庫(kù)車(chē)山前超高壓鹽水層控壓固井實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

劉 偉， 李 牧， 何思龍， 雷萬(wàn)能， 房 超， 唐 雷

(1中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2中國(guó)石油塔里木油田分公司)

庫(kù)車(chē)山前構(gòu)造巨厚鹽膏層屬純鹽、膏泥巖等組成的不規(guī)律復(fù)合鹽巖層[1]，埋深在484～7 945 m[2]，普遍發(fā)育超高壓鹽水層且層間夾雜薄泥巖層，導(dǎo)致安全密度窗口窄。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)實(shí)踐，目前制約庫(kù)車(chē)山前鹽膏層固井質(zhì)量最關(guān)鍵的兩大因素是井漏(固井漏失率>50%)和竄槽(固井合格率徘徊在50%左右)，對(duì)井筒完整性和后期開(kāi)采造成嚴(yán)重的影響。井漏主要是由于高壓鹽水發(fā)育，使用高密度漿體導(dǎo)致的誘導(dǎo)性漏失，竄槽主要是由于受窄安全密度窗口限制，固井施工排量小，無(wú)接箍套管沒(méi)加扶正器，居中度差，漿體高密度且無(wú)密度差，導(dǎo)致頂替效率低。因此，針對(duì)高壓鹽水層地質(zhì)特點(diǎn)和固井難點(diǎn)，研究和提出能夠有效避免固井漏失，保障固井質(zhì)量的技術(shù)十分必要。

一、控壓固井技術(shù)應(yīng)用可行性分析

1. 國(guó)內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用情況分析

1.1 國(guó)外應(yīng)用情況

以Schlumberger、Halliburton、Weatherford為代表的國(guó)際油服公司對(duì)控壓固井技術(shù)開(kāi)展了深入研究并進(jìn)行了超過(guò)百口井的商業(yè)應(yīng)用。

Schlumberger控壓固井系統(tǒng)在阿根廷Neuquén盆地非常規(guī)油氣藏應(yīng)用超過(guò)87口井，固井成功率由原先的50%提高到94%[3]。

Halliburton iCem?控壓固井技術(shù)自2013年以來(lái)在Piceance和Paradox Basins[4]已成功實(shí)施超過(guò)20口井，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓(地層壓力系數(shù)2.40，149℃)、窄密度窗口地層(2.37～2.52 g/cm3、1.92～2.04 g/cm3)的良好固井層間封隔。

Weatherford固井實(shí)時(shí)壓力計(jì)算和控制系統(tǒng)在北海區(qū)域解決高溫高壓、窄密度窗口地層(1.99～2.03 g/cm3)的固井難題[5]；完成墨西哥灣首次控壓固井技術(shù)應(yīng)用，解決窄密度窗口導(dǎo)致漏失難題[6]。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也逐步開(kāi)展控壓固井技術(shù)研究，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用[7]。2016年，中石化西北油田分公司針對(duì)順南區(qū)塊油氣活躍、后效嚴(yán)重、壓力窗口窄、井深、井底溫度高、地層承壓能力低等固井技術(shù)難點(diǎn)[8]，應(yīng)用了精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)，取得了良好效果，?177.8 mm尾管固井質(zhì)量明顯好于鄰井，為精細(xì)控壓固井技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；2017年，中石油西南油氣田公司針對(duì)龍崗70井超深、高溫、含硫、小井眼井段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小、套管下入深、鉆井液安全密度窗口窄等固井難題[9]，在?114.3 mm尾管固井作業(yè)中首次應(yīng)用了精細(xì)控壓固井技術(shù)，避免了漏涌交替發(fā)生的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2. 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 無(wú)法精確獲取井底溫度壓力數(shù)據(jù)

(1)無(wú)法使用隨鉆測(cè)量工具。井底溫度最高接近200℃，壓力超過(guò)180 MPa，超過(guò)了油田現(xiàn)有隨鉆測(cè)量工具使用環(huán)境極限，國(guó)外產(chǎn)品的費(fèi)用高、動(dòng)員時(shí)間長(zhǎng)，且考慮到鹽膏層的鉆探風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題也無(wú)法使用。

(2)高溫高壓對(duì)鉆井液密度和流變性的影響機(jī)理不清。鉆井液在高溫高壓條件下密度和流變性與入井前相比發(fā)生改變，對(duì)井底靜液柱壓力和環(huán)空摩阻造成的影響通過(guò)現(xiàn)有計(jì)算模型無(wú)法獲取，計(jì)算精度不能保障。

