精細(xì)控壓固井技術(shù)國(guó)內(nèi)進(jìn)展及下步發(fā)展方向

聶世均，鄧 理，鮮 明，2，馮予淇，2，廖富國(guó)

（1.國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心，四川成都610051；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610052；3.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶401120）

1 背景

隨著深層油氣藏勘探開發(fā)加速，固井作業(yè)面臨的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，井筒縱向差異越來越大，同一封固段油氣水顯示多、壓力層系多，給常規(guī)固井作業(yè)帶來了諸多技術(shù)難題，如水侵、氣侵、井漏、溢流等。這些問題不僅增加了井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，而且還會(huì)影響固井質(zhì)量和破壞井完整性，因此常規(guī)平衡壓力法固井技術(shù)已經(jīng)難以滿足該類復(fù)雜地層固井要求。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外在窄壓力窗口固井過程中提出了精細(xì)控壓固井的新理念，通過固井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、井筒水力學(xué)參數(shù)實(shí)時(shí)模擬與井口回壓控制裝備相結(jié)合，實(shí)時(shí)精細(xì)控制固井過程中井筒壓力，使目標(biāo)層位壓力始終維持在安全密度窗口范圍內(nèi)[1-2]，防止井涌、氣竄和漏失等復(fù)雜情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)水泥漿一次性上返，并為后續(xù)提高固井頂替效率和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2 技術(shù)原理及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

精細(xì)控壓固井源于精細(xì)控壓鉆井，是將固井基本原理、控壓鉆井原理、控壓鉆井裝備和控壓軟件系統(tǒng)等有機(jī)整合，并應(yīng)用到固井作業(yè)過程中。針對(duì)窄密度窗口、噴漏同存條件下的固井，通過準(zhǔn)確界定井下壓力窗口，精細(xì)壓力模擬設(shè)計(jì)，精確控制井筒環(huán)空壓力分布，并通過地面控壓固井流程實(shí)施精準(zhǔn)的環(huán)空壓力剖面管理，合理有效地控制環(huán)空當(dāng)量密度大于壓穩(wěn)氣層壓力梯度而小于地層漏失壓力梯度[3]，使井筒處于壓穩(wěn)而不漏的狀態(tài)（圖1），確保目標(biāo)地層井筒壓力始終控制在窗口值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全高效固井作業(yè)的目的。

圖1 精細(xì)壓力固井原理圖

式中：PH——壓穩(wěn)油氣層壓力；

PL——地層漏失壓力；

PD——固井期間環(huán)空壓力；

Pha——環(huán)空靜液柱壓力；

Pfa——環(huán)空循環(huán)摩阻壓力；

Pka——井口控壓值。

通過工藝流程分析，精細(xì)控壓固井主要包含4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)目的層段的壓力閉環(huán)控制管理。

（1）井筒當(dāng)量密度窗口確定，需要確定固井作業(yè)的壓力下限（不侵、不竄、不溢）和壓力上限（不漏）；

（2）精細(xì)控壓固井模擬設(shè)計(jì)，需要優(yōu)化流體參數(shù)、漿柱結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)等，準(zhǔn)確模擬固井作業(yè)過程中剖面上壓力分布和變化情況；

（3）精細(xì)控壓裝置系統(tǒng)，包括有回壓補(bǔ)償、壓力/微流量監(jiān)測(cè)與環(huán)空壓力控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及監(jiān)測(cè)控制等，實(shí)現(xiàn)固井?dāng)?shù)據(jù)采集、分析和節(jié)流閥、平板閥的自動(dòng)控制；

（4）作業(yè)實(shí)施方案，需要編制和完善下套管、循環(huán)、固井到候凝整個(gè)作業(yè)過程的實(shí)施方案和流程，指導(dǎo)固井作業(yè)執(zhí)行。

