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YD油田瀝青層安全鉆井技術

文檔作者：江朝，郭京華，王子進，黃在福，王學杰文檔來源：中國石化國際石油勘探開發有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年09月23日
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上一篇：油田采油生產數據庫的安全管理

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第43卷第3期
2015年5月
石 油 鉆 探 技 術
PETR0LEUM DRILLING TECHNIQUES
Vo1．43 NO．3
M ay，2015
．．YD油田工程技術專題 doi：10．11911／syztjs．201503002
YD油田瀝青層安全鉆井技術
江 朝，郭京華，王子進，黃在福，王學杰
(中國石化國際石油勘探開發有限公司，北京100029)
摘 要：在YD油田鉆穿瀝青層的過程中，易出現瀝青侵入導致的溢流、井涌等井下故障，極太影響了鉆井安
全，為此，開展了YD油田瀝青層安全鉆井技術研究。根據已鉆井的瀝青侵入特點、瀝青所造成的井下故障及采取
的主要技術措施，將鉆遇瀝青層的井分為4類。對YD油田鉆遇瀝青層時所采用技術及采取的技術措施進行了總
結，并結合鉆遇瀝青層井的分類，提出應根據瀝青侵入的特征及程度，采用相應的安全鉆井技術并采取相應的技術
措施。YD油田的鉆井實踐表明，針對不同類型的瀝青侵入情況采用相應的鉆井技術和技術措施，可以解決YD油
田瀝青層安全鉆井的技術難點。
關鍵詞：瀝青層瀝青侵入井溢流壓井側鉆控壓鉆井YD油田
中圖分類號：TE28 3 文獻標志碼：A 文章編號：1001～0890(2015)03—0007～06
Discussion on Safe Drilling Technologies for the Asphalt
Layer in the YD Oilfield
Jiang Zhao，Guo Jinghua，Wang Zijin，Huang Zaifu，Wang Xuejie
(Sinopec International Petroleum E3cploration and Production Corporation，Beijing，100029，China)
Abstract：During drilling through asphalt layer in the Yada Oilfield，asphalt invasion posed a lot of
down-hole issues such as mud contamination，well kick and mud loss coexistence，bringing tremendous
challenges in operation．In order to solve those problems，studies were conducted on safe drilling technolo—
gies for the asphalt layer in the YD Oilfield．Depending on asphalt invasion characteristics，induced downhole
issues and major techniques and measures taken，the wells were divided into 4 classes．The techniques
and measures applied in drilling through asphalt layer in the YD Oilfield were summarized．For each of the