2.2 地層壓力體系復(fù)雜

庫(kù)車(chē)山前超高壓鹽水層窄密度窗口形成原因較為特殊，一方面是由于在高壓鹽層間存在薄弱層導(dǎo)致的窄密度窗口，另一方面是由于高壓鹽水及其間泥巖透鏡體形成的圈閉效應(yīng)。高壓鹽水將層間泥巖透鏡體壓開(kāi)產(chǎn)生裂縫，同時(shí)不斷充填鹽水，裂縫延伸到一定程度后停止延伸，隨著高壓鹽水的繼續(xù)充填，形成了一個(gè)高壓圈閉空間，受節(jié)流壓力波動(dòng)的影響，存在回吐鹽水現(xiàn)象。由于每口井高壓鹽水和泥巖透鏡體儲(chǔ)集空間、位置各不相同，吞吐效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間和壓力波動(dòng)的不確定性導(dǎo)致難以找到溢、漏壓力控制間的平衡。

二、試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1. 前期準(zhǔn)備工作

中石油工程院依托國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PCDS精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)水力計(jì)算軟件等組成[10]，各組成部分即可獨(dú)立運(yùn)行也能組合集成使用。該裝備集恒定井底壓力控制與微流量控制于一體，可實(shí)現(xiàn)井底壓力控制精度0.2 MPa，通過(guò)60多口井精細(xì)控壓鉆井技術(shù)實(shí)踐，已形成9種工況、4種控制模式、13種應(yīng)急轉(zhuǎn)換的精細(xì)控制技術(shù)，針對(duì)不同需求可實(shí)現(xiàn)欠平衡、近平衡、過(guò)平衡控壓鉆井工藝。

2. 實(shí)踐前準(zhǔn)備工作

考慮到常規(guī)的精細(xì)控壓裝備不能完全滿(mǎn)足高壓鹽水層控壓固井的技術(shù)需求，開(kāi)展了高壓鹽水層及窄窗口井筒壓力控制方法策略研究，并對(duì)控壓裝備進(jìn)行了一系列的升級(jí)改造。

2.1 形成了高壓鹽水層控壓固井控制策略

施工原則：按照“微過(guò)平衡”的原則開(kāi)展控壓固井施工，壓穩(wěn)水層、不漏或微漏，充分分析控壓固井施工流程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)精細(xì)化控壓操作等手段，減少井下漏失、釋放施工排量、提高固井質(zhì)量。

技術(shù)關(guān)鍵：首先確保壓穩(wěn)地層，避免膏鹽層蠕變，確保套管安全下入(前提)，盡量保證套管下入后可建立循環(huán)(關(guān)鍵)，如果出現(xiàn)無(wú)法建立循環(huán)，采用正注返擠方式固井(補(bǔ)救)。

2.2 完成了控壓固井全過(guò)程工藝梳理及方案制定

結(jié)合國(guó)外油服公司控壓固井工作流程和庫(kù)車(chē)山前超高壓鹽水層固井特點(diǎn)，按照固井前操作、固井下套管、固井注替、固井候凝等控壓固井四大階段系統(tǒng)梳理了控壓固井全過(guò)程的基本工藝流程，制定了各流程中的壓力控制工作方案。

2.3 軟硬件裝備升級(jí)完善

主要包括編制了實(shí)時(shí)流量分析軟件模塊，形成了同步、異步流量監(jiān)控模塊，有效解決由于流體彈性造成的流量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)的技術(shù)難題；改造升級(jí)回壓泵壓力級(jí)別至15 MPa，提升了回壓泵流量補(bǔ)償能力。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2018年該技術(shù)先后在塔里木油田克深A(yù)井和克深B井鹽膏層進(jìn)行了探索應(yīng)用。

