康波 樊洪海 唐洪林 鄧嵩 劉雅莉 邵帥 周延軍

1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2. 中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院；3. 常州大學(xué)

地下裂縫雖為油氣運(yùn)移及儲(chǔ)集創(chuàng)造了良好的地質(zhì)條件，但給鉆井施工帶來(lái)了很大的難度與挑戰(zhàn)，尤其是常低壓裂縫性地層。其特點(diǎn)一是漏失量大且頻繁，一旦發(fā)生即失返，很難提前預(yù)防和發(fā)現(xiàn)；二是壓力系數(shù)普遍較低(0.8～1.08)且較為敏感，處理方式不當(dāng)，極易造成擴(kuò)展和連通，使漏失進(jìn)一步惡化，甚至可能導(dǎo)致井眼報(bào)廢等嚴(yán)重后果［1］。工程上常采用靜止堵漏、橋接堵漏、化學(xué)固結(jié)堵漏、凝膠堵漏及可變形材料堵漏等多種手段，但其受地下縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響很大，從實(shí)際施工效果來(lái)看，往往漏點(diǎn)不好判斷，施工效率低、周期長(zhǎng)，復(fù)漏頻發(fā)。降低鉆井液密度及排量也可以有效控制漏失，但是由于常低壓地層壓力系數(shù)較低，導(dǎo)致常規(guī)水基鉆井液密度已經(jīng)沒(méi)有降低調(diào)節(jié)的空間，而減小排量，會(huì)對(duì)攜巖效率與機(jī)械鉆速帶來(lái)很大影響。清水強(qiáng)鉆也是一種常用的方法，該技術(shù)的實(shí)施關(guān)鍵在于地層裂縫對(duì)鉆屑的接納能力，但是一般裂縫(除較大溶洞外)寬度通常難以滿(mǎn)足要求，經(jīng)常出現(xiàn)“漏水不漏砂”情況，導(dǎo)致清水消耗量很大，攜巖能力差，極易造成沉砂卡鉆等井下復(fù)雜發(fā)生，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高［2-4］。

國(guó)外常采用充氣欠平衡鉆井技術(shù)應(yīng)對(duì)低壓裂縫性漏失。充氣鉆井是指鉆井時(shí)將一定量的可壓縮氣體通過(guò)充氣設(shè)備注入到液相鉆井液中作為循環(huán)介質(zhì)的工藝，常用注入氣體主要是空氣和氮?dú)?此外還有二氧化碳、天然氣、柴油機(jī)尾氣等［5］。該技術(shù)從注氣工藝方式上可分為：鉆桿充氣鉆井技術(shù)、套管寄生管注氣技術(shù)、同心套管注氣技術(shù)等，常用是鉆桿充氣技術(shù)。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用降壓工藝解決常低壓地層的漏失難題早有先例，但是這種基于鉆桿充氣的鉆井方式存在以下嚴(yán)重影響其應(yīng)用范圍及效果的問(wèn)題：深井當(dāng)中由于氣體壓縮大，易隨鉆井液漏失，所以充氣效率不高，且難以控制；全井充氣，注入壓力高，對(duì)設(shè)備能力要求高，費(fèi)用較高；鉆桿充氣接單根，循環(huán)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率低；鉆桿充氣無(wú)法使用常規(guī)MWD，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)用受限［6］。

筆者提出了一種氣舉高效降壓的穿漏鉆井新工藝［7］，同時(shí)對(duì)雙壁鉆桿下深等關(guān)鍵控制工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬與計(jì)算分析，形成了優(yōu)化施工方案，并完成了一口井的先導(dǎo)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該技術(shù)可在不堵漏、不降低鉆井液密度、不犧牲排量的前提下，快速建立滿(mǎn)足攜巖及軌跡控制要求的鉆井循環(huán)，大幅縮短施工周期，且經(jīng)濟(jì)性突出，較好地解決裂縫性地層漏失難題，達(dá)到并滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)施工要求，具有良好市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 氣舉穿漏鉆井技術(shù)原理

氣舉穿漏鉆井技術(shù)是采用少量雙壁鉆桿注氣將上部鉆井液舉升，降低井筒環(huán)空ECD從而實(shí)現(xiàn)易漏地層快速穿越的鉆井新技術(shù)。在鉆進(jìn)到達(dá)常低壓裂縫性地層時(shí)，將井筒上方的部分普通鉆桿替換為雙壁鉆桿(具體數(shù)量根據(jù)低壓地層的壓力與漏失量等計(jì)算得出)，在隨后的鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)雙壁鉆桿的環(huán)空注入氣體，使雙壁鉆桿與井壁之間環(huán)空中鉆井液成為氣液兩相，從而降低了井底的壓力，滿(mǎn)足鉆井要求。該技術(shù)的核心理念是“高效降壓”，即降低井筒與地層之間的有效漏失壓差，使鉆井液很難克服地層裂縫的流動(dòng)阻力，從而減少或停止漏失的發(fā)生。工藝原理如圖1所示。

