孫寶江， 王雪瑞， 王志遠， 馬金山， 齊金濤， 郗鳳亮， 周英操

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室（中國石油大學(xué)（華東）），山東青島 266580；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280；3.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

目前，國內(nèi)外油氣藏的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜[1]，給油氣勘探開發(fā)帶來了諸多技術(shù)難題。油氣井固井過程中，窄安全密度窗口[2]、淺層氣[3]和淺層流[4]等難題會導(dǎo)致固井過程中井涌、氣竄現(xiàn)象頻發(fā)，破壞井筒的完整性。此外，傳統(tǒng)固井技術(shù)通常采用高密度水泥漿平衡地層壓力來防止氣竄的發(fā)生，然而水泥漿密度過高容易壓裂地層誘發(fā)漏失。因此，傳統(tǒng)的固井技術(shù)已經(jīng)難以滿足復(fù)雜地層安全高效固井的要求。控制壓力固井（managed pressure cementing,MPC）技術(shù)是近年來發(fā)展起來的固井新技術(shù)，通過固井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、固井過程中井筒水力學(xué)參數(shù)實時計算與井口回壓控制裝備相結(jié)合，可以實時精細控制固井過程中的井筒壓力，使井筒壓力始終維持在地層安全密度窗口范圍以內(nèi)，防止發(fā)生井涌、氣竄和漏失等復(fù)雜情況，彌補了傳統(tǒng)固井技術(shù)的不足。筆者從控壓固井的基本原理出發(fā)，介紹了國內(nèi)外控壓固井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況，總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)場應(yīng)用案例，分析了控壓固井的技術(shù)優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前控壓固井技術(shù)存在的問題，對技術(shù)發(fā)展提出了若干建議，以期為我國控壓固井技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)和幫助。

1 控壓固井技術(shù)原理及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 控壓固井技術(shù)原理

控壓鉆井是一種自適應(yīng)鉆井過程，用于精確控制整個井筒的環(huán)空壓力分布，目的是確定井下壓力環(huán)境限制，并相應(yīng)地管理環(huán)空壓力剖面[5]?？貕恒@井技術(shù)能夠用于窄安全密度窗口條件下的鉆井作業(yè)。而控壓固井技術(shù)是將控壓鉆井工藝原理、硬件設(shè)備以及軟件系統(tǒng)等應(yīng)用到固井過程中，以提高固井成功率，實現(xiàn)固井作業(yè)安全高效的目的。通常情況下，控壓固井所需的硬件設(shè)備與控壓鉆井基本相同，都是利用井口壓力控制設(shè)備、流量控制設(shè)備等來調(diào)節(jié)環(huán)空壓力。壓力控制的原理和基本原則為[6]：

式中：pBH為井底壓力，Pa；phyd為靜液柱壓力，Pa；psurf為井口回壓，Pa；pf為環(huán)空摩阻，Pa。

從式（1）可以看出，控壓固井技術(shù)需要優(yōu)化環(huán)空水泥漿、沖洗液和隔離液等漿體結(jié)構(gòu)，計算井筒水力參數(shù)，結(jié)合控壓裝置實時調(diào)整流量和井口回壓，達到精細控制井底壓力的目的。窄安全密度窗口下常規(guī)固井技術(shù)與控壓固井技術(shù)的井底壓力變化對比曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，洗井階段由于混合隔離液的需求需要暫時停泵，會導(dǎo)致常規(guī)固井施工時井底壓力降低，由于安全密度窗口窄，井底壓力會低于地層孔隙壓力，導(dǎo)致井涌。然而，控壓固井施工時可以對環(huán)空壓力精確控制，使井底壓力在停泵工況下維持不變，從而避免發(fā)生井涌。水泥漿頂替階段的水泥漿密度通常比較大，常規(guī)固井施工會導(dǎo)致井底壓力超過地層破裂壓力，從而發(fā)生井漏。控壓固井施工時可以選用密度更低的水泥漿，以確保井底壓力始終維持在安全密度窗口范圍內(nèi)，避免壓漏地層。

