精細控壓固井技術在川渝及塔里木盆地的應用

孫翊成， 蔣 林, 劉成鋼

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中國石油欠平衡與氣體鉆井試驗基地 3中國石油川慶鉆探工程有限公司蘇里格項目部

0 引言

近年來，精細控壓鉆井技術在四川磨溪—高石梯構造、龍崗構造、雙魚石—河灣場構造及新疆塔里木山前構造等鉆井實踐表明，該技術可有效解決鉆井過程中的溢漏復雜問題[1]，但是在固井時卻存在密度窗口窄、套管居中度低、環(huán)空間隙窄等復雜情況，常規(guī)固井作業(yè)時存在井控風險大、固井質(zhì)量難以保障等問題。常規(guī)固井作業(yè)一般采用靜液柱過平衡的方式實施下套管、注替水泥漿等作業(yè)，下套管過程中容易產(chǎn)生激動壓力、替漿時也因注替高摩阻及候凝過程中因水泥環(huán)失重等極易造成環(huán)空壓力失衡而導致井下出現(xiàn)井控風險，固井質(zhì)量難以保障；同時，還面臨所用水泥漿密度過高，頂替效率低，以及發(fā)生漏失引起竄氣等諸多挑戰(zhàn)，固井質(zhì)量及水泥環(huán)密封完整性難以得到保證。因此，在川渝及塔里木地區(qū)的深井、超深井及復雜地層固井采用常規(guī)固井工藝已不能滿足窄安全密度窗口地層固井的井控及固井質(zhì)量要求，嚴重制約了上述區(qū)域的油氣勘探開發(fā)進程[2]，應用精細控壓固井技術已成為勢在必行，既能滿足封固井段長、環(huán)空間隙小，又能保證地層壓力敏感的窄安全密度窗口地層固井的安全需求。

1 精細控壓固井技術

1.1 精細控壓固井技術原理

精細控壓固井技術是在精細控壓鉆井技術基礎上發(fā)展起來的，是精細控壓鉆井技術的延伸和發(fā)展。該技術首先通過實鉆資料、測井資料、承壓試驗等確定地層壓力窗口，然后在前期固井設計時將環(huán)空流體的靜液柱壓力確定為略低于地層孔隙壓力，最后通過旋轉防噴器、自動節(jié)流控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)、回壓補償系統(tǒng)等精細控壓設備，在固井施工過程中調(diào)節(jié)井口回壓和環(huán)空摩阻來實現(xiàn)井底壓力的平衡，如圖1所示。

圖1 精細控壓固井主要設備圖

可用式(1)表示：

pH

(1)

式中：pH—固井期間壓穩(wěn)地層壓力,MPa；pD—固井期間環(huán)空壓力,MPa；ph—環(huán)空靜液柱壓力,MPa；pL—固井期間地層漏失壓力,MPa；pf—環(huán)空循環(huán)摩阻,MPa；pk—井口回壓,MPa。

也可理解為根據(jù)前期確定的安全密度窗口優(yōu)化固井施工排量、井筒水力學參數(shù)和固井施工過程中的井筒壓力的精確控制，利用專業(yè)設備來實現(xiàn)壓穩(wěn)、防漏、防氣竄，提高固井質(zhì)量的一種固井技術，如圖2所示。精細控壓固井技術在施工過程中可降低鉆井液密度，在水泥漿頂替過程中增大排量，從而提高頂替效率，達到安全施工、保證固井質(zhì)量的目的，彌補了常規(guī)固井技術的不足[3]。

圖2 精細控壓固井原理圖

1.2 精細控壓固井技術流程

近年來，所通過不斷攻關與現(xiàn)場試驗，形成了通井、下套管、循環(huán)降密度、注替固井工作液、起鉆、侯凝等全過程精細控壓固井工藝包，實現(xiàn)了窄密度窗口條件下固井不同作業(yè)階段的壓力精細控制流程，如圖3所示。

圖3 全過程精細控壓固井流程圖

2 精細控壓固井理論及設計方法

2.1 精細控壓固井技術理論依據(jù)

為保證控壓固井施工過程中靜液柱壓力略低于地層孔隙壓力，采用精細控壓平衡法來設計環(huán)空漿體密度，注水泥頂替過程中通過在井口施加補償壓力，鉆井液的流動阻力和靜液柱壓力來平衡地層壓力[4- 5]。