圖1 氣舉穿漏與充氣欠平衡鉆井工藝對(duì)比Fig. 1 Comparison between the drilling technology of running through thief zone based on gas lift and the aerated underbalanced drilling technology

由圖1對(duì)比可看出，與一般的充氣鉆井技術(shù)相比，氣舉穿漏鉆井具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：(1)實(shí)現(xiàn)了氣液分注，效率更高并且易于控制，可通過(guò)調(diào)節(jié)多種參數(shù)(鉆井液密度、排量、雙壁鉆桿下深、注入氣量等)獲得并控制最佳井筒ECD；(2)漏層鉆進(jìn)時(shí)不需要降低鉆井液密度也不犧牲鉆井液排量，可更好為井下工具提供充足的動(dòng)力，增強(qiáng)提速效果及優(yōu)勢(shì)；(3)注氣段在上部套管內(nèi)，井筒環(huán)空形成明顯雙梯度分布，減少對(duì)下部裸眼井段沖刷，有利于不穩(wěn)定地層井壁穩(wěn)定；(4)氣舉穿漏鉆井注氣壓力2～5 MPa，且不受井深限制，較小的氣量即可滿(mǎn)足降壓要求，所需注氣設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性好；而充氣鉆井注氣壓力10～30 MPa，井深時(shí)所需氣量大，必須使用增壓機(jī)；(5)接單根等作業(yè)流程，氣舉穿漏循環(huán)恢復(fù)快(5～10 min)，充氣鉆井需要40 min以上；(6)可以使用常規(guī)MWD進(jìn)行定向服務(wù)，由于鉆桿內(nèi)是純鉆井液，不影響信號(hào)測(cè)量；(7)可同步實(shí)施隨鉆堵漏作業(yè)，加強(qiáng)穿漏防漏的效果。

2 氣舉穿漏鉆井工藝方案優(yōu)化

漏失量大且頻繁是常低壓裂縫性地層的特點(diǎn)，因此在鉆進(jìn)到常低壓裂縫性地層時(shí)，可以考慮選擇氣舉穿漏鉆井。氣舉穿漏鉆井技術(shù)同充氣欠平衡鉆井一樣，其目的都是通過(guò)向鉆井液中加入氣體降低井底壓力，在不堵漏的情況下繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)的技術(shù)。

相比于充氣欠平衡鉆井，氣舉穿漏鉆井技術(shù)由于氣體從鉆具中部進(jìn)入環(huán)空，并未經(jīng)過(guò)井筒底部，因此氣體的壓縮量小，注氣壓力要求也低，降低井底壓力的效率反而更高。要達(dá)到“高效降壓”，需要利用氣液固多相流軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算氣舉穿漏的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如立管壓力、雙壁鉆桿下深、注入氣體的體積流量、注入壓力、鉆井泵排量及鉆井液密度等，然后分析不同工況(井深、壓力)條件對(duì)氣舉效率的影響。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上建立基于“最優(yōu)氣舉效率”優(yōu)化原則，優(yōu)選參數(shù)與組合，最終形成氣舉穿漏鉆井施工優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2.1 氣舉降壓效率的影響因素分析

氣舉施工參數(shù)直接影響降壓效率及實(shí)施效果，由于鉆具組合特殊的流道結(jié)構(gòu)，影響因素較多［8］，本文選取其中影響較大的立管壓力、雙壁鉆桿下深、注氣量及壓力、鉆井泵排量等進(jìn)行分析。以南方某定向井三開(kāi)作為分析的基礎(chǔ)模型，為了模擬與計(jì)算的方便將底部鉆具組合進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，井眼直徑215.9 mm，井深3 000 m，鉆桿為?127 mm雙壁鉆桿，內(nèi)管內(nèi)徑60 mm。

