精細(xì)控壓固井在ST7井的應(yīng)用實(shí)踐

羅雙平，楊哲，舒暢，周焱

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)

在井下出現(xiàn)噴漏同存情況，且鉆井液密度窗口窄，井控風(fēng)險(xiǎn)大時，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是一個行之有效的解決辦法[1]?？貕汗叹?，主要用于解決窄安全密度窗口（≤0.05 g/cm3）等壓力敏感性地層固井，防止固井中井漏與溢流的發(fā)生。保證頂替效率條件下的施工排量模擬，保證壓穩(wěn)和防漏的漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和井口壓力控制的前提下[2]，以動態(tài)當(dāng)量密度（ECD）控制為核心，通過施工前降低鉆井液密度，減小靜液柱壓力，同時在井口實(shí)施精細(xì)回壓控制，防止固井過程井漏，以及停泵或靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時溢流，主要目的是保持井底環(huán)空壓力在孔隙壓力與破裂壓力之間，最終實(shí)現(xiàn)壓力平衡固井，該方法能夠提高復(fù)雜超深氣井尾管固井質(zhì)量[3]。

1 理論基礎(chǔ)與應(yīng)用背景

1.1 理論基礎(chǔ)

利用精細(xì)控壓鉆井裝置在井口節(jié)流產(chǎn)生回壓或施加井口補(bǔ)償壓力，使注水泥過程通過井口壓力和流體在環(huán)空的流動摩阻達(dá)到平衡孔隙壓力，注水泥結(jié)束后環(huán)空繼續(xù)施加一定的補(bǔ)償壓力，防止靜壓不足與水泥漿失重造成候凝期間環(huán)空竄流[4]。通過對不同排量下循環(huán)壓耗、環(huán)空壓力分布情況模擬，在井筒內(nèi)原鉆井液密度降低后，靜態(tài)或動態(tài)當(dāng)量密度無法壓穩(wěn)地層情況下，利用精細(xì)控壓設(shè)備控制回壓，對循環(huán)及開停泵進(jìn)行壓力補(bǔ)償，確保井底壓力動態(tài)平衡[5]，如圖1所示。井底當(dāng)量密度在安全密度窗口內(nèi)，有效解決壓穩(wěn)與防漏的問題，具體要求：

Ps＜Pb＜PL

循環(huán)工況：Pb=Pf+Pc+PK

停泵工況：Pb=Pf+PK

式中：Ps為地層壓力；Pb為井底壓力；PL為漏失壓力；Pf為靜液壓力；Pc為環(huán)空循環(huán)壓耗；PK為井口控壓（補(bǔ)償）。

圖1 精細(xì)控壓井底當(dāng)量密度控制

流動摩阻的計(jì)算是精細(xì)控壓固井中相當(dāng)重要的一部分，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度影響到固井質(zhì)量以及固井的安全，ECD 主要是計(jì)算環(huán)空流動壓降，流動壓降計(jì)算偏大，會造成設(shè)計(jì)的施工排量偏小，使水泥漿頂替泥漿的效率降低，引起泥漿的竄槽。壓降預(yù)測值偏小，會造成設(shè)計(jì)的施工排量偏大，使得井底壓力偏大，當(dāng)其大于地層破裂壓力時，會造成井漏事故。主要影響因素有溫度、環(huán)空間隙、摩阻系數(shù)、水泥漿本身性能，將這些因素綜合考慮，根據(jù)達(dá)西公式得出流動阻力計(jì)算公式：

式中：R 為修正的雷諾數(shù)；ρ 為流體的密度，g/cm3；V為流速，m/s；DW、DC為井眼直徑與套管直徑，cm；De為修正后的水力直徑，cm；k為非小間隙的環(huán)空分段數(shù)；m 為小間隙環(huán)空分段數(shù)；L 為每段的段長，m；Rj為小間隙環(huán)空每段對應(yīng)的偏心效應(yīng)系數(shù)。

固井流體漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是固井設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對前置液和水泥漿進(jìn)行段長、密度、用量和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行環(huán)空壓力平衡校核以及防氣竄性能的分析，確保不壓漏地層和有效控制氣竄。