4 classes of wells，it is proposed to employ specific drilling techniques and measures depending on the char—
acteristics and extent of asphalt invasion．The drilling practices in the YD Oilfield demonstrated that speci—
fied drilling techniques and measures should be implemented depending on types of asphalt invasion in or—
der to effectively ensure the safe drilling through asphalt layer in the YD Oilfield．
Key words：asphalt layer；asphalt invasion；well overflow ；killing well；sidetracking；managed pres—
sure drilling；YD Oilfield
YD油田輕質油的主力產層Fahliyan層具有
埋藏深、地層壓力和溫度高、地層水礦化度高、富
含硫化氫和二氧化碳等特點，鉆井過程中井下問
題復雜多樣，特別是在鉆穿含瀝青的Kazhdumi地
層時，由于瀝青侵入、氣侵、地層漏失等原因導致
井下故障頻發，給鉆井施工安全帶來了極大的挑
戰。國內外關于如何解決瀝青侵入導致鉆井困難
和瀝青侵入機理研究的文獻甚少，可借鑒的經驗
或研究成果較少 卜 。
針對YD油田鉆井過程中存在的瀝青層鉆井技
術難點，筆者在分析瀝青侵入機理的基礎上，總結了
YD油田瀝青層鉆井過程中所采取的技術措施和方
法，并針對不同的瀝青侵入特征，提出了相對應的瀝
收稿日期：2015-02—20；改回日期：2015-05—04。
作者簡介：江朝(1983 )，男，湖北孝昌人，2006年畢業于西南
石油大學石油工程專業，2009年獲中國石油大學(北京)油氣井工程
專業碩士學位，工程師，主要從事鉆井技術及管理工作。
聯系方式：(O1O)69165367，zjiang．sipc@ sinopec．coin。
· 8 · 石 油 鉆 探 技 術
青層安全鉆井技術，以期為YD油田后期開發過程
中的瀝青層安全鉆井提供借鑒和指導。
1 瀝青層地質特征
1．1 地層特征
Kazhdumi層埋藏深度3 400．00 m左右。鉆時
差異及測井解釋結果表明，Kazhdumi層是一個封
閉性較好且非均質性較強的地層。YD油田油井實
鉆資料發現，Kazhdum]層部分區域鉆遇干質瀝青，
其他區域以濕質瀝青呈現。其中，濕質瀝青分為流
動性好、流動性差及黏稠狀的瀝青。Kazhdumi層
富含瀝青質，是一個較好的烴源巖地層；同時，由于
其微裂隙發育和封閉性能良好，屬于生儲蓋同層。
1．2 巖性特征
Kazhdumi層以灰色石灰巖、泥質灰巖為主，部
分層段含有深色瀝青。巖屑錄井顯示Kazhdumi層
微裂隙發育。鉆遇干質瀝青的井，巖屑錄井顯示瀝
青與石灰巖已較好地融合一起，形成類似于泥質灰
巖的瀝青質灰巖。
1．3 地層孔隙壓力
不同井間瀝青層的孔隙壓力差異較大。F09井
SFT測井數據顯示，瀝青層孔隙壓力的當量密度為
1．191和1．318 kg／L；F15井SFT測井數據顯示，
瀝青層孔隙壓力的當量密度平均為1．266 kg／I ；
WD2井DST測試資料顯示，瀝青層的孔隙壓力當
量密度為1．45～1．60 kg／L。利用YD油田已完鉆
井的關井資料反算，瀝青層的孔隙壓力當量密度為
1．30～1．65 kg／I 。
1．4 地層溫度
通過測試回歸，求得YD油田的平均地溫梯度