圖1 窄安全密度窗口下常規(guī)固井與控壓固井的井底壓力對比Fig.1 Comparison of the bottomhole pressures of the conventional cementing and managed pressure cementing under narrow safety density window

1.2 控壓固井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，多個國際油田技術(shù)服務(wù)公司均研發(fā)了各自的控壓固井系統(tǒng)，并在現(xiàn)場進行了成功應(yīng)用[7-10]；國內(nèi)部分油田也進行了相關(guān)技術(shù)研究，并開展了現(xiàn)場測試[11-13]。

1.2.1 國外應(yīng)用情況

斯倫貝謝公司在DAPC控壓鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了控壓固井系統(tǒng)，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用。控壓固井技術(shù)解決了秘魯Sagari油田存在的井眼失穩(wěn)坍塌、低壓-高滲透儲層易卡鉆、高滲透地層井筒流體漏失等難題[14]，規(guī)避了美國Permian盆地[5]面臨的淺水流、漏失、井眼失穩(wěn)、卡鉆和井控等風(fēng)險；馬來西亞Duyong區(qū)塊[15]高溫高壓井采用控壓固井，避免了井涌井漏的發(fā)生。非常規(guī)氣田應(yīng)用控壓固井技術(shù)取得成功，解決了阿根廷Neuquén盆地非常規(guī)氣井存在的高孔隙壓力和窄安全密度窗口問題，2013年的固井成功率由原先的50%提高到70%，隨后2年固井成功率進一步提高到94%[16]。此外，馬來西亞Peninsular海域的AT井[17]和Sarawak海域的JST-1井[18]是典型的高溫高壓井，固井難度大，利用控壓固井技術(shù)成功將井底壓力控制在安全密度窗口以內(nèi)，并順利實施了固井作業(yè)。

哈里伯頓公司在MPD控壓鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)了控壓固井系統(tǒng)，并成功進行了應(yīng)用。猶他州東南部Paradox盆地存在高壓、高滲透層和易漏失等難題，利用控壓固井技術(shù)將井筒壓力控制在安全密度窗口以內(nèi)，水泥漿返高達到設(shè)計高度[19]。阿根廷Neuquén盆地的非常規(guī)氣田采用控壓固井技術(shù)，成功克服了高孔隙壓力和窄安全密度窗口的問題，避免了井涌和井漏的發(fā)生[20]。此外，馬來西亞海域的一口高溫高壓、窄安全密度窗口井應(yīng)用控壓固井技術(shù)后，成功避免了井涌、井漏的發(fā)生[8]。

威德福公司在Secure Drilling控壓鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了控壓固井系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于北海海域。北海某區(qū)塊具有高溫高壓的特征，井漏頻發(fā)，利用控壓固井技術(shù)對固井過程進行水力學(xué)模擬，避免了井漏的發(fā)生[9]。

1.2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)也開始研發(fā)控壓固井技術(shù)，并在現(xiàn)場進行了應(yīng)用。例如，塔中順南6井φ 177.8 mm尾管固井過程中面臨井深、溫度高、氣層異?；钴S且分布廣、安全密度窗口狹窄和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等難點，為此，應(yīng)用了控壓固井技術(shù)，并獲得較好的固井質(zhì)量[11]。河南油田B304井存在易井漏、易上竄與頂替效率低的難題，應(yīng)用了控壓固井技術(shù)，確保了該井固井施工的安全，保證了固井質(zhì)量[12]。此外，中國石油西南油氣田針對龍崗70井存在多層區(qū)域性儲層、高低壓互存，且小井眼井段長、環(huán)空間隙小、套管下入深和鉆井液安全密度窗口窄等難題，采用精細控壓固井技術(shù)，優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成了固井作業(yè)[13]。

2 控壓固井關(guān)鍵技術(shù)

