徐璧華，李俊蝠 ，李斌，田東誠，饒福家

1.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)，四川成都610500

2.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都610017

3.中國石油大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司，黑龍江大慶163358

4.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧629000

引言

隨著國內(nèi)能源需求日益劇增以及淺層油氣資源的逐漸枯竭，油氣勘探開發(fā)逐步向深部地層方向發(fā)展，鉆遇的窄安全壓力窗口地層越來越普遍[1-3]，尤其四川盆地窄安全壓力窗口地層更為常見，壓力窗口當(dāng)量密度僅為0.04～0.08 g/cm3[4-5]。窄安全壓力窗口地層由于地層破裂壓力相對(duì)較低，下套管產(chǎn)生的波動(dòng)壓力容易導(dǎo)致井筒壓力超出壓力窗口上限，從而引發(fā)井漏[6-8]，而下套管時(shí)一旦發(fā)生井漏，無法進(jìn)行堵漏作業(yè)，將套管強(qiáng)行下放到位，隨后在漏失情況下采用“正注反打”技術(shù)進(jìn)行固井，會(huì)導(dǎo)致固井質(zhì)量普遍較差[9-12]；因此，窄安全壓力窗口地層下套管時(shí)應(yīng)盡量避免波動(dòng)壓力引起的井筒壓力過大而壓漏地層。目前，控制波動(dòng)壓力減小下套管漏失風(fēng)險(xiǎn)的措施主要有：（1）控制套管下放速度[13-15]；（2）適當(dāng)降低鉆井液密度[16-17]；（3）安裝自動(dòng)灌鉆井液浮閥、浮箍使鉆井液流動(dòng)通道變大[18-19]。但上述措施仍不能有效解決窄安全壓力窗口地層下套管問題，套管下放速度稍微控制不當(dāng)就會(huì)壓漏地層。因此，為了有效地避免窄安全壓力窗口地層下套管漏失的發(fā)生，以瞬態(tài)波動(dòng)壓力為基礎(chǔ)，建立窄安全壓力窗口地層下套管過程中井筒壓力控制模型，進(jìn)而提出精細(xì)控壓下套管方法。

1 下套管瞬態(tài)波動(dòng)壓力模型

在充滿泥漿的井筒中下套管的基本物理模型及鉆井液流動(dòng)通道如圖1 所示。

圖1 下套管物理模型及鉆井液流動(dòng)通道示意圖Fig.1 Physical model of casing running and schematic diagram of drilling fluid flow channel

下套管過程考慮井內(nèi)鉆井液流動(dòng)為瞬態(tài)流動(dòng)，其特征有：（1）套管下放速度隨時(shí)間變化；（2）井內(nèi)鉆井液可壓縮；（3）地層、井眼和套管為彈性體；（4）井底為剛性。該水力系統(tǒng)為兩個(gè)流道串聯(lián)組成：（1）環(huán)空流道A，其流動(dòng)為套管底部到井口；（2）井眼圓形流道B，其流動(dòng)為套管底部到井底。

套管在井筒中下放時(shí)，引起井內(nèi)鉆井液的瞬態(tài)流動(dòng)，可依據(jù)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理，得到下套管引起的鉆井液在各流道的一維不穩(wěn)定流動(dòng)的控制方程[20]

求解一維不穩(wěn)定流動(dòng)的控制方程需先確定初始條件和邊界條件。下套管初始時(shí)刻，井筒內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的體積流量和波動(dòng)壓力為

井口位置處液面與大氣相連，波動(dòng)壓力為

井底位置考慮為剛性且無鉆井液滲入，體積流量為

套管底部為環(huán)空和空井眼交匯處，波動(dòng)壓力和體積流量滿足

瞬態(tài)波動(dòng)壓力模型的方程組中，式（1）為一階非線性偏微分方程組，其解析解很難求出。因此，采用特征線法和隱式差分法進(jìn)行數(shù)值求解[21-22]。特征線法用于處理套管下放過程中形成長度較長的流道，而隱式差分法用于處理長度較短的流道。以往考慮扶正器對(duì)波動(dòng)壓力的影響采用的是附加一個(gè)局部阻力的簡(jiǎn)單處理[15]。為了接近真實(shí)情況，對(duì)扶正器與環(huán)空形成的短管流道采用隱式差分格式的微觀處理。

2 下套管瞬態(tài)波動(dòng)壓力影響因素分析

選取下套管控壓過程對(duì)波動(dòng)壓力影響的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，某口井采用?215.60 mm 的鉆頭鉆至目的層3 000 m 后下入?177.80 mm 套管，上層?244.48 mm 套管下深2 627 m。鉆井液密度為1.90 g/cm3，靜切力為2.58 Pa，稠度系數(shù)為0.277 Pa·s0.831，流性指數(shù)為0.831。

2.1 套管初始下入深度的影響

不同套管初始下入深度對(duì)井底波動(dòng)壓力的影響如圖2 所示。

圖2 套管底部初始深度對(duì)波動(dòng)壓力的影響Fig.2 Effect of initial depth of casing bottom on surge pressure

