動態平衡固井技術與實踐

鮮明， 陳敏， 余才焌， 劉洋， 吳朗

川西北地區隨著勘探層位不斷加深，尾管固井封固段加長，長裸眼段多套壓力系統并存，漏噴同存主要表現為茅口-龍王廟組，安全當量密度窗口窄（小于0.05 g/cm3）、地層壓力系數高，環空壓力控制難度大，井控風險非常高，固井工程面臨嚴峻挑戰。前期已完成固井作業的LG062-C1井，飛仙關地層壓力系數1.76～1.91，常規尾管固井工藝未能實現對飛仙關高壓氣層壓穩，最終導致φ114.3 mm尾管喇叭口竄氣；LT1井φ168.3 mm尾管固井由于井底志留系漏失造成棲霞組氣竄，導致下一開次志留系-龍王廟組頂不能實現降低鉆井液密度，鉆進風險極大。為此，針對漏噴并存的復雜條件，探索了動態控壓固井工藝，實現對不同作業階段的精細環空壓力控制，杜絕了井控風險，確保了小間隙環空封固質量。

1 動態平衡固井技術的必要性

川渝地區屬盆地區域，地質構造復雜，地層橫向差異大、縱向油氣水漏顯示多、壓力層系多，尤其是川西北部及南部地區下二疊系及以下深部儲層，鉆井勘探風險及難度極大，主要特點是高溫（大于160 ℃）、高壓（地層壓力系數大于2.10）、高含硫（大于10 g/m3）、超深（大于6 500 m），更為嚴重的是縱向上復雜的壓力層系使各層套管難以滿足對不同地層壓力實施有效分段封隔，從而導致同一井段噴、漏、卡、塌、高壓鹽水等多個工程復雜情況共存，尤其是深部地層，鉆遇目的層局部裂縫發育、存在壓力漏斗等情況，井漏不可避免。由于地層壓力、地層漏失壓力、地層破裂壓力與鉆井液密度4者非常接近，壓力系數均在2.20～2.50之間，安全密度窗口窄。通過堵漏提高地層承壓能力來提高鉆井液密度，從而達到平衡壓穩地層的目的難以實現。鉆進期間噴漏共存，采用精細動態控壓可解決這一鉆井技術難題，實現鉆進、起下鉆、空井等各個作業工況下，井筒處于不漏或微漏、地層流體不出或微量流出的可控狀態下安全作業。但固井作業有別于鉆井，是一次性工程，必須全過程實現平衡壓穩才能防止固井后發生竄氣現象，而常規固井是采取全過程靜當量密度平衡壓穩地層進行施工作業。針對這類窄窗口、 噴漏同存井， 若采取加重鉆井液密度使靜液柱壓穩地層， 則下套管、 循環、 固井施工等作業過程中， 又可能誘發井漏， 這不僅污染氣層， 增加作業成本， 更影響封固質量。復雜的井筒條件對固井作業壓力控制提出了更苛刻的要求。

2 動態平衡固井關鍵技術

2.1 技術原理

動態平衡固井是在下套管、 固井施工、 起鉆、候凝等各階段作業過程中， 利用鉆井精細動態控壓系統控制井口回壓， 以確保鉆井液動態當量密度大于地層壓力而小于地層漏失壓力，使井筒處于壓穩而不漏的狀態下安全完成的全過程動態平衡固井施工作業。全程平衡壓穩是核心，動態實現平衡是技術的關健， 從下套管作業、 固井注替施工至候凝全過程實現動態平衡是本技術的特色。為了實現動態平衡應確定2個關鍵值， 即壓穩地層的當量密度值和地層漏失壓力對應的當量密度值， 從而確定控壓窗口即安全作業區間值。同時精確計算環空漿柱流動摩阻大小， 為確定井口動態控壓多少提供依據，確保作業過程實現既壓穩地層而又不發生漏失。

