地層承壓能力固井前動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

王 濤， 賈博超

(1.陜西延長(zhǎng)石油〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司研究院 陜西 西安 710075； 2.陜西省陸相頁(yè)巖氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈籌〉，陜西 西安 710075； 3.天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451)

地層的實(shí)際承壓能力對(duì)固井方案設(shè)計(jì)、水泥漿設(shè)計(jì)和固井施工排量設(shè)計(jì)等均有重要的影響[1-3]。對(duì)于低壓易漏井固井，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，保障固井安全，做到固井的可控，在固井前必須對(duì)井眼做承壓試驗(yàn)[4-6]。目前常用的承壓試驗(yàn)采取的是“逐漸加壓，平緩泄壓”的方式[7-8]，即用井筒內(nèi)鉆井液對(duì)套管進(jìn)行試壓，逐漸加壓，直至地層不能“穩(wěn)壓”，以此得出地層的承壓能力，這種方法稱(chēng)之為靜態(tài)的測(cè)試方法。但是，對(duì)于低壓易漏失地層，受井身結(jié)構(gòu)和上層套管鞋處破裂壓力等條件的限制，無(wú)法在固井前對(duì)其承壓能力做常規(guī)的靜態(tài)測(cè)試。本文提出一種下套管后動(dòng)態(tài)測(cè)試地層承壓能力的方法，為該類(lèi)地層承壓能力的測(cè)試提供了一套科學(xué)、可行的辦法。

1 地層承壓能力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法的提出

對(duì)于低壓易漏井固井，在下述情況下，目前的地層承壓能力靜態(tài)測(cè)試方法不能滿(mǎn)足要求：

(1)上層套管下入較淺，受上層套管套管鞋處的地層破裂壓力限制，地面井口壓力不能施加過(guò)高；

(2)受上層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度值的限制，地面井口壓力不能施加過(guò)高。

為解決上述難題，本文根據(jù)流變學(xué)原理，提出了一種地層承壓能力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，并在延長(zhǎng)石油延208、延437兩口試驗(yàn)井中進(jìn)行了應(yīng)用；測(cè)試出了該區(qū)域油層套管封固裸眼井段內(nèi)地層的最大承壓能力值，為該區(qū)低壓易漏長(zhǎng)封固段條件下的油層套管的安全、一次性固井全封固提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。

2 地層承壓能力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法的原理

地層承壓能力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法即在下套管循環(huán)后逐漸分擋增加排量，并同時(shí)記錄與之對(duì)應(yīng)的泵壓和鉆井液性能，然后利用流變學(xué)的原理計(jì)算出關(guān)鍵地層深度的承壓能力。由于不同于常規(guī)靜態(tài)的地層承壓試驗(yàn)，是動(dòng)態(tài)的，所以稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。

該方法的原理如下所述：下套管循環(huán)鉆井液兩個(gè)循環(huán)周期后以一定的排量Q進(jìn)行循環(huán)并記錄與之對(duì)應(yīng)的泵壓Pp，同時(shí)測(cè)試計(jì)算鉆井液性能，包括密度ρ、流性指數(shù)n、稠度系數(shù)K。其他的已知條件有套管的外徑De、內(nèi)徑Di，井眼直徑Dw。

2.1 計(jì)算井底的承壓能力

由于循環(huán)時(shí)管內(nèi)和環(huán)空全部都是鉆井液，沒(méi)有液柱壓力差，所以此時(shí)記錄的泵壓為循環(huán)壓耗。則此時(shí)井底的當(dāng)量密度ρ井底可由式(1)計(jì)算得出。對(duì)于井底是薄弱地層的井，不斷變換測(cè)試排量直至設(shè)計(jì)值，由此可計(jì)算出井底的最大承壓能力和當(dāng)量密度。

ρ井底=ρ+Pp/(gH)

(1)