1. 試驗(yàn)概況

克深A(yù)井四開(kāi)以密度2.50 g/cm3鉆井液四開(kāi)鉆進(jìn)至6 898.21 m時(shí)發(fā)生高壓鹽水溢流，通過(guò)節(jié)流循環(huán)、正反擠壓井成功后，由于控壓放水效果不明顯，研究決定采用控壓鉆井和固井?？貕恒@進(jìn)期間鉆至6 924.00 m時(shí)發(fā)生漏失，后控壓起鉆至井深6 707.00 m，節(jié)流循環(huán)降密度至2.56 g/cm3，鉆進(jìn)至四開(kāi)中完井深7 068.00 m，經(jīng)分析高壓鹽水層壓力系數(shù)2.63-2.64，安全密度窗口僅為0.01 g/cm3。下套管前多次控壓劃眼并控壓起鉆至6 739 m節(jié)流循環(huán)測(cè)試地層壓力窗口，后續(xù)又分別控壓起鉆至6 738 m、5 586 m，關(guān)井觀察。由于地層壓力過(guò)高，為確保下套管過(guò)程安全，向井內(nèi)注入密度2.85 g/cm3重漿帽。?196.85 mm+?206.38 mm尾管下送過(guò)程中發(fā)生漏失，環(huán)空反擠鉆井液，開(kāi)泵建立循環(huán)，出入口流量穩(wěn)定，循環(huán)12 h后，出口流量逐漸減小，最后失返，停泵關(guān)井，套壓最高上升至9.6 MPa，分析原因?yàn)辂}膏層蠕變導(dǎo)致環(huán)空堵塞，開(kāi)泵發(fā)生漏失，停泵套壓升高。套管下送到位固井注替過(guò)程中進(jìn)行了控壓固井監(jiān)測(cè)，在環(huán)空鉆井液被鹽水污染，拔出中心管后環(huán)空聯(lián)通，水眼與環(huán)空壓力差導(dǎo)致瞬間出現(xiàn)套壓升高后，實(shí)施了控壓循環(huán)，鉆井液密度調(diào)節(jié)至2.64 g/cm3，套壓為0 MPa，短起下10柱，靜止觀察5 h，套壓為0 MPa無(wú)變化，候凝完成后起鉆完?？松預(yù)井作為第一口庫(kù)車(chē)山前鹽膏層控壓固井技術(shù)試驗(yàn)井，初步探索了控壓固井工藝的可行性，為后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行提供了相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

克深B井四開(kāi)以密度2.50 g/cm2鉆井液四開(kāi)鉆進(jìn)至7 662 m時(shí)鉆遇高壓鹽水層，關(guān)井套壓9.4 MPa，卸壓至0 MPa，關(guān)環(huán)形、開(kāi)半封帶壓起鉆至井深7 472 m，套壓上漲至10.9 MPa，泵入密度2.54 g/cm2鉆井液節(jié)流循環(huán)壓井，發(fā)生漏失。通過(guò)堵漏和降密度，恢復(fù)鉆進(jìn)至井深7 924.5 m，以密度2.46 g/cm2鉆井液對(duì)7 882～7 924.5 m井段進(jìn)行控壓擴(kuò)眼鉆進(jìn)，完成擴(kuò)眼鉆進(jìn)后控壓起鉆至井深7 464 m，精確控制井底ECD在2.48～2.50 g/cm3。實(shí)施控壓通井、下尾管、注替及候凝作業(yè)過(guò)程中，由于該井密度窗口僅為0.01 g/cm3，套管到底后無(wú)法建立循環(huán)，為保障固井安全，該井并未完全按照常規(guī)控壓固井施工流程進(jìn)行，創(chuàng)新選擇了控壓正注反擠方式固井，通過(guò)精細(xì)控壓設(shè)備精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和計(jì)量，確保了固井施工作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性，為固井施工作業(yè)提供有力的技術(shù)支撐，形成了一套新型的控壓固井方式。

2. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

通過(guò)兩口井的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于庫(kù)車(chē)山前高壓鹽水層存在著流體密度超高，流變性難以保障；地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，溢漏同存，建立壓力平衡困難；井筒存在明顯呼吸效應(yīng)，壓力流量反饋嚴(yán)重滯后，地面判斷困難等種種難題，對(duì)控壓固井裝備和技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求：

(1)由于所需平衡的地層壓力超高，要求地面回壓補(bǔ)償裝備具有較高的壓力級(jí)別，能夠提供高壓力的井口控制。

(2)由于溫度、壓力超高，現(xiàn)有PWD裝備不能完全滿(mǎn)足需求，需要針對(duì)鉆井期間無(wú)法使用PWD為固井作業(yè)提供井筒壓力測(cè)量資料的情況，提出準(zhǔn)確可行的安全密度窗口標(biāo)定方法，下一步可以嘗試在固井前最后一趟鉆(通井)充分循環(huán)，分別在井底、套管鞋處開(kāi)展動(dòng)態(tài)孔隙壓力測(cè)試和地層完整性測(cè)試。通過(guò)臨界漏失排量、臨界漏失壓力(固井時(shí)不同排量條件下)、臨界溢流排量、臨界溢流壓力測(cè)算地層安全密度窗口，逐步摸索地層安全密度窗口，實(shí)現(xiàn)安全、高效操作。

