深水井精細(xì)控壓下套管研究

童傳新 ，張海榮，徐璧華，趙 琥，崔 策

1.中國海洋石油湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東 湛江 524088；3.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；4.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北 廊坊065201

引言

近年來，隨著海洋淺水區(qū)域油氣勘探開發(fā)逐步成熟，深水區(qū)域油氣資源成為勘探開發(fā)的重點(diǎn)[1-2]。盡管深水區(qū)域油氣資源探明儲(chǔ)量豐富，但深水油氣資源開發(fā)存在巨大挑戰(zhàn)，深水固井則是典型挑戰(zhàn)之一[3-5]。深水固井過程中常常會(huì)遇到窄安全作業(yè)窗口地層（即地層破裂壓力與孔隙壓力的差值?。?，下套管時(shí)容易發(fā)生井漏[6-7]。深水井一旦發(fā)生井漏處理十分復(fù)雜，不但耗時(shí)耗力，處理不當(dāng)還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，深水下套管作業(yè)中井漏的預(yù)防尤為重要[8-9]。

深水窄安全壓力窗口地層下套管過程中的井漏是由于下套管過程中井筒靜液柱壓力與產(chǎn)生的波動(dòng)壓力之和超過了破裂壓力所導(dǎo)致[10]。過去國內(nèi)外主要是通過以下方式來減小波動(dòng)壓力，從而減小井漏風(fēng)險(xiǎn)[11-12]：（1）調(diào)整鉆井液性能并適當(dāng)降低其密度；（2）通過安裝自動(dòng)灌液浮箍和浮閥增大鉆井液流動(dòng)通道；（3）控制套管下放速度。但是，從目前的使用效果來看，上述方法仍然無法高效解決窄安全壓力窗口下套管的問題，而且還會(huì)增加作業(yè)時(shí)間。

目前，精細(xì)控壓固井技術(shù)已在陸上油田應(yīng)用成功，解決了窄安全壓力窗口地層固井難題[13-15]。精細(xì)控壓固井是通過主動(dòng)降低鉆井液密度，使靜液柱壓力處于欠平衡，然后利用井口控壓設(shè)備，在井口節(jié)流產(chǎn)生回壓或施加井口補(bǔ)償壓力，實(shí)施井口控壓，從而實(shí)時(shí)精細(xì)控制井筒壓力，最終有效地降低了窄安全壓力窗口地層固井漏失風(fēng)險(xiǎn)[16-17]。避免深水窄安全壓力窗口地層下套管過程中井漏發(fā)生，可以借鑒陸上精細(xì)控壓固井技術(shù)原理，利用海底泵實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隔水管內(nèi)鉆井液液面高度實(shí)時(shí)控制井筒壓力，保證井筒壓力處于安全窗口內(nèi)的同時(shí)保證下套管速度節(jié)約下套管時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)深水控壓下套管，需要先建立井筒壓力控制模型，然后建立井筒壓力控制方法。然而，目前還沒有關(guān)于深水控壓下套管井筒壓力控制模型及控制方法的研究報(bào)道。

1 安全壓力窗口

由于深水井有很長的隔水管，確定安全壓力窗口時(shí)，還應(yīng)考慮隔水管脫落后是否能壓穩(wěn)地層的情況。因此，深水井的安全壓力窗口與陸地井的安全壓力窗口有所區(qū)別。深水井的安全壓力窗口確定除了考慮地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力及漏失壓力外，還應(yīng)該考慮隔水管的安全余量。

根據(jù)上述分析，深水井的安全壓力窗口為[18]

2 下套管過程井筒壓力控制模型

2.1 下套過程動(dòng)態(tài)波動(dòng)壓力

（1）控制方程

下套管過程中，井筒壓力變化主要來自下套管時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)壓力。穩(wěn)態(tài)波動(dòng)壓力法是計(jì)算波動(dòng)壓力的常用方法，但該方法計(jì)算所得的結(jié)果偏大[19-21]。此外，該方法也沒有考慮扶正器產(chǎn)生的局部阻力影響，導(dǎo)致波動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果誤差較大。因此，本文建立了考慮扶正器局部阻力影響的動(dòng)態(tài)波動(dòng)壓力模型