2.2 地層漏失壓力確定

川西北地區尾管固井封固吳家坪、茅口、龍王廟高壓氣層及棲霞、高臺組等易漏地層。井筒漏失問題制約固井質量的提升，影響井筒完整性。窄密度窗口易漏失井一次性正注固井成功的關鍵點在于準確掌握地層承壓能力，保證固井過程中地層薄弱層位環空循環當量密度不高于地層漏失壓力。川西地區超深井井筒條件復雜，安全密度窗口窄，承壓試驗易誘發井漏，固井作業期間的小間隙環空摩阻也遠高于鉆井液循環摩阻，非常有必要建立地層漏失壓力預測模型，判斷漏層及地層承壓能力[1-2]。

1）以最大拉應力理論作為巖石破壞判斷準則。根據彈性力學中的線性可疊加理論，得到非均勻地應力下井壁處各向應力。

徑向應力表示為：周向應力可表示為：

根據最大拉應力強度理論，當井壁周向應力達到最大抗拉強度時，對應的井內壓力即為破裂壓力：

式中， pi和pp分別為井筒液柱壓力和孔隙壓力， Pa；θ為研究點矢徑與最大水平應力σH的夾角；σh和σH分別為最小水平地應力和最大水平地應力， Pa；St為巖石強度， Pa；α為有效應力系數， φ為孔隙度。

2）以摩爾-庫倫理論作為巖石破壞判斷準則。式（5）是關于主應力σ的一元三次方程，其實根即為3個方向主應力，式中剪應力和均為0。

式中， σr、 σz、 σθ分別為徑向、 軸向、 周向應力， Pa ；τ為剪切應力， Pa。求解得到第一主應力、 第三主應力， 并帶入摩爾-庫倫判斷準則， 得到破裂壓力：

式中，ε為構造應力系數；β為相對于最大水平地應力的方位；C為黏聚力，Pa。

3）流體在裂縫中運移壓力損耗計算。

式中，PV為塑性黏度，mPa·s；f為漏失壓力校正系數，H為垂深，m；round為取整算子；K為漏失強度系數。

4）漏失壓力當量密度計算。根據當量密度計算公式，得漏失壓力：

2.3 地層壓力確定

川西地區下二疊統茅口組、棲霞組勘探程度低，地層壓力系數通過實鉆摸索已能確定。以LG70為例，設計茅口組地層壓力系數為1.80，設計鉆井液密度為1.80～1.95 g/cm3，實際鉆井液密度為2.03 g/cm3，且停泵狀態下關井套管壓力為5.5 MPa。通過多次降密度釋放地層圈閉壓力和短程起下鉆、靜觀驗證后，確定了高壓氣層壓力系數為2.08，控制當量密度達到2.11 g/cm3即可滿足下套管期間井控安全。套管下至上層管鞋或井底后，全井循環降低井筒密度，通過排量變化實現固井前對氣層的動態壓穩。

2.4 環空壓耗流變學計算模型

準確計算環空流動摩阻，是注替參數優化設計的關鍵。固井前循環降低鉆井液密度，靜液柱壓力小于地層壓力，靜態無回壓工況下處于欠平衡的狀態。固井作業注替期間當量循環密度等于或略大于地層壓力。采用偏心環空流動摩阻計算模型，為欠平衡工況下實現合理的環空壓力補償提供依據。

假設套管偏心度為e，當量直徑為De，偏心環

空流動雷諾數為：

式中，ρ為流體密度，kg/cm3；v為環空流速， m/s； K、n分別為稠度系數和流性指數；τ0為動切力，Pa；dco/dw為管徑與井徑之比。

當環空間隙小于12.7 mm或井徑與套管外徑之比小于1.20時，屬于小間隙井。與常規間隙井相比，小間隙環空中裸眼段井壁粗糙度、邊壁效應等因素對流動的影響明顯增大，因此需要對雷諾數及紊流臨界雷諾數進行修正。采用Crittendon提出的小間隙環空雷諾數計算模型修正當量直徑：

