一種固井施工過(guò)程中井下安全工作狀態(tài)分析方法

吳朗，唐煒

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610052）

1 概述

隨著石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，許多復(fù)雜井、特殊井的固井施工作業(yè)難度越來(lái)越大，固井作業(yè)面臨的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。固井施工過(guò)程中為了保障固井施工安全和提高固井質(zhì)量，不僅需要施工前精細(xì)設(shè)計(jì)，也需要開(kāi)展施工過(guò)程精細(xì)控制。固井設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了固井方案的確定以及相關(guān)的前期準(zhǔn)備工作，而施工過(guò)程控制則是實(shí)現(xiàn)固井過(guò)程安全順利的必備手段。目前固井施工過(guò)程的控制手段缺乏，如何實(shí)現(xiàn)真正意義上實(shí)現(xiàn)固井施工過(guò)程控制是有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前已實(shí)現(xiàn)固井過(guò)程實(shí)時(shí)獲取泵注參數(shù)（排量、壓力、密度）同時(shí)可從設(shè)計(jì)中獲取各種入井工作液的性能數(shù)據(jù)，然而如何利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)固井過(guò)程控制就是本文解決的問(wèn)題。文中針對(duì)固井施工過(guò)程中的井下安全工作狀態(tài)分析，建立了固井施工過(guò)程仿真模擬與輔助分析方法，構(gòu)建了一套固井施工實(shí)時(shí)仿真模擬分析系統(tǒng)，最終形成了一種固井施工過(guò)程中井下安全工作狀態(tài)分析方法，通過(guò)對(duì)固井注水泥過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)了解和分析，有效地判斷井下工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)反映井下情況并做出安全預(yù)警提示。

2 井下安全工作狀態(tài)分析方法

固井施工過(guò)程中井下動(dòng)態(tài)安全情況分析方法則是從平衡壓穩(wěn)出發(fā)，結(jié)合排量壓力分析對(duì)井下安全狀態(tài)做出判斷。平衡壓穩(wěn)固井主要校核現(xiàn)場(chǎng)施工注替過(guò)程中動(dòng)態(tài)ECD維持在地層壓力與地層漏失壓力之間；排量、壓力異常分析主要校核實(shí)際施工參數(shù)中的排量、壓力是否出現(xiàn)異常波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)井下的情況做出判斷。井下異常情況檢測(cè)以上述確定的臨界條件為依據(jù)，通過(guò)調(diào)用仿真模擬、輔助分析軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)施工參數(shù)條件下相關(guān)參數(shù)的計(jì)算對(duì)比分析對(duì)井下動(dòng)態(tài)情況做出有效判斷[2-3]。

（1）平衡壓穩(wěn)分析。平衡地層壓力要求施工中環(huán)空漿體所產(chǎn)生的壓力既能壓穩(wěn)地層又不壓漏地層[1-2]，因此，判斷施工參數(shù)是否出現(xiàn)異常的壓力條件可根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)中所提供的地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度來(lái)設(shè)定。對(duì)于平衡壓力固井要求作用于地層的漿體壓力應(yīng)保持在地層壓力和地層破裂壓力之間，當(dāng)漿體作用于地層的壓力小于地層壓力時(shí)可能存在壓不穩(wěn)地層的潛在危險(xiǎn)，而當(dāng)漿體作用于地層的壓力超過(guò)地層破裂壓力時(shí)，則存在壓漏地層的可能。

漿體作用于地層的壓力與漿體的密度、注替排量、漿體性能有密切關(guān)系，對(duì)于靜止的漿體，其作用于地層的壓力主要為靜液柱壓力，與漿體的密度和封固段高度有關(guān)。注替過(guò)程中流動(dòng)漿體作用于地層的壓力由靜液柱壓力和流動(dòng)摩阻力構(gòu)成，應(yīng)用仿真模擬模塊結(jié)合實(shí)時(shí)采集三參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算分析判斷。

（2）排量壓力異常分析。根據(jù)實(shí)時(shí)采集壓力排量與注入返出排量情況，主要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集壓力、排量的波動(dòng)趨勢(shì)變化情況、注入與返出量的情況對(duì)比分析，對(duì)井下安全情況做出判斷。壓力、排量異常波動(dòng)分析，施工過(guò)程中若井下發(fā)生復(fù)雜情況采集到施工排量、壓力將會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)模擬計(jì)算井口壓力、井下關(guān)注點(diǎn)壓力輔助判斷。若實(shí)時(shí)采集的壓力陡然下降而注入排量未發(fā)生變化或排量增加，此時(shí)需要分析井下是否發(fā)生復(fù)雜情況并及時(shí)做出異常提示；相反陡然壓力上升而排量未發(fā)生變化或減小，也需要對(duì)其進(jìn)行甄別與分析，同理排量變化也會(huì)引起壓力變化。注入返出情況分析，實(shí)時(shí)對(duì)比分析采集的注入返出量數(shù)據(jù)判斷井下的溢漏狀態(tài)，若注入排量大于了返出排量，結(jié)合仿真模擬是否發(fā)生U型管效應(yīng)，核查井下是否發(fā)生井漏情況，相反則核對(duì)是否發(fā)生了溢流。

