川西地區(qū)精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)研究與應(yīng)用

胡錫輝， 唐 庚， 李 斌， 任雪松， 胡嘉佩

(1西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司)

隨著四川盆地油氣藏勘探開(kāi)發(fā)向川西地區(qū)發(fā)展，井深不斷增加，套管封固的裸眼段加長(zhǎng)，同一裸眼井段的棲霞組、茅口組及以上地層顯示活躍，尾管固井面臨封固井段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小、安全密度窗口窄、噴漏同存等諸多挑戰(zhàn)，固井質(zhì)量及水泥環(huán)密封完整性難以保證，制約了勘探進(jìn)程[1]。近年來(lái)，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在四川高磨地區(qū)、川西地區(qū)等構(gòu)造鉆井實(shí)踐表明，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)可有效解決鉆井過(guò)程中的窄密度窗口問(wèn)題[2]，根據(jù)這一技術(shù)，開(kāi)展精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)應(yīng)用研究，取得了良好的效果，固井質(zhì)量得到大幅提高。

一、主要固井技術(shù)難點(diǎn)

1.封固段長(zhǎng)，油氣顯示活躍，噴漏同存

川西地區(qū)雙魚(yú)石構(gòu)造目的層為茅口組、棲霞組，設(shè)計(jì)采用五開(kāi)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)。其中，四開(kāi)?177.8 mm復(fù)合尾管固井裸眼封固井段長(zhǎng)，平均在3 500 m左右；存在多套壓力系統(tǒng)、長(zhǎng)興組、茅口組地層顯示活躍，壓穩(wěn)防竄難度大；吳家坪以下地層承壓能力低，漏層數(shù)量多，易發(fā)生井漏。由于安全密度窗口非常窄，調(diào)節(jié)空間小，在施工過(guò)程難以做到既要壓穩(wěn)地層又要防止壓漏地層，難以實(shí)現(xiàn)平衡固井。

2.環(huán)空間隙小，施工泵壓高，井漏風(fēng)險(xiǎn)大

小井眼(?139.7 mm井眼下入?114.3 mm尾管)、深井超深井(井深超過(guò)7 000 m)，存在固井施工摩阻大，泵壓高，固井一次性上返井漏風(fēng)險(xiǎn)極大。此外，小尺寸尾管固井易漏失，水泥漿用量難以確定，容易造成井漏或加劇井漏造成液柱壓力降低，引起下部井段的油氣上竄，一、二界面膠結(jié)強(qiáng)度低，導(dǎo)致固井質(zhì)量不合格。

3.頂替效率低，固井質(zhì)量難以保證

由于高溫高壓、安全密度窗口窄、超深井通常鉆井液密度高、黏切大，油氣侵造成的含油較多，固井過(guò)程中，井壁與套管壁上的虛濾餅、油膜和鉆井液難以清洗干凈。此外，窄密度窗口限制了鉆井液、隔離液和水泥漿的密度級(jí)差，三者密度、流變性難以形成梯級(jí)匹配，影響頂替效率。

二、精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)

精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)是在精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)計(jì)算和實(shí)鉆油氣顯示、承壓試驗(yàn)等確定壓力窗口值，根據(jù)壓力窗口值優(yōu)化固井施工排量、水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)和固井施工各階段井口控壓壓力值，實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)、防漏、提高固井質(zhì)量的固井的技術(shù)[3]。該技術(shù)是利用精細(xì)控壓鉆井設(shè)備，通過(guò)固井井段壓穩(wěn)、防漏計(jì)算，控制井口及井底壓力，實(shí)現(xiàn)固井作業(yè)過(guò)程中壓穩(wěn)地層，且不至于壓漏地層的目的，更好地保障固井施工安全[4]。該技術(shù)在固井施工前循環(huán)、注隔離液、注水泥漿、替漿等各種工況均要有精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)井口控壓，才能確保壓穩(wěn)地層且不壓漏地層[5-9]。

1.地層安全密度窗口確定方法

一是根據(jù)精細(xì)控壓鉆井實(shí)鉆情況，確定油氣壓穩(wěn)的最小安全臨界密度；二是下套管前，通過(guò)不同的循環(huán)排量，驗(yàn)證不同排量下的地層承壓能力，以二者中最小壓力窗口作為最終安全密度窗口，以此為基礎(chǔ)形成了安全密度窗口確定方法。

2.固井漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 施工排量的確定

根據(jù)不同排量頂替效率軟件計(jì)算結(jié)果，選取保證頂替效率大于90%的排量作為初選排量范圍，再計(jì)算排量范圍設(shè)計(jì)固井漿柱結(jié)構(gòu)。如圖1、圖2所示，?177.8 mm尾管固井初選最優(yōu)排量>1.1 m3/min(18.3 L/s)。

頂替效率90.6%(18.3 L/s)

頂替效率93.6%(21.7 L/s)圖1 不同排量頂替效率計(jì)算

2.2 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

確定初選排量范圍內(nèi)，根據(jù)確定的安全密度窗口值，利用流變學(xué)計(jì)算公式，優(yōu)選出隔離液、快干和緩凝水泥漿、頂替液的用量和密度。再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算固井井段關(guān)注點(diǎn)的壓力，確保壓穩(wěn)防漏，最終確定滿足精細(xì)控壓壓力平衡法固井的最優(yōu)排量范圍，并確定施工過(guò)程中環(huán)空控壓值。