環(huán)空靜液柱壓力應滿足：

(2)

(3)

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

井口補償壓力應滿足：

(4)

pa=0.009 81(Ga+ΔGp-ECD)Ha

(5)

(6)

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

2.2 精細控壓固井關鍵技術

2.2.1 精細控壓適應性評價技術

鉆前結合鄰井工程地質(zhì)基礎資料分析，開展精細水力學計算模擬和窗口不確定性風險評估，設計出最佳初始密度和控制套壓，為復雜地層精細控壓提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.2 精細控壓下管柱工藝技術

通過在線環(huán)空液面監(jiān)控、微流量監(jiān)測和水力學計算方式進行井筒壓力實時控制，形成了管串下入安全評估方法、重漿帽技術、井筒壓力控制技術、應急處置等配套技術，實現(xiàn)通井、刮管和完井管串下入等作業(yè)井筒壓力的精細控制和安全施工。

將“井底恒壓”原理和“精細控壓”理念引入到固井設計，基于安全密度窗口，優(yōu)化設計漿柱密度，井口控壓值、注入排量等參數(shù)，利用集控壓固井設計和實時監(jiān)測控制為一體的精細控壓固井裝備，計算誤差小于5%，控制精度±0.35 MPa，能夠保持動靜態(tài)井底壓力平穩(wěn)，解決固井過程中的漏噴復雜，提高固井質(zhì)量。并針對精細控壓固井安全密度窗口敏感性差異，形成了適用于安全密度窗口較大的間歇式精細控壓固井和適用于安全密度窗口較小的全過程精細控壓固井配套工藝，實現(xiàn)通井、下套管和固井各階段對井筒壓力的管理。

2.3 精細控壓固井設計方法

以2.1壓力計算理論為核心，控壓下套管參數(shù)設計、注替動態(tài)模擬、憋壓候凝方案等子模型為基礎，建立了精細控壓固井設計方法，開發(fā)專用設計軟件，實現(xiàn)下套管參數(shù)、鉆井液密度及性能、漿柱結構、排量、井口套壓等參數(shù)的精確量化設計軟件。

精細控壓固井除了以上技術外，還在設計之初充分考慮各方面因素，使之具備固井全參數(shù)的采集、水泥漿頂替效率、ECD動態(tài)模擬、環(huán)空壓力剖面的實時計算和動態(tài)控制、關鍵參數(shù)的報警等多重功能。

3 精細控壓固井技術的應用情況

3.1 應用實例

BZ3-K2井是部署在塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶克深斷裂帶博孜～阿瓦特變換帶博孜3號構造高點西南翼附近的一口開發(fā)井，?241.3 mm井眼的中完井深6 170.2 m,?196.85 mm+?206.38 mm的套管懸掛井深為4 223～6 170.2 m,中完鉆井液密度為2.18 g/cm3,固井水泥漿密度為2.12 g/cm3。作為集團公司的一類風險井，通過前期施工得出安全密度窗口僅0.03 g/cm3，屬于典型的窄安全密度窗口，長裸眼大斜度鹽層，有接箍套管安全下入難度大；提前連通風險大，下套管和固井期間存在井漏風險，井控風險大，施工難度高。

BZ3-K2井下送套管至6 170.2 m后，排量3～6.6 L/s循環(huán)鉆井液70 m3無異常，采用2.06 g/cm3鉆井液替出井筒內(nèi)2.18 g/cm3鉆井液，全程通過調(diào)整排量大小和精確控制井口回壓，始終將井底ECD控制在2.18～2.21 g/cm3的安全窗口范圍以內(nèi);在注水泥過程中，為保證頂替效率，在1.8 m3/min的大排量情況下，全程精細控制井口回壓精確控制井底ECD在2.18～2.185 g/cm3范圍，鉆井液與水泥漿密度差達到0.06 g/cm3，最大環(huán)空返速超過2.50 m/s，為提高頂替效率提供了基礎。固井施工過程中控套壓0～7 MPa，控壓值與施工方案設計套壓值完全吻合，一次性精確憋壓7 MPa，與施工方案中的設計值0偏差，0浮動。

