地层流体入侵过程分析及控制

周 帆

（中石化西北油田分公司工程监督中心外围项目监督部，新疆轮台841600）

地层流体入侵过程分析及控制

周 帆*

（中石化西北油田分公司工程监督中心外围项目监督部，新疆轮台841600）

钻井过程是油气勘探开发的重要环节，钻井过程的好坏直接影响到油气田的开发效益；而井喷是危害最大的钻井事故，最可能造成重大的经济损失和人员伤亡。井喷最早期的征兆就是地层流体入侵，这种入侵地层的流体包括油、气、水。当这些流体入侵井筒后，会产生一系列的反映：溢流、井涌、井喷乃至井喷失控。因此越早发现地层流体的入侵并及时采取措施，成功遏制井喷发生的可能性就越大。通过介绍地层流体入侵的过程和现象，从而探讨如何去及时发现和控制事故的恶性发展。

塔河油田；地层流体入侵；溢流压井

1 流体入侵井筒的过程和基本原理

1.1 地层流体入侵的过程

地层流体侵入井内的根本机理是地层孔隙压力大于钻井液柱的有效压力，造成负压差，在负压差作用下地层流体就能侵入井内。因此只要在渗透性好的地层中有流体存在，不论其压力高低，只要它的压力高于钻井液液柱压力，就有可能产生井侵。由于井侵的发生，使环空液柱压力越来越低，势必导致地层流体入侵进一步演变。如果演变过程未能及时发现并采取措施，就会使钻井液连续或间断喷出，进一步发展成井涌。而无控制的井涌会使钻井液或地层流体的喷出加剧，会进一步发展成井喷甚至井喷失控。地层流体入侵后的一系列演变过程见图1。

图1 地层流体入侵后演变过程

1.2 地层流体入侵的主要机理

综合近年来发生过的溢流和井喷的情况分析得出，引起井侵的主要机理可以归纳于以下几点（图2）：

（1）地层压力预测不准确。这是新探区和开发井调整井时常遇到的情况，特别是裂缝性碳酸岩地层和其他硬地层压力更难准确掌握。由于地层压力掌握不够准确，容易导致选择的井液密度过低和井控措施不到位，造成井侵；

（2）设计钻井液密度偏低，不能平衡地层压力；

（3）钻遇异常高压地层，地层超压驱动地层流体进入井筒中形成井侵；

（4）钻井易漏地层发生井漏，钻井液补充不及时使井筒液面下降，从而降低井内液柱压力；

（5）在井底压力近平衡状态下停止循环时，作用于井底的环空压力耗消失，造成井底压力小于地层压力；

（6）起钻时引起钻抽汲作用使井底产生负压诱发地层流体侵入；

（7）下钻速度过快压漏地层，导致井筒钻井液液面下降，未按规定补充钻井液使井筒液面下降，导致井底压力小于地层孔隙压力。

图2 地层流体入侵的主要机理

从以上几点可以看出，造成地层流体入侵的原因可大致归结为两类，一类是地层原因导致、一类是人员操作不当导致。但不论是什么原因，最终都是反映出井内液柱压力小于地层压力而导致井侵的发生。

2 地层流体入侵后的表征现象

地层流体在侵入到井筒时一定会伴有相应的表征现象，比如说泥浆密度变小、气泡增多、油味增大等。正常钻进过程发生地层流体侵入时，就可以通过以下表征现象的异常变化情况来进行诊断。

地层流体侵入风险发生时主要的表征可归纳于以下几点：

（1）出口流量和钻井液池体积增大（由于流体侵入）；

（2）井口和槽面出现油、气、水显示（如油花、气泡、臭鸡蛋味、氯离子含量增加和气测全烃值增加）；

（3）钻井液性能参数变化：密度减小、温度升高（涌出物以油或水为主）或降低（涌出物为气）、电导率升高（涌出物以水为主）或降低（涌出物以油或气为主）、粘度升高或降低；

（4）钻速变快（憋跳、钻压放空）即钻时降低；

（5）立压、泵压变化，泵冲、泵速变化（由于油气水的侵入，环空压力下降，可使循环系统泵压下降）；

（6）钻柱悬重变化（钻开高压层时，井底压力增加，悬重要下降，油气水侵后，密度降低，悬重又会增加）；

（7）井下温度变化：气侵温度下降，油水侵温度增加。

这些表征现象在塔河油田的主体区块具有一定的代表性，在钻进过程中都能通过以上现象去判断地层流体的入侵与否，其中（1）、（2）为充分条件，（3）、（4）、（5）、（6）、（7）为重要条件。