約為2．89~C／m，據此預測瀝青層的溫度為110～
120℃ 。
1．5 瀝青性質
各井鉆遇瀝青的特性存在較大的差異性。F19
井鉆遇的瀝青黏稠、流動性差、能夠黏附在鉆具及振
動篩的篩布上；APP2井和F21井鉆遇的瀝青流動
性好，黏性較小，不會黏附在鉆具及篩布上；F13井
鉆遇的瀝青質軟、黏稠，水浴加熱至98℃ 時融化分
散；其他井鉆遇瀝青的特性介于F19井和APP2井
之間；F4井和F14井鉆遇的瀝青硬脆，斷口光亮，沒
有流動性，水浴加熱至98℃仍保持原來的形狀。從
地質沉積上看，瀝青的不同特性反映了其生成后經
歷過不同的環境，硬質和黏稠的瀝青很可能由于接
觸空氣氧化而導致，流動性能較好的瀝青很可能未
受到氧化。
圖1為50 MPa壓力下YD油田瀝青的黏溫曲
線，圖2為不同溫度下YD油田瀝青的黏壓曲線。
圖1 50Mea下YD油田瀝青的黏溫曲線
Fig．1 Viscosity vs． temperature cllrve of the asphalt
in the YD Oilfield under pressure of 50 1VIPa
O 12
O 10
O O8
日
0．06
椽0 O4
0．02
0 20 4O 60
壓力／Ml'a
圖2 不同溫度下YD油田瀝青的黏壓曲線
Fig．2 Viscosity VS． pressure curves of the asphalt in
the YD oilfidd un der different temperatures
由圖1和圖2可知：YD油田瀝青的黏度受溫
度影響較大，壓力同樣對瀝青的黏度有影響；溫度越
低，壓力越高，瀝青的黏度越高；測定溫度范圍內，溫
度越低，黏度越高，受壓力影響的程度也越大。
2 鉆遇瀝青層油井的分類
Fahliyan層是YD油田的目的層之一，以Fahl—
iyan層為目的層生產井的典型井身結構為：一開，
第43卷第3期 江朝等．YD油田瀝青層安全鉆井技術 ·9·
4444．5 mm鉆頭×300．O0 m，4339．7 mm表層套管
×298．00 m；二開，4311．1 mm鉆頭×1 560．00 m，
4244．5 mm技術套管× 1 558．00 m；三開，
4712．7 mm鉆頭×4 000．00 m，聲177．8 mm技術套
管×1 410．00～3 998．00 m；四開，4149．2 mm鉆頭
x 4 500．00 m，4114．3 rnIYl技術套管×3 850．00～
4 498．00 m。實鉆資料顯示，只有以Fahliyan層為目
的層的生產井需要鉆穿含瀝青的Kazhdumi層。因
此，為了便于歸納分析和對比由于瀝青侵入導致的
井下故障，根據各自的特點，將以Fahliyan層為目
的層的鉆遇含瀝青Kazhdumi層的28口井分為以
下4類：
1)無瀝青侵入或有瀝青侵入但未造成溢流等
井下故障的油井。該類井存在以下現象：a)在鉆穿
Kazhdumi瀝青層的過程中，鉆井液出口密度小于
進口密度的現象較為常見，特別是在剛鉆開瀝青層
時，鉆井液進出口密度差會相對較大Ib)鉆進過程
中，鉆井液總體積相對穩定；c)井眼長時間靜止時，
井眼液面正常，鉆具下至井底循環時，有大量被瀝青
污染的鉆井液返出。
2)有溢流采用常規壓井處理成功的油井。該
類井井下漏失和瀝青涌入并存，但漏失量及涌人量
相對較小，利用常規的先壓井后堵漏的方法即能成
功的解決。
3)有溢流，采用常規壓井處理未成功而導致側
鉆的油井。該類井具有以下特點：a)井下故障發生
之前，均先出機械鉆速變快的情況，如F13井在鉆
至井深3 487．00 rn時出現了明顯的放空，大鉤載荷
從1 280 kN降至1 200 kN，機械鉆速從1．50 m／h
增至5．00 m／h；b)噴漏同存；c)井下漏失速度較大
(大于20 m。／h)，甚至出現失返性漏失，且按照顆粒
架橋理論l5]，采用大顆粒的堵漏材料進行堵漏沒有
