動(dòng)態(tài)平衡固井技術(shù)與實(shí)踐

鮮明， 陳敏， 余才焌， 劉洋， 吳朗

川西北地區(qū)隨著勘探層位不斷加深，尾管固井封固段加長(zhǎng)，長(zhǎng)裸眼段多套壓力系統(tǒng)并存，漏噴同存主要表現(xiàn)為茅口-龍王廟組，安全當(dāng)量密度窗口窄（小于0.05 g/cm3）、地層壓力系數(shù)高，環(huán)空壓力控制難度大，井控風(fēng)險(xiǎn)非常高，固井工程面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。前期已完成固井作業(yè)的LG062-C1井，飛仙關(guān)地層壓力系數(shù)1.76～1.91，常規(guī)尾管固井工藝未能實(shí)現(xiàn)對(duì)飛仙關(guān)高壓氣層壓穩(wěn)，最終導(dǎo)致φ114.3 mm尾管喇叭口竄氣；LT1井φ168.3 mm尾管固井由于井底志留系漏失造成棲霞組氣竄，導(dǎo)致下一開次志留系-龍王廟組頂不能實(shí)現(xiàn)降低鉆井液密度，鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)極大。為此，針對(duì)漏噴并存的復(fù)雜條件，探索了動(dòng)態(tài)控壓固井工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同作業(yè)階段的精細(xì)環(huán)空壓力控制，杜絕了井控風(fēng)險(xiǎn)，確保了小間隙環(huán)空封固質(zhì)量。

1 動(dòng)態(tài)平衡固井技術(shù)的必要性

川渝地區(qū)屬盆地區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層橫向差異大、縱向油氣水漏顯示多、壓力層系多，尤其是川西北部及南部地區(qū)下二疊系及以下深部?jī)?chǔ)層，鉆井勘探風(fēng)險(xiǎn)及難度極大，主要特點(diǎn)是高溫（大于160 ℃）、高壓（地層壓力系數(shù)大于2.10）、高含硫（大于10 g/m3）、超深（大于6 500 m），更為嚴(yán)重的是縱向上復(fù)雜的壓力層系使各層套管難以滿足對(duì)不同地層壓力實(shí)施有效分段封隔，從而導(dǎo)致同一井段噴、漏、卡、塌、高壓鹽水等多個(gè)工程復(fù)雜情況共存，尤其是深部地層，鉆遇目的層局部裂縫發(fā)育、存在壓力漏斗等情況，井漏不可避免。由于地層壓力、地層漏失壓力、地層破裂壓力與鉆井液密度4者非常接近，壓力系數(shù)均在2.20～2.50之間，安全密度窗口窄。通過堵漏提高地層承壓能力來提高鉆井液密度，從而達(dá)到平衡壓穩(wěn)地層的目的難以實(shí)現(xiàn)。鉆進(jìn)期間噴漏共存，采用精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓可解決這一鉆井技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、起下鉆、空井等各個(gè)作業(yè)工況下，井筒處于不漏或微漏、地層流體不出或微量流出的可控狀態(tài)下安全作業(yè)。但固井作業(yè)有別于鉆井，是一次性工程，必須全過程實(shí)現(xiàn)平衡壓穩(wěn)才能防止固井后發(fā)生竄氣現(xiàn)象，而常規(guī)固井是采取全過程靜當(dāng)量密度平衡壓穩(wěn)地層進(jìn)行施工作業(yè)。針對(duì)這類窄窗口、 噴漏同存井， 若采取加重鉆井液密度使靜液柱壓穩(wěn)地層， 則下套管、 循環(huán)、 固井施工等作業(yè)過程中， 又可能誘發(fā)井漏， 這不僅污染氣層， 增加作業(yè)成本， 更影響封固質(zhì)量。復(fù)雜的井筒條件對(duì)固井作業(yè)壓力控制提出了更苛刻的要求。

