精細控壓固井中的控壓降密度方法

石 蕊，徐璧華，蔡翔宇，鄭淵云，馮予淇

（1西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院2川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司固井公司3川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司固井技術(shù)研究所）

石 蕊等.精細控壓固井中的控壓降密度方法.鉆采工藝，2019，42（5）：35-38

在尾管固井中，有一些井是又漏又噴的，密度低于某一值就會出現(xiàn)嚴重的氣顯示，而高于某一值又會井漏。在以往的固井中，重點考慮井下的壓穩(wěn)，這樣就必然造成固井過程中的井漏，被迫使用正注反擠的施工工藝，固井質(zhì)量較差，有時會由于正注反擠未銜接上而造成該井質(zhì)量極差，影響到后續(xù)作業(yè)的順利實施［1］。

在此基礎(chǔ)上，精細控壓技術(shù)就應(yīng)運而生。通過將施工全過程的液柱壓力控制在井漏與壓穩(wěn)之間，即保證了地層的壓穩(wěn)，也避免了井漏的發(fā)生，采用一次性正注工藝，提高了固井質(zhì)量。

在精細控壓固井前，如何保證能夠在較高密度下順利下入套管，并如何在開泵循環(huán)后成功降密度，不會因引發(fā)井漏而造成精細控壓固井無法實施，控壓降密度的措施就尤為重要。

一、精細控壓固井技術(shù)

1.精細控壓固井技術(shù)原理

精細控壓固井技術(shù)是在下套管、固井前循環(huán)鉆井液、注替施工、起鉆、候凝等全部作業(yè)過程中，利用精細控壓鉆井系統(tǒng)、通過旋轉(zhuǎn)控制頭和回壓控制系統(tǒng)控制井口回壓，合理有效地控制環(huán)空當量密度大于地層壓力梯度而小于地層漏失壓力梯度，使井筒處于壓穩(wěn)而不漏的狀態(tài)下安全完成整個固井施工作業(yè)［2］。

在常規(guī)固井中，全過程靜液柱壓力過壓穩(wěn)，下套管、注水泥過程井漏風險極大，避免井漏唯一方法為降低施工排量，必然造成頂替效率差。

而精細控壓固井（如圖1），是在保證頂替效率的前提下，通過主動降低靜液柱壓力，使靜液柱壓力欠平衡，然后利用精細控壓鉆井裝備，借助井口回壓和環(huán)空摩阻提供壓力補償，實施井口精細控壓，確保井筒動態(tài)壓力介于地層孔隙壓力與地層漏失壓力之間，在不犧牲排量的情況下實現(xiàn)壓穩(wěn)防漏，最終實現(xiàn)全過程壓力平衡法固井提高固井質(zhì)量［3］。

2.精細控壓固井技術(shù)適用條件

精細控壓固井主要應(yīng)用于安全密度窗口窄（0.03～0.07g／cm3），密度高0.01g／cm3則會井漏，密度低于0.01 g／cm3則會井涌溢流，油氣顯示活躍，局部存在高壓鹽水層，壓穩(wěn)防竄難度極大和漏層多，提高地層承壓能力難度大，還有封固段長（2 500～4 000 m），環(huán)空間隙小，流動阻力大，易引發(fā)井漏的深井超深井尾管固井中［4-5］。目前集中在SYS構(gòu)造、MX022井區(qū)以及部分外圍高難度復(fù)雜深井中實施，面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜，含油氣層系多，復(fù)雜深井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)，固井難度極大。

圖1 精細控壓固井技術(shù)原理

3.精細控壓固井技術(shù)設(shè)計流程

（1）收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)資料、鉆井資料、固井資料、設(shè)備資料。

（2）確定安全密度窗口，即地層壓力和地層最大承壓能力pmax或地層最小漏失壓力pmin（通過動承壓試驗，按照鉆進期間最大動態(tài)當量密度來計算）。

（3）環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計（包括各種工作液密度，水泥漿兩凝或三凝界面等）。

