郭建華 鄭有成 李 維 李 斌 袁 彬 徐璧華

1. 中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2. 中國石油西南油氣田公司3. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

0 引言

四川盆地天然氣資源豐富，但地質(zhì)條件極為復(fù)雜，縱向上20多套含氣層系共存[1-3]。深井超深井多采用尾管完井，鉆進(jìn)過程中通常會(huì)鉆遇多個(gè)壓力系統(tǒng)、高壓氣層以及窄安全窗口地層[4]。這些復(fù)雜條件給固井帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是小井眼尾管固井，固井質(zhì)量難以保證、井控風(fēng)險(xiǎn)高[5-9]。例如，LG70井?139.7 mm井眼下入?114.3 mm尾管，如果用常規(guī)方法固井，為了防止發(fā)生井漏必然降低頂替排量從而犧牲頂替效率，而采用“正注反打”技術(shù)，固井質(zhì)量無法保證[6,9]。目前，雖然精細(xì)控壓鉆井技術(shù)（MPD）保證了四川盆地深井超深井裸眼段安全有效鉆進(jìn)，但是窄壓力窗口地層固井仍是制約這類深層氣藏勘探開發(fā)的瓶頸[10-13]。因此，開展既能滿足四川盆地小間隙尾管固井質(zhì)量又能保證窄度安全密度窗口地層固井安全的固井工藝技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)原理

精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)（MPC）是在MPD技術(shù)基礎(chǔ)上提出來的，是MPD技術(shù)的延伸和發(fā)展。MPC技術(shù)是在注水泥設(shè)計(jì)時(shí)將環(huán)空流體的靜液柱壓力設(shè)計(jì)為略低于地層孔隙壓力，然后借用MPD技術(shù)的裝置，通過節(jié)流產(chǎn)生在井口回壓或直接在井口施加補(bǔ)償壓力，使固井過程中通過井口壓力和環(huán)空流動(dòng)摩阻實(shí)現(xiàn)平衡孔隙壓力[14-17]，還可以避免循環(huán)流動(dòng)阻力過大而壓漏地層。注水泥結(jié)束后環(huán)空還需繼續(xù)施加一定的補(bǔ)償壓力，防止水泥漿失重造成候凝期間環(huán)空竄流。MPC技術(shù)間接增大了安全密度窗口，可以在頂替過程中增大排量，從而提高頂替效率，并達(dá)到安全施工并保證固井質(zhì)量的目的。該技術(shù)能有效防止地層流體竄入降低固井質(zhì)量，并在易漏地層防止漏失。當(dāng)發(fā)生井涌或者漏失的情況下，能夠使用MPC系統(tǒng)快速采取措施，簡(jiǎn)單迅速阻止事態(tài)擴(kuò)大，防止井噴事故發(fā)生。

2 設(shè)計(jì)原理

要實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓壓力平衡固井，必須計(jì)算出整個(gè)注水泥過程中，井口需要補(bǔ)償?shù)膲毫Υ笮?。井口補(bǔ)償壓力與環(huán)空流體靜液柱壓力以及注水泥頂替過程中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力有關(guān)。注水泥頂替結(jié)束后，還需要考慮水泥漿失重的影響。精細(xì)控壓固井作業(yè)是一個(gè)連續(xù)過程，從注水泥頂替到候凝都必須考慮環(huán)空壓力變化，而且還必須考慮每個(gè)時(shí)刻環(huán)空壓力的變化。

2.1 環(huán)空壓力平衡設(shè)計(jì)

注水泥設(shè)計(jì)時(shí)，如果按環(huán)空流體靜液柱壓力平衡地層壓力設(shè)計(jì)，那么注水泥頂替過程中產(chǎn)生的較大流動(dòng)摩阻加上靜液柱壓力后，在保證頂替效率的情況下可能會(huì)壓漏地層。因此，采用精細(xì)控壓平衡法來設(shè)計(jì)環(huán)空漿體密度，使靜液柱壓力略低于地層孔隙壓力，注水泥頂替過程中通過在井口施加補(bǔ)償壓力，外加流體的流動(dòng)阻力和靜液柱壓力來平衡地層壓力。因此，環(huán)空靜壓力應(yīng)滿足：

式中ph表示環(huán)空流體總靜液柱壓力，MPa；ρsi表示環(huán)空各段水泥漿密度，g/cm3；ρfi表示環(huán)空各段前置液密度，g/cm3；ρm表示環(huán)空鉆井液密度，g/cm3；Hsi表示環(huán)空各段水泥漿垂直段長，m；Hfi表示環(huán)空各段前置液垂直段長，m；Hm表示環(huán)空鉆井液垂深，m；pa表示控壓過程井口補(bǔ)償平衡壓力，MPa；pfa表示注水泥過程環(huán)空流動(dòng)摩阻，MPa；Ggoal表示目標(biāo)井段地層控制當(dāng)量密度，g/cm3；ΔGp表示控壓過程地層壓力附加安全當(dāng)量密度，g/cm3；Hgoal表示目標(biāo)位置垂深，m。