2 動(dòng)態(tài)平衡固井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

動(dòng)態(tài)平衡固井是在下套管、 固井施工、 起鉆、候凝等各階段作業(yè)過程中， 利用鉆井精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓系統(tǒng)控制井口回壓， 以確保鉆井液動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度大于地層壓力而小于地層漏失壓力，使井筒處于壓穩(wěn)而不漏的狀態(tài)下安全完成的全過程動(dòng)態(tài)平衡固井施工作業(yè)。全程平衡壓穩(wěn)是核心，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)平衡是技術(shù)的關(guān)健， 從下套管作業(yè)、 固井注替施工至候凝全過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡是本技術(shù)的特色。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡應(yīng)確定2個(gè)關(guān)鍵值， 即壓穩(wěn)地層的當(dāng)量密度值和地層漏失壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度值， 從而確定控壓窗口即安全作業(yè)區(qū)間值。同時(shí)精確計(jì)算環(huán)空漿柱流動(dòng)摩阻大小， 為確定井口動(dòng)態(tài)控壓多少提供依據(jù)，確保作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)既壓穩(wěn)地層而又不發(fā)生漏失。

2.2 地層漏失壓力確定

川西北地區(qū)尾管固井封固吳家坪、茅口、龍王廟高壓氣層及棲霞、高臺(tái)組等易漏地層。井筒漏失問題制約固井質(zhì)量的提升，影響井筒完整性。窄密度窗口易漏失井一次性正注固井成功的關(guān)鍵點(diǎn)在于準(zhǔn)確掌握地層承壓能力，保證固井過程中地層薄弱層位環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度不高于地層漏失壓力。川西地區(qū)超深井井筒條件復(fù)雜，安全密度窗口窄，承壓試驗(yàn)易誘發(fā)井漏，固井作業(yè)期間的小間隙環(huán)空摩阻也遠(yuǎn)高于鉆井液循環(huán)摩阻，非常有必要建立地層漏失壓力預(yù)測(cè)模型，判斷漏層及地層承壓能力[1-2]。

1）以最大拉應(yīng)力理論作為巖石破壞判斷準(zhǔn)則。根據(jù)彈性力學(xué)中的線性可疊加理論，得到非均勻地應(yīng)力下井壁處各向應(yīng)力。

徑向應(yīng)力表示為：周向應(yīng)力可表示為：

根據(jù)最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論，當(dāng)井壁周向應(yīng)力達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的井內(nèi)壓力即為破裂壓力：

式中， pi和pp分別為井筒液柱壓力和孔隙壓力， Pa；θ為研究點(diǎn)矢徑與最大水平應(yīng)力σH的夾角；σh和σH分別為最小水平地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力， Pa；St為巖石強(qiáng)度， Pa；α為有效應(yīng)力系數(shù)， φ為孔隙度。

2）以摩爾-庫倫理論作為巖石破壞判斷準(zhǔn)則。式（5）是關(guān)于主應(yīng)力σ的一元三次方程，其實(shí)根即為3個(gè)方向主應(yīng)力，式中剪應(yīng)力和均為0。

式中， σr、 σz、 σθ分別為徑向、 軸向、 周向應(yīng)力， Pa ；τ為剪切應(yīng)力， Pa。求解得到第一主應(yīng)力、 第三主應(yīng)力， 并帶入摩爾-庫倫判斷準(zhǔn)則， 得到破裂壓力：

式中，ε為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；β為相對(duì)于最大水平地應(yīng)力的方位；C為黏聚力，Pa。

