多压力系统中钻井安全作业密度的确定和应用——以四川盆地五探1井Ø333.38 mm井眼钻井为例

郑述权 罗良仪 陈正云 巫道富 付华才 钟广荣 黄春华 罗玉宏

1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司 2.中国石油西南油气田公司勘探事业部

0 引言

随着普光、龙岗和元坝等深层海相气田的被发现[1-3]，特别是川中古隆起下寒武统龙王庙组特大型整装气藏的被发现，大型古隆起成为四川盆地重要的勘探目标和方向[4-5]。

川东地区达州—开江古隆起区具备良好的油气成藏条件，中国石油天然气股份有限公司在该区部署了1口勘探新领域的风险探井——五探1井，该井设计井深7 570 m，实钻井深8 060 m，采用非标六开钻头尺寸（Ø660.4 mm×Ø444.5 mm×Ø333.38 mm×Ø241.3 mm×Ø190.7 m×Ø135.5 m），其中三开用Ø333.38 mm钻头从三叠系嘉二3层中部井深3 550 m钻至韩家店上部井深5 331 m，进尺约1 800 m，笔者依据对四川盆地东部石炭系气藏已有的钻井资料分析，以预测压力剖面为依据，通过确定和调控穿越三叠系、二叠系、石炭系和志留系多压力系统地层安全作业密度与性能，顺利钻过该井眼段，为四开乃至全井的安全钻进创造条件。

1 工程技术难点分析及处理技术手段

1.1 工程技术难点分析

五探1井三开用Ø333.38 mm钻头从嘉二3亚段中部井深3 550 m钻至韩家店上部井深5 331 m，穿越三叠系、二叠系、石炭系和志留系多压力系统地层。分析邻井资料发现有如下突出问题：①多层段有气显示，压力系数差异大。邻井七里50井嘉二3亚段1.33 g/cm3井涌，茅二段1.73 g/cm3井涌，黄龙组1.21 g/cm3后效气侵。五科1井飞仙关组、茅二段、栖一段均有程度不同的气显示。②多层段井漏，漏失性质各异。邻井七里50井，在龙潭组1.73 g/cm3发生井漏，茅二段1.81 g/cm3井漏失返，栖一段1.85 g/cm3井漏。③存在多个垮塌、缩径层段。嘉二段的石膏易蠕变缩径；龙潭组、梁山组的页岩、铝土质泥岩易缩径和垮塌；韩家店泥岩地层易井塌和缩径；原川东地区开发石炭系的井，都是用Ø215.9 mm钻头从嘉二3亚段钻至石炭系顶部，本井使用Ø333.38 mm钻头穿过石炭系并进入志留系120 m，井眼加长、增大，井壁稳定性更差[6-7]。④井眼容积大，加大了处理复杂的难度和风险。

1.2 处理技术手段

本井段压力系统复杂，喷、漏、塌、缩径的地层共存，为确保钻井施工的正常进行，首先要保证井控安全；其次要保持井眼畅通，包括不垮塌、不缩径。满足该两项要求的密度就是笔者提出的安全作业密度，这是井眼钻成的最基本保证。井漏、厚泥饼可采取其他工程措施解决。

1.2.1 井漏处理

在漏速可接受条件下，继续钻进并加入随钻堵漏剂。漏速不可接受时进行专门堵漏，直到恢复钻进作业[8-9]。本井石炭系黄龙组压力系数最低，最可能井漏。

1.2.2 厚泥饼处理

优化钻井液泥饼质量；使用好固控设备，降低钻井液中的有害固含；简化钻具组合，减少钻具与井壁的接触面积；强化操作，减少钻具在危险井段的静止时间。本井嘉陵江组、飞仙关组和黄龙组段可能出现。

1.2.3 井塌处理

控制钻井液滤失量，降低吸水和渗透作用；优化泥饼质量，巩固井壁；发现垮塌立即停钻循环划眼，破除掉入井筒的岩石并携带到地面。本井龙潭组和韩家店可能出现。

1.2.4 缩径处理

控制钻井液滤失量，减少吸水膨胀量；勤划眼，及时清除形变。本井嘉二段和韩家店组可能出现。

采取上述措施后，仍然不能有效克服，则考虑改变井身结构。

2 安全作业密度的确定方法与效果

安全作业密度是井控安全密度、缩径抑制密度和垮塌抑制密度三者中的最高值。安全作业密度高于漏失密度则会井漏，必须堵漏提高承压能力，以满足继续作业的需求。安全作业密度高于厚泥饼临界密度会产生厚泥饼，须采取其他工程技术措施来解决。而对于井眼垮塌、缩径，安全作业密度不能只考虑压力因素，还要从钻井液性能调整进行控制，所以，在安全作业密度下，井漏、厚泥饼难以避免，井塌、缩径仍有可能出现。