3 国内目前针对流体入侵进行检测的现状

目前在钻井过程中检测地层流体入侵的工作主要是由地质录井队来承担的，这些工作都由综合录井仪器来进行。但是由于井位的地区差异性和仪器的误差性，一般情况下很难及时准确地判断出地层流体的入侵，相反很多时候都是在地层流体入侵至井眼，甚至外溢至井口的时候才被检测和发现，而此时已经错过了最佳处理时间。也正因为如此，目前国内大部分的油田对地层流体入侵进行检测都是在发现溢流后才能较为直观地检测到。更多的时候都是在仪器检测的同时结合现场操作人员的经验去发现井下的复杂情况，比如司钻对钻进参数变化的敏感发现、泥浆坐岗工对泥浆变化的及时发现等等。但值得一提的是，在当前现状下除了气侵引起的溢流之外，因油侵或是水侵导致的溢流如果能被及时发现，还是能有效地控制住井喷的进一步发展。因为气侵的速度很快，一旦发现溢流如果不能做到迅速关井，那么很快就会演变成井喷乃至井喷失控，同时关井后的立套压会很高，为后期压井工作带很许多不便；而油侵和水侵则不然，这种情况下的溢流有一定的时间去处理，虽然时间可能会很短，但是从大量的现场实例来看如果能做到及时关井是能比较有效控制住井喷发生的。

例如YJ1-1X井，该井于2013年4月25日2:00使用149.2mm钻头四开，4月25日20:00稳斜钻进至7264.30m进行接单根作业时发生溢流，20:10关井，溢流0.8m3。20:10～21:00关井观察，套压：0↗2.7MPa、立压：0↗2.7MPa。从事情的经过可以看出从发现溢流到关井，有一个时间段可以给现场施工人员去分析判断并采取措施的。

以上所提到的检测方法都是采取地面监测方式，从发生流体入侵到被发现，时间上会有一定滞后。国外针对流体入侵早期检测方法有声波气侵检测技术、贝叶斯模型预测技术和随钻进下压力测量技术[4]。其中，贝叶斯模型预测技术对流体入侵预测的准确性高，它能自动判断干扰，灵敏度高；随钻井下压力测量技术可以实时测量环空压力，同时应用水力学模型可以精确地监测环空水力情况，实现流体入侵及时准确地监测。值得一提的是这两种技术在国外很多油田都得到成功应用，它们都能较准确的及时检测到流体的入侵。

4 流体入侵的控制

前面提到目前国内大部分油田采用的流体入侵检测方法都是地面监测方式，这种方法从流体入侵到被发现有一定的时间滞后，只能是在流体入侵至井筒后反映到地面上才能检测到。因此控制流体的入侵就显得尤为重要，及时地控制入侵进一步恶化就弥补了发现不及时带来的弊端。而当前控制流体入侵恶性发展最直接有效的办法就是及时关井，然后再实施压井，最终平衡地层压力。

所谓关井，就是采用井口的防喷器组合对井眼实施控制。塔河工区目前采用的井口防喷器组合多为70MPa压力级别的，常用的防喷器有环形和闸板两种类型，配合压井和节流管汇一起使用，最终实现对井内流体的控制。关井有“硬关井”和“软关井”两种方式：硬关井就是在发生溢流或井喷之后, 在防喷器和四通的旁侧通道全部关闭的情况下关闭防喷器。由于液流通道的突然关闭,使液流速度急剧变化,将会引起系统中液体动量的迅速变化, 其动能几乎全部转化为压力能,产生水击现象,使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加,有可能超出允许压力,导致发生其它问题；软关井就是在发生溢流或井喷时,在节流阀通道开启而其它旁侧通道关闭的情况下关闭防喷器,然后再关节流阀。两种关井方式各有优缺点，前者关井速度快、但是容易产生水击效应，这样对井口设备的损害比较大；后者对井口设备的损害较小，但是关井速度相对慢。无论是何种关井，都有一个最大允许关井套压，这个压力的大小由3个因素（井口设备的额定工作压力、地层破裂压力、套管强度）共同确定。

关井之后要加密监测立套压的变化，为了防止压力增速过快，有时需要采取节流循环和放喷的方式泄掉部分压力。待压力平稳后，根据稳定的立套压数据测算出地层压力，从而计算出需要多大密度的重浆来平衡它。目前工区内井发生溢流关井后立套压均不为零，这就说明地层压力大于井内的钻井液液柱压力,在这种情况下,必须提高钻井液密度压井。压井方式一般采用节流压井和平推压井，两种压井方式根据溢流情况不同而定。节流循环压井的前提是要能建立循环，节流循环压井是通过控制节流阀开度的大小来控制套压，保证在循环过程中套压稳定在一定的范围内。平推压井适用于在溢流的同时还存在着漏失，无法建立井内循环的情况下，平推压井分为正推和反推。两种压井方法的本质均是用重浆置换出井内的泥浆，最终平衡地层压力，让立套压降为零。压井成功后开井观察是否还有溢流现象，若有溢流现象，则再次关井，重新组织下一次压井施工[1-2]。

