shù)的監(jiān)控和人員坐崗，配合使用好綜合錄井儀器；

（2）采用國外比較先進(jìn)的溢流早期檢測方法：貝葉斯模型預(yù)測技術(shù)和隨鉆進(jìn)下壓力測量技術(shù)對地層流體入侵進(jìn)行前期檢測；

（3）平時加強井控演習(xí)的預(yù)演，確保工人能熟練地掌握不同工況下的關(guān)井程序，做到最短時間內(nèi)有效地控制井口；

（4）關(guān)井后認(rèn)真求取立套壓，準(zhǔn)確計算地層壓力，為壓井提供詳實、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（5）伴隨漏失的溢流，建議采取平推壓井法進(jìn)行壓井。

[1]張桂林.清溪1井溢流壓井分析[J].石油鉆探技術(shù)，2009（6）.

[2]汪光太,高魁旭,吳虹.鉆井井控壓井方法應(yīng)急決策探討[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2012（10）.

[3]雷宗明,李強.直推法壓井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2000（3）.

[4]卓魯斌,葛云華,汪海閣.深水鉆井早期井涌檢測方法及其未來趨勢[J].石油鉆采工藝，2009（2）.

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TE21

A

1004-5716（2015）03-0061-04

2014-09-05

周帆（1987-），男（漢族），湖北武漢人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆井現(xiàn)場管理工作。