（2）邊界條件

尚未開始下套管時(shí)，全井段任意位置處的波動(dòng)壓力為0，鉆井液流速為0，則有

不考慮大氣壓，則井口位置處的波動(dòng)壓力為0

不考慮鉆井液滲入地層，則井底位置處流速為0

套管底部，環(huán)空和空井眼交匯處，套管排開的體積流量等于環(huán)空流量與空井眼段流量之和，且該點(diǎn)處環(huán)空波動(dòng)壓力與裸眼段波動(dòng)壓力相等。

2.2 井筒壓力控制模型

下套管過程中，井筒壓力由靜液柱壓力和波動(dòng)壓力組成，其表達(dá)式為

結(jié)合式（1），有

如果隔水管液面需要降低的深度小于隔水管長度hr（圖1）時(shí)，其隔水管液面高度變化范圍為

如果隔水管液面需要降低的深度大于隔水管長度hr（圖1）時(shí)，可通過降低套管下入速度來減小波動(dòng)壓力，其表達(dá)式為

圖1 隔水管內(nèi)液面分布示意圖Fig.1 Diagram of liquid level distribution in riser

3 井筒壓力影響因素分析

某深水井水深520 m，補(bǔ)心高25 m，采用雙梯度鉆井，用φ215.6 mm 鉆頭鉆至3 360.0 m的目的層后，下入φ177.8 mm 套管，上層套管下入深度為2 523.8 m。鉆井所用的泥漿密度為2.02 g/cm3，其稠度系數(shù)為0.383 Pa·s0.806，流性指數(shù)為0.806，屈服值為6.50 Pa。該井在3 050 m 處的安全密度窗口下限為2.00 g/cm3，上限為2.05 g/cm3，窗口只有0.05 g/cm3。

3.1 套管下入深度的影響

套管最大下入速度為0.5 m/s 時(shí)，井筒產(chǎn)生的壓力如圖2 所示。從該圖可以看出，隨著套管下入深度增加，井筒壓力增大。套管底部作為擾動(dòng)源距離井底越近，引起的波動(dòng)壓力越強(qiáng)井筒壓力越大。下套管時(shí)，套管底部產(chǎn)生的波動(dòng)壓力向井底傳播過程中不斷衰減，所以套管下入深度增加，井底波動(dòng)壓力越劇烈，井筒壓力越大。此外，套管越靠近井底，產(chǎn)生的波動(dòng)壓力越大，傳到井底的后越劇烈，井筒壓力越大。

圖2 套管下入深度對(duì)井筒壓力的影響Fig.2 Influence of casing running depth on surge-swab pressure

3.2 最大下入速度的影響

套管下入深度為1 000 m 時(shí)，最大下入速度對(duì)井筒壓力的影響如圖3 所示。隨著套管下入速度增大，井筒所產(chǎn)生的波動(dòng)越劇烈，而且壓力波的最大值并沒出現(xiàn)在速度達(dá)到最大值時(shí)，而有一定的滯后性。套管下入速度越快產(chǎn)生的壓力波越多，相互疊加后所產(chǎn)生的波動(dòng)壓力也就越大，因此，井筒的壓力也就越大。

圖3 套管下入速度對(duì)井筒壓力的影響Fig.3 Influence of casing running speed on surge-swab pressure

3.3 鉆井液密度的影響

套管下入深度為1 000 m，最大下入速度為0.5 m/s 時(shí)，井筒產(chǎn)生的壓力如圖4 所示。

由圖4 可以看出，鉆井液密度越大，井筒壓力越大。鉆井液密度越大，壓力波傳播速度越快，相互疊加的壓力波越多，所以在井底產(chǎn)生的波動(dòng)壓力越大，因此，井筒的壓力也就越大。鉆井液密度越大，壓力波越早到達(dá)峰值，且產(chǎn)生的波動(dòng)壓力越大，井筒壓力越大。