各公司開發(fā)的控壓固井系統(tǒng)其基本原理相同，都是通過實時監(jiān)控并調(diào)節(jié)井口回壓或排量來實現(xiàn)環(huán)空壓力的精細控制，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括控壓固井工藝流程、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

2.1 控壓固井工藝流程

以斯倫貝謝公司開發(fā)的控壓固井系統(tǒng)[16]為例進行分析，該控壓固井系統(tǒng)主要由固井井筒水力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)和固井井筒壓力控制硬件系統(tǒng)2部分組成，2部分之間借助實時監(jiān)測與控制軟件系統(tǒng)實現(xiàn)交互。該控壓固井系統(tǒng)的工藝流程見圖2。

圖2 控壓固井工藝流程示意[16]Fig.2 Process flow of managed pressure cementing[16]

利用固井水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)進行固井井筒水力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計（見圖2左側(cè)部分），其主要步驟為：

1）確定地層安全密度窗口。根據(jù)固井前鉆井作業(yè)獲取的參數(shù)及井內(nèi)最終狀態(tài)，確定固井施工時的安全密度窗口。根據(jù)之前獲取的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，可以得到地層孔隙壓力剖面、破裂壓力剖面、溢流位置和漏失位置等信息。

2）預(yù)選水泥漿。水泥漿的優(yōu)選主要包括水泥漿密度和水泥漿流變性的確定。水泥漿的密度可根據(jù)步驟1）確定的安全密度窗口來選取。水泥漿流變性主要影響環(huán)空內(nèi)ECD剖面和回壓的確定，因此需要確定水泥漿的流變性。

3）固井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。首先確定水泥漿，然后建立泵的工作制度，確定不同固井階段的泵速，計算相應(yīng)的ESD/ECD剖面；最后將計算得到的剖面與地層安全密度窗口進行對比，確定所需要施加的井口回壓，以確保固井施工過程中回壓能夠在節(jié)流壓力的允許范圍內(nèi)。該階段的水力學(xué)設(shè)計需要借助專業(yè)的固井井筒水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計軟件來進行。

4）固井工程方案設(shè)計和審核。固井工程師、鉆井工程師、裝備工程師和井筒壓力控制工程師等對固井作業(yè)方案進行系統(tǒng)設(shè)計和審核，最終方案確定后，便可以進行固井作業(yè)的準(zhǔn)備和實施。

固井井筒壓力控制主要借助于井筒壓力控制硬件系統(tǒng)來實施，主要操作及決策過程如圖2右側(cè)部分所示。在控壓固井過程中，通過實時監(jiān)測環(huán)空壓力，判斷是否發(fā)生氣竄或者井漏等現(xiàn)象，然后通過調(diào)控回壓與泵速來消除氣竄或井漏。此外，還需要建立一個應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，根據(jù)井筒內(nèi)流體類型及泵入體積確定井口回壓，以便能夠在固井突然停泵等緊急情況下施加所需的井口回壓。

控壓固井的最后階段是固井候凝，需要施加一個關(guān)井壓力來確保井筒內(nèi)一直處于過平衡狀態(tài)?？紤]井口最大承壓能力及地層破裂壓力的限制，關(guān)井壓力通常取1.38～2.07 MPa。在井筒內(nèi)水泥漿壓縮強度達到規(guī)定值之前，需要一直保持該過平衡壓力。最后，釋放關(guān)井壓力，持續(xù)監(jiān)測環(huán)空帶壓至少1 h。如果沒有觀測到環(huán)空帶壓現(xiàn)象，表明固井成功，控壓固井作業(yè)結(jié)束。

2.2 控壓固井硬件系統(tǒng)

控壓固井系統(tǒng)中的井筒壓力控制硬件系統(tǒng)通過給井口施加回壓或改變流量的方式，來精細控制井筒環(huán)空壓力。控壓固井硬件系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)控制頭、自動壓力控制節(jié)流管匯、回壓泵及流量計等[8,15,20]，在地面的布置如圖3所示，