（4）控壓降鉆井液密度方案設(shè)計，可選擇分階段降密度或一次性降密度。如井漏風險極大，則建議分階段降密度。

（5）施工流程設(shè)計。包括排量設(shè)計，注替期間、起鉆期間及循環(huán)期間環(huán)空控壓值設(shè)計。要求最大動壓力+環(huán)空補壓小于pmax，靜液柱壓力+環(huán)空補壓大于pmin，環(huán)空補壓值在控壓設(shè)備允許范圍內(nèi)，替漿期間環(huán)空返速不低于1.1 m／s，否則重新設(shè)計工作液密度（第三步）或提高地層承壓能力。

特別提示：第2步到第5步需要循環(huán)計算，反復(fù)驗證，最終形成固井施工設(shè)計。

套管下入階段包括坐卡與下送兩個不同狀態(tài)，井口控壓值取決于所降低的鉆井液密度Δρ與套管下送時產(chǎn)生的激動壓力psw。隨著套管下深增加，激動壓力變大，井口控壓值逐漸減小。下套管中途或下完套管后，降密度的措施必須在下套管前完成，在整個過程中嚴格執(zhí)行，有效保證精細控壓固井成功實施。

二、控壓降低鉆井液密度的技術(shù)措施和方法分析

1.確定鉆井液密度的技術(shù)措施

針對安全密度窗口窄的問題，確定下套管與固井施工期間鉆井液密度的技術(shù)對策如下：

（1）依據(jù)固井裸眼段安全密度窗口，通過控壓鉆井時，鉆進與起鉆采用兩套密度作業(yè)方法，通過完鉆后承壓，靜止觀察和短起下鉆驗證，確定在上層套管內(nèi)敞井起鉆和下送套管方案。

（2）下套管前最后一趟采用近鉆頭雙扶鉆具通井，起鉆前裸眼段注入封閉高黏鉆井液。

（3）控制送尾管下放速度，減小井底激動壓力。

（4）分段（上層管鞋、井底）循環(huán)降低鉆井液密度，采取控壓下送尾管和控壓循環(huán)方式，確保壓穩(wěn)地層。

2.控壓降低鉆井液密度的方法分析

為降低循環(huán)鉆井液、注替水泥漿期間的井漏風險，需要主動降低鉆井液密度，其原則是防漏且壓穩(wěn)?？貕航档豌@井液密度作業(yè)有兩種方法：

（1）一次性降密度，即套管下送到位后一次性降密度至設(shè)計值。

一次性降密度的優(yōu)點是操作簡單，計算量較小，但前期對排量控制要求高，下送尾管以及循環(huán)期間井漏風險提高（相比分階段降密度）。

（2）分階段降密度，即下套管至上層管鞋將上層套管段鉆井液密度將至設(shè)計值，控壓下送套管到位后再全井降密度至設(shè)計值。

分階段降密度井漏風險降低，但操作復(fù)雜，后期下送尾管需要井口控壓；計算量大，需要計算不同階段的井口控壓值。

計算尾管下送到位后一次性降密度的起泵排量及漏層動態(tài)當量密度（按照全井較高密度鉆井液性能計算），如果動態(tài)當量密度小于地層最大承壓能力則采用該方法；如果一次性降密度方法循環(huán)動態(tài)當量密度大于地層最大承壓能力，則采用分階段降密度方法。

三、控壓降密度的方法應(yīng)用

1.一次性降密度—以YT1井?177.8 mm+?184.15 mm尾管固井為例

YT1井?177.8 mm+?184.15 mm尾管漏層分布廣，雷三、峨眉山玄武巖3個主漏層鉆進過程井漏嚴重，長興組、峨眉山玄武巖油氣顯示活躍，峨眉山玄武巖組油氣顯示層位與井漏層位接近，防竄防漏矛盾突出。單扶通井鉆具至井底以鉆井液密度2.24 g／cm3、30～35 L／s排量循環(huán)，循環(huán)的動態(tài)當量密度2.315 g／cm3與固井時最大動態(tài)當量密度一致，循環(huán)1 h以上檢驗地層承壓能力。

