陳 志 偉

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

隨著頁巖氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入，頁巖氣水平井技術(shù)得到規(guī)?；瘧?yīng)用，為了盡可能提高頁巖氣水平井單井產(chǎn)量，要求水平井鉆井過程中，鉆頭盡可能在擁有較高滲透能力或具備可改造條件的泥頁巖裂縫發(fā)育帶的有利目標(biāo)箱體中穿行，保證足夠的水平段長度。但是，頁巖氣有利目標(biāo)箱體地層多發(fā)育天然微裂縫，呈現(xiàn)硬脆性力學(xué)特征，地層穩(wěn)定性差[1]，鉆進(jìn)過程中井壁容易剝落產(chǎn)生掉塊，如果不能及時將掉塊從井筒環(huán)空循環(huán)排除，可能導(dǎo)致鉆井卡鉆事故，所以頁巖氣水平井鉆井在要求單井產(chǎn)量最大化前提下，必須對井壁易剝落地層中的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)及時進(jìn)行識別[2]。

鑒于目前還無法直接測量井壁剝落掉塊嚴(yán)重程度，而環(huán)空掉塊的數(shù)量及在環(huán)空的分布情況直接影響環(huán)空壓力的大小，盡管隨鉆環(huán)空壓力井下采集技術(shù)發(fā)展成熟[3]，但缺少相關(guān)的利用隨鉆環(huán)空壓力評價沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)的方法。本文研究了一種停泵時環(huán)空壓力窗口捕捉方法，通過建立隨鉆環(huán)空壓力數(shù)據(jù)與停泵期間井壁剝落掉塊嚴(yán)重程度表征關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對頁巖氣鉆井沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價，有助于對沉砂卡鉆事故的預(yù)判和預(yù)防，提高頁巖氣水平井施工安全性。

1 頁巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆原因分析

搜集整理四川威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊76口井鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知，發(fā)生卡鉆事故34口井，采用循環(huán)劃眼處理卡鉆事故損失時間占比14%，其中卡死、填井或提前完鉆21口井，嚴(yán)重影響鉆井時效，增加鉆井成本。對發(fā)生卡鉆事故井進(jìn)行分析認(rèn)為：卡鉆事故大多發(fā)生在起下鉆或停泵接立柱后上提期間，卡點(diǎn)多數(shù)在扶正器和鉆頭處，可以正常循環(huán)，鉆具下放順利，但上提困難，其原因是上部地層剝落產(chǎn)生掉塊，停泵后由于鉆井液失去攜帶能力和懸浮能力不足導(dǎo)致掉塊(或巖屑)沉降在井眼底邊，位于扶正器和鉆頭等處環(huán)空間隙窄小處，如圖1所示，鉆具上提時掉塊和鉆具及井壁硬性接觸導(dǎo)致沉砂卡鉆發(fā)生。

圖1 鉆具上提時掉塊(或巖屑)在井眼底邊堆積情況

上部地層剝落產(chǎn)生掉塊的原因如下：一是在硬脆性頁巖地層由于起下鉆或接立柱期間鉆具上提和下放產(chǎn)生的壓力波動、開泵和停泵期間由于循環(huán)壓力導(dǎo)致井底附加壓力的有無，造成井底壓力和地層坍塌壓力的差值變化；二是鉆具移動對硬脆性頁巖地層的機(jī)械碰撞。因此，預(yù)防頁巖氣鉆井沉砂卡鉆的關(guān)鍵是監(jiān)測停泵期間井壁剝落掉塊數(shù)量以及掉塊在鉆具和井壁形成的環(huán)形空間中的分布情況。

2 頁巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆監(jiān)測方法

2.1 環(huán)空壓力監(jiān)測窗口捕捉

停泵狀態(tài)下測量的環(huán)空壓力與鉆井液密度、井口回壓和環(huán)空掉塊(或鉆屑)數(shù)量有關(guān)，因此當(dāng)鉆井液密度和井口回壓不變時，停泵狀態(tài)下測量的環(huán)空壓力大小可以直接反映環(huán)空掉塊數(shù)量[4]；在停泵到開泵的瞬間測量的環(huán)空壓力大小與鉆井液結(jié)構(gòu)力、井口回壓和使沉降的掉塊重新懸浮的作用力有關(guān)，而使沉降的掉塊重新懸浮需要的作用力與掉塊在環(huán)空分布情況有關(guān)(影響環(huán)空間隙)。因此，當(dāng)鉆井液結(jié)構(gòu)力和井口回壓不變時，在停泵到開泵的瞬間測量的環(huán)空壓力大小可以直接反映掉塊在環(huán)空分布情況，通過定義環(huán)空壓力監(jiān)測窗口實(shí)現(xiàn)停泵期間測量的環(huán)空壓力在時間序列上可對比，并且可以表征掉塊對沉砂卡鉆的影響程度[4]。