3）流體在裂縫中運(yùn)移壓力損耗計(jì)算。

式中，PV為塑性黏度，mPa·s；f為漏失壓力校正系數(shù)，H為垂深，m；round為取整算子；K為漏失強(qiáng)度系數(shù)。

4）漏失壓力當(dāng)量密度計(jì)算。根據(jù)當(dāng)量密度計(jì)算公式，得漏失壓力：

2.3 地層壓力確定

川西地區(qū)下二疊統(tǒng)茅口組、棲霞組勘探程度低，地層壓力系數(shù)通過實(shí)鉆摸索已能確定。以LG70為例，設(shè)計(jì)茅口組地層壓力系數(shù)為1.80，設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.80～1.95 g/cm3，實(shí)際鉆井液密度為2.03 g/cm3，且停泵狀態(tài)下關(guān)井套管壓力為5.5 MPa。通過多次降密度釋放地層圈閉壓力和短程起下鉆、靜觀驗(yàn)證后，確定了高壓氣層壓力系數(shù)為2.08，控制當(dāng)量密度達(dá)到2.11 g/cm3即可滿足下套管期間井控安全。套管下至上層管鞋或井底后，全井循環(huán)降低井筒密度，通過排量變化實(shí)現(xiàn)固井前對(duì)氣層的動(dòng)態(tài)壓穩(wěn)。

2.4 環(huán)空壓耗流變學(xué)計(jì)算模型

準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)空流動(dòng)摩阻，是注替參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。固井前循環(huán)降低鉆井液密度，靜液柱壓力小于地層壓力，靜態(tài)無回壓工況下處于欠平衡的狀態(tài)。固井作業(yè)注替期間當(dāng)量循環(huán)密度等于或略大于地層壓力。采用偏心環(huán)空流動(dòng)摩阻計(jì)算模型，為欠平衡工況下實(shí)現(xiàn)合理的環(huán)空壓力補(bǔ)償提供依據(jù)。

假設(shè)套管偏心度為e，當(dāng)量直徑為De，偏心環(huán)

空流動(dòng)雷諾數(shù)為：

式中，ρ為流體密度，kg/cm3；v為環(huán)空流速， m/s； K、n分別為稠度系數(shù)和流性指數(shù)；τ0為動(dòng)切力，Pa；dco/dw為管徑與井徑之比。

當(dāng)環(huán)空間隙小于12.7 mm或井徑與套管外徑之比小于1.20時(shí)，屬于小間隙井。與常規(guī)間隙井相比，小間隙環(huán)空中裸眼段井壁粗糙度、邊壁效應(yīng)等因素對(duì)流動(dòng)的影響明顯增大，因此需要對(duì)雷諾數(shù)及紊流臨界雷諾數(shù)進(jìn)行修正。采用Crittendon提出的小間隙環(huán)空雷諾數(shù)計(jì)算模型修正當(dāng)量直徑：

對(duì)于常規(guī)間隙井，當(dāng)量直徑采用下式計(jì)算：

塞流狀態(tài)和層流狀態(tài)下，摩阻系數(shù)為：

紊流狀態(tài)下，摩阻系數(shù)為：

式中，A、 B為伯拉休斯系數(shù)。摩阻壓降計(jì)算公式：

固井過程中，計(jì)算點(diǎn)垂深為Hi，環(huán)空流體密度為 ρi（i=1、2…n），占環(huán)空高度為? Hi，長(zhǎng)度為?Li，單位長(zhǎng)度摩阻壓降為pi，則計(jì)算點(diǎn)循環(huán)當(dāng)量密度為：

2.5 動(dòng)態(tài)平衡固井控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)控壓固井工藝是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)（MPD）的延伸，可解決尾管固井小間隙、高流體摩阻、窄密度窗口條件下的敏感地層壓力控制難題。具體來說，就是以較低的鉆井液密度循環(huán)，建立固井作業(yè)前的井筒動(dòng)態(tài)平衡；固井作業(yè)實(shí)施期間，通過地面精細(xì)控壓流程，實(shí)現(xiàn)降排量和中停階段的回壓補(bǔ)償，改變井筒壓力分布剖面，使得溢漏壓力敏感井段壓力控制在地層孔隙壓力和漏失壓力之間[3-4]。

動(dòng)態(tài)控壓固井作業(yè)的核心部件是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它是整個(gè)流程實(shí)施“大腦”。該套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固井注替過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)獲取和分析，通過實(shí)時(shí)掌握、處理與分析關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算整個(gè)作業(yè)過程壓力敏感井段的靜、動(dòng)壓變化情況，及時(shí)對(duì)地面控制流程發(fā)出動(dòng)作指令，保證井筒的動(dòng)態(tài)壓力平衡。同時(shí)，該系統(tǒng)可與固井工程設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)共享，完成了設(shè)計(jì)前期模擬優(yōu)化和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的整合，提高了軟件系統(tǒng)的實(shí)用性與高效性[5]。動(dòng)態(tài)控壓固井的系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況見圖1和圖2。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