圖4 鉆井液密度對(duì)井筒壓力的影響Fig.4 Influence of drilling fluid density on surge-swab pressure

3.4 鉆井液流變性的影響

設(shè)套管下入深度為1 000 m，最大下入速度為0.5 m/s，分析鉆井液的屈服值和黏度對(duì)井筒壓力的影響，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 鉆井液屈服值對(duì)井筒壓力的影響Fig.5 Influence of yield value of drilling fluid on surge-swab pressure

圖6 鉆井液黏度對(duì)井筒壓力的影響Fig.6 Influence of drilling fluid viscosity on surge-swab pressure

可以看出，井筒壓力隨著鉆井液的屈服值和黏度增加而增大。鉆井液的屈服值增加，增大了井筒產(chǎn)生的波動(dòng)壓力；而黏度增加就增大了摩擦阻力產(chǎn)生的波動(dòng)壓力，增大了井筒壓力。因此，在下套管前需要降低鉆井液的屈服值和黏度，減小波動(dòng)壓力的影響，從而減小井底壓力。

4 精細(xì)控壓下套管方法

深水井精細(xì)控壓下套管是利用海底泥漿泵和井口增壓泵調(diào)節(jié)隔水管中鉆井液液面高度來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)下套管速度計(jì)算關(guān)注點(diǎn)產(chǎn)生的波動(dòng)壓力，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隔水管中鉆井液液面高度。從波動(dòng)壓力影響因素分析可知，下套管前通過調(diào)節(jié)鉆井液性能可實(shí)現(xiàn)預(yù)先降低波動(dòng)壓力的影響。

圖7 為深水精細(xì)控壓下套管施工步驟及需要用到的主要設(shè)備，包括海底泵、增壓泵、泥漿回流管線及施工控制平臺(tái)等。精細(xì)控壓下套管借用精細(xì)控壓鉆井的設(shè)備，不需要額外增加設(shè)備。

圖7 深水精細(xì)控壓下套管流程圖及所需主要設(shè)備Fig.7 Flow chart and main equipment required for precisely managed pressure running during casing in deep water

深水井精細(xì)控壓下套管具體步驟為：

（1）確定目的層的壓力窗口。

（2）計(jì)算出當(dāng)前密度下，整個(gè)下套管過程中可能產(chǎn)生最大抽吸壓力時(shí)壓穩(wěn)地層所需的靜液柱壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度ρl。

（3）調(diào)節(jié)鉆井液性能，降低其屈服值、黏度及密度，將鉆井液密度降至密度ρl。

（4）根據(jù)套管下入速度計(jì)算關(guān)注點(diǎn)外的壓力變化，并計(jì)算出下單根套管需要隔水管液面降低最大深度hd。

（5）判斷隔水管需要降低的最大深度hd是否大于隔水管長度hr。是，則通過降低套管下入速度控制井筒壓力；否，則根據(jù)套管下入速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隔水管液面高度控制井筒壓力。

（6）當(dāng)單根套管下到位后，開始向套管內(nèi)灌入泥漿。

（7）判斷套管是否下至目的層。是，下套管結(jié)束；否，重復(fù)步驟（4）～（6）下入下一段套管。

5 算 例

下套管前將鉆井液密度降至2.01 g/cm3，將其稠度系數(shù)、流性指數(shù)及屈服值分別調(diào)整為0.311 Pa·s0.835、0.835 及1.32 Pa，最大下入速度為0.5 m/s，井筒中最大壓力當(dāng)量密度如圖8 所示。