為了方便現(xiàn)場工程應(yīng)用，將環(huán)空壓力轉(zhuǎn)換為當(dāng)量鉆井液密度EMW，相應(yīng)地環(huán)空壓力監(jiān)測窗口就表示一定時間內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度隨時間的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 停泵期間環(huán)空壓力監(jiān)測窗口示意

確定環(huán)空壓力監(jiān)測窗口方法是確定最小關(guān)泵壓力、最大關(guān)泵壓力、平均關(guān)泵壓力、停泵和開泵狀態(tài)及停泵時間[3]，各量分別定義如下：

最小關(guān)泵壓力pmin：停泵期間由于起下鉆和接立柱期間鉆具上提軸向運(yùn)動引起抽吸壓力時環(huán)空壓力值(pmin，tmin)。

最大關(guān)泵壓力pmax：使鉆井液恢復(fù)循環(huán)引起激動壓力時測量的環(huán)空壓力值，發(fā)生在由停泵到開泵瞬間(pmax，tmax)。

平均關(guān)泵壓力pave：停泵期間鉆具靜止穩(wěn)定一定時間內(nèi)測量的環(huán)空壓力平均值(pave，tave)。

停泵和開泵狀態(tài)：測量鉆具內(nèi)水眼壓力為pi，測量環(huán)空壓力為pa，當(dāng)pi≤pa時可判斷是停泵狀態(tài)，當(dāng)pi>pa時可判斷是開泵狀態(tài)。

停泵時間t：根據(jù)停泵和開泵狀態(tài)方法，從判斷的停泵時刻toff直到下次開泵時刻ton，那么ton-toff就是停泵時間t。

根據(jù)環(huán)空壓力監(jiān)測窗口捕捉方法，可以得出環(huán)空壓力監(jiān)測窗口((pmin,pmax),(toff,ton))，其中pmax-pmin表示窗口高度，ton-toff表示窗口寬度。

2.2 沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價

pave-pmin(pd)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊數(shù)量，pmax-pave(ps)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊分布情況，根據(jù)二者數(shù)據(jù)變化關(guān)系可以評價沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大小，具體流程如圖3所示。

圖3 基于環(huán)空壓力窗口的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價流程

第一步：讀取環(huán)空壓力和鉆具水眼測量數(shù)據(jù)，首先判斷環(huán)空壓力和鉆具水眼壓力大小關(guān)系用以識別停泵和關(guān)泵狀態(tài)。從開泵到停泵期間環(huán)空壓力變化特征是慢慢下降，直到等于鉆具水眼壓力，記錄此時刻t1作為窗口左邊界；從停泵到開泵期間環(huán)空壓力變化特征是逐漸升高到最大值，慢慢下降并趨于穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定時刻t2作為窗口右邊界。

第二步：在窗口左、右邊界之間，通過比較數(shù)據(jù)之間大小關(guān)系，找出最小環(huán)空壓力數(shù)值(pmin，tmin)，pmin作為窗口下邊界p1，找出最大環(huán)空壓力數(shù)值(pmax，tmax)，pmax作為窗口上邊界p2；在tmin和tmax之間環(huán)空壓力數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定期間取5條環(huán)空壓力數(shù)據(jù)平均值作為平均環(huán)空壓力值(pave，tave)。

第三步：計(jì)算pave-pmin值pd用于監(jiān)測掉塊在環(huán)空的數(shù)量，計(jì)算pmax-pave值ps用于監(jiān)測掉塊在環(huán)空分布情況；對實(shí)測環(huán)空壓力數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟得出全部接單根過程pd和ps值，按照順序依次繪制pd和ps曲線，并對兩條曲線進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

第四步：將沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)定義為4個等級，分別是高、較高、低、較低。如果pd和ps曲線同時增大，提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級高；如果pd曲線減小，ps曲線增大，提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級較高；如果pd曲線增大，ps曲線減小，提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級低；如果pd和ps曲線同時減小，提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級較低。現(xiàn)場實(shí)際施工過程中，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)提示等級制定井眼清潔操作策略，防止沉砂卡鉆發(fā)生。

