孫翊成， 蔣 林, 劉成鋼

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地 3中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司蘇里格項(xiàng)目部

0 引言

近年來(lái)，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在四川磨溪—高石梯構(gòu)造、龍崗構(gòu)造、雙魚(yú)石—河灣場(chǎng)構(gòu)造及新疆塔里木山前構(gòu)造等鉆井實(shí)踐表明，該技術(shù)可有效解決鉆井過(guò)程中的溢漏復(fù)雜問(wèn)題[1]，但是在固井時(shí)卻存在密度窗口窄、套管居中度低、環(huán)空間隙窄等復(fù)雜情況，常規(guī)固井作業(yè)時(shí)存在井控風(fēng)險(xiǎn)大、固井質(zhì)量難以保障等問(wèn)題。常規(guī)固井作業(yè)一般采用靜液柱過(guò)平衡的方式實(shí)施下套管、注替水泥漿等作業(yè)，下套管過(guò)程中容易產(chǎn)生激動(dòng)壓力、替漿時(shí)也因注替高摩阻及候凝過(guò)程中因水泥環(huán)失重等極易造成環(huán)空壓力失衡而導(dǎo)致井下出現(xiàn)井控風(fēng)險(xiǎn)，固井質(zhì)量難以保障；同時(shí)，還面臨所用水泥漿密度過(guò)高，頂替效率低，以及發(fā)生漏失引起竄氣等諸多挑戰(zhàn)，固井質(zhì)量及水泥環(huán)密封完整性難以得到保證。因此，在川渝及塔里木地區(qū)的深井、超深井及復(fù)雜地層固井采用常規(guī)固井工藝已不能滿足窄安全密度窗口地層固井的井控及固井質(zhì)量要求，嚴(yán)重制約了上述區(qū)域的油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程[2]，應(yīng)用精細(xì)控壓固井技術(shù)已成為勢(shì)在必行，既能滿足封固井段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小，又能保證地層壓力敏感的窄安全密度窗口地層固井的安全需求。

1 精細(xì)控壓固井技術(shù)

1.1 精細(xì)控壓固井技術(shù)原理

精細(xì)控壓固井技術(shù)是在精細(xì)控壓鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的延伸和發(fā)展。該技術(shù)首先通過(guò)實(shí)鉆資料、測(cè)井資料、承壓試驗(yàn)等確定地層壓力窗口，然后在前期固井設(shè)計(jì)時(shí)將環(huán)空流體的靜液柱壓力確定為略低于地層孔隙壓力，最后通過(guò)旋轉(zhuǎn)防噴器、自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)等精細(xì)控壓設(shè)備，在固井施工過(guò)程中調(diào)節(jié)井口回壓和環(huán)空摩阻來(lái)實(shí)現(xiàn)井底壓力的平衡，如圖1所示。

圖1 精細(xì)控壓固井主要設(shè)備圖

可用式(1)表示：

pH

(1)

式中：pH—固井期間壓穩(wěn)地層壓力,MPa；pD—固井期間環(huán)空壓力,MPa；ph—環(huán)空靜液柱壓力,MPa；pL—固井期間地層漏失壓力,MPa；pf—環(huán)空循環(huán)摩阻,MPa；pk—井口回壓,MPa。

也可理解為根據(jù)前期確定的安全密度窗口優(yōu)化固井施工排量、井筒水力學(xué)參數(shù)和固井施工過(guò)程中的井筒壓力的精確控制，利用專業(yè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)、防漏、防氣竄，提高固井質(zhì)量的一種固井技術(shù)，如圖2所示。精細(xì)控壓固井技術(shù)在施工過(guò)程中可降低鉆井液密度，在水泥漿頂替過(guò)程中增大排量，從而提高頂替效率，達(dá)到安全施工、保證固井質(zhì)量的目的，彌補(bǔ)了常規(guī)固井技術(shù)的不足[3]。

圖2 精細(xì)控壓固井原理圖

1.2 精細(xì)控壓固井技術(shù)流程

近年來(lái)，所通過(guò)不斷攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了通井、下套管、循環(huán)降密度、注替固井工作液、起鉆、侯凝等全過(guò)程精細(xì)控壓固井工藝包，實(shí)現(xiàn)了窄密度窗口條件下固井不同作業(yè)階段的壓力精細(xì)控制流程，如圖3所示。

圖3 全過(guò)程精細(xì)控壓固井流程圖

2 精細(xì)控壓固井理論及設(shè)計(jì)方法

2.1 精細(xì)控壓固井技術(shù)理論依據(jù)

為保證控壓固井施工過(guò)程中靜液柱壓力略低于地層孔隙壓力，采用精細(xì)控壓平衡法來(lái)設(shè)計(jì)環(huán)空漿體密度，注水泥頂替過(guò)程中通過(guò)在井口施加補(bǔ)償壓力，鉆井液的流動(dòng)阻力和靜液柱壓力來(lái)平衡地層壓力[4- 5]。

環(huán)空靜液柱壓力應(yīng)滿足：

(2)

(3)

