劉占魁

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

井筒呼吸效應(yīng)是指鉆進時發(fā)生井漏，停止循環(huán)后前期漏失進入地層中的鉆井液又回吐到井筒的一種特殊現(xiàn)象，基本表征是在井口能觀察到鉆井液外溢。國外學(xué)者較早開始研究天然裂縫性地層的呼吸效應(yīng)。隨著深水鉆井的勘探開發(fā)，國內(nèi)學(xué)者基于井控安全考慮開展井筒呼吸效應(yīng)研究，取得了一定程度進展。受研究與重視程度的限制，鉆井施工過程中遇到停泵后鉆井液外溢很容易與溢流相混淆，判斷錯誤造成現(xiàn)場技術(shù)措施失當。比如：如果發(fā)生了井筒呼吸效應(yīng)卻判斷為溢流，采取關(guān)井、求取關(guān)井立壓與套壓、提高鉆井液密度、壓井、循環(huán)檢查井筒排出來的流體并以此為依據(jù)確定后續(xù)措施等一系列步驟，對承壓能力較低的地層而言，提高鉆井液密度進一步增加了井漏的風(fēng)險，隨之采取提高地層承壓能力、堵漏等技術(shù)措施，導(dǎo)致鉆井現(xiàn)場陷入惡性循環(huán)，耗時耗力。

1 井筒呼吸效應(yīng)的鉆井地質(zhì)條件

瑪湖凹陷北斜坡風(fēng)城組處于堿湖生烴中心區(qū)，生烴強度大，在百口泉扇和夏子街扇的扇間地帶發(fā)育云質(zhì)巖，是探索碳酸鹽巖頁巖油的重要領(lǐng)域，2020年部署上鉆MY-2井。MY-2鄰井的巖芯、壓汞、鑄體薄片及FMI成像測井等資料均顯示，風(fēng)城組儲層整體較致密，儲集空間主要為基質(zhì)孔、次生溶孔和微裂縫，同時發(fā)育晶間孔、晶內(nèi)溶孔等，巖性和溶蝕作用共同控制了風(fēng)城組云質(zhì)巖的儲層物性。孔隙分選不好，具有小孔隙和細喉道，最大孔喉半徑為0.32～2.56μm，平均1.52μm；排驅(qū)壓力為0.41～1.35MPa，平均0.54MPa；飽和中值壓力為6.32～18.60MPa，平均為11.2MPa；飽和中值半徑為0.03～0.13μm，平均為0.09μm。MY-2鄰井主要參考了烏夏斷裂帶和克百斷裂帶的井。烏夏斷裂風(fēng)城組屬于頁巖油藏，壓力系數(shù)1.61～2.13，克百斷裂帶風(fēng)城組主要為砂礫巖油藏，壓力系數(shù)最大1.32，MY-2與烏夏斷裂帶的井更接近。

受上述鉆井地質(zhì)因素影響，該區(qū)鉆井易漏，為產(chǎn)生井筒呼吸效應(yīng)提供了條件。①BQ-1井P2w-P1f井漏27次，漏失鉆井液1337m3。其中，風(fēng)城組3122.33～3213.25m井段井漏7次、漏失鉆井液119m3。BQ-1井完井FMI及取芯資料證實夏子街組及風(fēng)城組裂縫發(fā)育，造成裂縫性漏失。②FC-1井P1f-P1j井漏10次，漏失鉆井液902m3。FC-1井風(fēng)城組底部油氣侵，用密度1.76g/cm3鉆井液壓井，鉆井液密度高，長時間靜止后鉆井液流變性差，大排量循環(huán)過程中造成套管鞋附近漏失。③FN-5井在風(fēng)城組2825.64～4444.62m井段井漏10次，漏失鉆井液358m3。該井構(gòu)造上位于FN-3井北斷裂與FC-1井斷裂之間，裂縫發(fā)育，導(dǎo)致頻繁發(fā)生井漏。④MY-2井三開井段漏失1.08～1.26g/cm3鉆井液3000m3以上。

2 井筒呼吸效應(yīng)機理

發(fā)生井筒呼吸效應(yīng)與井筒內(nèi)的壓力密切相關(guān)。安全鉆井要正確控制井筒壓力的變化，基本點是鉆進時采用合適的鉆井液密度。正常鉆進時井筒壓力為鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓耗之和：

式中：Pb——井筒壓力，MPa；

Pm——鉆井液液柱壓力，MPa；

ΔPa——環(huán)空循環(huán)壓力，MPa。

現(xiàn)場實際操作時常采用循環(huán)當量鉆井液密度ECD來表示，即：

式中：ESD——鉆井液靜態(tài)當量密度，g/cm3；

Δρa——環(huán)空循環(huán)壓力當量密度，g/cm3。

控制井筒壓力的變化，實質(zhì)上就是控制鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓力之和。根據(jù)相關(guān)壓力數(shù)據(jù)控制井筒壓力應(yīng)滿足：