(3)為了保證控壓固井期間的地層壓力窗口穩(wěn)定，需要根據(jù)地層安全壓力窗口的大小，制定最后一趟鉆控壓起鉆模式，可在控壓固井實(shí)踐中根據(jù)地質(zhì)和工程情況選擇合適的方式。

(4)水力學(xué)計(jì)算與模擬軟件需具有在高溫高壓條件下更高的計(jì)算精度，同時(shí)考慮到固井作業(yè)時(shí)井筒流體的多樣性，還應(yīng)具備分段計(jì)算功能，考慮不同性質(zhì)流體的密度、流量、流變性、井筒溫度壓力、管柱運(yùn)動(dòng)、管柱和井筒的幾何形狀等眾多影響井底壓力計(jì)算的因素，能夠較為精確的表現(xiàn)高溫高壓條件下高密度流體和井筒壓力的變化特征。

(5)應(yīng)針對(duì)固井作業(yè)調(diào)整優(yōu)化實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備與軟件，幫助判斷井下情況，為技術(shù)人員提供各參數(shù)測(cè)量值和模擬值之間的比較，對(duì)水力學(xué)計(jì)算模型輔助修正，提高計(jì)算的可靠性。

(6)由于高壓鹽水層壓力變化較為復(fù)雜，若不能準(zhǔn)確判斷井筒內(nèi)情況，無(wú)法實(shí)施合適的控制策略，不僅無(wú)法解決井下復(fù)雜，還有可能造成更加嚴(yán)重的后果。以高壓鹽水層中存在的鹽間泥巖透鏡體為例，若發(fā)生溢流險(xiǎn)情，高壓鹽水竄入井筒可能將其壓裂并充填形成高壓圈閉空間，同時(shí)壓井期間泥巖透鏡體受節(jié)流壓力波動(dòng)的影響，存在回吐鹽水現(xiàn)象，造成鹽水上竄，環(huán)空密度降低。因此，需要針對(duì)高壓鹽水層壓力變化開(kāi)展研究，配合實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量參數(shù)，形成井下情況的判斷方法，制定各種工況下的井控風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。

四、結(jié)論與建議

(1)國(guó)內(nèi)控壓固井與控壓鉆井裝備是相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，尚無(wú)法建立直接的信息通訊，固井過(guò)程中入口處的水泥漿流量與壓力信息無(wú)法直接傳輸至已有的控壓鉆井系統(tǒng)，限制了井底壓力的精確控制，因此需要建立更加完善的控壓固井監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)井底壓力的實(shí)時(shí)分析判斷是控壓固井技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要進(jìn)一步研發(fā)符合固井作業(yè)工況的高精度實(shí)時(shí)分析與控制軟件，精確分析井筒內(nèi)漿體及井底壓力的變化，提供準(zhǔn)確壓力控制參考值，以保障控壓固井質(zhì)量。

(3)目前主要使用精細(xì)控壓鉆井裝備進(jìn)行控壓固井作業(yè)，但由于鉆井、固井作業(yè)的區(qū)別，現(xiàn)有設(shè)備體系過(guò)于龐大，不利于提高固井作業(yè)效率，因此亟需研發(fā)系統(tǒng)精簡(jiǎn)、施工便捷、具有高度模塊化特點(diǎn)的專(zhuān)用控壓固井裝備或高效一體化控壓鉆完井裝備，拓展技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更多控壓固井方式。

(4)現(xiàn)有控壓固井作業(yè)流程較為單一，在某些極端地質(zhì)條件或突發(fā)事故復(fù)雜情況下，不能夠及時(shí)做出應(yīng)對(duì)，因此需要針對(duì)固井作業(yè)中可能遇到的各類(lèi)情況，優(yōu)化和細(xì)分控壓固井流程，制定多種工藝轉(zhuǎn)換技術(shù)、應(yīng)急措施和安全預(yù)案，確保施工中井筒的安全穩(wěn)定。