電測得到固井質(zhì)量合格率83.2%,其中固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為54.7%。而鄰井BZ3-2X,BZ3-3X常規(guī)固井合格率僅為63%，其中固井優(yōu)質(zhì)率不足40%,BZ3-1CZ井固井合格率提高32%,優(yōu)質(zhì)率提高36.75%。精細控壓固井施工期間實現(xiàn)“零溢流、零漏失、零復雜”，保障井控安全，為提升固井質(zhì)量創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)條件，取得顯著的應用效果，得到一致好評。

截止2021年11月中旬，該技術已在川渝地區(qū)成功應用104口井，在塔里木庫車山前構造成功應用3口井。與常規(guī)固井技術相比，精細控壓固井技術始終控制環(huán)空動態(tài)當量密度在安全密度窗口范圍內(nèi)，提升頂替效率至95%以上，避免固井期間的溢漏復雜，大幅提升川渝地區(qū)和塔里木油田復雜井固井質(zhì)量，成為提升窄密度窗口固井質(zhì)量的一把利器。

3.2 川渝地區(qū)應用情況

據(jù)統(tǒng)計川渝地區(qū)自2018年采用精細控壓固井技術以來，創(chuàng)造了最大井深、最小工作液密度窗口、一次上返率、固井合格率等多項應用指標記錄，較好地解決了固井漏失低返問題，固井質(zhì)量明顯得到大幅度提高，采用精細控壓固井技術后的固井合格率從2018年的59.9%提高到2021年的92.5%，平均每年提高18.3%；固井優(yōu)質(zhì)率從2018年的36.7%提高到2021年的63.6%，平均每年提高11%，如圖4所示。

圖4 川渝地區(qū)固井質(zhì)量對比圖

3.3 塔里木庫車山前應用情況

塔里木庫車山前是油田天然氣上產(chǎn)的主戰(zhàn)場，西氣東輸?shù)臍庠吹?，但山前鹽層固井質(zhì)量受密度窗口窄、套管居中度低、環(huán)空間隙窄等影響，固井合格率多年來徘徊在50%左右，嚴重威脅井筒完整性生產(chǎn)和安全性。

塔里木庫車山前構造2019年首次采用精細控壓固井技術就獲得多項成果：一是首次在超深、超高壓鹽水層、超窄密度窗口實現(xiàn)了零漏失、零溢流，成功實現(xiàn)一次上返，減少了正注反擠作業(yè)程序，顯著降低了中完周期；二是顯著提高了鹽層固井施工排量(返速1.1 m/s)，大幅提高了鉆井液和水泥漿密度差(0.09 g/cm3)，為提高鹽層固井頂替效率提供了良好頂替環(huán)境；三是真正意義上解決了塔里木油田超窄密度窗口(0.02 g/cm3)的固井溢漏難題，填補了塔里木油田精細控壓固井施工領域的空白。進一步擴展了精細控壓固井技術的應用條件，為解決超窄安全密度窗口固井溢漏難題提供了新的技術途徑。從塔里木庫車山前精細控壓固井后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，固井合格率由47.2%提高到83.2%，優(yōu)質(zhì)率由21.5%提高到54.7%，固井合格率與優(yōu)質(zhì)率均提高30%以上，效果十分顯著，如圖5所示。

圖5 塔里木固井質(zhì)量對比圖

4 結論與建議

(1)精細控壓固井技術是目前解決窄安全密度窗口氣井固井難題的有效手段。它能最大限度地確保壓穩(wěn)地層，防止井漏的發(fā)生，為解決固井中普遍存在的“易漏失、難壓穩(wěn)”提供了新的技術途徑。

(2)精細控壓固井的基礎是根據(jù)前期實鉆情況，包括油氣顯示、井漏和地層承壓試驗等各種綜合影響因素來確定固井施工作業(yè)過程中各階段的井口控壓值。在確保壓穩(wěn)、不漏、保證固井質(zhì)量的前提下，通過精細控壓固井裝備，結合控制軟件模擬井筒壓力情況，并合理控制井口回壓，確保固井過程中井底壓力處于地層孔隙壓力與地層漏失壓力之間。

(3)精細控壓固井的關鍵在于“精”，精準地層壓力分析是前提、精確環(huán)空壓力計算是重點、精細壓力控制是關鍵，只有三者相輔相成，才能確保精細控壓固井施工的成功。

(4)目前精細控壓固井控制系統(tǒng)的智能化程度需要進一步加強，具體表現(xiàn)在現(xiàn)場控壓值變化較大的時候控制系統(tǒng)響應時間較長，控壓值調(diào)整到位會稍微滯后。