2.1.1 立管壓力的影響

由于雙壁鉆桿的內(nèi)管內(nèi)徑較小，當(dāng)雙壁鉆桿下入較深時(shí)，純鉆井液循環(huán)會(huì)導(dǎo)致立管壓力升高，從而影響氣舉降壓的效果和機(jī)泵條件，因此需要開(kāi)展不同雙壁鉆桿長(zhǎng)度情況下，不同注氣量時(shí)立管壓力模擬與分析。圖2是鉆井泵排量30 L/s時(shí)，不同條件下立管壓力的計(jì)算結(jié)果，可以看出，在純鉆井液循環(huán)方式下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，立管壓力也隨之增加，二者成正比例關(guān)系，當(dāng)雙壁鉆桿下深超過(guò)800 m以后，立管壓力已增加近一倍，因此對(duì)鉆井的機(jī)泵條件提出一定的要求；相同雙壁鉆桿下深時(shí)，隨著注氣量的增加，立管壓力明顯小于純鉆井液循環(huán)方式，500 m以?xún)?nèi)在30～60 m3/min注氣量時(shí)，立管壓力增加最大為2.32 MPa，對(duì)鉆井的機(jī)泵條件及氣舉效率影響不大。

圖2 不同雙壁鉆桿下深和注氣量對(duì)立管壓力的影響Fig. 2 Effect of double-wall drill pipe depth and gas injection rate on the standpipe pressure

2.1.2 雙壁鉆桿下深的影響

氣舉穿漏鉆井中氣體注入點(diǎn)的位置與雙壁鉆桿的下深有關(guān)，而氣體注入點(diǎn)的位置又會(huì)影響到氣舉降壓的效率，因此選取3組注氣速度(30 m3/min、40 m3/min、60 m3/min)，對(duì)氣舉降壓的效率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同注氣量下雙壁鉆桿下深對(duì)井筒壓降的影響Fig. 3 Effect of double-wall drill pipe depth on the well pressure drop at different gas injection rates

從圖3可以看出，在相同注氣量的情況下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度(即ECD)總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明氣舉降壓的效果在逐步增加。同時(shí)，不同注氣量下ECD隨雙壁鉆桿下深的變化趨勢(shì)大體相同，在100～300 m范圍內(nèi)ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降較快，其變化呈線性規(guī)律；在300～500 m范圍內(nèi)ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降更快，可見(jiàn)此時(shí)氣舉降壓的提升效果處在突變區(qū)；在雙壁鉆桿下深超過(guò)500 m后，ECD隨雙壁鉆桿下深的增加下降減緩，說(shuō)明氣舉降壓的提升效果處在衰退區(qū)。為保持理想的氣舉降壓效果，在設(shè)計(jì)雙壁鉆桿的下深時(shí)，應(yīng)盡量保持在線性區(qū)與突變區(qū)域以?xún)?nèi)。

2.1.3 注氣量與壓力的影響

注氣是降壓的主要手段，同時(shí)注氣量與壓力也是衡量氣舉降壓經(jīng)濟(jì)特性的重要指標(biāo)。圖4是注氣量對(duì)降壓效果的影響，可以看出，相同雙壁鉆桿下深時(shí)，降壓效果隨注氣量的增加而增加。但由于本井較深(3 000 m)，雙壁鉆桿長(zhǎng)度小于200 m時(shí)，降壓效果隨注氣量增加變化不大，300～800 m降壓效果隨注氣量的增加變化顯著，1 000 m以上降壓效果有減弱的趨勢(shì)。因此對(duì)于不同井深，需要結(jié)合降壓工藝目標(biāo)，選取合適的注氣量才能達(dá)到較好效果。結(jié)合圖4、圖5分析可以看出，雙壁鉆桿300 m以?xún)?nèi)注氣壓力隨注氣量變化不大，保持在2.5 MPa以?xún)?nèi)，依據(jù)目前空壓機(jī)技術(shù)水平，無(wú)需增壓設(shè)備即可滿(mǎn)足施工要求，超300 m以上需要增加氣體增壓設(shè)備(即增壓機(jī))才能滿(mǎn)足工藝需求。

圖4 注氣量對(duì)降壓效果的影響Fig. 4 Influence of gas injection rate on the depressurization effect

圖5 不同注氣量下雙壁鉆桿下深對(duì)注氣壓力的影響Fig. 5 Effect of double-wall drill pipe depth on the gas injection pressure at different gas injection rates

2.1.4 鉆井泵排量的影響

泵的排量是鉆井過(guò)程中的重要參數(shù)之一，它不僅要滿(mǎn)足鉆進(jìn)時(shí)鉆屑攜帶的要求，而且還可以通過(guò)其產(chǎn)生的循環(huán)壓耗來(lái)控制和調(diào)節(jié)井底壓力。常規(guī)的鉆井方式因其地層壓力窗口較寬，通常情況下可以忽略循環(huán)壓耗，但是對(duì)于常低壓易漏地層來(lái)說(shuō)，由于其壓力敏感的特性，在分析氣舉降壓效果時(shí)必須考慮排量的影響。如圖6所示：在滿(mǎn)足攜巖要求的前提下，相同的雙壁鉆桿下深及注氣量時(shí)，改變鉆井泵排量，會(huì)對(duì)降壓效果產(chǎn)生0.03～0.04 g/cm3的影響。對(duì)于常低壓地層來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)尤為明顯，因此可以通過(guò)鉆井泵排量與其他參數(shù)組合來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化降壓效果。