4.1 流体入侵控制实例分析和总结

4.1.1 跃进1-1X井溢流压井情况分析

YJ1-1X井于2013年4月25日02:00四开钻进，20: 00钻进至井深7264.30m（层位O2yj，进入一间房组30.30m，）准备接单根，20:05井队在接单根的过程中，突然发现泥浆槽面出口处有溢流现象，井队立即关井观察（立压0↑2.3↑2.7MPa、套压0↑2.3↑2.7MPa）。后井队开始实施节流循环压井，本井段使用泥浆密度为1.17g/cm3，根据关井立压计算地层当量钻井液密度为1.21g/cm3。为保证井控安全，迅速建立井内平衡，井队使用密度1.21～1.22g/cm3泥浆进行一次循环法压井。21:00调整密度后，始终保持入口密度1.21～1.22g/cm3进行节流循环压井，压井排量23.4m3/h；通过节流管汇手动节流阀控制套压，保证了井内压力略大于地层压力，核实泵入压井液量与返出泥浆量是否一致，以判定是否存在漏失，最终确保了压井一次成功。

该井发生溢流后，关井时立管压力和套管压力均不为零,因此井队根据立套压值计算后，采用了比井浆密度高0.05g/cm3的压井液进行压井。由于该井关井后立套压不高，而且没有漏失现象，采用节流循环压井排出井内受污染的泥浆和气体，加密测量进出口泥浆密度，达到动态平衡就能很有效地控制溢流。在节流循环的同时勤核对实际泵入的压井液量和返出的泥浆量是否一致，保持泵入的压井液量略大于返出泥浆量，观察压井过程中是否存在漏失，如发生漏失可降低压井排量或调整井口回压，确保压井一次成功。

4.1.2 跃进3井溢流压井情况分析

YJ3井于6月6日19：01钻进至7197.51m，发生放空，并井口失返。19:30下放钻具探底，至井深7203.88m（放空井段：7197.00～7203.88m）,随后于6月7日01:35强钻至7207.66m时发生放空，并高架槽有泥浆流出，停泵高架槽不断流，总池体积92.88↗97.57m3，发生溢流。随即立即关井，观察立压3.5MPa，套压1.8MPa，先后3次开节流阀观察发现，井口返出泥浆气侵严重，含有大量气泡。至6月7日09：00，立压6.3MPa，套压7.8MPa。之后开始组织压井，每次压井均采用平推法，压井液密度都比前一次压井液提高0.02～0.05g/cm3，待立套压为0时开井起钻，最终分5次起完井眼内钻具，转入完井测试。

该井发生溢流，考虑到溢流伴随着较大的气侵，由于井内还有大量钻具，为了避免反复压井，同时争取较多的安全时间进行起钻作业，采取平推法压井是可行性较强的方法。每次压井至立套压为零后，由于高密度液柱压力的作用，致使用井内泥浆无法外溢，利用这段安全时间可以进行起钻作业。但由于气侵的不断发生，会导致井筒内液体置换，同时导致液柱的密度降低。一旦液柱压力不能平衡地层压力，就开始有液体入侵，因此需要再次关井，然后组织压井。

4.1.3 跃进2-3井溢流压井情况分析

YJ2-3井于6月10日四开第二次取芯钻进至井深7091.73m时，发生溢流，立即割芯关井，套压30.5MPa，立压23.3MPa，钻井泥浆密度为1.17g/cm3。6月11日1:00用1.42g/cm3进行第一次压井，12:00压井完毕，然后控制套压节流循环排污，但环空泥浆气侵严重，随即关井，套压从6.2MPa逐渐上升9.3MPa，立压从7MPa逐渐上升9.7MPa。12日3:30用密度1.45g/cm3的泥浆进行了第二次压井，11:30压井完再控制回压进行循环排污，环空泥浆仍然气侵严重，出口泥浆密度在1.30g/cm3左右，14:00停止节流循环，打开节流阀，出口不断流，继续关井（中途泄压），立压从3MPa上升到4.5MPa，套压从1.5MPa上升到2.7MPa。13日零点，提高钻井液密度至1.48g/cm3节流循环压井，压井完后停泵观察，立压回零，套压1.2MPa，打开节流阀，出口有细流，流量2m3/h，开井循环，测得在5min内溢流有0.3m3，立即停泵，高架槽有溢流，关井，立压4MPa，套压8MPa。6月15日用1.55g/cm3的泥浆压井，16日零点节流压井完毕，入口泥浆密度1.53～1.55g/cm3，出口泥浆1.53g/cm3，进出口泥浆密度基本一致，但液气分离器仍见火焰，高约0.5～1m。敞开节流阀循环，液面下降很快，泥浆漏失严重，循环排量24m3/h，漏速18.45m3/h，11:45停泵开井观察，11:50井口出现溢流，关井，立压为零，套压1.5MPa。随后井队采取平推法压井，最终起完井内取芯钻具转入完井测试。