2.2 注水泥頂替井口補(bǔ)償壓力計(jì)算

精細(xì)控壓壓力平衡固井過程中，要求通過節(jié)流施加補(bǔ)償壓力或者直接在井口施加補(bǔ)償壓力，保證目標(biāo)層位置當(dāng)量密度達(dá)到控制要求。井口補(bǔ)償壓力應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式中Gfgoal表示目標(biāo)井段地層漏失壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ΔGf表示地層漏失壓力附加安全當(dāng)量密度，g/cm3；ECDgoal表示目標(biāo)位置實(shí)際環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度，g/cm3。

2.3 候凝過程井口補(bǔ)償壓力計(jì)算

水泥漿在候凝期間會(huì)發(fā)生失重，失重后環(huán)空靜液柱壓力將降低，但此時(shí)水泥漿的膠凝強(qiáng)度還不能防止地層氣竄。因此，候凝期間必須在井口施加一定的補(bǔ)償壓力，其補(bǔ)償壓力如下：

式中Δpweightloss表示水泥漿失重壓差，MPa?？筛鶕?jù)下式獲得：

式中ρw表示水的密度，kg/m3；ρc表示水泥漿的密度，kg/m3；τ表示靜切力，Pa。

3 關(guān)鍵技術(shù)

注水泥期間，井筒內(nèi)沒有壓力檢測(cè)設(shè)備，環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力變化只能靠軟件根據(jù)流體密度、注入排量等參數(shù)模擬計(jì)算，其計(jì)算精度直接影響井口補(bǔ)償壓力大小。因此，準(zhǔn)確計(jì)算注水泥過程流動(dòng)摩阻對(duì)精細(xì)控壓固井實(shí)施效果影響較大。

3.1 設(shè)計(jì)軟件與模擬分析

精細(xì)控壓壓力平衡法固井設(shè)計(jì)軟件核心技術(shù)為動(dòng)態(tài)控壓固井水力學(xué)計(jì)算模型，通過引入HB（赫巴）流變模式，綜合考慮溫度場(chǎng)、居中度、小間隙、井筒條件、流體類型、局部阻力等影響因素，準(zhǔn)確判別小間隙條件下流態(tài)，計(jì)算雷諾數(shù)并修正流動(dòng)摩阻系數(shù)，提出注水泥作業(yè)環(huán)空流動(dòng)摩阻計(jì)算新方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)空環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度的精確計(jì)算。

利用建立的流動(dòng)計(jì)算模型，描述注水泥頂替過程中多種非牛頓流體的流動(dòng)阻力，計(jì)算得到的壓力與現(xiàn)場(chǎng)施工壓力對(duì)比（表1）可以看出，其對(duì)流動(dòng)摩阻的計(jì)算誤差基本能控制在10%以內(nèi)。

注水泥頂替過程中施工參數(shù)（密度、排量）時(shí)刻變化，將造成井下壓力產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓，就必須準(zhǔn)確監(jiān)控注入?yún)?shù)變化。建立考慮施工實(shí)時(shí)參數(shù)下動(dòng)態(tài)注水泥模型是精細(xì)控壓固井的關(guān)鍵技術(shù)。MPC設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵是計(jì)算出設(shè)定控壓井深位置需要控制的當(dāng)量密度限制，設(shè)計(jì)整個(gè)裸眼段均滿足安全密度窗口的環(huán)空漿柱密度、注水泥排量與井口控壓曲線，并計(jì)算出關(guān)注井深在注水泥過程控壓前后環(huán)空當(dāng)量密度。為此，研究開發(fā)了高精度的固井注水泥計(jì)算軟件，并與現(xiàn)場(chǎng)高可靠性的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)結(jié)合起來，即可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓注水泥作業(yè)，圖1為軟件界面。

3.2 注水泥施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制

由于固井施工參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，如何實(shí)時(shí)掌握這些變化的參數(shù)，就需要配套或者借助現(xiàn)場(chǎng)注水泥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如何建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接方式與平臺(tái)，也是MPC技術(shù)需考重點(diǎn)考慮問題之一，這里設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流程（圖2）。依據(jù)地層安全窗口確定環(huán)空安全當(dāng)量密度后，如何實(shí)現(xiàn)井口壓力實(shí)時(shí)控制是MPC最為關(guān)鍵的技術(shù)。這里還設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與精細(xì)動(dòng)態(tài)控制軟件結(jié)合后，通過連接MPD設(shè)備控制井口補(bǔ)償壓力的流程圖（圖3）。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

