動(dòng)態(tài)控壓固井工藝關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

鄭淵云 鮮 明, 周太彬 余才焌 李平川 趙常青, 劉 洋, 廖富國(guó)

1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2.國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心 3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限責(zé)任公司川東鉆探公司

0 引言

四川盆地地質(zhì)條件復(fù)雜，含油氣層系多，復(fù)雜超深井同一裸眼井段常鉆遇多套壓力系統(tǒng)，漏、噴、垮頻發(fā)，鉆井液安全密度窗口窄，在這種情況下實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)、優(yōu)質(zhì)固井是世界級(jí)難題。多年以來(lái)，復(fù)雜超深井窄安全密度窗口地層固井多采用“正注反擠”工藝，固井質(zhì)量無(wú)法保障，合格率較低，易造成重大安全隱患。動(dòng)態(tài)控壓固井是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)以靜液柱欠平衡工況為基礎(chǔ)，集工藝可行性分析、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化集控策略、全過(guò)程平衡壓力控制等技術(shù)為一體，是對(duì)現(xiàn)有“三高”（指高溫、高壓、高含硫）氣井復(fù)雜地質(zhì)條件下環(huán)空封固技術(shù)的有效補(bǔ)充[1]。初期的控壓固井技術(shù)主要針對(duì)注替水泥漿階段的漿柱結(jié)構(gòu)調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)環(huán)空動(dòng)態(tài)剖面ECD（Equivalent Circulating Density，當(dāng)量循環(huán)密度）實(shí)時(shí)調(diào)整主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)性決策，并未形成井筒壓力閉環(huán)控制策略，并存在系統(tǒng)精度低、整定調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，在面臨小間隙、高密度、窄窗口等日益復(fù)雜的井筒條件時(shí)，技術(shù)短板日趨明顯[2]。國(guó)際上主要是哈里伯頓和斯倫貝謝兩大公司在從事控壓固井技術(shù)開(kāi)發(fā)，提供包括控壓固井工藝設(shè)計(jì)、控壓固井專(zhuān)用裝備、固井現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)控壓作業(yè)流程等全方位技術(shù)服務(wù)。其中哈里伯頓公司通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)控壓固井技術(shù)，解決了馬來(lái)西亞海上油田?298.5 mm（安全密度窗口0.024 g/cm3）和?250.8 mm（安全密度窗口0.109 g/cm3）兩層次尾管平衡壓力固井作業(yè)；斯倫貝謝公司將此項(xiàng)固井工藝應(yīng)用于阿根廷內(nèi)烏肯盆地固井作業(yè)，成功解決了該區(qū)塊環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}[3]。國(guó)內(nèi)區(qū)域主要是中國(guó)石油川慶鉆探公司在川西雙魚(yú)石、九龍山、川中蓬萊氣區(qū)等構(gòu)造提供專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)服務(wù)，以固井環(huán)空壓力平衡技術(shù)為核心，精確計(jì)算與分析下套管、注水泥、起鉆、候凝等階段的環(huán)空壓力剖面，優(yōu)化設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)與工程參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，形成固井全過(guò)程環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力精細(xì)控制的工藝流程，在解決漏噴同存固井難題方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

1 關(guān)鍵技術(shù)模塊

動(dòng)態(tài)控壓固井工藝是以環(huán)空靜液柱欠平衡工況為基礎(chǔ)，工藝實(shí)施成敗的前提在于對(duì)地層安全密度窗口的識(shí)別和掌控。固井作業(yè)前，采用動(dòng)態(tài)套壓調(diào)整與微溢漏監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式測(cè)定裸眼段安全作業(yè)密度窗口；基于此窗口，采用合理的固井工作液密度、性能及動(dòng)態(tài)工程參數(shù)控制，確保固井作業(yè)全過(guò)程環(huán)空壓力在安全作業(yè)窗口范圍內(nèi)[2-3]。