由圖2 可知，套管底部初始下放深度越深，井底波動(dòng)壓力峰值越大，隨著套管下放深度增加，井底波動(dòng)壓力峰值增幅越大。主要原因是擾動(dòng)源離井底越近，壓力波衰減越小，井底壓力波動(dòng)越劇烈[23]。

2.2 套管下放最大速度的影響

不同套管下放最大速度對(duì)井底波動(dòng)壓力的影響如圖3 所示。井底波動(dòng)壓力峰值隨著最大下放速度增大而增大，且隨著最大速度增加井底波動(dòng)壓力峰值增幅越大。由于壓力波傳到井底需要一定時(shí)間，井底波動(dòng)壓力峰值相較于最大速度點(diǎn)有滯后性。調(diào)節(jié)套管下放速度是常規(guī)下套管控制波動(dòng)壓力的最主要手段，但在窄安全壓力窗口地層受限制較大。

圖3 套管下放最大速度對(duì)波動(dòng)壓力的影響Fig.3 Effect of casing running maximum speed on surge pressure

2.3 環(huán)空間隙的影響

不同環(huán)空間隙對(duì)井底波動(dòng)壓力的影響如圖4 所示。隨著環(huán)空間隙的減小，井底波動(dòng)壓力峰值增大較為顯著，其主要原因?yàn)榄h(huán)空間隙越小，環(huán)空截面流速越大，壓力波動(dòng)越劇烈。因此，在窄安全壓力窗口地層小間隙井眼對(duì)套管下放速度又是一限制條件。此外，由于波動(dòng)壓力受環(huán)空間隙影響較大，故波動(dòng)壓力的計(jì)算不能忽略裸眼段的井徑變化。

圖4 環(huán)空間隙對(duì)波動(dòng)壓力的影響Fig.4 Effect of annular clearance on surge pressure

2.4 鉆井液密度的影響

不同鉆井液密度對(duì)井底波動(dòng)壓力的影響如圖5所示。

圖5 鉆井液密度對(duì)波動(dòng)壓力的影響Fig.5 Effect of drilling fluid density on surge pressure

隨著鉆井液密度的增加，井底波動(dòng)壓力峰值增加并不明顯，說明鉆井液密度對(duì)波動(dòng)壓力并無太大影響。但是，鉆井液密度的變化會(huì)直接影響靜液柱壓力進(jìn)而改變井筒壓力。在窄安全壓力窗口地層下套管速度受限制時(shí)，調(diào)節(jié)鉆井液密度也是一種可行手段。

2.5 下套管井筒壓力控制模型

以瞬態(tài)波動(dòng)壓力為基礎(chǔ)，建立下套管井筒壓力控制模型，其主要原理為通過控制下套管過程井筒壓力使其始終維持在安全壓力窗口內(nèi)。

尾管完全進(jìn)入井筒前，通過調(diào)節(jié)套管下放速度控制波動(dòng)壓力，從而控制下套管過程井筒壓力

尾管完全進(jìn)入井筒后，則通過循環(huán)降低鉆井液密度及井口壓力補(bǔ)償，以控制下套管過程井筒壓力

根據(jù)下套管過程產(chǎn)生的最大波動(dòng)壓力，確定井筒鉆井液密度的降低值

確定出密度降低值后，按式（7）計(jì)算出下套管過程井口壓力補(bǔ)償值pb。

3 精細(xì)控壓下套管方法

精細(xì)控壓下套管方法主要針對(duì)于下尾管的情況。尾管完全進(jìn)入井筒前，只通過調(diào)整套管下放速度控制波動(dòng)壓力；尾管完全進(jìn)入井筒后，通過降低上部井段的鉆井液密度并采用井口壓力補(bǔ)償?shù)姆绞娇刂葡绿坠苓^程井筒壓力，使其處于安全窗口內(nèi)。精細(xì)控壓下套管的工藝流程圖見圖6，具體步驟為：

圖6 精細(xì)控壓下套管工藝流程圖Fig.6 Flow chart of running casing process with fine pressure control

（1）根據(jù)測(cè)井資料和承壓試驗(yàn)，確定安全壓力窗口。

（2）設(shè)置最大下套管速度為vp1，并計(jì)算下套管過程關(guān)注點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力。

（3）判斷關(guān)注點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力是否在安全壓力窗口內(nèi)。若否，將最大下套管速度降低至vp2；若是，則按速度vp1下放套管。

（4）判斷尾管是否完全進(jìn)入井筒。若否，重復(fù)步驟（2）至步驟（4）；若是，進(jìn)入下一步。

（5）計(jì)算以最大速度vp3下套管時(shí)，整個(gè)后續(xù)下套管過程關(guān)注點(diǎn)產(chǎn)生最大抽吸壓力psw和最大激動(dòng)壓力psg。