式中：ρ井底——井底當(dāng)量密度，g/cm3；H——井底深度，m；Pp——泵壓，MPa；g——0.00981 N/kg；ρ——鉆井液密度，g/cm3。

2.2 計(jì)算任意井深的承壓能力

計(jì)算以當(dāng)前排量Q循環(huán)時(shí)的整個(gè)管內(nèi)循環(huán)摩阻和整個(gè)環(huán)空循環(huán)摩阻壓降[9]，對(duì)于賓漢流體，有：

Pfp=250λρLQ2/(π2r5)

(2)

λ=0.228/〔6.4Qρ/(πμ)〕0.2

(3)

式中：Pfp——循環(huán)摩阻，MPa；ρ——鉆井液密度，g/cm3；L——套管長(zhǎng)度，m；r——套管半徑，m；λ——摩阻系數(shù)，無(wú)因次；Q——排量，m3/min；μ——塑性粘度，Pa·s。

對(duì)于環(huán)空摩阻Pfa，也可采用(2)式計(jì)算，半徑采用當(dāng)量半徑法計(jì)算：

(4)

式中：r2——環(huán)空當(dāng)量半徑，m；D——井眼直徑，m；d——套管直徑，m。

由于井下條件的復(fù)雜性，計(jì)算的循環(huán)摩阻值與實(shí)際的循環(huán)摩阻(即此時(shí)泵壓Pp)必定會(huì)有誤差，計(jì)算出此時(shí)的環(huán)空修正壓耗系數(shù)T，即T=(Pp-Pfp)/Pfa，任意井深H′處的最大承壓能力和當(dāng)量密度ρ′可通過(guò)公式(5)計(jì)算得出。

ρ′=ρ+TPfa/(gH′)

(5)

式中：Pfa——井深H′處的計(jì)算循環(huán)壓降，MPa；ρ′——任意井深處的當(dāng)量密度，g/cm3。

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試方法的實(shí)施步驟

(1)下套管后循環(huán)鉆井液1個(gè)循環(huán)周期以上，如井下條件允許，2個(gè)循環(huán)周期效果更好。

(2)根據(jù)事先計(jì)算的排量計(jì)劃，采用最低排量循環(huán)鉆井液30～60 min，記錄循環(huán)剛結(jié)束時(shí)的排量與泵壓(可以采用錄井儀的記錄數(shù)據(jù))、并測(cè)試鉆井液的密度與流變性能。

(3)根據(jù)排量計(jì)劃，提高一個(gè)排量擋位，循環(huán)鉆井液30～60 min，循環(huán)剛結(jié)束時(shí)記錄排量與泵壓(可以采用錄井儀的記錄數(shù)據(jù))、并測(cè)試鉆井液的密度與流變性能，同時(shí)記錄鉆井液的漏失量。

(4)重復(fù)步驟(3)，直至事先計(jì)算的排量計(jì)劃中的最高值。

(5)根據(jù)上述測(cè)試中所記錄的排量、泵壓、鉆井液的密度與流變性能，并根據(jù)注水泥流變學(xué)計(jì)算的相關(guān)理論，計(jì)算不同排量下實(shí)際的井內(nèi)關(guān)鍵地層深度處所承受的壓力及當(dāng)量密度。

下套管后動(dòng)態(tài)承壓測(cè)試需要注意的事項(xiàng)有：一是在上述動(dòng)態(tài)測(cè)試中，必須仔細(xì)觀察地面返出情況、泵壓情況及泥漿池液面情況，嚴(yán)防出現(xiàn)惡性井漏的事故；二是司鉆房的專(zhuān)職操作人員必須坐崗、隨時(shí)觀察，防溢管出口處必須有專(zhuān)人坐崗、隨時(shí)觀察，錄井房必須有專(zhuān)人坐崗、隨時(shí)觀察。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