该井流溢后随即关井，关井后套压高达30.5MPa,说明溢流中伴随着严重的气侵。根据录井综合仪的记录，发现在关井前40min就有全烃值的显示，而且上升变化值较大，但是录井队和钻井队均未发现并未及时采取措施，导致气体滑脱到井口急剧膨胀。关井不及时是导致关井后立套压高的原因，也为后期压井带来了较大的困难（由于立套压过高，超出了钻井泵的额定工作压力，只能组织水泥车进行压井）。若关井再延迟一段时间，势必造成井喷发生。井队在关井后，先采用节流循环压井，通过循环排出入侵井浆的轻质原油和天然气。根据前几次节流循环压井情况，可以分析出1.55g/cm3的泥浆密度基本能够平衡地层压力，但同时这种密度的泥浆造成地层漏失严重，井下存在喷漏同层，重泥浆与地层烃类气体发生置换，导致泥浆不停漏失，气体不断溢出，井口不断外溢，无法继续施工。这种情况下只能采取平推法压井，用重浆进行全井置换，将井内被污染的泥浆全部压入地层，建立新的平衡。

4.2 压井经验总结

总结3口井的溢流发生以及处理情况，得出以下结论：①发现有溢流显示要第一时间采取关井措施，即做到疑似溢流立即关井。②关井后，要认真仔细求取立套压，准确计算地层压力，为压井提供详实、可靠的基础数据。③在压井过程中要尽快做好压井液的配制，避免压井液密度不均匀，影响压井时对井内压力控制不准。④压井多采用节流循环压井和平推的压井的方式，若井口压力过大，可采取节流循环先卸压。在节流循环压井的同时要监测好进出口泥浆量的大小，做到及时发现是否有井漏发生。⑤在溢流过程中伴随漏失的情况下，建议采用平推压井方法[3]。⑥以上3口井均位于跃进区块，由于跃进区块是新开辟区块，3口井发生溢流时钻进用的泥浆密度均为1.17g/cm3，可能存在地层压力预测不准确的原因，因此建议在该区块油气层钻进可以考虑提高钻井液密度。

5 减轻流体入侵造成危害的一些建议

钻井过程中，地层流体入侵井筒的情况随时都可能发生。我们只有了解为什么会发现这种现象并做好预防工作才能避免事态进一步恶化。减轻流体入侵带来的危害可以从2个大的方面去阐述：①及时地发现和检测出流体入侵；②如果未能及时发现，那么就做到及时地遏制入侵的恶性发展。对应这2种情况，总结几条建议供参考：

（1）认真搜集邻井资料，准确预计高压地层。加强钻井参数的监控和人员坐岗，配合使用好综合录井仪器；

（2）采用国外比较先进的溢流早期检测方法：贝叶斯模型预测技术和随钻进下压力测量技术对地层流体入侵进行前期检测；

（3）平时加强井控演习的预演，确保工人能熟练地掌握不同工况下的关井程序，做到最短时间内有效地控制井口；

（4）关井后认真求取立套压，准确计算地层压力，为压井提供详实、可靠的基础数据。

（5）伴随漏失的溢流，建议采取平推压井法进行压井。

[1]张桂林.清溪1井溢流压井分析[J].石油钻探技术，2009（6）.

[2]汪光太,高魁旭,吴虹.钻井井控压井方法应急决策探讨[J].石油工业技术监督，2012（10）.

[3]雷宗明,李强.直推法压井技术[J].天然气工业，2000（3）.

[4]卓鲁斌,葛云华,汪海阁.深水钻井早期井涌检测方法及其未来趋势[J].石油钻采工艺，2009（2）.

[5]郝俊芳,唐林,伍贤柱.反循环压井方法[J].西南石油学院学报，1995（2）.

TE21

A

1004-5716（2015）03-0061-04

2014-09-05

周帆（1987-），男（汉族），湖北武汉人，助理工程师，现从事钻井现场管理工作。