承壓試驗后，本井段地層安全壓力窗口數(shù)據(jù)表（見表1）。由于壓力窗口較窄，裸眼段較短，選用一次性降密度方法（見表2）。套管到位后逐漸小排量開通循環(huán)、排后效后，實施全井循環(huán)15～20 L／s將鉆井液密度由2.24 g／cm3下調(diào)至2.18 g／cm3，測試循環(huán)周鉆井液的密度差±0.01 g／cm3，并做好記錄，調(diào)整好鉆井液性能，塑性黏度小于55 mPa·s，屈服值小于15 Pa，全井鉆井液密度循環(huán)均勻后，提升排量至20～22 L／s進行固井作業(yè)。

表1 井筒壓力情況表

通過以上一次性降密度方案實施后，采用精細化控壓固井技術(shù)，進一步保證了施工順利進行，確保裸眼和重合段封固質(zhì)量。

表2 YT1井一次性降密度方案

2.分階段降密度—以MX022-H21井?177.8 mm尾管固井為例

MX022-H21井?177.8 mm尾管茅口氣侵顯示，龍?zhí)督M多次井漏，根據(jù)鉆進工況推測，密度窗口2.35～2.41 g／cm3，安全密度窗口窄，井漏風險高；茅二段氣侵顯示活躍，后效氣侵較嚴重，鉆井液密度2.39 g／cm3時仍有后效顯示，固井壓穩(wěn)防竄難度較大。井漏與油氣顯示共存，壓力窗口較窄，裸眼段較長，壓穩(wěn)防漏難度大。維持井下穩(wěn)定鉆井液密度需要2.35 g／cm3（需要根據(jù)靜止觀察情況再做判斷），中完循環(huán)時漏層動態(tài)當量密度2.41 g／cm3（根據(jù)2.39 g／cm3、980 L／min循環(huán)不漏計算），循環(huán)動態(tài)當量密度大于地層最大承壓能力，選取采用分階段降密度方法（見表3）。

下套管分段降密度期間（降至2.28 g／cm3左右），確保鉆井液性能穩(wěn)定。固井前鉆井液進出口密度差應(yīng)小于0.02 g／cm3。為降低循環(huán)摩阻壓降，提高頂替效率，鉆井液動切力不超過9 Pa。鉆井液密度由2.38 g／cm3下調(diào)至2.28 g／cm3左右；鑒于高密度鉆井液摩阻較大，在3 500 m（套管下送至管鞋附近）、5 563 m井底分段循環(huán)降密度，控壓降密度后采取控壓下套管方法（見表3），保證茅二段（4 606 m）當量密度不低于2.35 g／cm3，龍?zhí)督M漏層（4 502 m）當量密度不超過2.40 g／cm3。在套管下送至4 400 m處、5 000 m處應(yīng)小排量開泵頂通，防止環(huán)空堆積堵塞。后期如開泵泵壓偏高，宜每柱開泵送鉆至設(shè)計井深。下套管過程應(yīng)控制套管下放速度，單根套管純下放時間不低于47 s，每柱鉆桿純下放時間不低于133 s，嚴禁猛提猛放，防止井漏。下套管采用密度2.28 g／cm3鉆井液灌漿。

如圖2茅二段（4 606 m）當量密度不低于2.35 g／cm3，龍?zhí)督M漏層（4 502 m）當量密度不超過2.40 g／cm3。在精細控壓固井前，成功控壓降密度（2.28 g／cm3），沒有引發(fā)井漏而造成精細控壓固井無法實施。

四、結(jié)論

精細控壓固井工藝可以避免井漏的發(fā)生，有效提高固井質(zhì)量，是對付“又噴又漏”井的一項利器。通過計算尾管下送到位后一次性降密度的起泵排量及漏層動態(tài)當量密度（按照全井較高密度鉆井液性能計算）來選擇控壓降密度方法可行。如果動態(tài)當量密度小于地層最大承壓能力則采用該方法；如果一次性降密度方法循環(huán)動態(tài)當量密度大于地層最大承壓能力，則采用分階段降密度方法。通過現(xiàn)場兩口井的應(yīng)用表明在精細控壓固井前，一次性降密度和分階段降密度的方法都能夠順利下入套管，并能成功控壓降密度，不會引發(fā)井漏，有效保證精細控壓固井成功實施，確保裸眼和重合段封固質(zhì)量。

表3 MX022-H21井分段降密度方案

圖2 控壓下套管計算結(jié)果