吳天乾 李明忠 李德紅 宋文宇 李季

中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司

地層承壓能力低、漏失嚴(yán)重已成為固井作業(yè)保證水泥返高和提高固井質(zhì)量的瓶頸。為有效解決固井工程中的漏失問(wèn)題，固井設(shè)計(jì)考慮的安全窗口由“地層壓力-破裂壓力”窗口轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗貙訅毫?漏失壓力”窄窗口，即通過(guò)設(shè)計(jì)合理的漿柱結(jié)構(gòu)和注、替漿工藝，實(shí)現(xiàn)油氣層的壓穩(wěn)和薄弱地層的防漏。地層壓力及異常壓力評(píng)價(jià)可通過(guò)聲波時(shí)差法或?qū)嶃@dc指數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)或監(jiān)測(cè)，破裂壓力評(píng)價(jià)可借助巖石力學(xué)和地層應(yīng)力參數(shù)，通過(guò)黃榮樽法等模型預(yù)測(cè)，或鉆井液壓試驗(yàn)法實(shí)際測(cè)量［1］。但目前，國(guó)內(nèi)對(duì)漏失壓力的確定尚無(wú)成熟的理論，其研究基本停留在定性半定量描述階段?；蚧谀愁惵┦C(jī)理，或討論有無(wú)泥餅存在，根據(jù)巖石力學(xué)原理，建立地層漏失壓力理論計(jì)算模型［2-7］。但造成地層漏失的原因種類多、機(jī)理復(fù)雜，理論模型適用范圍有限，而且其中基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)量與處理的準(zhǔn)確性有待提高。因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定是獲取地層漏失壓力最為直接有效的方法。

當(dāng)作用在薄弱地層上的動(dòng)液柱壓力等于地層漏失壓力時(shí)，地層開始發(fā)生漏失，因此準(zhǔn)確計(jì)算漿柱的動(dòng)液柱壓力是地層漏失壓力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。筆者以環(huán)空和套管內(nèi)流體力學(xué)的原理和方法為基礎(chǔ)［8-10］，提出了一種固井前開展地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試的方法。通過(guò)逐步提高循環(huán)排量，增加作用于目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力，根據(jù)循環(huán)立壓，結(jié)合環(huán)空和套管的幾何特征關(guān)系，計(jì)算在環(huán)空不同井段處動(dòng)液柱壓力分布，從而確定目標(biāo)層漏失壓力，為優(yōu)化防漏固井設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試流程

下完套管固井前需要循環(huán)鉆井液，降低鉆井液的黏度、切力。鉆井液經(jīng)套管由井底返出進(jìn)入環(huán)空，循環(huán)摩阻方向與鉆井液流動(dòng)方向相反，大小與循環(huán)排量正相關(guān)，如圖1所示。鉆井液經(jīng)過(guò)充分循環(huán)后，出入口鉆井液密度、流變性能基本保持一致，此時(shí)井口立壓pf與套管及環(huán)空內(nèi)循環(huán)摩阻pfi、pfo滿足關(guān)系

式中，pf為井口立壓，MPa；pfi為套管內(nèi)循環(huán)摩阻，MPa；pfo為環(huán)空內(nèi)循環(huán)摩阻，MPa。

通過(guò)逐步提高排量，增大作用在地層上的循環(huán)摩阻力，進(jìn)而對(duì)地層漏失壓力開展動(dòng)態(tài)測(cè)試，具體流程如下。

圖1 固井前鉆井液循環(huán)示意圖Fig.1 Circulation of drilling fluid before the cementing

(1)收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：套管外徑、壁厚及套管分段段長(zhǎng)，井眼井徑及分段段長(zhǎng)；結(jié)合鄰井實(shí)鉆資料，確定主要漏失層(測(cè)試目標(biāo)層)及其井深。根據(jù)固井設(shè)計(jì)的漿柱結(jié)構(gòu)、流體性能和注替漿排量，計(jì)算固井時(shí)作用在目標(biāo)層的最大動(dòng)液柱壓力pcd；

(2)下完套管后緩慢開泵，頂通井內(nèi)鉆井液，小排量循環(huán)以充分破壞靜切力，防止壓力激動(dòng)；

(3)適當(dāng)提高循環(huán)排量，調(diào)整鉆井液性能至進(jìn)、出口基本一致；

(4)逐漸增大循環(huán)排量，作用于測(cè)試目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力逐漸增大，測(cè)量對(duì)比進(jìn)、出口排量，記錄井口立壓pf及對(duì)應(yīng)排量；

(5)根據(jù)井口立壓實(shí)時(shí)計(jì)算作用在目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力pd，具體計(jì)算方法見2.2節(jié)；

(6)當(dāng)出口排量開始小于井口排量，井眼開始發(fā)生微漏時(shí)停止測(cè)試，此時(shí)動(dòng)液柱壓力即為目標(biāo)層漏失壓力；或者測(cè)試至pf≥pcd仍未發(fā)生井漏，停止測(cè)試進(jìn)行固井作業(yè)；