1.1 安全密度窗口的測(cè)定

通過(guò)多種方式開(kāi)展井下壓力測(cè)定或模擬，探索漏失和溢流的臨界點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全密度窗口的準(zhǔn)確定位，為動(dòng)態(tài)控壓固井的設(shè)計(jì)和施工提供重要參數(shù)。目前采用的方法包括PWD（Pressure While Drilling，隨鉆測(cè)壓）、微球井下壓力測(cè)定、存儲(chǔ)式壓力計(jì)測(cè)定、微流量監(jiān)測(cè)以及動(dòng)態(tài)參數(shù)模擬。

配備PWD模塊的鉆井系統(tǒng)，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)，同時(shí)這也是一種成本高昂的技術(shù)手段。泵送式測(cè)壓微球是將其投入鉆具水眼后循環(huán)一周，地面撈獲后進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。目前該方式的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與井深標(biāo)定還存在較大偏差。此外，受限于鉆具組合、溫壓系統(tǒng)（抗壓105 MPa，耐溫125℃）制約，在復(fù)雜深井、超深井中推廣應(yīng)用局限性較大[4]。采用存儲(chǔ)式壓力計(jì)則存在時(shí)效性差的問(wèn)題，且與PWD方式一樣，只能在鉆進(jìn)或通井期間測(cè)試，對(duì)于壓力系統(tǒng)時(shí)變性較強(qiáng)的地層并不適用。目前技術(shù)成熟度較高、成本低廉的安全作業(yè)密度窗口測(cè)試方案是微流量監(jiān)控（圖1）和循環(huán)動(dòng)態(tài)參數(shù)模擬計(jì)算（圖2）相結(jié)合的模式，各種密度窗口測(cè)試方式的技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

表1 密度窗口測(cè)試方式的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比表

圖1 微流量監(jiān)測(cè)圖

圖2 循環(huán)動(dòng)態(tài)ECD模擬圖

從鉆井流程轉(zhuǎn)化到固井流程，由于環(huán)空幾何形態(tài)、鉆井液密度及流變性能等變化，環(huán)空壓力剖面將出現(xiàn)巨大差異。采用微流量監(jiān)控和循環(huán)動(dòng)態(tài)參數(shù)模擬計(jì)算相結(jié)合的模式，能夠下完套管后，在鉆井液密度、流變參數(shù)、循環(huán)排量、精細(xì)控壓值等多參數(shù)影響條件下實(shí)施安全作業(yè)密度窗口的測(cè)定。這個(gè)模塊的核心在于流變學(xué)算法，該算法是固井漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確度決定了后續(xù)控壓固井作業(yè)的成敗。在常規(guī)鉆井液流變模型的基礎(chǔ)上，引入溫度場(chǎng)、居中度、小間隙等影響因素，精細(xì)計(jì)算描述固井環(huán)空動(dòng)態(tài)壓力剖面，并通過(guò)微流量監(jiān)控井筒漏、溢平衡，準(zhǔn)確測(cè)算裸眼段安全作業(yè)密度窗口。

1.2 多漿柱激動(dòng)壓力控制技術(shù)

固井下套管井漏是多壓力系統(tǒng)地質(zhì)條件下較為常見(jiàn)的一種井下復(fù)雜情況，其后果不僅會(huì)延長(zhǎng)鉆井周期，損失大量人力物力，造成儲(chǔ)層損害，更會(huì)直接導(dǎo)致固井作業(yè)不能正常進(jìn)行，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量，甚至誘發(fā)井筒內(nèi)漏轉(zhuǎn)噴，井控安全隱患極大[4-5]。業(yè)內(nèi)主流工程軟件如LandMark（蘭德馬克公司）等的下套管激動(dòng)壓力計(jì)算模塊，是按照井筒均質(zhì)鉆井液來(lái)預(yù)測(cè)激動(dòng)壓力，可調(diào)控技術(shù)參數(shù)過(guò)少，非常不利于極端條件下安全作業(yè)激動(dòng)壓力的控制。對(duì)于噴漏共存復(fù)雜井筒條件，下套管期間實(shí)施分段處理井筒流體，建立包含管柱速度、塑性黏度、當(dāng)量密度等多段漿柱結(jié)構(gòu)參數(shù)控制條件下的水力學(xué)計(jì)算模式和作業(yè)工藝，是防止復(fù)雜地層發(fā)生漏失、確保井控安全的必備前提。為此，在深刻分析井漏影響因素的基礎(chǔ)上，以井筒平衡壓力設(shè)計(jì)和井控安全為準(zhǔn)則，綜合考慮地層承壓能力、套管柱運(yùn)移動(dòng)能、環(huán)空間隙的變化、后效氣竄速度以及多重鉆井液漿柱結(jié)構(gòu)的流變性能影響，開(kāi)發(fā)出一種安全高效的下套管工藝作業(yè)模式，具有計(jì)算精度高、現(xiàn)場(chǎng)操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