2.6 防氣竄水泥漿體系優(yōu)化

固井候凝期間，氣竄危險(xiǎn)時(shí)間內(nèi)水泥膠凝體的高滲透率是早期氣竄的主要潛在通道。一般認(rèn)為：氣竄的危險(xiǎn)時(shí)間是靜膠凝強(qiáng)度48～240 Pa時(shí)間段。普通水泥起膠凝結(jié)構(gòu)到初凝前的時(shí)間段內(nèi)，會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)膠凝滲透率逐漸減小，但滲透率仍是終凝水泥石數(shù)十倍。純水泥48 Pa時(shí)的滲透率甚至達(dá)到了40 mD以上，而國(guó)外對(duì)防竄能力的最低要求是水泥漿在48 Pa時(shí)的滲透率要小于29 mD[6-7]。針對(duì)川西探區(qū)油氣顯示活躍、后效氣侵嚴(yán)重的特點(diǎn)，通過功能性外加劑對(duì)水泥漿進(jìn)行優(yōu)化，降低膠凝體的滲透率，增加氣竄阻力，達(dá)到防氣竄的效果[8]。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同的水泥漿配方對(duì)膠凝體滲透率的影響，結(jié)果見表1。

表1 不同水泥漿配方對(duì)膠凝體滲透率影響

加入液態(tài)降失水劑后有效控制了水泥漿的失水，膠凝體滲透率也得到了顯著降低，說明失水控制良好的水泥漿在塑性狀態(tài)下滲透率也會(huì)較低，驅(qū)替更困難，提高了抗竄能力，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步說明了水泥漿失水對(duì)防竄性能的重要性。增強(qiáng)型防竄水泥膠凝體形貌見圖3。在控制失水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入了聚合物柔性防竄劑和礦物增強(qiáng)材料，增加液相黏度，堵孔成膜，增加了漿體內(nèi)聚力，進(jìn)一步降低了膠凝體滲透率，水泥膠凝體喉道直徑小于2 μm，增強(qiáng)了水泥漿氣竄阻力，形成的增強(qiáng)型防竄水泥漿體系危險(xiǎn)時(shí)間內(nèi)的膠凝滲透率可降低至3 mD（15%膠乳濃度水泥體系的膠凝體滲透率為3.7 mD），極大提升了水泥漿膠凝體抗氣侵能力。

圖3 增強(qiáng)型防竄水泥膠凝體形貌

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 LG70井全程平衡壓力固井創(chuàng)新實(shí)踐

LG70井是西南油氣田部署在川北低平構(gòu)造帶劍閣構(gòu)造的一口預(yù)探井，完鉆井深7 793 m，目的層為志留系。該井六開φ139.7 mm井眼存在井超深、高溫、小間隙流體摩阻大，同一裸眼井段存在多層區(qū)域性儲(chǔ)層、高低壓互存，極易出現(xiàn)上噴下漏。裸眼段共鉆遇10個(gè)顯示層、4個(gè)漏層，地層出水4次，漏、涌交替發(fā)生，其中茅口組實(shí)鉆鉆井液密度1.95～2.05 g/cm3，棲霞組設(shè)計(jì)壓力系數(shù)1.36，采用密度1.97～2.00 g/cm3鉆井液完鉆，不同層系安全密度窗口窄，后效氣侵嚴(yán)重。即使通過前期的承壓堵漏作業(yè)，安全密度窗口當(dāng)量也僅在2.08～2.12 g/cm3,因此常規(guī)小間隙尾管固井工藝難以滿足環(huán)空有效封固。為此提出了超深井小間隙尾管全過程動(dòng)態(tài)平衡壓力控制固井方案，見表2。在實(shí)施過程中，通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化漿體的高溫流變性和防漏性能，工藝上以壓穩(wěn)防漏為主，優(yōu)化注替排量，配備精細(xì)化控壓流程，采用井口精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓防竄、低壓地層當(dāng)量密度平衡防漏及帶壓起送入管柱的作業(yè)方式，確保茅口、棲霞組壓力敏感地層當(dāng)量密度處于2.08～2.12 g/cm3安全窗口之內(nèi)，見圖4。實(shí)現(xiàn)了注替期間動(dòng)態(tài)防漏和停泵靜止期間防氣竄，解決了1 011.3 m小間隙、長(zhǎng)封固段茅口組異常高壓和棲霞組壓力系數(shù)低一次性注水泥上返的難題。

