窄壓力窗口井段精細控壓壓力平衡法固井設計方法與應用

郭建華 鄭有成 李 維 李 斌 袁 彬 徐璧華

1. 中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2. 中國石油西南油氣田公司3. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學

0 引言

四川盆地天然氣資源豐富，但地質(zhì)條件極為復雜，縱向上20多套含氣層系共存[1-3]。深井超深井多采用尾管完井，鉆進過程中通常會鉆遇多個壓力系統(tǒng)、高壓氣層以及窄安全窗口地層[4]。這些復雜條件給固井帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是小井眼尾管固井，固井質(zhì)量難以保證、井控風險高[5-9]。例如，LG70井?139.7 mm井眼下入?114.3 mm尾管，如果用常規(guī)方法固井，為了防止發(fā)生井漏必然降低頂替排量從而犧牲頂替效率，而采用“正注反打”技術，固井質(zhì)量無法保證[6,9]。目前，雖然精細控壓鉆井技術（MPD）保證了四川盆地深井超深井裸眼段安全有效鉆進，但是窄壓力窗口地層固井仍是制約這類深層氣藏勘探開發(fā)的瓶頸[10-13]。因此，開展既能滿足四川盆地小間隙尾管固井質(zhì)量又能保證窄度安全密度窗口地層固井安全的固井工藝技術研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 技術原理

精細控壓壓力平衡法固井技術（MPC）是在MPD技術基礎上提出來的，是MPD技術的延伸和發(fā)展。MPC技術是在注水泥設計時將環(huán)空流體的靜液柱壓力設計為略低于地層孔隙壓力，然后借用MPD技術的裝置，通過節(jié)流產(chǎn)生在井口回壓或直接在井口施加補償壓力，使固井過程中通過井口壓力和環(huán)空流動摩阻實現(xiàn)平衡孔隙壓力[14-17]，還可以避免循環(huán)流動阻力過大而壓漏地層。注水泥結束后環(huán)空還需繼續(xù)施加一定的補償壓力，防止水泥漿失重造成候凝期間環(huán)空竄流。MPC技術間接增大了安全密度窗口，可以在頂替過程中增大排量，從而提高頂替效率，并達到安全施工并保證固井質(zhì)量的目的。該技術能有效防止地層流體竄入降低固井質(zhì)量，并在易漏地層防止漏失。當發(fā)生井涌或者漏失的情況下，能夠使用MPC系統(tǒng)快速采取措施，簡單迅速阻止事態(tài)擴大，防止井噴事故發(fā)生。

2 設計原理

要實現(xiàn)精細控壓壓力平衡固井，必須計算出整個注水泥過程中，井口需要補償?shù)膲毫Υ笮　＞谘a償壓力與環(huán)空流體靜液柱壓力以及注水泥頂替過程中產(chǎn)生的流動阻力有關。注水泥頂替結束后，還需要考慮水泥漿失重的影響。精細控壓固井作業(yè)是一個連續(xù)過程，從注水泥頂替到候凝都必須考慮環(huán)空壓力變化，而且還必須考慮每個時刻環(huán)空壓力的變化。

2.1 環(huán)空壓力平衡設計

注水泥設計時，如果按環(huán)空流體靜液柱壓力平衡地層壓力設計，那么注水泥頂替過程中產(chǎn)生的較大流動摩阻加上靜液柱壓力后，在保證頂替效率的情況下可能會壓漏地層。因此，采用精細控壓平衡法來設計環(huán)空漿體密度，使靜液柱壓力略低于地層孔隙壓力，注水泥頂替過程中通過在井口施加補償壓力，外加流體的流動阻力和靜液柱壓力來平衡地層壓力。因此，環(huán)空靜壓力應滿足：

式中ph表示環(huán)空流體總靜液柱壓力，MPa；ρsi表示環(huán)空各段水泥漿密度，g/cm3；ρfi表示環(huán)空各段前置液密度，g/cm3；ρm表示環(huán)空鉆井液密度，g/cm3；Hsi表示環(huán)空各段水泥漿垂直段長，m；Hfi表示環(huán)空各段前置液垂直段長，m；Hm表示環(huán)空鉆井液垂深，m；pa表示控壓過程井口補償平衡壓力，MPa；pfa表示注水泥過程環(huán)空流動摩阻，MPa；Ggoal表示目標井段地層控制當量密度，g/cm3；ΔGp表示控壓過程地層壓力附加安全當量密度，g/cm3；Hgoal表示目標位置垂深，m。