明顯的效果；d)由于瀝青和鉆井液的密度和黏度存
在差異，瀝青難以被替出井筒或壓回地層；e)由于瀝
青的黏度具有隨溫度降低而升高的特性，瀝青在上
升至井口附近易形成黏稠的段塞帽，增大判斷和分
析井下故障的難度；f)井下漏失通道的容納能力隨
處理時間增長而增大嘲；g)瀝青侵入對鉆井液和水
泥漿造成污染，導致其中的添加劑失去應有的作用，
如水泥漿無法固化，堵漏材料無法形成有效的級配，
重晶石塞和凝膠塞失效。
4)有溢流，采用控壓鉆井技術順利鉆穿Kazh—
dumi層的油井。
3 瀝青侵入機理
3．1 蠕動侵入
國外學者跚研究認為，深部地層瀝青在原地應
力作用下傾向于垂直方向運移，在地層中的分布形
態為不規則柱狀，與常規油氣不同，瀝青自身體積占
據較大的空間，受上覆巖石壓力影響巨大，瀝青地層
被鉆開后，近井眼處的瀝青受力失衡，開始侵入井
眼。由于上覆巖石壓力給瀝青提供了侵入井眼的驅
動力，只要鉆井液密度不能平衡這一驅動力，瀝青會
一直緩慢侵入井眼。
瀝青蠕動侵入的特征較是活而壓不死(如
HOS2井和F19井，鉆井液密度逐漸提高，但是溢流
量變化甚微)。瀝青蠕動侵入的速度和侵入量與近
井筒地帶的滲透率以及孔縫連通性密切相關。另
外，不同井間瀝青的特性差異較大，特別是黏度差異
較大。由于瀝青的黏度不同，導致其蠕動侵入過程
中能量損失不同；同時，黏度對瀝青蠕動侵入的速度
和侵入量的影響也很大。上述2個方面是影響瀝青
蠕動侵入的主要因素，從這2個方面能夠解釋已鉆
井之間瀝青侵入特征不同的原因。
3．2 置換侵入
國內學者用可視化平板模擬地層裂縫，通過室
內模擬試驗研究了定容情況下瀝青與鉆井液發生置
換的情況，結果證實，井眼內的鉆井液與瀝青會因密
度差而發生置換，并且裂縫寬度是影響置換速度的
主要因素[ 。
瀝青層內裂縫本身的差異(如裂縫的寬度、長度
及連通性等)與瀝青黏度的差異導致瀝青侵入特征
不同。
4 瀝青層安全鉆井技術措施
4．1 常規壓井
早期在遇到瀝青侵入導致井涌時(如HOS2
井、F19井和F13井)，由于對瀝青侵入的機理和規
律不是十分清楚，常采用常規司鉆法或工程師法壓
井處理瀝青侵入造成的井涌。HOS2井和F19井采
用常規司鉆法或工程師法壓井成功處理了瀝青侵入
造成的井涌，但F13井卻未成功。分析認為：瀝青
層處于三開長裸眼井段，薄弱層導致常規壓井過程
石 油 鉆 探 技 術
中出現井下漏失或置換。常規壓井的優點是，在沒
有控壓設備的情況下，進行常規壓井可以快速處理
由瀝青侵入造成的井涌，如F03井和WD2井。由
此可見，在處理瀝青侵入造成的井涌時，常規壓井適
用于井下不易出現漏失或置換或漏失較小的情形。
4．2 水泥回填側鉆
墨西哥灣深海鉆井實踐表明，鉆遇瀝青地層后，
立即回填側鉆是一個經濟有效的技術手段[2]。但
是，由于瀝青本身含有油的成分，再加上瀝青的密度
和黏度與水泥漿存在差異而導致置換無法避免，極
易影響水泥漿的固結或者水泥漿與瀝青形成竄槽而
無法固結。F13井、APP2井和F21井先后采用重
晶石隔離塞、凝膠隔離塞、膨潤土水泥漿、滯留型水
泥漿、氯化鈣速凝劑和水玻璃閃凝劑等技術或工藝，
才成功回填側鉆。
水泥回填存在鉆柱被堵死的風險。另外，由于
對瀝青的分布規律不是十分清楚，難以準確把握側
鉆方位和側鉆位移，存在側鉆后沒有繞開瀝青層的
風險，如APP2井的側鉆井APP2ST1井還是鉆遇
了瀝青層。
4．3 低固相混乳欠飽和鹽水鉆井液
瀝青具有很強的吸附能力，能夠絮凝固相顆粒
形成網架結構或膜狀結構，束縛大量自由水，輕則使
鉆井液增稠，重則使鉆井液絮凝。針對瀝青的這種
特性，探索形成了低固相混乳欠飽和鹽水鉆井液。
該鉆井液通過提高鹽水的飽和度(C1質量濃度保
持(8～15)×10 rag／L)提高其密度，降低固相含
量，特別是膨潤土的含量；同時，能更好地抑制地層
中黏土造漿造成的鉆井液黏度升高。該鉆井液通過
混入適量的乳化劑和柴油，可以對混入鉆井液內的