3 井下安全工作狀態(tài)分析方法實(shí)現(xiàn)

針對(duì)固井過(guò)程井下安全狀態(tài)分析，形成了實(shí)時(shí)分析判斷方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)了固井施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真模擬系統(tǒng)[4-9]，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)固井施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬分析井下動(dòng)態(tài)情況，系統(tǒng)主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、仿真模擬、輔助決策分析。①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，主要功能包括了實(shí)時(shí)的排量、壓力、密度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、處理功能，為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量監(jiān)測(cè)提供了有效手段與科學(xué)根據(jù)。②實(shí)時(shí)仿真模擬功能，運(yùn)用實(shí)時(shí)采集三參數(shù)數(shù)據(jù)與井眼基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行注替過(guò)程的實(shí)時(shí)反演、計(jì)算，并圖形化顯示漿柱的運(yùn)移的過(guò)程，更加直觀地向用戶展示流體在井下實(shí)時(shí)情況，隨著施工過(guò)程的進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬顯示漿柱運(yùn)移過(guò)程、注入流體實(shí)時(shí)位置情況，更加直觀顯示漿柱運(yùn)移過(guò)程中所處狀態(tài)。③輔助決策分析功能，通過(guò)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)異常波動(dòng)、同時(shí)與仿真模擬計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比分析，對(duì)井下安全情況做出判斷并進(jìn)行異常提示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)全井段壓力分析，井下復(fù)雜情況預(yù)警，實(shí)時(shí)計(jì)算分析整個(gè)井筒內(nèi)壓力分布情況，獲取整個(gè)施工過(guò)程中任意時(shí)刻任意井深下的動(dòng)液柱、靜液柱壓力，并實(shí)時(shí)更新整個(gè)施工過(guò)程中最大靜壓動(dòng)壓、最小靜壓動(dòng)壓情況，并結(jié)合實(shí)時(shí)采集壓力排量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷井筒內(nèi)壓穩(wěn)防漏狀態(tài)，分析判斷井下復(fù)雜情況并進(jìn)行預(yù)警提示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

（1）XX井壓力、排量異常波動(dòng)分析判斷。XX井鉆達(dá)5460.00m完鉆，擬下?127mm尾管，封固4620.00~5460.00m井段。本次固井采用一凝水泥漿一次性正注尾管固井施工工藝。應(yīng)用固井實(shí)時(shí)仿真模擬系統(tǒng)，驗(yàn)證沖洗液出管鞋時(shí)井口壓力下降的現(xiàn)象。仿真模擬注替過(guò)程，沖洗液出管鞋時(shí)漿柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，時(shí)間在87min附近；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排量、壓力如圖3所示，在施工87min附近出現(xiàn)了明細(xì)壓力下降趨勢(shì)，表明沖洗液此時(shí)出管鞋，仿真模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)的施工情況吻合。系統(tǒng)成功地預(yù)測(cè)了特殊時(shí)間的漿柱情況，為工程人員做出判斷提供了依據(jù)。

圖2 XX井漿柱運(yùn)移可視化顯示

圖3 XX井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排量壓力數(shù)據(jù)

（2）XX井井漏狀態(tài)分析判斷。XX井四開(kāi)鉆達(dá)5202.00m中完，下?177.8mm尾管，封固2310.00~5202.00m，設(shè)計(jì)采用兩凝防氣竄水泥漿體系一次性正注尾管固井施工工藝。設(shè)計(jì)采用兩凝防氣竄水泥漿體系一次性正注尾管固井施工工藝。系統(tǒng)在該井應(yīng)用過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力/排量如圖4所示，系統(tǒng)在95~105min時(shí)分析判斷施工過(guò)程中可能發(fā)生井漏風(fēng)險(xiǎn)做出了井漏預(yù)警提示（從圖中顯示可知此段時(shí)間內(nèi)排量與壓力對(duì)比出現(xiàn)了排量上升壓力反而下降的異常情況），同時(shí)通過(guò)模擬壓力與實(shí)際采集壓力對(duì)比分析也做出了井漏預(yù)警提示（圖5所示）。系統(tǒng)及時(shí)的異常判斷為施工過(guò)程中技術(shù)措施的及時(shí)采取提供了依據(jù)。

圖4 監(jiān)測(cè)排量、壓力對(duì)比分析

圖5 監(jiān)測(cè)壓力與模擬壓力對(duì)比分析

5 結(jié)論

文中介紹了一種可用于判斷井下安全工作動(dòng)態(tài)的分析方法，為固井施工過(guò)程控制提供了有效技術(shù)手段?；谠摲椒ㄐ纬傻墓叹┕?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與仿真模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)井下動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)了井下安全情況動(dòng)態(tài)分析，具備了實(shí)時(shí)全過(guò)程全井段壓穩(wěn)防漏狀態(tài)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析與及時(shí)判斷井下復(fù)雜情況并進(jìn)行預(yù)警提示的能力。系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)高效，取得了良好的應(yīng)用效果。