以激動(dòng)壓力計(jì)算模塊為基礎(chǔ)的全新下套管工藝作業(yè)模式，解決了窄安全密度窗口易漏地層的套管安全下入問(wèn)題。其特點(diǎn)在于通過(guò)套管下入期間分段處理井筒鉆井液，改變了常規(guī)下套管操作中井筒內(nèi)僅存單一鉆井液柱的狀況，通過(guò)量化計(jì)算井筒當(dāng)量鉆井液密度變化，在適宜井深位置實(shí)施鉆井液密度及性能參數(shù)調(diào)整，環(huán)空介質(zhì)由單一鉆井液變?yōu)槎嘀劂@井液漿柱結(jié)構(gòu)，其目的就是控制后續(xù)下套管作業(yè)過(guò)程中的激動(dòng)壓力值[8]。如圖3所示，以?127 mm尾管為例，該方法較常規(guī)靜液柱過(guò)平衡條件下激動(dòng)壓力值降低約50%。

圖3 激動(dòng)壓力參數(shù)控制圖

1.3 動(dòng)態(tài)近平衡壓力控制技術(shù)

固井工藝由于受環(huán)空幾何特征、流體介質(zhì)、安全作業(yè)時(shí)間、驅(qū)替效率等因素影響，窄安全密度窗口條件的約束較鉆進(jìn)期間更為苛刻，主要表現(xiàn)為裸眼地層“提排量漏、降排量吐”[9-10]。這種動(dòng)態(tài)呼吸性效應(yīng)對(duì)固井而言，存在兩大安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。一是裂縫的持續(xù)傳播導(dǎo)致漏失由可控轉(zhuǎn)化為失控，徹底失去實(shí)施平衡壓力固井作業(yè)的機(jī)會(huì)；二是地層回吐引發(fā)環(huán)空水泥漿竄混，制約環(huán)空高效封固。為避免上述情況發(fā)生，采用環(huán)空ECD控制+進(jìn)/出口微流量控制相結(jié)合的方式，形成“微吐—微漏”的環(huán)空壓力控制技術(shù)（圖4），即水泥漿在管柱內(nèi)運(yùn)移時(shí)以微流量控制環(huán)空處于“微吐”狀態(tài)，允許出口流量略大于入口流量，這是一種“偽溢流”表現(xiàn)，并非環(huán)空壓力失衡，只是控流量釋放地層圈閉壓力的一種方式[11]；水泥漿在環(huán)空運(yùn)移期間，則通過(guò)強(qiáng)化參數(shù)控制地層微漏，此時(shí)出口流量略小于入口流量，ECD處于微過(guò)平衡狀態(tài)。這種環(huán)空壓力控制技術(shù)具有更加靈敏的漏、溢探測(cè)能力，主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在允許固井動(dòng)態(tài)注替期間圈閉壓力控流量釋放，避免“漏轉(zhuǎn)噴”復(fù)雜，同時(shí)降低了井口旋轉(zhuǎn)防噴器超壓密封失效風(fēng)險(xiǎn)，近平衡注水泥作業(yè)窗口閾值可達(dá)0.05 g/cm3。