稠油進行適度分散，以保持鉆井液的流性l8。
當瀝青侵入量較小時，低固相混乳欠飽和鹽水
鉆井液與常規機械清除瀝青方法(利用除砂除泥器
和離心機除去部分瀝青)配合，就能解決瀝青侵入的
問題。當瀝青侵入量較大或很大時，必須輔以置換
方法(用新鉆井液部分或全部置換污染嚴重的鉆井
液)和排放方法(由于起鉆、電測、下套管或其他作業
而導致井下長時間靜止后，井底會侵入大段較純的
瀝青，需開泵建立循環將該段瀝青全部排放掉)。
4．4 承壓堵漏技術
承壓堵漏技術通過提高多壓力層系井段中低壓
地層的承壓能力，以保證鉆井正常進行[。j。在多口
井鉆遇瀝青的情況下，針對以Fahliyan層為目的層
井的油井，在鉆開瀝青層前，利用超細碳酸鈣配以合
適級配的堵漏材料，提高地層的承壓能力。對鉆開
瀝青層前已經發生過漏失的油井，采取了承壓堵漏
技術措施，如F21ST1井。
承壓堵漏技術的缺點是不可能無限制地提高地
層的承壓能力；優點是經過承壓堵漏，大體掌握地層
的承壓能力，可以為后續的壓井作業提供依據。
4．5 “專打專封”井身結構
Kazhdumi地層處于三開井段巾，其上部裸眼
段長達1 900．00 m左右，且存在Asmari層、Pebdeh
層、Gurpi層和Ilam層等多套低壓易漏地層，Sarvak
層(含H。S巨厚稠油產層)也包含其中，增大了處理
瀝青侵入時發生井漏、卡鉆以及H：S防控等風險。
為此，引入了“專打專封”理念，對井身結構進行了優
化 ]。優化后的井身結構為：一開， 660．4 mm鉆
頭×300．00 m，j5508．0 mm套管×298．00 Ill；二開，
44．5 rnlTl鉆頭×1 560．00 m，#339．7 rnlTl套管×
l 558．00 rn；三開，聲311．1 IIltTI鉆頭×3 380．00 m，
25O．8 rnrn套管×3 378．00 rn；四開， 12．7 rniTl鉆頭
×4 000．00 m(可以根據瀝青侵入情況進行適當調
整)， 177．8 rntn套管×3 998．00；五開， 149．2 Inrn鉆
頭×4 500．00 m，機14．3 mm套管×4 498．00。
S03井和F16井采用了“專打專封”井身結構，
降低了瀝青層以上低壓易漏地層漏失的可能性，為
及時判斷井下情況和采取有效措施奠定了基礎。
4．6 瀝青稠化固化技術
室內試驗發現，瀝青與氧化劑或交聯劑經過短
時間的反應，軟化點可以接近甚至超過100℃ 。瀝
青稠化固化技術lll1 ]就是建立在這一發現之上的。
該技術通過泵入含有氧化劑或交聯劑的橋堵漿，在
地層壓力溫度條件下，處理劑與地層瀝青充分混合
反應，提高瀝青軟化點，使瀝青與橋堵漿的混合物變
稠甚至固化，降低近井壁瀝青流動或蠕動的能力，增
強瀝青地層的穩定性，降低鉆井和后續電測、固井的
風險。
該技術在YD油田進行了2口井的先導試驗，
其中F17井取得了明顯的效果，受瀝青污染鉆井液
體積明顯減小，而F21ST1井的應用效果不理想。
4．7 控壓鉆井技術
控壓鉆井技術能夠對井下壓力進行有效控制，
第43卷第3期 江朝等．YD油田瀝青層安全鉆井技術
對于處理窄密度窗口、“漏噴同存”等復雜情況效果
顯著[¨]。YD油田在S03井3 437．O0～3 808．50 m
井段先后進行了控壓鉆進、控壓循環、短程控壓起下
鉆、控壓封堵、控壓條件下尾管下人與固井等現場試
驗m。結果表明，利用旋轉控制頭的旋轉密封功能，
可以實現不停鉆屏蔽井眼環空，防止有毒、有害氣體
侵襲鉆臺危害鉆井作業人員安全；可以快速處理井
下復雜情況，確保鉆井、下套管和固井作業的順利進
行。同時，應用控壓鉆井設備可以避免處理井下復
雜情況時鉆柱在井內長時間靜止而導致的卡鉆
風險。
應用控壓鉆井時應充分了解地層的孑L隙壓力和
破裂壓力，因不同井間瀝青層的孔隙壓力差異較大，
實際應用過程中仍存在瀝青不斷侵入井筒污染鉆井
液的情況。另外，在不同工況切換過程中也要精確