3 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展進(jìn)展

國(guó)外精細(xì)控壓固井最早報(bào)道起于2003 年Enhanced Drilling 公司在里海區(qū)域的控壓固井作業(yè)，之后斯倫貝謝、哈里伯頓、威德福、Enhanced Drilling等固井服務(wù)商依托自身的控壓鉆井系統(tǒng)形成的控壓固井技術(shù)在秘魯Sagari 油田、美國(guó)Permian 盆地，馬來西亞Peninsular 海域、Sarawak 海域和 Duyong 區(qū)塊，阿 根 廷Neuquén盆地和北海海上等高溫高壓、窄密度窗口固井中獲得成功應(yīng)用，有效解決了地層密度窗口窄、淺層水侵、氣竄、井涌和漏失等固井難題，密度窗口在0.02～0.12g/cm3之間不等[4-5]。

國(guó)內(nèi)控壓固井最早出現(xiàn)在2011 年，中石化河南石油勘探局針對(duì)B304 井140mm 套管固井時(shí)壓力窗口僅0.02g/cm3、易井漏、氣竄風(fēng)險(xiǎn)高與頂替效率提升難度大等難題，提出“高效頂替、整體壓力平衡”控壓固井技術(shù)思路[6]，通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，環(huán)空壓力、變排量頂替等工藝措施，并利用節(jié)流閥控制環(huán)空循環(huán)壓力，實(shí)現(xiàn)水泥漿一次性上返，固井質(zhì)量合格。

2015 年中石化西北局、中原石油工程公司針對(duì)塔中SN6井四開鉆井中異常高壓、氣侵現(xiàn)象嚴(yán)重、井漏風(fēng)險(xiǎn)大(密度窗口僅為0.07g/cm3)等復(fù)雜條件，在177.8mm尾管固井作業(yè)中提出精細(xì)控壓固井技術(shù)[7-10]，優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化泵注參數(shù)和水泥漿體系，采用格瑞迪斯井口控壓裝置合理控制實(shí)施井口動(dòng)態(tài)控壓，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工排量等措施，成功實(shí)施了固井作業(yè)，測(cè)井質(zhì)量較同區(qū)塊井有較大程度的提高，之后SN7 井177.8mm尾管也得到成功應(yīng)用。

2017 年，中石油西南油氣田和川慶鉆探公司針對(duì)LG70井六開鉆井中氣層和漏層多，地層多次出水，漏、涌交替發(fā)生，密度窗口窄（0.04g/cm3），且小井眼井段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小等難題，首次提出了超深井小間隙尾管全過程動(dòng)態(tài)平衡壓力固井方案，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，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)控壓作業(yè)等措施，確保了茅口、棲霞組敏感地層當(dāng)量密度處于2.08～2.12g/cm3安全窗口之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小間隙、長(zhǎng)封固、窄密度窗口尾管固井的一次性正注上返難題，作業(yè)井深達(dá)到 7793m[1-2，11-12]。2018 年，在 LG70 井基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)工藝和井口動(dòng)態(tài)控壓措施優(yōu)化，并在LT1 井、ST7等井成功實(shí)施了精細(xì)控壓固井作業(yè)，固井質(zhì)量提升10%～20%。

2018年中石油鉆井工程技術(shù)研究院王朝輝針對(duì)海洋深水勘探開發(fā)面臨的低溫、淺層氣、淺水流、異常高壓層以及窄密度窗口等挑戰(zhàn)，提出了深水控壓固井技術(shù)理念，通過增加鉆井泵轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)及控制系統(tǒng)維持起下鉆、下套管作業(yè)、固井作業(yè)過程中所需的當(dāng)量循環(huán)密度[13]。特別指出控壓固井對(duì)深水無隔水管淺部地層控壓固井具有較大的應(yīng)用價(jià)值，可以緩解表層套管下深限制，提高固井質(zhì)量，保持表層套管結(jié)構(gòu)的完整性等。