2.3 尾管固井各階段井口控制

井口控制壓力作為壓力平衡法固井的約束條件，是實(shí)現(xiàn)平衡壓力固井的基礎(chǔ)。固井施工注替過(guò)程中，井下不同深度固井流體所形成的環(huán)空總的動(dòng)液柱壓力(環(huán)空各種固井液體靜液柱壓力、流動(dòng)阻力與井口控制壓力之和)應(yīng)小于相應(yīng)深度的地層漏失壓力且大于地層孔隙壓力。水泥漿被頂替到設(shè)計(jì)的環(huán)空井段后，在凝聚和“失重”條件下，環(huán)空靜液柱壓力降低，因此需要通過(guò)環(huán)空補(bǔ)壓來(lái)保持環(huán)空當(dāng)量壓力大于產(chǎn)層壓力，控制油、氣、水的侵竄。

圖2 漿柱結(jié)構(gòu)及環(huán)空壓力分布情況

pD=pha+pfa+pka

(1)

式中：pD—?jiǎng)討B(tài)壓力；pha—環(huán)空靜液柱壓力；pfa—環(huán)空壓耗；pka—井口控壓壓力。

精細(xì)控壓壓力平衡法固井過(guò)程中，不同作業(yè)階段的井口控制的壓力不同，分為井內(nèi)工作液靜止階段(包括沖洗管線階段、管線試壓、配制水泥漿、開(kāi)擋銷倒閘門、檢查回流、拆水泥頭)、井內(nèi)液體移動(dòng)階段(包括注隔離液、注水泥漿、頂替、尾管固井的起鉆和循環(huán))。

(1)井內(nèi)液體靜止階段，井口控壓值必須滿足：

pp-pha

(2)

(2)井內(nèi)液體循環(huán)階段段，故井口控壓值需滿足：

pp-pha-pfa

(3)

式中：pp—地層孔隙壓力；pka—井口控壓壓力；ps—地層漏失壓力。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.應(yīng)用效果

精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)目前已在川西地區(qū)開(kāi)展5口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了顯著的效果。同比該地區(qū)常規(guī)尾管固井，平均固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率由37.68%提高至56.60%，合格率由64.9%提高至90.52%，分別提高50.22%、39.48%。

2.應(yīng)用實(shí)例

雙探7井為川西北地區(qū)雙魚(yú)石～河灣場(chǎng)構(gòu)造帶田壩里潛伏構(gòu)造的一口預(yù)探井，目的層為茅口組、棲霞組。該井四開(kāi)采用?241.3 mm鉆頭，采用精細(xì)控壓鉆井，鉆井液密度2.07 g/cm3，鉆至井深7 582 m中完，下入?177.8 mm+?193.68 mm+?184.15 mm套管封固3 770～7 582 m井段。

本次固井裸眼井段3 770～7 582 m，主要存在多層區(qū)域性儲(chǔ)層、高低壓互存，固井難點(diǎn)包括安全密度窗口窄，封固段最大承壓能力為當(dāng)量密度2.12 g/cm3，壓穩(wěn)嘉五段鹽水層需當(dāng)量密度2.10 g/cm3，壓穩(wěn)長(zhǎng)興組及茅口組氣層需當(dāng)量密度2.05 g/cm3，最小安全壓力窗口僅0.02 g/cm3。其次，封固段長(zhǎng)(3 613 m)、溫差大(達(dá)81℃)，氣、水顯示活躍。

本次固井采用全程精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)，采用三凝水泥漿體系，緩凝2.05 g/cm3，中凝和快干2.00 g/cm3，快干封固6 700～7 582 m井段，中凝封固5 200～6 700 m井段，緩凝封固3 770～5 200 m井段；頂替排量1.1～1.3 m3/min；在下套管、注水泥漿、替漿全過(guò)程實(shí)時(shí)精細(xì)控壓1.0～4.2 MPa(圖3)，關(guān)注點(diǎn)的井筒壓力控制在壓力窗口內(nèi)解決了安全壓力窗口窄的難題。

圖3 各施工環(huán)節(jié)井口控制壓力和井底動(dòng)壓力

采用CBL/VDL固井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)測(cè)井，測(cè)井解釋結(jié)果顯示：水泥膠結(jié)優(yōu)良井段為56.2%，水泥膠結(jié)中等井段為41.1%，水泥膠結(jié)差井段為2.7%。全井段固井水泥膠結(jié)合格率為97.3%，測(cè)井評(píng)價(jià)為合格。以7 350～7 410 m儲(chǔ)層為例，測(cè)井聲幅值低，一界面水泥膠結(jié)優(yōu)；變密度曲線反映套管波能量弱、地層波能量較強(qiáng)，二界面水泥膠結(jié)中等。

四、結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)鉆的油氣顯示、井漏與地層承壓試驗(yàn)確定的壓力窗口值，是精細(xì)控壓壓力平衡法固井的基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)水泥漿、前置液優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成基于環(huán)空壓力剖面精細(xì)控制與提高頂替效率的環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)；通過(guò)壓力平衡固井與防漏固井施工壓力分析，優(yōu)化形成合理的施工排量、施工壓力參數(shù)。

(3)建立了精細(xì)控壓壓力平衡法固井施工作業(yè)各階段的井口控制壓力的計(jì)算，確保了壓穩(wěn)、防漏的目的，保證了固井質(zhì)量，通過(guò)環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力模擬井筒壓力情況，結(jié)合精細(xì)控壓鉆井裝備，合理控制井口回壓，確保井底壓力介于地層孔隙壓力與地層漏失壓力之間，保證了固井質(zhì)量。

(4)精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效解決了窄安全密度窗口地層固井噴漏同存的難題，為深井超深井窄安全密度窗口地層優(yōu)質(zhì)固井開(kāi)辟了新途徑。