(7)若測(cè)試目標(biāo)層的地層承壓能力pf≤pcd，通過(guò)采取調(diào)整漿柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化固井液密度與流變性和優(yōu)化注替漿排量的措施，降低pcd使其滿足pf≥pcd(如圖2中①所示)，或采取循環(huán)堵漏措施，提高pd滿足pf≥pcd(如圖2中②所示)。

2 循環(huán)摩阻及地層漏失計(jì)算

2.1 循環(huán)摩阻計(jì)算

為便于理論研究，做出如下假設(shè)：(1)環(huán)空暢通，不存在明顯憋堵井段；(2)考慮鉆井液的屈服特性和觸變性，鉆井液滿足賓漢流變模式［11］；(3)充分循環(huán)后，井內(nèi)鉆井液性能基本一致；(4)套管串上的浮箍及浮鞋水眼直徑較大，節(jié)流效應(yīng)較小，井口立壓主要是套管、環(huán)空的循環(huán)摩阻疊加。

圖2 地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試流程Fig.2 Dynamic test process of formation leakage pressure

固井前循環(huán)鉆井液，經(jīng)過(guò)充分降黏切，并逐步提高排量，鉆井液在環(huán)空內(nèi)的流態(tài)變?yōu)槲闪鳌Ｒ话憔蹆?nèi)徑Dw、套管外徑De之比大于0.3，為窄環(huán)空間隙，因此采用窄縫近似法計(jì)算賓漢流體的環(huán)空流動(dòng)特性。pfi和pfo可通過(guò)式(2)、(3)計(jì)算［12］：

在套管內(nèi)的鉆井液速度及雷諾數(shù)見式(4)、(5)，在環(huán)空內(nèi)的鉆井液速度及雷諾數(shù)見式(6)、(7)。

套管和環(huán)空內(nèi)的摩阻系數(shù)f為

式中，Q為循環(huán)排量，m3/s；V為鉆井液在套管或環(huán)空內(nèi)的平均流速，m/s；Di為套管內(nèi)徑，m；ρ為鉆井液密度，kg/m3；μp為鉆井液塑性黏度，Pa · s；Dw為井眼內(nèi)徑，m；De為套管外徑，m；Re為套管或環(huán)空內(nèi)流體雷諾數(shù)；L為套管或環(huán)空段長(zhǎng)，m；f為套管或環(huán)空的摩阻系數(shù)；KRe和KΔp/L均為常數(shù)，使用SI單位制時(shí)取1；A、B為與賓漢流體赫茲數(shù)相關(guān)常數(shù)，A=0.205 21，B=0.355 79。

鉆井液經(jīng)過(guò)充分循環(huán)后，井內(nèi)各段鉆井液密度、流變性能基本一致；套管與環(huán)空之間不存在“U”型管效應(yīng)，即出入口排量相等。由公式(2)～(8)分析可得，在套管或環(huán)空各段之間循環(huán)摩阻差異由幾何特征(環(huán)空間隙寬度、套管內(nèi)徑、段長(zhǎng))確定。

2.2 地層漏失壓力計(jì)算

采用動(dòng)態(tài)測(cè)試法確定地層漏失壓力的關(guān)鍵是定量計(jì)算作用于目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力。井口立壓表征井內(nèi)鉆井液在不同排量時(shí)的循環(huán)摩阻，基于套管與環(huán)空的幾何特征比例，量化井口立壓在不同井段的百分比，得到各井段產(chǎn)生的循環(huán)摩阻，進(jìn)而計(jì)算作用于目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力。定義井深Lw、井眼平均直徑環(huán)空內(nèi)的循環(huán)摩阻為參考變量pfw。僅當(dāng)井徑、套管外徑隨井深增加而不變時(shí)，環(huán)空總循環(huán)摩阻等于pfw。

鉆井液在井徑Dj、段長(zhǎng)Lj環(huán)空內(nèi)的速度Vj與在井徑、段長(zhǎng)Lw環(huán)空內(nèi)的速度的關(guān)系為

鉆井液在井徑Dj、段長(zhǎng)Lj環(huán)空內(nèi)的雷諾數(shù)Rej與在井徑、段長(zhǎng)Lw環(huán)空內(nèi)的速度Rew的關(guān)系為

鉆井液在井徑Dj、段長(zhǎng)Lj環(huán)空內(nèi)摩阻系數(shù)fj與在井徑、段長(zhǎng)Lw環(huán)空內(nèi)的摩阻系數(shù)fw的關(guān)系為

鉆井液在井徑Dj、段長(zhǎng)Lj環(huán)空內(nèi)的摩阻pfj與pfw的關(guān)系為

同理，鉆井液在內(nèi)徑Dk、段長(zhǎng)Lk的套管內(nèi)的摩阻pfk與pfw的關(guān)系為

因此，鉆井液循環(huán)時(shí)的井口壓力pf滿足：

式中，為井眼平均直徑，m；為環(huán)空內(nèi)鉆井液平均速度，m/s；Dj為某井段井眼直徑，m；Lj為對(duì)應(yīng)Dj的井段長(zhǎng)度，m；j為環(huán)空內(nèi)由井口至井底的依次編號(hào)，j=1，2，···，n；Lw為井深，m；Aj和Ak為無(wú)量綱參數(shù)，與套管與環(huán)空的幾何特征有關(guān)；k為按照套管內(nèi)徑大小由井口至井底的依次編號(hào)，k=1，2，···，m。