旋轉(zhuǎn)控制頭位于井口防噴器頂部，主要作用是形成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。它能夠在鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中始終保持井筒的密封性，使井筒內(nèi)流出的鉆井液流入節(jié)流管匯中。

通過調(diào)整自動壓力控制節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開度，可以持續(xù)維持所需的井口回壓。節(jié)流管匯與固井井筒水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)可以實時交互，根據(jù)水力學(xué)軟件的推薦值實時調(diào)節(jié)井口回壓，使井筒壓力始終處于安全密度窗口范圍內(nèi)。

自動壓力控制回壓泵的主要作用是在停泵工況下給節(jié)流管匯提供流體，協(xié)助節(jié)流管匯調(diào)整回壓。

圖3 固井井筒壓力控制硬件系統(tǒng)布置示意[15]Fig.3 Layout of the cementing wellbore pressure control hardware system[15]

流量計能夠及時監(jiān)測溢流的發(fā)生，并與水力學(xué)軟件系統(tǒng)相結(jié)合，監(jiān)測和計算流量的實時變化。

2.3 控壓固井軟件系統(tǒng)

無論是常規(guī)固井技術(shù)還是控壓固井技術(shù)，施工過程中都必須考慮孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力及地面設(shè)備承受能力等因素。為了確?？貕汗叹^程中這些參數(shù)始終在限制范圍內(nèi)，關(guān)鍵要準(zhǔn)確預(yù)測井筒內(nèi)壓力。但是影響井筒內(nèi)壓力預(yù)測精度的因素很多，如水泥漿密度、排量、水泥漿流變性、井筒與地層溫度、起下套管速度及井筒幾何形狀等。為了提高預(yù)測的精度，需要建立更為完善的數(shù)學(xué)模型來進行計算。

控壓固井系統(tǒng)中的井筒水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件具有準(zhǔn)確預(yù)測井底壓力的功能，該軟件需要在充分考慮各影響因素的基礎(chǔ)上對井筒水力學(xué)參數(shù)進行預(yù)測。同時，控壓固井系統(tǒng)還配套了控制軟件系統(tǒng)，這是井口回壓控制系統(tǒng)的重要組成部分?？刂栖浖到y(tǒng)能夠通過調(diào)控節(jié)流閥開度來調(diào)整井筒環(huán)空壓力，使其處于安全密度窗口范圍內(nèi)。根據(jù)水力參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，控制軟件系統(tǒng)設(shè)定好井口回壓的目標(biāo)值，實時調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度使井口回壓維持在設(shè)定值[20]。

3 發(fā)展建議

當(dāng)前的控壓固井系統(tǒng)都是在控壓鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但是固井過程與鉆井過程之間存在著較大差異，使控壓固井技術(shù)在發(fā)展初期存在計算模型缺乏、控制軟硬件不配套和工藝不完善等難題。今后控壓固井技術(shù)需要在井筒壓力控制硬件/軟件系統(tǒng)、水力學(xué)計算模型和固井工藝等方面進行完善。

3.1 高度自動化、智能化的控壓設(shè)備與軟件

固井施工過程包括洗井、循環(huán)頂替和候凝等流程。洗井階段，井筒內(nèi)流體以洗井液為主；頂替循環(huán)過程中，井筒內(nèi)為水泥漿、沖洗液和隔離液等多種類型流體共存的狀態(tài)；候凝期間井筒內(nèi)流體停止了循環(huán)，但仍需要施加一定的井口回壓來預(yù)防氣竄的發(fā)生。與鉆井過程相比，由于固井工藝復(fù)雜，致使固井過程中井筒壓力變化規(guī)律復(fù)雜，同時固井過程持續(xù)時間短且要求一次成功，這就需要井筒壓力控制設(shè)備與軟件系統(tǒng)能夠更為科學(xué)地調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，能夠及時準(zhǔn)確地對井筒壓力復(fù)雜變化做出正確反應(yīng)。一個自動化、智能化程度更高的井筒壓力控制設(shè)備與軟件系統(tǒng)，能夠協(xié)助固井工程師更為及時精細地調(diào)整井筒內(nèi)壓力剖面，應(yīng)對固井中的各類復(fù)雜工況。