2.1 安全作业密度确定方法

2.1.1 井控安全密度

井控安全密度是全裸眼段施工中保证井控安全的最低密度。通常采用短起下钻测气窜速度的方法或者静止一段时间来实际验证[10]。

对一般油气层，发生溢流后，根据求得的地层压力和需要的安全附加密度确定，并进行短起下钻验证。

对窄压力窗口的敏感性压力地层，目前普遍采用精细控压钻井[11-14]，用略低于地层压力的钻井液密度来控压钻进和起钻至套管鞋，然后打加重钻井液盖帽、在漏失状态下起下钻[15-18]。这种情况的井控安全密度按敞井安全起下钻的当量密度确定。

对高压低产层，虽然压力高，但单位时间内侵入量小，发生溢流后关井，短时间内无法求取到准确的地层压力，压井中通过多个循环周上提密度仍然不能消除气侵[19]。以停泵不外溢、开井循环不溢流为“压稳”的直观判断。有的井停泵一段时间后线流外溢，流量不增大，持续或断续几十小时外溢总量很少。通过短起下钻或静止一个起下钻周期测气窜速度来检验是否安全。被验证为可以实现安全作业的密度即为井控安全密度。

高压低产层还有个显著特点，随着打开时间的增长，近井壁地层能量的释放，气侵程度逐渐减弱，井控安全密度也随之下降。

在同一裸眼段有多个不同压力系数油气层的井，井控安全密度按最高值确定。

2.1.2 垮塌抑制密度

因为井筒液柱压力低，使得井壁围岩的应力超过岩石本身的强度而造成井塌，阻碍正常钻井的进行。地层所需的液柱支撑力通常是未知，只有在钻井过程中加强监控，发现垮塌即提密度抑制，直到垮塌现象消失，此密度即为该层段的垮塌抑制密度。若同一裸眼段有多个层位的垮塌抑制密度，则取最高值。

2.1.3 缩径抑制密度

塑性地层因为井筒支撑力不能阻止岩石形变而发生缩径。阻止岩石形变需要的支撑力通常也是未知的，需要在钻井过程中随时监视，发现有缩径，立即提密度抑制，直到井眼畅通。这个井眼畅通的最低密度就是该层段的缩径抑制密度。若同一裸眼段有多个层位的缩径抑制密度，则取最高值。

2.1.4 漏失密度

井漏后，根据探得的静液面，计算漏失压力，折算当量密度即为漏失密度。当出现两个或多个油气水层，高压层井控安全密度高于低压层的漏失密度时，低压层按漏层考虑。

2.1.5 厚泥饼临界密度

厚泥饼产生的前提是井筒有压差，适度控制井筒压差，有利于厚泥饼的消除[20]。不产生厚泥饼的最大压差为厚泥饼临界压差，对应的密度为厚泥饼临界密度。若同一裸眼段有多个层位的厚泥饼临界密度，则取最小值。

2.2 安全作业密度的应用情况

五探1井三开井段安全作业密度的探索分为两个阶段，第一阶段为茅口组井漏前，第二阶段为茅口组井漏后。为便于分析，先列出五探1井三开实钻地质分层数据，如表1所示。

表1 实钻地层分层数据表

2.2.1 第一阶段安全作业密度的确定

嘉二段缩径抑制密度：用密度1.50 g/cm3钻井液钻至嘉二段井深3 643 m短起下钻，在井段3 572.79～3 641.62 m不畅通。判断为石膏层缩径。通过划眼、加重钻井液到1.65 g/cm3恢复正常。确定嘉二段的缩径抑制密度为1.65 g/cm3。

飞仙关组井控安全密度：用密度1.65 g/cm3钻井液钻进至井深4 058.51 m发现气测异常，继续钻进148分钟至井深4 066.72 m，发现液面上涨0.8 m3，全烃3.6↑92.7%。关井30 min套压0.1↑0.68 MPa，立压0 MPa。通过三个循环周压井，逐渐提密度至1.81 g/cm3恢复钻进，并经短程起下钻验证为井控安全密度。

从显示层位、岩性、钻时、发生溢流及压井过程分析，飞仙关组为典型高压低产层。后续钻进中逐渐降密度至1.78 g/cm3并被验证为井控安全密度，直至茅口组发生井漏。

嘉一段至飞仙关组层段厚泥饼临界密度：用密度1.65 g/cm3钻井液在嘉一段钻进无异常。飞仙关组用密度1.81 g/cm3压井后起下钻，在3 602～4 542 m井段（嘉一段至飞仙关组）内13个小段发生阻卡。判断为厚泥饼。后续钻进中降密度至1.78 g/cm3，井眼畅通。确定嘉一段至飞仙关组的厚泥饼临界密度为1.78 g/cm3。

采用1.78 g/cm3的密度既满足井控安全的需要，也能抑制缩径，更没有发生垮塌，被确认为这个阶段的安全作业密度，同时该密度还能抑制厚泥饼。

用密度1.78 g/cm3的钻井液安全钻完飞仙关组、长兴组、龙潭组。

2.2.2 第一阶段安全作业密度下出现的问题及处理

用密度1.78 g/cm3的钻井液钻进茅口组5 m至井深4 829.17 m发现井漏，漏速18 m3/h。原钻具5次堵漏无效，逐次增加堵漏浆浓度和数量，堵漏中漏速变为失返，同时有天然气侵入井筒。判断为较大裂缝产层；进入井筒的气以茅口组为主；探得静液面井深800 m。