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

井口補(bǔ)償壓力應(yīng)滿足：

(4)

pa=0.009 81(Ga+ΔGp-ECD)Ha

(5)

(6)

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

2.2 精細(xì)控壓固井關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 精細(xì)控壓適應(yīng)性評(píng)價(jià)技術(shù)

鉆前結(jié)合鄰井工程地質(zhì)基礎(chǔ)資料分析，開(kāi)展精細(xì)水力學(xué)計(jì)算模擬和窗口不確定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，設(shè)計(jì)出最佳初始密度和控制套壓，為復(fù)雜地層精細(xì)控壓提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.2 精細(xì)控壓下管柱工藝技術(shù)

通過(guò)在線環(huán)空液面監(jiān)控、微流量監(jiān)測(cè)和水力學(xué)計(jì)算方式進(jìn)行井筒壓力實(shí)時(shí)控制，形成了管串下入安全評(píng)估方法、重漿帽技術(shù)、井筒壓力控制技術(shù)、應(yīng)急處置等配套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通井、刮管和完井管串下入等作業(yè)井筒壓力的精細(xì)控制和安全施工。

將“井底恒壓”原理和“精細(xì)控壓”理念引入到固井設(shè)計(jì)，基于安全密度窗口，優(yōu)化設(shè)計(jì)漿柱密度，井口控壓值、注入排量等參數(shù)，利用集控壓固井設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制為一體的精細(xì)控壓固井裝備，計(jì)算誤差小于5%，控制精度±0.35 MPa，能夠保持動(dòng)靜態(tài)井底壓力平穩(wěn)，解決固井過(guò)程中的漏噴復(fù)雜，提高固井質(zhì)量。并針對(duì)精細(xì)控壓固井安全密度窗口敏感性差異，形成了適用于安全密度窗口較大的間歇式精細(xì)控壓固井和適用于安全密度窗口較小的全過(guò)程精細(xì)控壓固井配套工藝，實(shí)現(xiàn)通井、下套管和固井各階段對(duì)井筒壓力的管理。

2.3 精細(xì)控壓固井設(shè)計(jì)方法

以2.1壓力計(jì)算理論為核心，控壓下套管參數(shù)設(shè)計(jì)、注替動(dòng)態(tài)模擬、憋壓候凝方案等子模型為基礎(chǔ)，建立了精細(xì)控壓固井設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)專用設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)下套管參數(shù)、鉆井液密度及性能、漿柱結(jié)構(gòu)、排量、井口套壓等參數(shù)的精確量化設(shè)計(jì)軟件。

精細(xì)控壓固井除了以上技術(shù)外，還在設(shè)計(jì)之初充分考慮各方面因素，使之具備固井全參數(shù)的采集、水泥漿頂替效率、ECD動(dòng)態(tài)模擬、環(huán)空壓力剖面的實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)控制、關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警等多重功能。

3 精細(xì)控壓固井技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1 應(yīng)用實(shí)例

BZ3-K2井是部署在塔里木盆地庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深斷裂帶博孜～阿瓦特變換帶博孜3號(hào)構(gòu)造高點(diǎn)西南翼附近的一口開(kāi)發(fā)井，?241.3 mm井眼的中完井深6 170.2 m,?196.85 mm+?206.38 mm的套管懸掛井深為4 223～6 170.2 m,中完鉆井液密度為2.18 g/cm3,固井水泥漿密度為2.12 g/cm3。作為集團(tuán)公司的一類風(fēng)險(xiǎn)井，通過(guò)前期施工得出安全密度窗口僅0.03 g/cm3，屬于典型的窄安全密度窗口，長(zhǎng)裸眼大斜度鹽層，有接箍套管安全下入難度大；提前連通風(fēng)險(xiǎn)大，下套管和固井期間存在井漏風(fēng)險(xiǎn)，井控風(fēng)險(xiǎn)大，施工難度高。

BZ3-K2井下送套管至6 170.2 m后，排量3～6.6 L/s循環(huán)鉆井液70 m3無(wú)異常，采用2.06 g/cm3鉆井液替出井筒內(nèi)2.18 g/cm3鉆井液，全程通過(guò)調(diào)整排量大小和精確控制井口回壓，始終將井底ECD控制在2.18～2.21 g/cm3的安全窗口范圍以內(nèi);在注水泥過(guò)程中，為保證頂替效率，在1.8 m3/min的大排量情況下，全程精細(xì)控制井口回壓精確控制井底ECD在2.18～2.185 g/cm3范圍，鉆井液與水泥漿密度差達(dá)到0.06 g/cm3，最大環(huán)空返速超過(guò)2.50 m/s，為提高頂替效率提供了基礎(chǔ)。固井施工過(guò)程中控套壓0～7 MPa，控壓值與施工方案設(shè)計(jì)套壓值完全吻合，一次性精確憋壓7 MPa，與施工方案中的設(shè)計(jì)值0偏差，0浮動(dòng)。