下套管激動壓力控制是保障起下套管壓穩(wěn)的關(guān)鍵，綜合考慮鉆井液觸變性、黏滯力和套管柱下入慣性動能等影響因素，構(gòu)建下套管激動壓力新數(shù)學(xué)模型，基于下套管激動壓力模擬結(jié)果，優(yōu)化指導(dǎo)鉆井液密度和性能調(diào)整、套管下放速度以及井口壓力控制，確保下套管過程中井筒壓力平穩(wěn)，試驗(yàn)井下套管未發(fā)生井漏，實(shí)現(xiàn)下套管過程環(huán)空激動壓力精確計(jì)算：

式中：ΔP1為鉆井液觸變性引起的激動壓力，MPa；ΔP2為鉆井液黏滯力引起的激動壓力，MPa；ΔP3為管柱下入慣性動能引起的激動壓力，MPa。

水泥漿注替階段精細(xì)控壓壓力平衡法固井注水泥過程要求通過環(huán)空控制一定回壓，保證目標(biāo)層位置當(dāng)量密度達(dá)到控制要求，環(huán)空回壓的控制計(jì)算要求滿足如下關(guān)系：

式中：ΔGS為控壓過程地層破裂壓力當(dāng)量密度安全值，g/cm3；Gpgoal為目標(biāo)井段地層控制當(dāng)量密度，g/cm3；ECDgoal為目標(biāo)位置實(shí)際環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度，g/cm3；Hvgoal為目標(biāo)位置垂深，m；pfa為注水泥過程環(huán)空流動摩阻壓力，MPa。

1.2 應(yīng)用背景

川西北區(qū)塊已完井4口，該區(qū)塊油氣顯示活躍、噴漏同存、裸眼段長、存在多個壓力體系等難題，采用正注反打固井方式，固井效果差，存在懸掛套管喇叭口竄氣情況。該區(qū)塊7口固井施工中2口井使用精細(xì)控壓固井，從表1、表2 對比可以看出在壓力窗口較窄、顯示活躍的井，使用控壓固井工藝固井質(zhì)量合格率及優(yōu)質(zhì)率明顯提升。

從圖2 及表3、表4 可以看出，Φ241.3 mm 井眼固井裸眼段長，四開鉆進(jìn)縱向上地層從須家河組—棲霞組穿過8套地層，井漏復(fù)雜顯示5次、溢流1次，氣測異常6 次，井漏和氣測顯示頻發(fā)，密度窗口窄，該段顯示情況見表4。

表1 雙魚石區(qū)塊油層懸掛固井情況

表2 川西地區(qū)部分井尾管固井段安全窗口密度

圖2 ST7井身結(jié)構(gòu)

2 固井施工難點(diǎn)

1）該井固井井深7 582 m，裸眼段長達(dá)3 610 m，在不降低排量、保證頂替效率的情況下控制好施工各階段的井筒壓力，環(huán)空壓力實(shí)時調(diào)整控制難度大。

2）密度窗口窄。該段鉆進(jìn)過程中，在多個層位發(fā)生井漏和氣測異常，在長興組發(fā)生溢流，通過加重密度2.07↑2.12 g/cm3壓穩(wěn)，固井施工中存在井漏和氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

3）電測井底溫度160 ℃，對水泥漿體系稠化時間和穩(wěn)定性要求較高。

3 應(yīng)對措施

1）重漿蓋帽+環(huán)空控壓保障起下鉆安全，通過起鉆前重漿壓水眼，控壓起至管鞋，注重漿蓋帽，拆除選裝控制頭，用常規(guī)方法起鉆起完；常規(guī)下鉆至管鞋，裝旋轉(zhuǎn)控制頭，控壓下鉆，解決起下鉆、下套管和井筒壓力控制的問題。

2）施工前模擬注水泥及替漿過程井筒壓力范圍，確定控壓值，確保注替水泥漿時不發(fā)生井漏和氣侵。

3）固井施工前適當(dāng)下調(diào)鉆井液密度，確保頂替效率。

4）采用緩、中、快干三凝水泥漿，優(yōu)化水泥漿體系，水泥體系中快干水泥漿為韌性高溫防竄水泥漿體系，中凝、緩凝漿為高溫防竄水泥漿體系。

4 ST7井固井施工

4.1 控壓通井

1）固井前鉆進(jìn)作業(yè)使用密度為2.06 g/cm3，通過前期多次起下鉆實(shí)測，計(jì)算井底當(dāng)量密度約為2.09～2.11 g/cm3。

