高壓氣井動態(tài)控壓固井新技術(shù)及應(yīng)用

鮮明，曾凡坤，聶世均，吳朗

（中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052）

四川油氣田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層橫向差異大、縱向油氣水顯示多、壓力層系多，尤其是川西北部地區(qū)下二疊系及以下深部儲層，特點(diǎn)是高溫（150～160 °C）、高壓（地層壓力系數(shù) 1.90～2.30）、高含硫（大于 10 g/m3）、超深（大于7 000 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不同地層壓力實施有效分段封隔，從而導(dǎo)致同一井段噴、漏、卡、塌、高壓鹽水等多個工程復(fù)雜情況共存，是典型的超高壓、窄安全密度窗口地層。針對漏噴并存的復(fù)雜狀況，探索了動態(tài)控壓固井工藝，實現(xiàn)對不同作業(yè)階段的環(huán)空壓力控制，杜絕了井控風(fēng)險，確保了復(fù)雜地層封固質(zhì)量。

1 川西高壓氣井固井技術(shù)瓶頸

隨著川西探區(qū)勘探層位不斷加深，尾管固井封固段加長，長裸眼段多套壓力系統(tǒng)并存（見表1）。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現(xiàn)對飛仙關(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—龍王廟組頂無法降低鉆井液密度。不成功的實踐案例表明，常規(guī)尾管固井工藝難以兼顧壓穩(wěn)與防漏，極大影響高壓氣層封固質(zhì)量。

表1 川西地區(qū)多壓力系統(tǒng)地層

實鉆情況表明，針對鉆進(jìn)期間噴漏共存矛盾采用精細(xì)控壓方式鉆進(jìn)，可實現(xiàn)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，必須全過程實現(xiàn)平衡壓穩(wěn)才能防止氣竄現(xiàn)象。常規(guī)固井工藝是采取全過程靜當(dāng)量密度平衡壓穩(wěn)地層進(jìn)行施工作業(yè)，對窄窗口、噴漏同存井存在技術(shù)缺陷，主要表現(xiàn)在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)、注替等作業(yè)過程中，又可能誘發(fā)井漏。川西探區(qū)由于固井動態(tài)壓力失衡導(dǎo)致漏失井次占18.6%，復(fù)雜的井筒條件對固井作業(yè)壓力控制提出了更苛刻的要求。

2 動態(tài)控壓固井方案

2.1 地層漏、溢壓力確定

在川西地區(qū)采用尾管固井封固吳家坪、茅口、龍王廟高壓氣層及棲霞、高臺組等易漏地層。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。因此，有必要建立地層漏失壓力預(yù)測模型，判斷漏層及地層承壓能力［1-3］。

2.1.1 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，對應(yīng)的井內(nèi)壓力pt1即為破裂壓力：

式中：pi，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，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。

2.1.2 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，其實根即為3個方向主應(yīng)力，式中剪切應(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1主應(yīng)力、第3主應(yīng)力，并代入摩爾-庫倫判斷準(zhǔn)則，得到破裂壓力pt2：

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

2.1.3 流體在裂縫中運(yùn)移壓力損耗計算

流體在裂縫中運(yùn)移壓力損耗pf為

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)。

2.1.4 漏失壓力當(dāng)量密度計算

根據(jù)當(dāng)量密度計算公式，得漏失壓力ps：

該預(yù)測模型可用于計算地層承壓初始值，如密度窗口不滿足控壓固井一次性上返要求，可采用復(fù)配剛性粒子及成膜固壁處理劑堵漏，封堵微裂縫，實現(xiàn)封喉，提高地層承壓值。

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)通過實鉆摸索已能確定。以LG70井為例，設(shè)計茅口組地層壓力系數(shù)1.80，設(shè)計鉆井液密度1.80～1.95 g/cm3，實際鉆井液密度2.03 g/cm3，且停泵狀態(tài)下關(guān)井套壓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，排除后效，保證固井前對氣層的動態(tài)壓穩(wěn)。

2.2 兼顧動態(tài)當(dāng)量密度ECD與頂替效率

準(zhǔn)確計算環(huán)空流動摩阻，是注替參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，確保固井作業(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)空流動摩阻計算模型［4］，為在欠平衡工況下實現(xiàn)合理的環(huán)空壓力補(bǔ)償提供相應(yīng)的依據(jù)。

假設(shè)套管偏心度為e，當(dāng)量直徑為De，偏心環(huán)空流動雷諾數(shù)為

式中：ρ為流體密度，kg/cm3；ν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為動切力，Pa；dco為管徑，mm；dw為井徑，mm。

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，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)等因素對流動的影響明顯增大，因此需要對雷諾數(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)計算模型修正當(dāng)量直徑De：

摩阻壓降計算公式：

式中：f為摩阻系數(shù)；L為計算段長度，m。

固井過程中，計算點(diǎn)垂深為Hi，環(huán)空流體密度為ρi（i=1，2，…，j），環(huán)空不同密度介質(zhì)種類數(shù)量為 j，占環(huán)空高度為ΔHi，長度為ΔLi，單位長度摩阻壓降為pi，則計算動態(tài)當(dāng)量密度ECD為