2019年中石油西南油氣田和川慶鉆探公司聯(lián)合開展了精細(xì)控壓固井技術(shù)深度融合研究，對(duì)精細(xì)控壓固井原理、工藝流程、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，升級(jí)改造了控壓設(shè)計(jì)軟件、控壓裝置、控制系統(tǒng)等軟硬件，并連續(xù)在雙魚石區(qū)塊、磨溪區(qū)塊開展精細(xì)控壓固井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用（如圖2所示），截止2020年3月底，在川渝地區(qū)開展了50余井次的精細(xì)控壓固井作業(yè)，固井成功率100%，水泥漿一次性正注上返到位，泵注排量提升30%～40%。同期塔里木油田聯(lián)合中石油工程技術(shù)研究院、川慶鉆探公司等在KS13-3、DB12等井也成功實(shí)施精細(xì)控壓固井作業(yè)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)精細(xì)控壓固井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

圖2 ST某井環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力控制曲線

控壓固井裝備上，國(guó)外哈里伯頓、斯倫貝謝和Enhanced Drilling 公司的控壓固井原理與國(guó)內(nèi)基本相同，都是借助控壓鉆井地面流程，改變環(huán)空中井口回壓來控制井筒壓力。受旋轉(zhuǎn)控制頭類型及尺寸限制，哈里伯頓控壓固井系統(tǒng)只適用于尾管固井，斯倫貝謝控壓裝備無法測(cè)量井底壓力的真實(shí)變化情況，Enhanced Drilling 公司適用于海上低密度鉆井液條件下固井作業(yè)[4-5]。國(guó)內(nèi)精細(xì)控壓固井裝置以川慶鉆采院、中石油工程院、格瑞斯公司的精細(xì)控壓鉆井裝置為基礎(chǔ)，包括自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、井口控制系統(tǒng)四大關(guān)鍵裝備，固井作業(yè)時(shí)通過地面控壓流程，實(shí)現(xiàn)各階段的回壓補(bǔ)償、溢漏監(jiān)測(cè)，使得目的層段壓力控制在壓力窗口間。同時(shí)川慶鉆探和西南油氣田針對(duì)精細(xì)控壓固井開發(fā)了控壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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、計(jì)算與分析，實(shí)現(xiàn)了與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，并可與固井工程設(shè)計(jì)軟件共享數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行全井段壓穩(wěn)防漏分析，具備一定的井下復(fù)雜情況預(yù)警分析能力。

4 技術(shù)瓶頸與下步發(fā)展方向

2017 年底以來，川慶鉆探公司參與了國(guó)內(nèi)精細(xì)化控壓固井95%以上的固井作業(yè)，主要圍繞川渝深井、磨溪—高石梯高壓氣井完成50余井次精細(xì)控壓固井作業(yè)中，通過對(duì)前期研究及大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)精細(xì)控壓固井技術(shù)發(fā)展存在幾個(gè)技術(shù)瓶頸待突破。

第一，地層壓力窗口無法準(zhǔn)確摸清楚。配備PWD模塊的鉆井系統(tǒng)雖然能夠在鉆進(jìn)期間實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取地層漏、溢壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但作業(yè)成本高昂。因此目前固井主要通過鉆錄井油氣水顯示、后效、井漏等實(shí)鉆資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析獲取，并通過靜觀、承壓試驗(yàn)和水力學(xué)計(jì)算模型驗(yàn)證。因此井筒縱向多套壓力體系下，井筒壓力分析精度因人而異，影響后續(xù)精細(xì)控壓固井作業(yè)實(shí)施和效果。

第二，環(huán)空液柱壓力以模擬分析為主，缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。為達(dá)到精細(xì)控壓目的必須加強(qiáng)井筒液柱壓力模擬計(jì)算，但目前所有井底壓力計(jì)算均是通過理論模型獲得，而建立的理論模型本身在考慮影響因素、邊界條件取舍和數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)化等存在一定的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)固井方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)方案實(shí)施的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)缺乏精準(zhǔn)性，控壓固井效果大打折扣。而目前國(guó)內(nèi)外并沒有較好的方法實(shí)現(xiàn)固井過程中關(guān)注點(diǎn)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋，尤其對(duì)新探區(qū)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果失真較大。