四川盆地某探井設(shè)計(jì)目的層為二疊系棲霞組、茅口組，采用五開井身結(jié)構(gòu)，其中四開實(shí)鉆采用?241.3 mm鉆頭鉆至井深7 633 m中完，鉆井液密度為1.96 g/cm3，采用?177.80 mm＋?184.15 mm懸掛尾管封固3 950～7 633 m井段。本次固井裸眼封固段長3 475 m，自上而下依次為三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組，以及二疊系長興組、吳家坪組、茅口組、棲霞組。該井實(shí)鉆過程油氣顯示活躍，井漏頻發(fā)。須家河組、飛仙關(guān)組、長興組、吳家坪組及茅口組鉆遇油氣顯示24段，雷口坡組、長興組及吳家坪組鉆遇4個(gè)嚴(yán)重漏失層，并多次復(fù)漏，吳家坪組噴漏同存，固井過程防竄防漏矛盾突出。其中，6 354～7 633 m井段地層孔隙壓力當(dāng)量密度1.96 g/cm3，漏失壓力當(dāng)量密度為2.00 g/cm3，固井安全窗口僅0.04 g/cm3，常規(guī)固井設(shè)計(jì)與施工難度極大。筆者通過對(duì)常規(guī)固井方法和MPC進(jìn)行了分析比較，優(yōu)選出適合該井的固井方法。MPC固井需要將鉆井液和固井液的密度降低，其漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 固井作業(yè)井口壓力計(jì)算與實(shí)際誤差對(duì)比表

圖1 精細(xì)控壓壓力平衡法固井模擬分析與設(shè)計(jì)軟件界面

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控壓軟件一體化結(jié)構(gòu)圖

表2 固井漿柱結(jié)構(gòu)及其密度表

筆者對(duì)這兩種固井方法的注水泥頂替過程進(jìn)行了模擬，得到了注水泥頂替過程中不同排量下的環(huán)空最大ECD分布，如圖4所示。

圖4 注水泥過程中環(huán)空最大ECD分布圖

從圖4可以看出，采用常規(guī)方法固井，當(dāng)頂替排量為8 L/s時(shí)，環(huán)空最大ECD在井底達(dá)到了漏失壓力當(dāng)量密度；只有當(dāng)頂替排量增加到6 L/s時(shí)，環(huán)空最大ECD才遠(yuǎn)低于漏失壓力當(dāng)量密度。如果采用常規(guī)固井方法固井，頂替排量就要控制在8 L/s內(nèi)，所以必須以小排量頂替。如果頂替排量減小將造成低環(huán)空壁面剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致頂替效率降低。然而，采用MPC法固井，當(dāng)頂替排量達(dá)到21 L/s時(shí)，環(huán)空最大ECD在井底剛好達(dá)到漏失壓力當(dāng)量密度。當(dāng)頂替排量為20 L/s時(shí)，環(huán)空最大ECD遠(yuǎn)小于漏失壓力當(dāng)量密度，在安全密度窗口范圍內(nèi)，完全能夠滿足安全施工要求。

這里利用壁面剪切應(yīng)力和頂替效率對(duì)MPC固井的排量進(jìn)行優(yōu)化。不同頂替排量下的壁面剪切應(yīng)力和頂替效率如表3所示。從該表可以看出，隨著頂替排量增加，壁面剪切應(yīng)力和頂替效率增加。當(dāng)頂替排量從18 L/s增加到20 L/s時(shí)，壁面剪切應(yīng)力和頂替效率分別增加了27.78%和13.3%。當(dāng)頂替排量從20 L/s增加到21 L/s時(shí)，壁面剪切應(yīng)力和頂替效率分別增加了9.34%和0.05%?？梢钥闯鲆?1 L/s的排量頂替，頂替效率增加得很小，但風(fēng)險(xiǎn)卻增大了很多，故采用20 L/s的排量進(jìn)行頂替。采用優(yōu)選的MPC固井方案對(duì)該井實(shí)施固井作業(yè)，施工過程中井口補(bǔ)償壓力如圖5所示。

表3 不同頂替排量下的壁面剪切應(yīng)力和頂替效率表

從圖5可以看出，模擬計(jì)算施工井口補(bǔ)償壓力與現(xiàn)場(chǎng)施工井口實(shí)際補(bǔ)償壓力吻合度較高。這說明，利用建立的模型編制的MPC固井軟件能夠很好的模擬MPC固井。按照設(shè)計(jì)的施工方案，整個(gè)尾管固井注水泥過程非常順利，沒有出現(xiàn)井漏。測(cè)井評(píng)價(jià)顯示，全井段固井水泥膠結(jié)合格率為97%，膠結(jié)質(zhì)量?jī)?yōu)的井段為76%。

5 結(jié)論及建議

1）精細(xì)控壓壓力平衡法固井工藝可有效保障窄壓力窗口地層固井施工安全與固井質(zhì)量。

2）注水泥過程中應(yīng)按設(shè)計(jì)的密度施工并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免漿體密度的變化造成環(huán)空壓力波動(dòng)。

3）精細(xì)控壓壓力平衡法固井工藝發(fā)展的方向?qū)⑹恰熬?xì)化、智能化、信息化”的全過程動(dòng)態(tài)精細(xì)控壓壓力平衡固井，實(shí)現(xiàn)對(duì)入井流體實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)通過節(jié)流和井口補(bǔ)壓來平衡地層壓力。

圖5 MPC固井過程中井口補(bǔ)償壓力圖