利用動態(tài)控壓系統(tǒng)控制井口回壓，全程動態(tài)平衡壓穩(wěn)是核心。前述漏、溢壓力當(dāng)量密度確定了控壓窗口即安全作業(yè)區(qū)間值，動態(tài)當(dāng)量密度ECD為準(zhǔn)確計算井口控壓值提供了依據(jù)，確保作業(yè)過程實現(xiàn)既壓穩(wěn)而又不壓漏。

同時，固井注替排量設(shè)計必須考慮環(huán)空頂替效率。φ177.8 mm尾管上部環(huán)空井段在頂替排量由15 L/s調(diào)整至25 L/s時，頂替效率提升19.38%，環(huán)空水泥環(huán)填充質(zhì)量得到極大改善。因此不能一味追求防漏而保守設(shè)計施工排量，低排量下引發(fā)的低頂替效率問題亦將導(dǎo)致環(huán)空封固失效，誘發(fā)氣竄。

2.3 動態(tài)控壓固井控制系統(tǒng)

動態(tài)控壓固井工藝是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)（MPD）的延伸，可有效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。動態(tài)控壓固井系統(tǒng)包括自動節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)、井口控制系統(tǒng)四大關(guān)鍵裝備。自動控制策略采用現(xiàn)場裝置—控制器—上位計算機(jī)控制的3層遞階控制結(jié)構(gòu)，向下位機(jī)發(fā)送指令，來實現(xiàn)對各節(jié)流閥和平板閥的自動控制，節(jié)流精度可達(dá)±0.25 MPa。固井作業(yè)實施期間，通過地面控壓流程，實現(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［5-7］。

動態(tài)控壓固井作業(yè)的核心部件是實時監(jiān)測系統(tǒng)，它是整個流程實施“大腦”，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。該套系統(tǒng)實現(xiàn)了固井注替過程的動態(tài)參數(shù)實時計算、獲取與分析，通過實時掌握、處理與分析關(guān)鍵參數(shù)，計算整個作業(yè)過程壓力敏感井段的靜、動壓變化情況，完成與其他系統(tǒng)之間的通訊及數(shù)據(jù)交互，負(fù)責(zé)向液氣控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整指令，保證井筒的動態(tài)壓力平衡。同時可與固井工程設(shè)計軟件共享數(shù)據(jù)，完成了設(shè)計前期模擬優(yōu)化和作業(yè)現(xiàn)場實時監(jiān)測的整合，實現(xiàn)了與固井工程設(shè)計軟件數(shù)據(jù)的共享，實時進(jìn)行全井段壓穩(wěn)防漏分析，具備井下復(fù)雜情況預(yù)警分析的能力，提高了軟件系統(tǒng)的實用性與高效性［8］。

圖1 監(jiān)測與控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 防氣竄水泥漿體系

針對川西探區(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［9-11］。室內(nèi)實驗評價了不同的水泥漿配方對膠凝體滲透率的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同水泥漿配方對膠凝體滲透率影響

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時間內(nèi)的膠凝滲透率可降低至3×10-3μm2（15%膠乳加量的水泥體系膠凝體滲透率為3.7×10-3μm2），極大地提升了水泥漿膠凝體抗氣侵能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 LG70井全程動態(tài)控壓固井工藝

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裸眼段共鉆遇10個顯示層、4個漏層，地層出水4次，漏、涌交替發(fā)生，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，常規(guī)小間隙尾管固井工藝難以滿足環(huán)空有效封固。針對此類復(fù)雜情況，創(chuàng)新性地提出了超深井小間隙尾管全過程動態(tài)平衡壓力控制固井方案（見表3），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)，實現(xiàn)了注替期間動態(tài)防漏失和停泵靜止期間防氣竄，有效解決了小間隙、長封固段（1 011.3 m）一次性注水泥上返的難題。

表3 LG70井φ114.3 mm動態(tài)平衡尾管固井作業(yè)流程

3.2 動態(tài)平衡壓力固井技術(shù)應(yīng)用效果

中石油川渝深井LG70井φ114.3 mm尾管固井作業(yè)中，首次應(yīng)用全過程動態(tài)平衡壓力控制尾管固井工藝，刷新中石油川渝地區(qū)超深井固井記錄，實現(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90.9%。后續(xù)在LT1井φ114.3 mm尾管等4井次固井作業(yè)中，均采用全過程動態(tài)壓力控制技術(shù)，實現(xiàn)了高密度、窄壓力窗口條件下的良好封固，杜絕了環(huán)空氣竄的發(fā)生（見表4）。

表4 川西超深井尾管固井工藝對比評價

4 結(jié)論

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，針對性地開發(fā)了動態(tài)控壓尾管固井工藝。2017年在LG70等5井次固井實踐中取得階段性成功，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)測等方面有更精細(xì)的瞬態(tài)響應(yīng)要求；同時，超深井多相流水力學(xué)計算是實施環(huán)空壓力控制的基礎(chǔ)，動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)是整個控壓作業(yè)流程的中樞，只有軟、硬結(jié)合，才能使復(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:動態(tài)控壓尾管固井工藝及配套系統(tǒng)的研發(fā)和現(xiàn)場試驗，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)場施工各協(xié)作單位及控壓固井技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊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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