可以看出，將在下入第61 根套管時(shí)（即3 050 m處，圖8 紅線與黃線的交點(diǎn)），井筒內(nèi)的當(dāng)量密度大于安全窗口上限當(dāng)量密度，將造成井漏。當(dāng)套管進(jìn)入裸眼段后由于考慮了井眼擴(kuò)大率，環(huán)空間隙增大，所以井筒最大壓力當(dāng)量密度突然減?。欢耶?dāng)觀察點(diǎn)處于環(huán)空時(shí)比其位于空井眼段最大壓力當(dāng)量密度增速有所降低。

圖8 下套管過程中井筒最大、最小壓力當(dāng)量密度Fig.8 Maximum and minimum equivalent density of wellbore pressure during casing running

從圖8 還可以看出，下套管過程中井筒壓力始終大于安全壓力窗口下限，因此，下套管過程中應(yīng)以防止壓漏地層為主，而且從下入第61 根套管至319 根套管才需要通過調(diào)節(jié)隔水管液面高度來控制井筒壓力。

為保證安全下入套管，將窄安全窗口處的井筒當(dāng)量密度控制在安全壓力窗口上限以下，即當(dāng)量密度為2.048 g/cm3。下套管過程中，全井段每下入單根套管所對(duì)應(yīng)的隔水管液面最大深度如圖9 所示，整個(gè)下套管過程中隔水管液面最大深度為139.9 m，出現(xiàn)在下入第250 根套管時(shí)。隔水管液面最大深度小于隔水管長度，因此，整個(gè)下套管過程不需要降低套管下入速度來控制井筒壓力。

圖9 采用控壓下套管隔水管液面最大降低深度Fig.9 Maximum level drop depth under managed running casing

不考慮接套管和灌漿所需時(shí)間，僅僅考慮單根套管下入所需時(shí)間，比較兩種下套管方式所需時(shí)間，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 精細(xì)控壓下套管和傳統(tǒng)下套管所用時(shí)間比較Fig.10 Time comparison between precisely managed pressure casing running and traditional casing running

精細(xì)控壓下套管過程采用同一速度下套管，最大速度為0.5 m/s，整個(gè)過程中單根套管所需時(shí)間相同，最終總共耗時(shí)3.55 h。從前面的分析可知，隨著套管下入深度增加波動(dòng)壓力增大，采用傳統(tǒng)下套管時(shí)，為了防止壓漏地層，只有不斷地降低下套管速度（圖11），單根套管的下入速度在逐漸減小，最終總共耗時(shí)6.85 h。精細(xì)控壓下套管僅僅只考慮套管下入時(shí)間就可節(jié)約3.30 h。因此，精細(xì)控壓下套管不但能保證下套管安全，還節(jié)約了時(shí)間，這對(duì)海上油氣作業(yè)來說降低了作業(yè)成本。

圖11 全井段下套管單根最大速度分布Fig.11 Maximum velocity distribution of single casing in whole well section

6 結(jié)論

（1）深水窄安全壓力窗口地層下套管過程中，井筒壓力受波動(dòng)壓力的影響可能超過其安全壓力窗口造成井漏。通過建立安全壓力窗口確定模型，并結(jié)合動(dòng)態(tài)波動(dòng)壓力建立了深水下套管井筒壓力控制模型。

（2）基于深水下套管井筒壓力控制模型，提出了通過海底泵和平臺(tái)增壓泵實(shí)時(shí)控制隔水管鉆井液液面高度實(shí)現(xiàn)井筒壓力調(diào)節(jié)的精細(xì)控壓下套管方法。精細(xì)控壓下套管不但能降低窄安全壓力窗口地層下套管過程由于波動(dòng)壓力造成的井漏的風(fēng)險(xiǎn)，而且還能節(jié)省下套管作業(yè)時(shí)間降低海上作業(yè)成本。

（3）下套管過程中產(chǎn)生的井筒壓力隨著套管下入深度、最大下入速度、鉆井液密度以及鉆井液屈服值、黏度增大而增大。下套管前可降低鉆井液密度及調(diào)整鉆井液流變參數(shù)以預(yù)先減小這二者對(duì)井筒壓力的影響。

符號(hào)說明