依據(jù)上述下套管后動(dòng)態(tài)測(cè)試方法對(duì)延長(zhǎng)石油延408、延437兩口井進(jìn)行地層承壓能力測(cè)試，均取得了預(yù)期的效果。根據(jù)鉆井和前期的調(diào)研情況，該區(qū)域內(nèi)鉆井及固井過(guò)程中井漏時(shí)有發(fā)生，前期主要采用分級(jí)固井的方式進(jìn)行固井，但隨著開(kāi)發(fā)的深入，區(qū)域內(nèi)井?dāng)M采用縫網(wǎng)壓裂的方式進(jìn)行增產(chǎn)試驗(yàn)，而分級(jí)箍較弱密封能力使其成為整個(gè)井筒的致命薄弱點(diǎn)，因此，急需論證一次性固井的可行性。但由于該區(qū)域井表層套管下深較淺，限制了通過(guò)承壓試驗(yàn)的方式來(lái)獲取地層承壓能力來(lái)設(shè)計(jì)一次上返固井水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)。因此，采用動(dòng)態(tài)承壓測(cè)試的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)井的地層承壓能力進(jìn)行測(cè)試，對(duì)該區(qū)域的高效開(kāi)發(fā)極為重要。

該區(qū)域內(nèi)漏失最薄弱地層在接近井底處[10-12]，因此以下主要對(duì)井底處的承壓能力進(jìn)行計(jì)算。表1和表2分別是延408、延437井的井身結(jié)構(gòu)，表套套管鞋處破裂壓力當(dāng)量密度為1.68 g/cm3，固井前承壓試驗(yàn)井口承壓值為3.61 MPa，無(wú)法滿(mǎn)足固井要求，所以進(jìn)行動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)是在下完套管循環(huán)2個(gè)循環(huán)周期后進(jìn)行的。根據(jù)前文所述的方法，動(dòng)態(tài)承壓測(cè)試和計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表1 延408井井身結(jié)構(gòu)

表2 延437井井身結(jié)構(gòu)

表3 延408井動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)結(jié)果

表4 延437井動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可知，延408井井底的可控承壓能力為1.442 g/cm3(當(dāng)量密度)。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)該井施工采用常規(guī)密度+低密度的雙密度水泥漿固井，低密度水泥漿密度為1.35 g/cm3，最終該井施工順利，固井水泥漿返出井口。

由表4中數(shù)據(jù)可知，延437井的可控井底承壓能力為1.585 g/cm3(當(dāng)量密度)。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)該井同樣采用雙密度水泥漿固井，低密度水泥漿密度為1.40 g/cm3，最終該井同樣施工順利，固井水泥漿返出井口。

以上現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可知，該方法成功解決了該區(qū)塊由于表層套管下深較淺無(wú)法在油層套管固井前進(jìn)行靜態(tài)承壓試驗(yàn)的難題，獲得了實(shí)際的地層承壓能力，為該區(qū)實(shí)現(xiàn)固井全封固和固井施工的安全和成功奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)上述測(cè)試結(jié)果也為合理的低密度水泥漿密度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，最大限度地節(jié)省了低密度減輕材料，降低了固井成本。

5 結(jié)論

針對(duì)固井前無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的靜態(tài)承壓試驗(yàn)或者常規(guī)靜態(tài)承壓試驗(yàn)無(wú)法滿(mǎn)足固井要求的特殊情況，本文提出了一種動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，根據(jù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出以下結(jié)論：

(1)這種動(dòng)態(tài)測(cè)試方法能夠解決受上層套管下深淺或者抗內(nèi)壓強(qiáng)度不夠等限制而無(wú)法進(jìn)行靜態(tài)承壓試驗(yàn)的難題，在下套管后對(duì)地層的實(shí)際承壓能力進(jìn)行測(cè)試，非常有效。

(2)從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況來(lái)看，該方法實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)固井對(duì)地層承壓能力測(cè)試的要求，獲得的地層承壓能力值為固井設(shè)計(jì)和固井安全提供了基礎(chǔ)和保障。