3 應(yīng)用實(shí)例

四川威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組地層硬脆特征明顯且局部裂縫發(fā)育，對井下壓力波動敏感，鉆進(jìn)過程中容易產(chǎn)生掉塊，區(qū)域已鉆井中在停泵上提鉆具時發(fā)生多次“秒殺式”卡鉆。A 井是一口頁巖氣開發(fā)水平井，如圖4所示，在2 950～3 050 m井段，鉆遇龍一段14號層、龍一段13號層、龍一段12號層、龍一段11號層，地層脆性指數(shù)0.37～0.77，Ca、Mg元素含量先增大后減小，井斜由61°增加到81.6°，鉆井液密度2.0 g/cm3，排量1.9～2.2 m3/min，轉(zhuǎn)速90～120 r/min，利用巖屑稱重設(shè)備[5]所測量的體積差由0.4 m3逐漸增大到2.1 m3，返出角狀掉塊增多，最大尺寸3.8 cm，平均1.5 cm(圖4)。以上變化表明：(1)該井段鉆遇多個小層，地層脆性逐漸增大，地層脆性主要受白云巖、方解石影響；(2)隨著井斜角的逐漸增加，地層坍塌壓力逐漸增大；(3)返出巖屑體積差逐漸增加，井壁剝落產(chǎn)生掉塊。該井段井壁穩(wěn)定性差，鉆進(jìn)過程井壁易剝落產(chǎn)生掉塊，如果掉塊未及時返出則容易導(dǎo)致“秒殺式”卡鉆事故。因此，需要在停泵上提鉆具時評價掉塊卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，通過優(yōu)化施工，提高鉆井施工安全。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究方法評價沉砂卡鉆的可行性，在2 950～3 050 m井段實(shí)時測量了井下環(huán)空壓力值，隨鉆捕捉了環(huán)空壓力監(jiān)測窗口。圖5顯示了連續(xù)采集5次接立柱期間的最大環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWmax、平均環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWave和最小環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWmin變化情況；圖6顯示了利用本文研究的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價方法得到的掉塊在環(huán)空的數(shù)量pd和掉塊在環(huán)空分布ps變化情況?？梢钥闯雒看谓恿⒅陂gEMW的大小和變化趨勢：從第1號立柱到第4號立柱，隨著EMWmax和EMWave增加，相應(yīng)的pd在增加；隨著EMWave和EMWmin增加，相應(yīng)的ps在增加。這表明井下沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高，現(xiàn)場技術(shù)人員據(jù)此及時建議鉆井操作人員增加循環(huán)時間和拉劃次數(shù)提高環(huán)空掉塊(或巖屑)返出效率，防止沉砂卡鉆事故發(fā)生。建議得到采納后，第5號立柱pd和ps同時減小，表明沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)降低到安全水平；同時，第4號立柱打完循環(huán)和拉劃期間發(fā)現(xiàn)實(shí)際返出巖屑數(shù)量大于理論值，證明了利用本文研究的方法判斷沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)的正確性。

圖4 A井井眼清潔監(jiān)測圖

圖5 EMW值變化趨勢曲線

圖6 掉塊分布和掉塊數(shù)量趨勢曲線

4 結(jié)論與認(rèn)識

本文利用隨鉆環(huán)空壓力分析環(huán)空掉塊含量和分布情況，建立了基于隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測窗口的沉砂卡鉆評價方法,為頁巖氣水平井卡鉆預(yù)判和預(yù)防提供了可行的技術(shù)手段，在研究和應(yīng)用中取得了如下認(rèn)識:

(1)威遠(yuǎn)頁巖氣水平井卡鉆突發(fā)性強(qiáng)，屬于掉塊、鉆柱和井壁硬性接觸的力學(xué)卡鉆，要想對其實(shí)現(xiàn)預(yù)判和預(yù)防需要直接和間接評價環(huán)空掉塊情況。

(2)本文建立的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價方法可以有效分析停泵期間環(huán)空巖屑濃度和環(huán)空巖屑分布，根據(jù)二者變化趨勢得出沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級。

(3)下一步需要根據(jù)建立的沉砂卡鉆評價方法開發(fā)一套基于環(huán)空壓力的頁巖氣水平井鉆進(jìn)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評價軟件系統(tǒng)，有效支撐頁巖氣水平井鉆井卡鉆事故防治。