圖6 鉆井泵排量對(duì)氣舉降壓效果影響分析Fig. 6 Influence of the displacement of drilling pump on the depressurization effect of gas lift

2.2 基于最優(yōu)氣舉效率的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣舉降壓效果影響的分析，可建立基于“最優(yōu)氣舉效率”優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則來(lái)指導(dǎo)施工方案。首先根據(jù)鄰井以及現(xiàn)場(chǎng)施工的資料，估算本井發(fā)生漏失的井筒環(huán)空內(nèi)液面高度，從而確定采用氣舉穿漏鉆井技術(shù)所要降低ECD的范圍；然后根據(jù)ECD降低值以及模擬計(jì)算結(jié)果確定雙壁鉆桿的下深以及需要的注氣量，并且雙壁鉆桿下深以及注氣量的選擇都盡量選取較小的值；最后結(jié)合上述的選擇確定設(shè)計(jì)的立壓和鉆井液排量。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣舉穿漏鉆井模擬施工優(yōu)化方案Table 1 Optimized scheme on the simulated construction of running through thief zone based on gas lift

氣舉穿漏鉆井技術(shù)解決了在常低壓裂縫性地層中鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生的井漏問(wèn)題，節(jié)省了堵漏的作業(yè)并且大幅縮短非生產(chǎn)時(shí)效，為鉆井作業(yè)提供了技術(shù)上的支持。但是相比于常規(guī)的鉆井方式，氣舉穿漏鉆井仍然比較復(fù)雜，其應(yīng)用情況也更適用于低壓裂縫性的地層。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 基本情況

京津冀地區(qū)古生界裂縫發(fā)育，屬于常低壓地層，鉆井過(guò)程漏失嚴(yán)重。該區(qū)域地層發(fā)育較齊全，由新生界、中生界、古生界、中上元古界和太古界構(gòu)成，并且地?zé)豳Y源豐富，發(fā)育兩套基巖裂縫儲(chǔ)層：寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲(chǔ)地層、薊縣系巖溶裂隙熱儲(chǔ)地層。地層裂縫及溶洞發(fā)育，堵漏的施工難度很大，一次堵漏成功率很低。而且由于總投資較低及保護(hù)地?zé)醿?chǔ)層等原因，基本上限制了堵漏技術(shù)的應(yīng)用。

試驗(yàn)井為定向井，設(shè)計(jì)井深3 932.72 m，三開(kāi)采用PDC鉆頭，井眼直徑為215.9 mm，在常規(guī)鉆井工藝定向鉆進(jìn)至2 271 m的古生界白云巖地層時(shí)發(fā)生失返性漏失，進(jìn)入漏失地層4.3 m后，漏失速度為90～100 m3/h；隨后嘗試清水強(qiáng)鉆至2 483 m，起下鉆時(shí)發(fā)現(xiàn)井下沉砂有近100 m深，多次堵漏均未起到明顯效果，而且MWD沒(méi)有信號(hào)，因此被迫采用氣舉穿漏鉆井工藝。依據(jù)鄰井實(shí)鉆資料計(jì)算分析，漏失壓力0.88～0.93 g/cm3，確定ECD設(shè)計(jì)范圍為0.88～0.93 g/cm3，氣舉穿漏前對(duì)井內(nèi)液位進(jìn)行重新測(cè)量，井筒環(huán)空內(nèi)液面距井口172～184 m，據(jù)此進(jìn)一步完善工藝參數(shù)的矯正。

3.2 鉆具組合及參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆具組合：?215.9 mm 牙輪鉆頭+底部常規(guī)鉆具組合(根據(jù)原鉆井設(shè)計(jì))+井下單向氣舉閥+?127 mm雙壁鉆桿(先下入230 m，然后鉆進(jìn)并接雙壁鉆桿到400 m)+?152 mm六方雙壁方鉆桿+氣液雙注旋轉(zhuǎn)循環(huán)適配器+水龍頭。

依據(jù)本文建立的“最優(yōu)氣舉效率”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展本井參數(shù)設(shè)計(jì)。由圖7可知，在泵排量為30 L/s，注氣量為30 m3/min情況下，隨著雙壁鉆桿下深的增加，井筒環(huán)空液面高度隨之下降，且下降速率在逐漸增大；同時(shí)，井底壓力也隨著雙壁鉆桿下深的增加而下降，變化情況與井筒環(huán)空液面高度相近。