（6）判斷psw+psg是否小于井口所能提供的最大控壓值pmax。若否，將速度降低至vp4，并重復(fù)步驟（5）至步驟（6）；若是，進(jìn)入下一步。

（7）計(jì)算將尾管長度井段的鉆井液的液柱壓力降低psg所需降低的鉆井液密度。

（8）通過循環(huán)降低環(huán)空鉆井液密度，同時(shí)進(jìn)行井口壓力補(bǔ)償，最大壓力補(bǔ)償值為psw+psg。

（9）以步驟（6）得到的速度繼續(xù)下套管，并判斷套管是否到達(dá)目的位置。若是，下套管結(jié)束；若否，重復(fù)步驟（9）。

4 實(shí)例應(yīng)用

對(duì)四川盆地某口井采用本文所述的精細(xì)控壓下套管方法進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，該井井深為5 600 m，裸眼段安全壓力窗口為2.15～2.19 g/cm3，其井身參數(shù)見表1。鉆井液密度為2.16 g/cm3，靜切力為3.3 Pa，稠度系數(shù)為0.245 Pa·s0.820，流性指數(shù)為0.820。

表1 井身尺寸參數(shù)Tab.1 Well dimension parameters

以最大速度0.5 m/s 下放套管，關(guān)注點(diǎn)（井深5 500 m 處）的最大、最小壓力當(dāng)量密度及最大波動(dòng)壓力，見圖7。

圖7 下套管過程中關(guān)注點(diǎn)最大、最小壓力當(dāng)量密度及最大波動(dòng)壓力Fig.7 Maximum,minimum pressure equivalent density and maximum surge pressure of concern during casing running

當(dāng)套管下放到1 218 m 時(shí)，關(guān)注點(diǎn)最大壓力超過壓力窗口上限，尾管未全部進(jìn)入井筒，則改為最大速度0.13 m/s 繼續(xù)下放套管。

尾管全部進(jìn)入井筒后，可改為最大速度0.50 m/s下放套管，需在套管下放深度為3 000 m 時(shí)循環(huán)降低井筒鉆井液密度0.14 g/cm3，并在下套管過程中采用井口壓力補(bǔ)償，使控壓后關(guān)注點(diǎn)壓力當(dāng)量密度維持在2.16 g/cm3，最大井口壓力補(bǔ)償值為4.5 MPa，下入部分管柱的井口壓力補(bǔ)償和關(guān)注點(diǎn)壓力當(dāng)量密度，見圖8。

圖8 下入部分管柱的井口壓力補(bǔ)償和關(guān)注點(diǎn)當(dāng)量密度Fig.8 Wellhead pressure compensation and pressure equivalent density of concern for the downhole part of the string

尾管完全進(jìn)入井筒后，若仍采用控制套管下放速度的常規(guī)下套管方法，需再一次降低套管下放最大速度，見圖9。由圖9 可以看出，套管下放到井底附近時(shí)，需將最大速度控制在0.04 m/s 以下才能將關(guān)注點(diǎn)壓力維持在安全壓力窗口內(nèi)。

圖9 精細(xì)控壓、常規(guī)下套管關(guān)注點(diǎn)最大壓力當(dāng)量密度Fig.9 The maximum pressure equivalent density of managed pressure running casing and conventional running casing

此外，當(dāng)套管底部下放到3 000 m 時(shí)關(guān)注點(diǎn)最大波動(dòng)壓力有所降低，見圖7。這是由于套管進(jìn)入裸眼段后考慮了井眼擴(kuò)大率，環(huán)空間隙增大，所以下套管關(guān)注點(diǎn)最大波動(dòng)壓力有所降低。由此可見，考慮了裸眼段的井眼擴(kuò)大率對(duì)波動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果有較大影響。

5 結(jié)論

（1）利用瞬態(tài)波動(dòng)壓力計(jì)算模型進(jìn)行下套管過程波動(dòng)壓力敏感性分析可知，套管下放速度越大、套管下入深度越深、鉆井液密度越大、環(huán)空間隙越小，下套管引起的井底波動(dòng)壓力越大，鉆井液密度對(duì)波動(dòng)壓力的影響最小。

（2）以瞬態(tài)波動(dòng)壓力為基礎(chǔ)，建立了窄安全壓力窗口地層下套管過程井筒壓力控制模型，提出了通過降低井筒上部井段的鉆井液密度及井口壓力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)下套管過程井筒壓力實(shí)時(shí)控制的精細(xì)控壓下套管方法。

（3）通過實(shí)例應(yīng)用發(fā)現(xiàn)考慮了裸眼段的井眼擴(kuò)大率對(duì)波動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果影響較大，井眼擴(kuò)大后波動(dòng)壓力將減小；采用降低上部井段的鉆井液密度及井口壓力補(bǔ)償?shù)木?xì)控壓下套管方法，既能夠保障下套管速度，又能降低井漏風(fēng)險(xiǎn)。

（4）與常規(guī)下套管方法對(duì)比可知，在窄安全壓力窗口情況下，套管下放到井底位置附近時(shí)，套管下放速度的控制范圍非常窄，常規(guī)方法很難將關(guān)注點(diǎn)壓力始終維持在安全壓力窗口內(nèi)，控制不當(dāng)就會(huì)增加井漏風(fēng)險(xiǎn)。

符號(hào)說明

v——井筒鉆井液流速，m/s；