按静液面计算，茅口组的漏失密度为1.49 g/cm3，此时作用于飞仙关组的当量密度为1.43 g/cm3。与之前的安全作业密度1.78 g/cm3相比发生了很大变化。必须简化钻具组合进一步堵漏，求取新的安全作业密度。

下Ø139.7 mm光钻杆至井深4 602.79 m后发现溢流。在堵漏压井准备期间，进行间断反推、置换及正循环堵漏压井共5次，最后套压12.76 MPa，立压0 MPa。准备充分后，全井筒反推压井一次成功。分别在井深3 901 m和3 511 m各打水泥100 t，堵漏成功。

2.2.3 第二阶段安全作业密度的确定

从塞面井深3 607 m钻塞至4 743 m，钻井液密度从1.78 g/cm3降至1.65 g/cm3，经短起下钻验证，符合安全起下钻条件，获得飞仙关组井控安全密度一个参考值。

继续下调密度至1.60 g/cm3钻塞至井底完，井不漏，有气侵。

用1.60 g/cm3密度钻进，在井段4 829.17～4 845.68 m井漏，堵漏成功，井眼畅通，经短起下钻验证符合安全起下钻条件。探明了飞仙关组井控安全密度又一个参考值。该密度比原探明的嘉二段缩径抑制密度低0.05，没有发生阻卡，可认为该密度为第二阶段的缩径抑制密度。

用密度1.55 g/cm3钻井液钻进10 h至井深4 855.05 m，井下不漏，发现龙潭组垮塌，逐渐提密度至1.65 g/cm3，井下恢复正常。龙潭组的垮塌抑制密度被证实为1.65 g/cm3。

茅口组井漏时作用于飞仙关组的当量密度为1.43 g/cm3，用1.55 g/cm3的密度钻进10 h没发生溢流，但是未被验证为飞仙关组的井控安全密度，也没有证实嘉二段是否缩径。

至此，飞仙关组的最低井控安全密度被验证为1.60 g/cm3，龙潭组的垮塌抑制密度为1.65 g/cm3，嘉二段的缩径抑制密度为1.60 g/cm3，所以第二阶段安全作业密度即取1.65 g/cm3。该密度小于嘉一段至飞仙关组的厚泥饼临界密度1.78 g/cm3，不会产生厚泥饼；该密度高于茅口组漏失密度，茅口组以下地层漏失密度未知，有发生井漏的可能。

2.2.4 二阶段安全作业密度下出现的问题及处理

茅口组至石炭系黄龙组地层间断性井漏。用1.65 g/cm3密度钻井液钻茅口组、栖霞组、黄龙组3个层位，6个井段发生井漏，根据不同的漏速，用不同的配方堵漏，安全穿越3个层位，进入韩家店组。

韩家店组垮塌及缩径。用1.65 g/cm3密度钻达固井井深5 331 m，已进韩家店组120 m，无异常。静止观察3 d后，下钻通井至井深5 263 m遇阻，正、倒划眼都困难，返出的岩屑中有泥岩掉块，通过处理钻井液和16 h划眼通井至井底，之后井眼通畅，电测、下套管都顺利。经测井证实为垮塌和缩径并存，如图1、2所示。

2.3 其他配套措施

简化钻具组合。在茅二段发生井漏后，去掉螺杆钻具和扶正器，使用塔式钻具＋Ø139.7 mm钻杆组合。

优化钻井液性能。根据井下情况的需要，及时调整处理钻井液性能，确保井下安全。

井漏液面不在井口时，坚持吊灌，确保液面在一定高度，防止溢流和井塌。

2.4 实施效果

应用安全作业密度的方法，及时分析研究各层段实际情况，获取了各层段的相关密度并及时确定了安全作业密度，同时配套其他工程技术措施，顺利完成了该井眼段钻探。经电测，最大井斜2.22°/4 500 m，在井深4 800 m处最大井径422 mm，平均井径349 mm，井眼扩大率5%，井身质量全优，下到位。

图1 韩家店组划眼扭矩曲线图

图2 韩家店测井井径曲线图（1 in = 25.4 mm, 1 ft = 0.304 8 m）

3 结论与建议

1）安全作业密度系统考虑了多压力系统共存的井眼安全问题，提出了5个相关密度的概念，阐明了各密度与安全作业密度的关系。

2)五探1井实施了在气显示活跃、缩径井段，选择井控安全密度、缩径抑制密度二者中高者为安全作业密度；在井漏、垮塌为主的井段，选择井控安全密度、垮塌抑制密度二者中高者为安全作业密度，再辅以堵漏和其他工程技术措施提高地层承压能力等技术措施,有力地保障了Ø333.38 mm井眼段的顺利完成。

3）把多压力系统设计为共存同一裸眼段，建议采用安全作业密度法进行论证，充分考虑井眼内各层压力关系，确定可能风险预防措施，合理设计井身结构，并预留一层备用套管。同时，施工中注意拾取各层位的相应密度，为下步技术决策和进一步优化设计提供依据。

4）复杂井段作业要简化钻具组合，钻井液性能要优化，处理复杂要合理选择钻具的下入位置。