式中：ρc——地層坍塌壓力當量密度，g/cm3；

ρp——地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；

ρf——地層破裂壓力當量密度，g/cm3；

ρl——地層漏失壓力當量密度，g/cm3。

最小與最大取值的差值為安全密度窗口，無論在循環(huán)鉆進還是停泵接單根等其它作業(yè)時，井筒內(nèi)當量鉆井液密度應(yīng)滿足上述安全密度窗口。對裂縫發(fā)育等地層承壓能力較低的地層，地層漏失壓力與地層孔隙壓力之間的壓力窗口窄，鉆進中發(fā)生漏失的風(fēng)險增加。隨著安全密度窗口變窄，為產(chǎn)生井筒呼吸效應(yīng)提供了條件，發(fā)生呼吸效應(yīng)的幾率增大。井筒呼吸效應(yīng)是在特定地層條件和工況下產(chǎn)生的。鉆進過程中，當井筒內(nèi)的壓力達到或超過地層漏失壓力或地層裂縫傳播所需的壓力時，就會形成穩(wěn)定的徑向裂縫，鉆井液漏失進入地層。發(fā)生漏失后在地面觀察到鉆井液量減少。停泵后循環(huán)壓力消失，井筒內(nèi)壓力降低，若其小于地層裂縫傳播所需的壓力時，在地層壓力、裂縫閉合壓力等相關(guān)因素作用下，前期漏入裂縫中的鉆井液返回井筒，井口出現(xiàn)鉆井液外溢現(xiàn)象。發(fā)生呼吸效應(yīng)與地層裂縫開啟與關(guān)閉有關(guān)，與地層裂縫的產(chǎn)生與傳播有關(guān)。漏失量及漏失速度等受當量密度窗口、地層特征、承壓能力、鉆井液性能等諸多因素影響。

當發(fā)現(xiàn)井口外溢，關(guān)井后達到平衡時地層壓力與地面壓力的關(guān)系如下：

式中：Pd——關(guān)井立管壓力，MPa；

Pmd——鉆柱內(nèi)原鉆井液靜液柱壓力，MPa；

Pp——地層壓力，MPa；

Pa——關(guān)井套管壓力，MPa；

Pma——環(huán)空內(nèi)鉆井液靜液柱壓力，MPa。

井筒呼吸效應(yīng)與溢流有相似之處，如兩者都伴隨停泵后環(huán)空返出鉆井液的現(xiàn)象，兩者相似之處在于初始的時候都是井口外溢。但是，兩者又存在本質(zhì)區(qū)別，關(guān)鍵點在于是否存在地層流體的參與。如果發(fā)生的是呼吸效應(yīng)，則回流到井筒內(nèi)的流體是之前漏失進地層中的鉆井液，呼吸效應(yīng)前后鉆井液密度保持不變，井內(nèi)鉆井液液柱壓力不發(fā)生變化，關(guān)井立壓等于關(guān)井套壓。如果受地層流體侵入影響發(fā)生溢流，地層流體與環(huán)空中原鉆井液混合后密度發(fā)生變化，環(huán)空液柱壓力變化，關(guān)井立壓與關(guān)井套壓則不相同。

3 井筒呼吸效應(yīng)識別與實例

判斷井筒呼吸效應(yīng)和溢流，首先要確定之前是否發(fā)生過漏失，如果沒有發(fā)生井漏而停泵后發(fā)現(xiàn)井口外溢，應(yīng)按照溢流處理。第二，井筒呼吸效應(yīng)和溢流變化過程不同。呼吸效應(yīng)是窄密度窗口條件下鉆井液漏失進入井筒周圍地層中補充了地層能量，停泵后循環(huán)壓耗消失導(dǎo)致井筒壓力減小，之前漏失的鉆井液回流，初始時回流的速度快速增加，隨著能量消耗回流的速度達到最大值之后開始逐步減少，直至返出為零，此時回吐過程停止。溢流則不同。受地層流體侵入的影響，井筒內(nèi)混合流體密度降低，井筒壓力降低，地層流體進一步侵入。隨著侵入過程的不斷演化發(fā)展，液柱壓力逐漸降低導(dǎo)致地層壓力與井筒內(nèi)壓力之差也越來越大。停泵后，液柱壓力不能平衡地層壓力產(chǎn)生井口外溢現(xiàn)象，外溢速度由小變大逐步增加直至關(guān)井。第三，對井筒呼吸效應(yīng)，回流量小于之前漏失量。第四，若關(guān)井，對井筒呼吸效應(yīng)來說，關(guān)井立壓值與套壓值大致相等，立壓與套壓數(shù)值相對較小，基本上觀察不到壓力隨時間的變化發(fā)展。同時，只要節(jié)流放出少量流體，關(guān)井壓力就隨之減小。而對溢流，關(guān)井立壓與關(guān)井套壓不相等，發(fā)現(xiàn)溢流越晚、溢流量越多則關(guān)井壓力越高。而且，關(guān)井期間伴隨著侵入流體滑脫上升關(guān)井立壓與關(guān)井套壓隨之變化，若侵入井筒的是氣體長時間關(guān)井地面壓力變化很明顯，此外，試圖通過節(jié)流放出部分液體會導(dǎo)致關(guān)井壓力進一步升高。