3.2 井筒水力參數(shù)計算

1）水泥漿流變性。控壓固井施工時需要準(zhǔn)確計算井筒ECD剖面，水泥漿流變性影響流動摩阻，進而影響ECD的預(yù)測精度。目前的固井井筒水力學(xué)模擬軟件并未考慮溫度對水泥漿流變性的影響，因此有必要開展固井井筒溫度場預(yù)測模型的相關(guān)研究，并針對不同溫度環(huán)境下水泥漿流變性變化規(guī)律開展理論及實驗研究。

2）水泥漿密度。當(dāng)前控壓固井軟件一個共同的缺陷就是沒有考慮不同溫度壓力環(huán)境下水泥漿的密度分布。這是因為在不同溫度壓力環(huán)境下，水泥漿在壓縮性作用下密度發(fā)生變化，從而影響井筒ECD的分布規(guī)律。未來有必要針對不同溫度壓力環(huán)境下的水泥漿密度變化規(guī)律開展相關(guān)的實驗及理論研究。

3）套管偏心度。理想固井條件下，套管位于井筒的中心位置，這將有助于提高固井頂替效率，進而提高固井第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。但在實際情況下，套管偏心現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，而套管偏心會明顯降低環(huán)空壓降梯度[21]。今后需要研究考慮套管偏心度的井筒ECD預(yù)測模型。

4）流體自由下落效應(yīng)。與鉆井過程不同的是，固井過程中井筒內(nèi)同時存在水泥漿、沖洗液和隔離液等多種流體，不同流體的密度也各不相同。當(dāng)井筒內(nèi)同時存在不同密度的流體時，高密度流體會有更快向下運動的趨勢，這會對泵排量和井筒壓力分布產(chǎn)生影響。因此，需要開展考慮流體自由下落影響的井筒水力參數(shù)計算模型研究，以提高井口回壓、泵排量等參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

3.3 工藝流程優(yōu)化

控壓固井過程中涉及多方面技術(shù)人員的協(xié)同合作，包括固井工程師、井筒壓力控制工程師和井筒水力學(xué)參數(shù)設(shè)計人員等，因此必須對控壓固井工藝流程進行優(yōu)化，以提高固井成功率。首先，要優(yōu)選水泥漿，根據(jù)地層密度窗口確定水泥漿密度、水泥漿流變性及水泥漿配方，并對井口回壓工作制度進行優(yōu)化，以保證安全；其次，需要優(yōu)選固井過程中所需的沖洗液、隔離液等工作液，以保證高效頂替；最后，需要制訂固井過程中泵的工作制度，在優(yōu)選水泥漿的基礎(chǔ)上計算井筒水力學(xué)參數(shù)，確定不同作業(yè)階段合適的泵工作制度，以提高固井質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1）現(xiàn)場應(yīng)用表明，控壓固井技術(shù)能夠解決窄安全密度窗口等復(fù)雜難題，顯著提高固井成功率和固井質(zhì)量，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。

2）系統(tǒng)綜述了國外公司主要控壓固井系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括工藝流程、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，可以為國內(nèi)控壓固井技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)和幫助。

3）控壓固井技術(shù)從控壓鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，并沒有充分考慮固井工藝和施工特征。在分析當(dāng)前控壓固井技術(shù)存在的問題的基礎(chǔ)上，建議結(jié)合固井工藝建立更為精確的井筒水力參數(shù)計算模型；研發(fā)自動化、智能化程度更高的井筒壓力控制設(shè)備與軟件系統(tǒng)；針對地層復(fù)雜條件優(yōu)化控壓固井工藝流程等。