圖4 LG70井φ114.3 mm尾管固井平衡壓力控制

3.2 動(dòng)態(tài)平衡壓力固井技術(shù)應(yīng)用效果

中石油川渝第一深井LG70井φ114.3 mm尾管固井作業(yè)中，首次應(yīng)用全過程動(dòng)態(tài)平衡壓力控制尾管固井工藝，實(shí)現(xiàn)了窄密度窗口漏噴同層復(fù)雜井況下注水泥一次性上返，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)86.6%，合格率為90.9%。此后，在LT1井φ114.3 mm尾管、ST8井φ177.8 mm尾管固井作業(yè)中，均采用全過程動(dòng)態(tài)壓力控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高密度、窄壓力窗口條件下良好封固，杜絕了環(huán)空氣竄的發(fā)生。LG70井φ114.3 mm尾管固井質(zhì)量測(cè)井解釋見圖5。

表2 LG70井φ114.3 mm動(dòng)態(tài)平衡尾管固井作業(yè)流程

圖5 LG70井φ114.3 mm尾管固井質(zhì)量測(cè)井解釋

表3 川西深井尾管固井工藝對(duì)比評(píng)價(jià)

4 認(rèn)識(shí)與建議

1.川西地區(qū)縱向上地層具多壓力系統(tǒng)、噴漏同存、窄安全密度窗口固井封固質(zhì)量難以保證，針對(duì)性地開發(fā)了動(dòng)態(tài)平衡尾管固井工藝，并在LG70井等3井次固井實(shí)踐中取得成功，標(biāo)志著川西復(fù)雜超深井、小間隙尾管固井技術(shù)取得階段性進(jìn)展，為后續(xù)超深井窄密度窗口條件下防竄、漏提供了一種切實(shí)可行的全新固井模式。

2.通過深化開展川西地區(qū)超深井窄密度窗口平衡壓力固井技術(shù)難題攻關(guān)，形成以窄密度窗口固井環(huán)空壓力控制和高溫防竄水泥漿體系為核心的固井配套技術(shù)，不斷提升川西復(fù)雜地層尾管固井質(zhì)量，滿足重點(diǎn)區(qū)塊勘探開發(fā)進(jìn)程。

3.全過程動(dòng)態(tài)平衡壓力固井工藝是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的延伸。由于固井作業(yè)的特殊性， 對(duì)控壓流程的硬件諸如節(jié)流閥響應(yīng)靈敏度、 壓力控制精度、 回壓補(bǔ)償系統(tǒng)、 出口流量監(jiān)測(cè)等方面有更精細(xì)瞬態(tài)響應(yīng)要求；同時(shí)， 超深井多相流水力學(xué)計(jì)算是實(shí)施環(huán)空壓力控制的基礎(chǔ)， 動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)控壓作業(yè)流程的中樞， 只有軟、 硬結(jié)合， 才能使得復(fù)雜深井控壓尾管固井技術(shù)不斷邁向“精細(xì)化、 智能化、 信息化”。

致謝 動(dòng)態(tài)平衡壓力控制尾管固井工藝及配套系統(tǒng)的研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受到西南油氣田分公司、川慶鉆探工程有限公司相關(guān)工程技術(shù)管理部門、現(xiàn)場(chǎng)施工各協(xié)作單位及控壓固井技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)全體成員的大力支持和協(xié)助，在此一并表示感謝！

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