MY-2井位于準噶爾盆地西部隆起烏夏斷裂帶，緊鄰中央坳陷瑪湖凹陷。鉆探目的為探索堿湖中心區(qū)巨厚云質(zhì)、（粉）砂質(zhì)泥頁巖區(qū)頁巖油新類型，進一步落實盆地堿湖頁巖油勘探潛力，實現(xiàn)頁巖油資源有序接替。該井完鉆井深5050m。二開?311.2mm鉆頭鉆至井深3750m進入風(fēng)城組風(fēng)三段后中完，下入?244.5mm技術(shù)套管。三開井段采用F215.9mm鉆頭鉆進。針對風(fēng)城組裂縫發(fā)育易漏特征，結(jié)合前期已完鉆井采用液相欠平衡或注氮氣技術(shù)取得了較好的防漏效果，考慮到MY-2井風(fēng)城組地層坍塌壓力系數(shù)小于0.80，井壁穩(wěn)定，為減少井漏保障連續(xù)施工，MY-2井自三開采用1.15g/cm3鉆井液密度鉆進(設(shè)計起步密度1.35g/cm3)，根據(jù)實鉆逐步降低鉆井液密度最低至1.08g/cm3。然而，僅鉆進至三開上部3779～3806m井段就發(fā)生4次井漏，鉆井液密度1.15～1.11g/cm3，漏失鉆井液127m3，損失時間36h。后續(xù)鉆進過程中采取了高濃度并優(yōu)化堵漏劑級配集中堵漏、應(yīng)用隨鉆固結(jié)技術(shù)提高地層承壓能力、帶濃度5%～12%堵漏劑鉆進、調(diào)整鉆進排量等技術(shù)措施，4275～5050m井段漏速1～48.6m3/h至完鉆。MY-2井3779～3806m井漏及打完堵漏漿后停泵即出現(xiàn)井筒呼吸效應(yīng)現(xiàn)象。受基質(zhì)孔、次生溶孔和地層微裂縫欠充填影響，回流量小于漏失量。發(fā)生井筒呼吸效應(yīng)后井口返出量及返出速度迅速增加，返出速度可達到10L/s，之后逐漸減少至斷流。該區(qū)鄰井生產(chǎn)烴類相態(tài)主要為液態(tài)、產(chǎn)氣量小或不產(chǎn)氣。MY-2井自井漏后停泵到出現(xiàn)呼吸效應(yīng)以及井口返出速度與井筒內(nèi)發(fā)生地層流體侵入的表現(xiàn)明顯不同。前兩次漏失停泵后，采取關(guān)井措施、套壓0.5MPa，隨時間增長關(guān)井套壓未發(fā)生變化。節(jié)流放出約30L液體關(guān)井壓力降低、壓力不增高?，F(xiàn)場判斷為井筒呼吸效應(yīng)，循環(huán)后未見地層流體。針對MY-2井采取低密度鉆井液鉆進可能存在的井控風(fēng)險，三開井段鉆進前加裝了旋轉(zhuǎn)防噴器，提前安裝壓井硬管線，現(xiàn)場儲備密度為1.60g/cm3壓井重漿120m3，安裝液面監(jiān)測儀監(jiān)測井筒液面變化，同時，地質(zhì)研究及時分析對比巖性與鄰井的異同、定期提供了地層壓力研究成果指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)整鉆井液密度，通過應(yīng)用上述措施，保障了現(xiàn)場井控安全，實現(xiàn)了連續(xù)作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）正確識別井筒呼吸效應(yīng)與溢流對風(fēng)城組裂縫發(fā)育地層安全鉆進至關(guān)重要，可減少現(xiàn)場技術(shù)措施失當。

（2）風(fēng)城組地層具有高壓低滲特征，采用液相欠平衡技術(shù)鉆進可以滿足現(xiàn)場井控要求。