2.2 注水泥頂替井口補償壓力計算

精細控壓壓力平衡固井過程中，要求通過節(jié)流施加補償壓力或者直接在井口施加補償壓力，保證目標層位置當量密度達到控制要求。井口補償壓力應滿足如下關系：

式中Gfgoal表示目標井段地層漏失壓力當量密度，g/cm3；ΔGf表示地層漏失壓力附加安全當量密度，g/cm3；ECDgoal表示目標位置實際環(huán)空循環(huán)當量密度，g/cm3。

2.3 候凝過程井口補償壓力計算

水泥漿在候凝期間會發(fā)生失重，失重后環(huán)空靜液柱壓力將降低，但此時水泥漿的膠凝強度還不能防止地層氣竄。因此，候凝期間必須在井口施加一定的補償壓力，其補償壓力如下：

式中Δpweightloss表示水泥漿失重壓差，MPa?？筛鶕?jù)下式獲得：

式中ρw表示水的密度，kg/m3；ρc表示水泥漿的密度，kg/m3；τ表示靜切力，Pa。

3 關鍵技術

注水泥期間，井筒內(nèi)沒有壓力檢測設備，環(huán)空動態(tài)壓力變化只能靠軟件根據(jù)流體密度、注入排量等參數(shù)模擬計算，其計算精度直接影響井口補償壓力大小。因此，準確計算注水泥過程流動摩阻對精細控壓固井實施效果影響較大。

3.1 設計軟件與模擬分析

精細控壓壓力平衡法固井設計軟件核心技術為動態(tài)控壓固井水力學計算模型，通過引入HB（赫巴）流變模式，綜合考慮溫度場、居中度、小間隙、井筒條件、流體類型、局部阻力等影響因素，準確判別小間隙條件下流態(tài)，計算雷諾數(shù)并修正流動摩阻系數(shù)，提出注水泥作業(yè)環(huán)空流動摩阻計算新方法，實現(xiàn)環(huán)空環(huán)空動態(tài)當量密度的精確計算。

利用建立的流動計算模型，描述注水泥頂替過程中多種非牛頓流體的流動阻力，計算得到的壓力與現(xiàn)場施工壓力對比（表1）可以看出，其對流動摩阻的計算誤差基本能控制在10%以內(nèi)。

注水泥頂替過程中施工參數(shù)（密度、排量）時刻變化，將造成井下壓力產(chǎn)生相應波動，要實現(xiàn)精細控壓，就必須準確監(jiān)控注入?yún)?shù)變化。建立考慮施工實時參數(shù)下動態(tài)注水泥模型是精細控壓固井的關鍵技術。MPC設計軟件的關鍵是計算出設定控壓井深位置需要控制的當量密度限制，設計整個裸眼段均滿足安全密度窗口的環(huán)空漿柱密度、注水泥排量與井口控壓曲線，并計算出關注井深在注水泥過程控壓前后環(huán)空當量密度。為此，研究開發(fā)了高精度的固井注水泥計算軟件，并與現(xiàn)場高可靠性的數(shù)據(jù)監(jiān)測及控制系統(tǒng)結合起來，即可以實現(xiàn)精細控壓注水泥作業(yè)，圖1為軟件界面。

3.2 注水泥施工實時監(jiān)測與自動控制

由于固井施工參數(shù)動態(tài)變化，如何實時掌握這些變化的參數(shù)，就需要配套或者借助現(xiàn)場注水泥實時監(jiān)測系統(tǒng)。如何建立實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接方式與平臺，也是MPC技術需考重點考慮問題之一，這里設計了現(xiàn)場固井作業(yè)時實時監(jiān)測流程（圖2）。依據(jù)地層安全窗口確定環(huán)空安全當量密度后，如何實現(xiàn)井口壓力實時控制是MPC最為關鍵的技術。這里還設計了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與精細動態(tài)控制軟件結合后，通過連接MPD設備控制井口補償壓力的流程圖（圖3）。