固井前鉆井液大排量循環(huán)，由井口立壓表讀取pf，Aj和Ak可通過(guò)式(13)和(14)由環(huán)空和套管尺寸參數(shù)計(jì)算，通過(guò)式(15)計(jì)算參考變量pfw，由式(13)和(14)分別計(jì)算環(huán)空與套管內(nèi)的各段循環(huán)摩阻Pfj與Pfk。對(duì)目標(biāo)層以上各環(huán)空井段所形成的循環(huán)摩阻疊加，見式(16)，進(jìn)而得到作用于目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力。根據(jù)測(cè)試流程，確定目標(biāo)層的地層漏失壓力，從而為防漏固井設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工方案調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

式中，pd為作用于目標(biāo)層動(dòng)液柱壓力，MPa；n0為目標(biāo)層所在的井段編號(hào)；pfn0為n0段環(huán)空形成的循環(huán)摩阻；Ln0為第n0段環(huán)空段長(zhǎng)，m；Hwn0為目標(biāo)層所在井深，m。

在固井施工前鉆井液性能調(diào)整及井眼清潔過(guò)程中，首先頂通井內(nèi)鉆井液，然后循環(huán)排量逐漸由低到高。壓力測(cè)試即在該階段完成，未增加額外的生產(chǎn)時(shí)間或形成額外的工作量，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)便于操作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法定量評(píng)價(jià)，得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3 計(jì)算實(shí)例

以鄂爾多斯盆地大牛地氣田某井二開技術(shù)套管固井為例。井身結(jié)構(gòu)：一開?311.2 mm鉆頭鉆至405 m，?244.5 mm(壁厚8.94 mm)套管下深404.82 m；二開?222.3 mm鉆頭鉆至 3 125 m，?177.8 mm(壁厚 8.05 mm)套管×(0～1 900 m)+?177.8 mm(壁厚9.19 mm)×(1 900～3 125 m)。環(huán)空井段 405～2 225 m井徑 231.80 mm，2 225～3 125 m井徑 232.60 mm。鉆井液性能：密度1.25 g/cm3，動(dòng)切力8 Pa，塑性黏度16 mPa · s。固井前開展地層承壓能力動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試至循環(huán)排量22.4 L/s未發(fā)生井漏，井口壓力達(dá)到5 MPa。

借助2.2節(jié)方法，計(jì)算環(huán)空不同井段承受的動(dòng)液柱壓力，如表1所示。環(huán)空分3段、套管分2段；環(huán)空平均井徑231.26 mm，在該井徑、井深3 125 m條件下計(jì)算的環(huán)空參考摩阻pfw為4.24 MPa。計(jì)算的環(huán)空和套管內(nèi)的總摩阻分別為4.277 MPa和0.723 MPa。

表1 由井口壓力計(jì)算的環(huán)空不同層位的摩阻Table 1 Annulus friction at different horizons calculated on the basis of wellhead pressure

該井易漏失地層劉家溝組井深2 134 m，則作用在劉家溝組上的循環(huán)摩阻為

作用在劉家溝組上的動(dòng)液柱當(dāng)量密度為

即劉家溝組的地層承壓能力不小于1.394 g/cm3。

該井技術(shù)套管固井采用三凝水泥漿體系，領(lǐng)漿密度1.260 g/cm3，封固0～2 250 m井段，過(guò)渡漿密度1.75 g/cm3，封固2 250～2 500 m井段，尾漿密度1.88 g/cm3，封固 2 500～2 925 m，注漿排量 1.0～1.4 m3/min，U型管效應(yīng)階段替漿排量1.5 m3/min，U型管效應(yīng)結(jié)束后替漿排量0.3 m3/min。模擬計(jì)算作用于劉家溝組的最大動(dòng)液柱壓力1.343 g/cm3，小于其地層漏失壓力，滿足固井防漏需要?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)水泥漿返至井口，未發(fā)生井漏。

4 結(jié)論

(1)基于鉆井液在環(huán)空和套管內(nèi)的流動(dòng)特性，提出了一種固井前利用鉆井液循環(huán)摩阻定量測(cè)試地層漏失壓力的原理和方法。參考井口壓力、井眼和套管幾何參數(shù)，即可定量計(jì)算作用于測(cè)試目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力。

(2)在動(dòng)液柱壓力定量計(jì)算基礎(chǔ)上，制定了固井前地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試流程。逐漸提高循環(huán)排量，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)口、出口鉆井液排量，在發(fā)生微漏時(shí)停止測(cè)試，此時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)液柱壓力即為地層漏失壓力，或測(cè)試至滿足固井防漏需要時(shí)停止。

(3)與靜態(tài)承壓相比，該方法尤其適用于低漏失壓力井的測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該方法簡(jiǎn)便快捷、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)，為固井工程方案調(diào)整、設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工過(guò)程控制提供了參考和依據(jù)。