電測(cè)得到固井質(zhì)量合格率83.2%,其中固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率為54.7%。而鄰井BZ3-2X,BZ3-3X常規(guī)固井合格率僅為63%，其中固井優(yōu)質(zhì)率不足40%,BZ3-1CZ井固井合格率提高32%,優(yōu)質(zhì)率提高36.75%。精細(xì)控壓固井施工期間實(shí)現(xiàn)“零溢流、零漏失、零復(fù)雜”，保障井控安全，為提升固井質(zhì)量創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)條件，取得顯著的應(yīng)用效果，得到一致好評(píng)。

截止2021年11月中旬，該技術(shù)已在川渝地區(qū)成功應(yīng)用104口井，在塔里木庫(kù)車山前構(gòu)造成功應(yīng)用3口井。與常規(guī)固井技術(shù)相比，精細(xì)控壓固井技術(shù)始終控制環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度在安全密度窗口范圍內(nèi)，提升頂替效率至95%以上，避免固井期間的溢漏復(fù)雜，大幅提升川渝地區(qū)和塔里木油田復(fù)雜井固井質(zhì)量，成為提升窄密度窗口固井質(zhì)量的一把利器。

3.2 川渝地區(qū)應(yīng)用情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)川渝地區(qū)自2018年采用精細(xì)控壓固井技術(shù)以來(lái)，創(chuàng)造了最大井深、最小工作液密度窗口、一次上返率、固井合格率等多項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)記錄，較好地解決了固井漏失低返問(wèn)題，固井質(zhì)量明顯得到大幅度提高，采用精細(xì)控壓固井技術(shù)后的固井合格率從2018年的59.9%提高到2021年的92.5%，平均每年提高18.3%；固井優(yōu)質(zhì)率從2018年的36.7%提高到2021年的63.6%，平均每年提高11%，如圖4所示。

圖4 川渝地區(qū)固井質(zhì)量對(duì)比圖

3.3 塔里木庫(kù)車山前應(yīng)用情況

塔里木庫(kù)車山前是油田天然氣上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，西氣東輸?shù)臍庠吹?，但山前鹽層固井質(zhì)量受密度窗口窄、套管居中度低、環(huán)空間隙窄等影響，固井合格率多年來(lái)徘徊在50%左右，嚴(yán)重威脅井筒完整性生產(chǎn)和安全性。

塔里木庫(kù)車山前構(gòu)造2019年首次采用精細(xì)控壓固井技術(shù)就獲得多項(xiàng)成果：一是首次在超深、超高壓鹽水層、超窄密度窗口實(shí)現(xiàn)了零漏失、零溢流，成功實(shí)現(xiàn)一次上返，減少了正注反擠作業(yè)程序，顯著降低了中完周期；二是顯著提高了鹽層固井施工排量(返速1.1 m/s)，大幅提高了鉆井液和水泥漿密度差(0.09 g/cm3)，為提高鹽層固井頂替效率提供了良好頂替環(huán)境；三是真正意義上解決了塔里木油田超窄密度窗口(0.02 g/cm3)的固井溢漏難題，填補(bǔ)了塔里木油田精細(xì)控壓固井施工領(lǐng)域的空白。進(jìn)一步擴(kuò)展了精細(xì)控壓固井技術(shù)的應(yīng)用條件，為解決超窄安全密度窗口固井溢漏難題提供了新的技術(shù)途徑。從塔里木庫(kù)車山前精細(xì)控壓固井后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，固井合格率由47.2%提高到83.2%，優(yōu)質(zhì)率由21.5%提高到54.7%，固井合格率與優(yōu)質(zhì)率均提高30%以上，效果十分顯著，如圖5所示。

圖5 塔里木固井質(zhì)量對(duì)比圖

4 結(jié)論與建議

(1)精細(xì)控壓固井技術(shù)是目前解決窄安全密度窗口氣井固井難題的有效手段。它能最大限度地確保壓穩(wěn)地層，防止井漏的發(fā)生，為解決固井中普遍存在的“易漏失、難壓穩(wěn)”提供了新的技術(shù)途徑。

(2)精細(xì)控壓固井的基礎(chǔ)是根據(jù)前期實(shí)鉆情況，包括油氣顯示、井漏和地層承壓試驗(yàn)等各種綜合影響因素來(lái)確定固井施工作業(yè)過(guò)程中各階段的井口控壓值。在確保壓穩(wěn)、不漏、保證固井質(zhì)量的前提下，通過(guò)精細(xì)控壓固井裝備，結(jié)合控制軟件模擬井筒壓力情況，并合理控制井口回壓，確保固井過(guò)程中井底壓力處于地層孔隙壓力與地層漏失壓力之間。

(3)精細(xì)控壓固井的關(guān)鍵在于“精”，精準(zhǔn)地層壓力分析是前提、精確環(huán)空壓力計(jì)算是重點(diǎn)、精細(xì)壓力控制是關(guān)鍵，只有三者相輔相成，才能確保精細(xì)控壓固井施工的成功。

(4)目前精細(xì)控壓固井控制系統(tǒng)的智能化程度需要進(jìn)一步加強(qiáng)，具體表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)控壓值變化較大的時(shí)候控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，控壓值調(diào)整到位會(huì)稍微滯后。