4 現(xiàn)場應用實例

四川盆地某探井設計目的層為二疊系棲霞組、茅口組，采用五開井身結構，其中四開實鉆采用?241.3 mm鉆頭鉆至井深7 633 m中完，鉆井液密度為1.96 g/cm3，采用?177.80 mm＋?184.15 mm懸掛尾管封固3 950～7 633 m井段。本次固井裸眼封固段長3 475 m，自上而下依次為三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組，以及二疊系長興組、吳家坪組、茅口組、棲霞組。該井實鉆過程油氣顯示活躍，井漏頻發(fā)。須家河組、飛仙關組、長興組、吳家坪組及茅口組鉆遇油氣顯示24段，雷口坡組、長興組及吳家坪組鉆遇4個嚴重漏失層，并多次復漏，吳家坪組噴漏同存，固井過程防竄防漏矛盾突出。其中，6 354～7 633 m井段地層孔隙壓力當量密度1.96 g/cm3，漏失壓力當量密度為2.00 g/cm3，固井安全窗口僅0.04 g/cm3，常規(guī)固井設計與施工難度極大。筆者通過對常規(guī)固井方法和MPC進行了分析比較，優(yōu)選出適合該井的固井方法。MPC固井需要將鉆井液和固井液的密度降低，其漿柱結構設計如表2所示。

表1 固井作業(yè)井口壓力計算與實際誤差對比表

圖1 精細控壓壓力平衡法固井模擬分析與設計軟件界面

圖2 實時監(jiān)測現(xiàn)場示意圖

圖3 實時監(jiān)測與控壓軟件一體化結構圖

表2 固井漿柱結構及其密度表

筆者對這兩種固井方法的注水泥頂替過程進行了模擬，得到了注水泥頂替過程中不同排量下的環(huán)空最大ECD分布，如圖4所示。

圖4 注水泥過程中環(huán)空最大ECD分布圖

從圖4可以看出，采用常規(guī)方法固井，當頂替排量為8 L/s時，環(huán)空最大ECD在井底達到了漏失壓力當量密度；只有當頂替排量增加到6 L/s時，環(huán)空最大ECD才遠低于漏失壓力當量密度。如果采用常規(guī)固井方法固井，頂替排量就要控制在8 L/s內(nèi)，所以必須以小排量頂替。如果頂替排量減小將造成低環(huán)空壁面剪切應力，從而導致頂替效率降低。然而，采用MPC法固井，當頂替排量達到21 L/s時，環(huán)空最大ECD在井底剛好達到漏失壓力當量密度。當頂替排量為20 L/s時，環(huán)空最大ECD遠小于漏失壓力當量密度，在安全密度窗口范圍內(nèi)，完全能夠滿足安全施工要求。

這里利用壁面剪切應力和頂替效率對MPC固井的排量進行優(yōu)化。不同頂替排量下的壁面剪切應力和頂替效率如表3所示。從該表可以看出，隨著頂替排量增加，壁面剪切應力和頂替效率增加。當頂替排量從18 L/s增加到20 L/s時，壁面剪切應力和頂替效率分別增加了27.78%和13.3%。當頂替排量從20 L/s增加到21 L/s時，壁面剪切應力和頂替效率分別增加了9.34%和0.05%?？梢钥闯鲆?1 L/s的排量頂替，頂替效率增加得很小，但風險卻增大了很多，故采用20 L/s的排量進行頂替。采用優(yōu)選的MPC固井方案對該井實施固井作業(yè)，施工過程中井口補償壓力如圖5所示。

表3 不同頂替排量下的壁面剪切應力和頂替效率表

從圖5可以看出，模擬計算施工井口補償壓力與現(xiàn)場施工井口實際補償壓力吻合度較高。這說明，利用建立的模型編制的MPC固井軟件能夠很好的模擬MPC固井。按照設計的施工方案，整個尾管固井注水泥過程非常順利，沒有出現(xiàn)井漏。測井評價顯示，全井段固井水泥膠結合格率為97%，膠結質(zhì)量優(yōu)的井段為76%。

5 結論及建議

1）精細控壓壓力平衡法固井工藝可有效保障窄壓力窗口地層固井施工安全與固井質(zhì)量。

2）注水泥過程中應按設計的密度施工并加強監(jiān)測，避免漿體密度的變化造成環(huán)空壓力波動。

3）精細控壓壓力平衡法固井工藝發(fā)展的方向?qū)⑹恰熬毣?、智能化、信息化”的全過程動態(tài)精細控壓壓力平衡固井，實現(xiàn)對入井流體實時監(jiān)控，自動通過節(jié)流和井口補壓來平衡地層壓力。

圖5 MPC固井過程中井口補償壓力圖