對于常規間隙井，當量直徑采用下式計算：

塞流狀態和層流狀態下，摩阻系數為：

紊流狀態下，摩阻系數為：

式中，A、 B為伯拉休斯系數。摩阻壓降計算公式：

固井過程中，計算點垂深為Hi，環空流體密度為 ρi（i=1、2…n），占環空高度為? Hi，長度為?Li，單位長度摩阻壓降為pi，則計算點循環當量密度為：

2.5 動態平衡固井控制系統

動態控壓固井工藝是精細控壓鉆井技術（MPD）的延伸，可解決尾管固井小間隙、高流體摩阻、窄密度窗口條件下的敏感地層壓力控制難題。具體來說，就是以較低的鉆井液密度循環，建立固井作業前的井筒動態平衡；固井作業實施期間，通過地面精細控壓流程，實現降排量和中停階段的回壓補償，改變井筒壓力分布剖面，使得溢漏壓力敏感井段壓力控制在地層孔隙壓力和漏失壓力之間[3-4]。

動態控壓固井作業的核心部件是實時監測系統，它是整個流程實施“大腦”。該套系統實現了固井注替過程的動態參數實時獲取和分析，通過實時掌握、處理與分析關鍵參數，計算整個作業過程壓力敏感井段的靜、動壓變化情況，及時對地面控制流程發出動作指令，保證井筒的動態壓力平衡。同時，該系統可與固井工程設計軟件數據共享，完成了設計前期模擬優化和作業現場實時監測的整合，提高了軟件系統的實用性與高效性[5]。動態控壓固井的系統架構和實時監測情況見圖1和圖2。

圖1 系統架構

圖2 實時監測

2.6 防氣竄水泥漿體系優化

固井候凝期間，氣竄危險時間內水泥膠凝體的高滲透率是早期氣竄的主要潛在通道。一般認為：氣竄的危險時間是靜膠凝強度48～240 Pa時間段。普通水泥起膠凝結構到初凝前的時間段內，會隨著時間的延長膠凝滲透率逐漸減小，但滲透率仍是終凝水泥石數十倍。純水泥48 Pa時的滲透率甚至達到了40 mD以上，而國外對防竄能力的最低要求是水泥漿在48 Pa時的滲透率要小于29 mD[6-7]。針對川西探區油氣顯示活躍、后效氣侵嚴重的特點，通過功能性外加劑對水泥漿進行優化，降低膠凝體的滲透率，增加氣竄阻力，達到防氣竄的效果[8]。室內實驗評價了不同的水泥漿配方對膠凝體滲透率的影響，結果見表1。

表1 不同水泥漿配方對膠凝體滲透率影響

加入液態降失水劑后有效控制了水泥漿的失水，膠凝體滲透率也得到了顯著降低，說明失水控制良好的水泥漿在塑性狀態下滲透率也會較低，驅替更困難，提高了抗竄能力，從實驗結果也進一步說明了水泥漿失水對防竄性能的重要性。增強型防竄水泥膠凝體形貌見圖3。在控制失水的基礎上，進一步加入了聚合物柔性防竄劑和礦物增強材料，增加液相黏度，堵孔成膜，增加了漿體內聚力，進一步降低了膠凝體滲透率，水泥膠凝體喉道直徑小于2 μm，增強了水泥漿氣竄阻力，形成的增強型防竄水泥漿體系危險時間內的膠凝滲透率可降低至3 mD（15%膠乳濃度水泥體系的膠凝體滲透率為3.7 mD），極大提升了水泥漿膠凝體抗氣侵能力。