控制壓力。
控壓設備的情況下，可采用常規壓井進行快速處理，
壓井成功后，進行承壓堵漏或在低固相混乳欠飽和
鹽水鉆井液加入隨鉆堵漏漿材料進行隨鉆堵漏，必
要時采用瀝青稠化固化技術。
3)壓不穩但漏失可控的油井，在裝有控壓設備
的情況下，可采用常規壓井進行快速處理，在壓不穩
漏失可控的情況下，進行承壓堵漏或在低固相混乳
欠飽和鹽水鉆井液中加入隨鉆堵漏材料進行隨鉆堵
漏，或采用控壓鉆井技術。
4)壓不穩且漏失嚴重不可控的油井，在裝有控
壓設備的情況下，可以采用常規壓井進行快速處理，
如壓不穩且漏失嚴重，可采用加壓泥漿帽控壓鉆井
技術，必要時可采用水泥回填側鉆技術。
潛在瀝青層安全鉆井技術
4．8 加壓泥漿帽控壓鉆井技術 5·1 旋轉尾管鉆井技術
瀝青通過漏失層段向井口上返，由于井筒內溫度
逐步降低，瀝青的黏度升高，結構力增強，在井筒上部
形成了能承受一定壓力的瀝青段稠塞。利用瀝青稠
塞的承壓能力，應用類似于加壓泥漿帽控壓鉆井技
術，通過環空施加適當的回壓進行強行鉆進。強行鉆
進過程中只需泵人犧牲液，巖屑與犧牲液不返回地
面，而是直接進入漏失層。
APP2ST1井應用了加壓泥漿帽控壓鉆井技術，
并取得成功。現場根據配漿能力，APP2ST1井進行
4次加壓泥漿帽控壓鉆井作業，各次犧牲液的密度
分別為1．35，1．15～ 1．20，1．15～ 1．20和1．10～
1．15 kg／L。應用加壓泥漿帽控壓鉆井技術共鉆進
101．81 m，順利鉆穿了活躍的瀝青層，并預留了固
井“穿鞋”深度，成功下入尾管并固井。
應用加壓泥漿帽控壓鉆井技術鉆穿瀝青層的風
險是，漏失層與瀝青帽之間可能沒有完全充滿鉆井
液，增大了由于鉆桿發生氫脆導致井眼報廢的風險。
4．9 瀝青層安全鉆井技術總結
通過分析該油田所采取的措施及效果發現，對
于瀝青侵入，要針對瀝青侵入的特征和程度，進行分
類處理L ]：
1)有瀝青侵人但未造成井涌的油井，使用低固
相混乳欠飽和鹽水鉆井液，配以隨鉆封堵技術處理
瀝青侵入，必要時采用瀝青稠化固化技術。
2)有井涌但采用常規壓井成功的油井，在裝有
旋轉尾管鉆井技術的尾管懸掛系統采用雙筒結
構，采用高排量循環，尾管懸掛器不會提前坐掛，尾
管送入工具能夠滿足尾管旋轉、沖放、劃眼和鉆進等
各項作業。采用合金材料制造的鉆頭能夠滿足鉆穿
漏失層、瀝青層、塑性蠕動地層和高應力復雜地層的
需要，并能夠在下一開次用特殊的PDC鉆頭鉆掉。
墨西哥灣深海Walker Ridge區塊在鉆遇高活性瀝
青地層回填后，采用旋轉尾管鉆井技術成功恢復鉆
進，并順利鉆穿高活性瀝青地層["]。
5．2 瀝青層低溫鉆井技術
低溫能使瀝青變硬，降低瀝青在金屬表面的
黏附，并容易利用固控設備去除鉆井液中的瀝青。
另外，低溫能增強瀝青地層的強度，有利于井壁保
持穩定。據此，加拿大在未膠結油砂地層鉆井時，
循環系統配備冷凝裝置，鉆井液人井前先采用冷
凝裝置降溫至8～12℃ ，以便冷卻地層中的瀝青，
降低瀝青的活性。墨西哥灣深海油田鉆遇瀝青地
層時也采用了鉆井液冷凝裝置，并取得了一定的
應用效果。
6 結論及建議
1)采用“專打專封”井身結構，利用控壓鉆井技
術，使用低固相混乳欠飽和鹽水鉆井液，基本能解決
YD油田活躍瀝青侵入的問題。
石 油 鉆 探 技 術 2015年5月
2)YD油田已鉆井瀝青侵入特征各異，在綜合
考慮工程風險和成本條件下，應根據瀝青侵入的特
征和程度進行分類處理。為更好地指導現場操作，
建議制定YD油田瀝青侵入分類處理規程。
3)為更好地指導鉆井過程中對瀝青侵入的處
理，建議開展YD油田瀝青形成機理和分布規律
研究。
4)建議對旋轉尾管鉆井技術和瀝青層低溫鉆
井技術等潛在的瀝青層安全鉆井技術開展技術適用
性和經濟評價分析，在技術可行和成本有優勢的情
況下進行現場試驗。
參考文獻
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