圖4 “微吐—微漏”固井環(huán)空壓力控制技術(shù)圖

1.4 在線監(jiān)測(cè)與控制

動(dòng)態(tài)控壓固井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制模塊分為數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算分析、節(jié)流壓力閉環(huán)控制三個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算（圖5）及全過(guò)程閉環(huán)控制[12]。在線實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)與固井動(dòng)態(tài)控壓系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)是采用局域網(wǎng)建立TCP/IP數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸互通，由控制系統(tǒng)下達(dá)指令，節(jié)流執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)，從而完成固井環(huán)空精細(xì)化動(dòng)態(tài)自動(dòng)控壓流程。該系統(tǒng)每秒采集一次參數(shù)并實(shí)時(shí)計(jì)算ECD，將多年以來(lái)固井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)性決策方式升級(jí)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量化決策。

圖5 實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算與可視化界面圖

1.5 控壓固井專(zhuān)用裝備

針對(duì)固井作業(yè)小間隙環(huán)空壓力控制精度要求高的特性，設(shè)計(jì)電動(dòng)自動(dòng)節(jié)流控制和鉆井液自循環(huán)回壓補(bǔ)償于一體的緊湊型結(jié)構(gòu)裝備，節(jié)流響應(yīng)時(shí)間在0.5 s之內(nèi)，整定調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)在10 s之內(nèi)，滿(mǎn)足固井過(guò)程壓力控制“精、準(zhǔn)、快”需求。固井專(zhuān)用裝備所用的電動(dòng)節(jié)流閥與常規(guī)液控節(jié)流閥的參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 節(jié)流控制方式參數(shù)對(duì)比表

如圖6所示，該套專(zhuān)用裝備改進(jìn)后整合回壓補(bǔ)償系統(tǒng)與節(jié)流控制系統(tǒng)為一體式撬裝化結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)回壓補(bǔ)償系統(tǒng)連續(xù)工作補(bǔ)漿和計(jì)量難題；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥的控制方式使得套壓控制精度達(dá)到±0.07 MPa[12]，柱塞泵動(dòng)力端采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，占地面積減小40%，特別適用于川渝地區(qū)山地井場(chǎng)運(yùn)輸與安置。

圖6 控壓固井專(zhuān)用裝備改進(jìn)前后對(duì)比圖

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 整體應(yīng)用效果

動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)在川渝油氣田推廣應(yīng)用92井次，最深尾管作業(yè)紀(jì)錄7 833 m（ST6井?184.15 mm尾管），解決了困擾四川盆地、塔里木山前構(gòu)造等高壓氣區(qū)多年的窄密度窗口固井難題，固井成功率100%，質(zhì)量平均合格率由66.24%提高至86.49%，區(qū)域應(yīng)用效果如表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)區(qū)域應(yīng)用效果表

2.2 復(fù)雜超深井動(dòng)態(tài)控壓尾管固井實(shí)例

部署于四川盆地八角場(chǎng)構(gòu)造的風(fēng)險(xiǎn)探井JT1井，四開(kāi)241.3 mm井眼茅三段以密度1.97 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)，鉆遇6 155.00～6 158.98 m高壓氣層，關(guān)井憋壓法求得立壓15.29 MPa；提密度2.22 g/cm3鉆進(jìn)，停泵4.7 h后循環(huán)仍見(jiàn)后效溢流。筇竹寺組底部7 367.80～7 370.00 m為漏失層位，多次橋漿堵漏后承壓當(dāng)量密度2.34 g/cm3。該井密度窗口情況如表4所示。