2）起鉆前注入2.37 g/cm3壓水眼重漿11 m3，頂替2.09 g/cm3鉆井液1 m 壓水眼；按井底當(dāng)量密度2.09 g/cm3計(jì)算，起鉆控制套壓0.5～2.0 MPa 起鉆至4 000 m管鞋；注入2.37 g/cm3重漿23.5 m3，頂替井漿23 m3，注2.37 g/cm重漿3 m3，頂替原井漿1 m3壓帽，安裝防溢管，敞井起鉆。

3）下鉆過程采用常規(guī)下鉆方法至套管鞋，先替出上部井段重漿，按井底當(dāng)量密度2.09 g/cm3計(jì)算，控壓0.5～2.0 MPa 下鉆到底,異常情況可提前安裝旋轉(zhuǎn)總成控壓下鉆，當(dāng)控制套壓超過3 MPa，注重漿后繼續(xù)下鉆至鉆頭出套管鞋。

表3 四開井漏情況

表4 鉆進(jìn)氣測顯示情況

4.2 控壓下套管

1）下Ф184.2 mm 套管至井深3 500 m，接循環(huán)頭，開泵循環(huán)鉆井液，頂出密度2.37 g/cm3重漿，下全部套管至井深3 848.78 m，接懸掛器，用139.7 mm鉆桿下送套管至井深3 860.27 m。

2）裝旋轉(zhuǎn)膠芯總承，控壓循環(huán)鉆井液，套壓控制0.5～2.0 MPa替出剩余2.37 g/cm3重漿。

3）控壓1.4～1.7 MPa 用Φ139.7 mm鉆桿下送套管至井深7 444.73 m。

4）控壓0.5～2.0 MPa 循環(huán)降密度2.06↓2.03 g/cm3處理鉆井液，控壓1.6～1.8 MPa，投球，送球，丟手坐掛。

4.3 控壓注水泥漿

ST7井注水泥施工流程見表5。

1）為確保頂替效率，下送套管到位后全井降鉆井液密度2.06↓2.03 g/cm3。

2）設(shè)計(jì)優(yōu)化三凝水泥漿體系，水泥體系其中快干漿為韌性高溫防竄水泥漿體系，快干水泥密度2 g/cm3，其中緩凝水泥漿2.05 g/cm3、中凝水泥漿2 g/cm3為高溫防竄水泥漿體系，緩凝與中凝水泥漿界面為5 200 m，中凝與快干水泥漿界面為6 700 m，形成梯級匹配漿柱結(jié)構(gòu)，施工排量1.1～1.3 m3/min，套管環(huán)空施加1.0～4.2 MPa壓力控制，達(dá)到全過程動態(tài)壓穩(wěn)與防漏目的。環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)與壓力分布圖如圖3所示。

表5 ST7井注水泥施工

圖3 環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)與壓力分布圖

5 精細(xì)控壓施工效果

1）注施工過程排量達(dá)到1.1～1.3 m3/h，替漿過程排量0.9～1.2 m3/h，頂替效率91.6%，注替水泥漿過程通過控壓調(diào)整，起到了井筒壓力動態(tài)平衡，防止了固井期間井漏和溢流的發(fā)生。

2）下鉆探塞至3 724 m 探得上水泥塞面，鉆塞至3 734 m，塞厚10 m，喇叭口試壓12.6 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.2 MPa。

3）采用CBL-VDL 固井質(zhì)量綜合評價測井，測井解釋結(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%，測井評價為合格。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）精細(xì)控壓固井在窄密度窗口固井，能有效解決井漏、氣侵給固井施工帶來的井控風(fēng)險(xiǎn)。

2）運(yùn)用精細(xì)控壓固井，能大幅度提高固井質(zhì)量。

3）加大精細(xì)控壓固井在深井、高溫井、小井眼復(fù)雜井段的施工應(yīng)用。

4）精細(xì)控壓固井需要對地層壓力監(jiān)測，取得該段真實(shí)的壓力窗口。

5）要對不同排量、液體在管柱內(nèi)頂替變化過程中井筒各處壓力理論研究，建立流體與壓力的模型。