第三，精細(xì)控壓固井專用裝備自動(dòng)化能力有待提升。目前控壓裝備實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)傳與控制等功能，但未能實(shí)現(xiàn)真正的閉環(huán)精細(xì)控制管理。同時(shí)現(xiàn)有精細(xì)控壓鉆井裝備的部分功能對(duì)固井作業(yè)而言顯得冗余而缺乏精度，如現(xiàn)有控壓鉆井系統(tǒng)的私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)非線性節(jié)流模式，存在PID調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、閉環(huán)控制精度差的局限；全過程注入與返出流量系統(tǒng)未完全整合，不能實(shí)現(xiàn)漏溢微流量在線監(jiān)測(cè)；現(xiàn)有控壓鉆井裝備體積龐大，不便于撬裝化和快速安裝作業(yè)；現(xiàn)有控制系統(tǒng)未完全實(shí)現(xiàn)井筒壓力實(shí)時(shí)模擬、反饋和控制等功能。

第四，缺乏完善的精細(xì)控壓固井技術(shù)體系[14]。國(guó)內(nèi)針對(duì)高壓、窄密度窗口固井近幾年才開始實(shí)施精細(xì)控壓固井，起步晚，發(fā)展慢。作為聯(lián)合作業(yè)技術(shù)，涉及到地質(zhì)、錄井、鉆井、鉆井液、固井、裝備等，而其中任何一方對(duì)技術(shù)思路、技術(shù)系統(tǒng)不理解，單純考慮各自企業(yè)成本著手時(shí)就難以達(dá)到既定效果，經(jīng)常出現(xiàn)甲方控制得力則落實(shí)效果好，反之則可能出現(xiàn)偏差。同時(shí)目前精細(xì)控壓固井技術(shù)未能全面實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場(chǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化崗位、標(biāo)準(zhǔn)化操作”，因此控壓固井技術(shù)體系建設(shè)方面存在投入不足，技術(shù)不完善，設(shè)備和工藝創(chuàng)新性不足等，使得控壓固井技術(shù)體系較為單一，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地層地質(zhì)環(huán)境挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述存在的問題，結(jié)合現(xiàn)有精細(xì)控壓固井技術(shù)體系、裝備、軟硬件等，下步需要深入推進(jìn)技術(shù)體系整合，按照精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、信息化的方向發(fā)展。

（1）更加精確、直觀的確定地層壓力剖面。地質(zhì)工程一體化條件下更加精細(xì)化的刻畫地層壓力剖面，并加強(qiáng)工程數(shù)據(jù)共享，同時(shí)固井工程師應(yīng)加強(qiáng)鉆井、地質(zhì)、錄井參數(shù)分析，建立一套準(zhǔn)確的地層壓力實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，如地震評(píng)價(jià)法、校正Dc指數(shù)法、測(cè)井評(píng)價(jià)法和鄰井資料評(píng)估法等，然后結(jié)合靜觀、后效觀測(cè)、承壓試驗(yàn)等進(jìn)行綜合評(píng)估驗(yàn)證，確保地層壓力取準(zhǔn)，為精細(xì)控壓固井作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

（2）井筒水力參數(shù)的精細(xì)模擬、刻畫[4]。針對(duì)目前固井無法實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)注點(diǎn)當(dāng)量壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)、反饋，同時(shí)井筒溫度、壓力等對(duì)漿體密度、流變性影響較大，有必要開展井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型、井筒流體流變性變化規(guī)律、不同溫度壓力環(huán)境下水泥漿密度變化規(guī)律、井筒流體壓力傳遞規(guī)律等研究，有條件情況下開展井底壓力實(shí)測(cè)方法和工具研究，充分保證模型校正基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高水力學(xué)計(jì)算精度。