表4 JT1井四開(kāi)241.3 mm井眼密度窗口情況表

該井四開(kāi)中完井深7 418 m，?206.38 mm尾管段長(zhǎng)2 420 m，主要面臨多套壓力系統(tǒng)并存、安全作業(yè)密度窗口窄（2.26～2.34 g/cm3），環(huán)空間歇?。?.5 mm）等固井難題。如在原2.28 g/cm3鉆井液條件下實(shí)施下尾管及注替水泥漿作業(yè)，必然導(dǎo)致最大動(dòng)當(dāng)量密度超過(guò)漏層承壓極限，反擠水泥補(bǔ)救不可避免。只有通過(guò)以較低密度的鉆井液、隔離液、水泥漿等介質(zhì)在井筒靜液柱欠平衡狀態(tài)下實(shí)施動(dòng)態(tài)控壓尾管固井作業(yè)的方式，才能實(shí)現(xiàn)環(huán)空小間隙、高摩阻、窄安全密度窗口井況下注水泥一次性上返至喇叭口。在該井?206.38 mm尾管方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，下送尾管至4 500 m，循環(huán)處理降鉆井液，密度由2.28 g/cm3降低至2.22 g/cm3，動(dòng)切力由9 Pa調(diào)整至7 Pa，控制下送尾管后期筇竹寺組漏層激動(dòng)壓力小于等于3 MPa，將2 420 m尾管安全送至設(shè)計(jì)井深，下送尾管期間激動(dòng)壓力參數(shù)控制如圖7所示。

圖7 JT1井?206.38 mm尾管激動(dòng)壓力參數(shù)控制圖

該井注替水泥漿期間，采用動(dòng)態(tài)控制流量的方式（圖8），實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)、出口流量，安全可控地釋放部分漏失圈閉壓力，為后期旋轉(zhuǎn)防噴器在額定壓力范圍內(nèi)恒定套壓起鉆以防氣竄創(chuàng)造了有利條件，最終實(shí)現(xiàn)0.08 g/cm3窗口條件下一次性正注高密度水泥漿（2.25 g/cm3），完成動(dòng)態(tài)控壓近平衡尾管固井作業(yè)。候凝期結(jié)束后，探上水泥塞長(zhǎng)度132 m，與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（150 m）符合率88%，茅三段—茅一段氣層段封固質(zhì)量電測(cè)解釋合格率78.3%，全井筒經(jīng)60 MPa壓降引流測(cè)試驗(yàn)證，未發(fā)生尾管喇叭口氣竄現(xiàn)象[13]。

圖8 JT1井?206.38 mm尾管“微吐—微漏”控制策略圖

3 結(jié)論

1）以井筒安全作業(yè)密度窗口為基礎(chǔ)，所建立的下套管分段激動(dòng)壓力控制方法與“微吐—微漏”動(dòng)態(tài)注替壓力控制技術(shù)，小間隙尾管激動(dòng)壓力值降低50%，近平衡固井作業(yè)窗口閾值可達(dá)0.05 g/cm3，實(shí)現(xiàn)窄密度窗口條件下固井不同作業(yè)階段的壓力精細(xì)控制。

2）所開(kāi)發(fā)的固井作業(yè)專(zhuān)用監(jiān)控系統(tǒng)與裝備，具備固井全參數(shù)的采集、環(huán)空壓力剖面的實(shí)時(shí)計(jì)算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)控制功能，整定調(diào)節(jié)時(shí)間小于等于10 s，滿(mǎn)足固井環(huán)空窄間隙敏感性壓力剖面動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需求。

3）動(dòng)態(tài)控壓固井工藝關(guān)鍵技術(shù)在川渝地區(qū)及塔里木油氣田推廣應(yīng)用92井次，固井成功率100%，質(zhì)量平均合格率較常規(guī)固井工藝提升近20個(gè)百分點(diǎn)，基本解決了困擾四川盆地、塔里木山前構(gòu)造等高壓氣區(qū)多年的窄密度窗口固井難題，為類(lèi)似的復(fù)雜區(qū)塊窄密度窗口井況下實(shí)施近平衡壓力固井提供了技術(shù)借鑒。

4）川渝油氣田動(dòng)態(tài)控壓固井工藝規(guī)?；瘧?yīng)用的成功實(shí)踐表明，擁有配套軟、硬件的支撐，在靜液柱壓力欠平衡工況下實(shí)施固井作業(yè)，其封固質(zhì)量可預(yù)期、井控風(fēng)險(xiǎn)可控制，較好解決了復(fù)雜超深井窄安全密度窗口地層固井多采用“正注反擠”工藝、固井質(zhì)量無(wú)法保障、合格率低下的重大安全隱患問(wèn)題[14-15]。