圖3 增強型防竄水泥膠凝體形貌

3 現場應用

3.1 LG70井全程平衡壓力固井創新實踐

LG70井是西南油氣田部署在川北低平構造帶劍閣構造的一口預探井，完鉆井深7 793 m，目的層為志留系。該井六開φ139.7 mm井眼存在井超深、高溫、小間隙流體摩阻大，同一裸眼井段存在多層區域性儲層、高低壓互存，極易出現上噴下漏。裸眼段共鉆遇10個顯示層、4個漏層，地層出水4次，漏、涌交替發生，其中茅口組實鉆鉆井液密度1.95～2.05 g/cm3，棲霞組設計壓力系數1.36，采用密度1.97～2.00 g/cm3鉆井液完鉆，不同層系安全密度窗口窄，后效氣侵嚴重。即使通過前期的承壓堵漏作業，安全密度窗口當量也僅在2.08～2.12 g/cm3,因此常規小間隙尾管固井工藝難以滿足環空有效封固。為此提出了超深井小間隙尾管全過程動態平衡壓力控制固井方案，見表2。在實施過程中，通過優化漿柱結構，強化漿體的高溫流變性和防漏性能，工藝上以壓穩防漏為主，優化注替排量，配備精細化控壓流程，采用井口精細動態控壓防竄、低壓地層當量密度平衡防漏及帶壓起送入管柱的作業方式，確保茅口、棲霞組壓力敏感地層當量密度處于2.08～2.12 g/cm3安全窗口之內，見圖4。實現了注替期間動態防漏和停泵靜止期間防氣竄，解決了1 011.3 m小間隙、長封固段茅口組異常高壓和棲霞組壓力系數低一次性注水泥上返的難題。

圖4 LG70井φ114.3 mm尾管固井平衡壓力控制

3.2 動態平衡壓力固井技術應用效果

中石油川渝第一深井LG70井φ114.3 mm尾管固井作業中，首次應用全過程動態平衡壓力控制尾管固井工藝，實現了窄密度窗口漏噴同層復雜井況下注水泥一次性上返，固井優質率達86.6%，合格率為90.9%。此后，在LT1井φ114.3 mm尾管、ST8井φ177.8 mm尾管固井作業中，均采用全過程動態壓力控制技術，實現了高密度、窄壓力窗口條件下良好封固，杜絕了環空氣竄的發生。LG70井φ114.3 mm尾管固井質量測井解釋見圖5。

表2 LG70井φ114.3 mm動態平衡尾管固井作業流程

圖5 LG70井φ114.3 mm尾管固井質量測井解釋

表3 川西深井尾管固井工藝對比評價

4 認識與建議

1.川西地區縱向上地層具多壓力系統、噴漏同存、窄安全密度窗口固井封固質量難以保證，針對性地開發了動態平衡尾管固井工藝，并在LG70井等3井次固井實踐中取得成功，標志著川西復雜超深井、小間隙尾管固井技術取得階段性進展，為后續超深井窄密度窗口條件下防竄、漏提供了一種切實可行的全新固井模式。

2.通過深化開展川西地區超深井窄密度窗口平衡壓力固井技術難題攻關，形成以窄密度窗口固井環空壓力控制和高溫防竄水泥漿體系為核心的固井配套技術，不斷提升川西復雜地層尾管固井質量，滿足重點區塊勘探開發進程。

3.全過程動態平衡壓力固井工藝是精細控壓鉆井技術的延伸。由于固井作業的特殊性， 對控壓流程的硬件諸如節流閥響應靈敏度、 壓力控制精度、 回壓補償系統、 出口流量監測等方面有更精細瞬態響應要求；同時， 超深井多相流水力學計算是實施環空壓力控制的基礎， 動態壓力監測系統是整個控壓作業流程的中樞， 只有軟、 硬結合， 才能使得復雜深井控壓尾管固井技術不斷邁向“精細化、 智能化、 信息化”。

致謝 動態平衡壓力控制尾管固井工藝及配套系統的研發和現場試驗受到西南油氣田分公司、川慶鉆探工程有限公司相關工程技術管理部門、現場施工各協作單位及控壓固井技術研發團隊全體成員的大力支持和協助，在此一并表示感謝！

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