圖7 試驗(yàn)井氣舉穿漏參數(shù)設(shè)計(jì)Fig. 7 Parameter design on the drilling technology of running through thief zone based on gas lift in the test well

3.3 施工過(guò)程及效果分析

施工前，依據(jù)設(shè)計(jì)連接好所需鉆具下鉆到底，首先以小排量(10 L/s)開(kāi)鉆井泵頂通水眼，立壓出現(xiàn)并開(kāi)始下降后逐漸提升至鉆井排量(28 L/s)，過(guò)程中鉆井液始終未見(jiàn)返出，漏失嚴(yán)重，立壓波動(dòng)較大，MWD信號(hào)無(wú)法解碼。停泵，開(kāi)始實(shí)施氣舉穿漏鉆井工藝，按照氣舉穿漏鉆井操作規(guī)程，首先開(kāi)空壓機(jī)注氣，注氣壓力穩(wěn)定后，待液氣分離器有液或者氣返出時(shí)，小排量開(kāi)鉆井泵，直到恢復(fù)鉆井正常排量，注氣壓力與立管壓力穩(wěn)定后，測(cè)量鉆井液漏失速度，滿(mǎn)足要求后開(kāi)始正常鉆進(jìn)。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)雙壁鉆桿下入深度為230 m，然后鉆進(jìn)并接雙壁鉆桿到400 m，記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的具體施工參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)井氣舉穿漏鉆井施工參數(shù)Table 2 Construction parameter for the drilling technology of running through thief zone based on gas lift in the test well

本次施工是在不堵漏的情況下，通過(guò)應(yīng)用氣舉穿漏鉆井工藝，在常低壓裂縫性地層中進(jìn)行鉆井作業(yè)。本次試驗(yàn)證明了氣舉穿漏鉆井工藝可以解決常低壓裂縫性惡性漏失的難題，同時(shí)試驗(yàn)井的施工參數(shù)也基本符合氣舉穿漏鉆井模擬施工的優(yōu)化方案，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。在氣舉穿漏鉆井施工過(guò)程中，保證注氣速度不變，隨著雙壁鉆桿的下深從300 m逐漸增加到400 m，鉆井過(guò)程中的漏失量逐漸減小，最低被控制在0.3 m3/h，已經(jīng)基本達(dá)到了滿(mǎn)足攜巖要求的穩(wěn)定循環(huán)，在微漏的情況下鉆過(guò)常低壓裂縫性地層。與常規(guī)的堵漏后再鉆進(jìn)相比，氣舉穿漏鉆井技術(shù)不僅減小了作業(yè)量，減少了對(duì)地層的傷害，更是降低了多次停鉆所帶來(lái)的事故風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，因?yàn)榫蚕路绞钦ｃ@井液，并不影響現(xiàn)場(chǎng)MWD軌跡控制要求，表明氣舉穿漏鉆井工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有一定的可靠性。

但是，在這次施工中也發(fā)現(xiàn)氣舉穿漏鉆井工藝的應(yīng)用仍然存在著一定的局限性。在鉆井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)漏失后，根據(jù)漏失位置以及漏失速度等相關(guān)參數(shù)才能確定相關(guān)的施工工藝，并且更換一定數(shù)量的雙壁鉆桿后才能具有堵漏成效，由此可見(jiàn)氣舉穿漏鉆井工藝的應(yīng)用目前還不具有普遍性。

4 結(jié)論和建議

(1)氣舉穿漏鉆井技術(shù)是一種應(yīng)用于常低壓裂縫性地層鉆井的新工藝，與傳統(tǒng)的充氣鉆井相比，可解決失返性漏失井鉆井液循環(huán)與攜巖難題，可以有效縮短因井漏引起復(fù)雜時(shí)效，且氣體只參與井筒上段的循環(huán)，井筒下段仍然是正常的鉆井液，不影響常規(guī)MWD的使用。

(2)本文通過(guò)建立氣舉穿漏鉆井模型，分析立管壓力、雙壁鉆桿下深、注氣量以及鉆井泵排量等工藝參數(shù)對(duì)降壓效率的影響，形成了一套適應(yīng)于常低壓裂縫性地層施工的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

(3)氣舉穿漏鉆井工藝具有氣液分注、注氣壓力低、注氣效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以避免或大幅減少堵漏作業(yè)，降低非生產(chǎn)時(shí)效，進(jìn)一步滿(mǎn)足常低壓裂縫性油氣藏低成本高效開(kāi)發(fā)的要求，具有較好的應(yīng)用前景。