（3）精細(xì)控壓固井技術(shù)體系升級(jí)完善。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、裝備性能、控壓固井方案、技術(shù)實(shí)施細(xì)則等加強(qiáng)對(duì)精細(xì)控壓固井技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，結(jié)合地質(zhì)、鉆井、錄井、固井、鉆井液、裝備控制等方向，系統(tǒng)化的發(fā)展精細(xì)控壓固井技術(shù)。同時(shí)還應(yīng)針對(duì)每井次固井作業(yè)所面臨的環(huán)境不同，地層壓力不同、壓力窗口不同等，確定個(gè)性化的精細(xì)控壓固井技術(shù)方案，更好地促進(jìn)精細(xì)控壓固井技術(shù)朝著系統(tǒng)性、個(gè)性化的方向發(fā)展。

（4）精細(xì)控壓固井專用裝備系統(tǒng)化、信息化和模塊化建設(shè)。當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入信息化、智能化、自動(dòng)化的時(shí)代，大數(shù)據(jù)、云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展日新月異，加強(qiáng)固井信息化建設(shè)也是促進(jìn)精細(xì)控壓固井技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。通過信息化建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)精細(xì)控壓固井?dāng)?shù)據(jù)、信息的掌握，并提出針對(duì)性的固井方案；通過專用、模塊化精細(xì)控壓固井裝備研發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的迭代升級(jí)，提高設(shè)備在不同井場(chǎng)的適應(yīng)性，做到“需之則來，來之則用，用之則精，固后則走”；通過加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)應(yīng)用，將所有精細(xì)控壓固井設(shè)備（儀表、水泥車、控壓裝備等）實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集群管理；通過加強(qiáng)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種固井?dāng)?shù)據(jù)信息的分析和篩選，實(shí)現(xiàn)方案實(shí)時(shí)修正和精細(xì)控制管理。

（5）加強(qiáng)軟、硬件結(jié)合，提升控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和智能化控制。結(jié)合鉆、錄、固等各種測(cè)控、仿真模擬數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)精細(xì)控壓固井過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)仿真模擬并動(dòng)態(tài)優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋控制參數(shù)到精細(xì)控壓固井裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的閉環(huán)控制作業(yè)。通過地面控制裝備和工藝流程與壓力控制軟件系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，更為科學(xué)進(jìn)行環(huán)空壓力管理，并對(duì)井筒壓力復(fù)雜變化情況做出及時(shí)、正確的反饋，更為精細(xì)地調(diào)整井筒內(nèi)壓力剖面。

（6）精細(xì)控壓固井工藝流程優(yōu)化[4]，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化作業(yè)?？貕汗叹婕般@井、錄井、鉆井液、控壓和固井等多方面技術(shù)人員協(xié)同配合，必須加強(qiáng)控壓固井實(shí)施的工藝及地面流程（如圖3所示）優(yōu)化，降低多方協(xié)同帶來的操作誤差，提高固井成功率。首先要對(duì)地層、井筒、地面有清晰認(rèn)識(shí)和把控；其次要優(yōu)選水力學(xué)模型，合理設(shè)計(jì)固井作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效頂替；再次是要優(yōu)選水泥漿體系，保證密度、流變性、工程性能的匹配；最后是優(yōu)化固井施工流程，優(yōu)化各個(gè)階段井口回壓控制措施，保證安全高效泵注作業(yè)。

5 結(jié)論

圖3 川渝地區(qū)精細(xì)控壓固井工藝及地面流程

（1）精細(xì)控壓固井技術(shù)能夠解決窄密度窗口條件下溢漏同存、頂替效率不高、水泥漿難以實(shí)現(xiàn)一次性上返的難題，高效固井的同時(shí)提高固井質(zhì)量。

（2）精細(xì)控壓固井技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，面臨的對(duì)象、工藝更為復(fù)雜，對(duì)人員以及設(shè)備要求較高，同時(shí)目前還較大程度依賴于水力學(xué)模型精度和控壓裝備控制精度，需要在軟件和裝備上迭代升級(jí)，提高與實(shí)際情況的符合程度。

（3）精細(xì)控壓固井未來發(fā)展的方向是信息化、自動(dòng)化和智能化，雖然目前也存在一些技術(shù)瓶頸，但通過不斷的技術(shù)發(fā)展，不斷優(yōu)化完善，該技術(shù)未來必走向更為廣闊的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。