控制壓力固井技術研究進展及展望

孫寶江， 王雪瑞， 王志遠， 馬金山， 齊金濤， 郗鳳亮， 周英操

（1.非常規油氣開發教育部重點實驗室（中國石油大學（華東）），山東青島 266580；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務分公司，天津 300280；3.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

目前，國內外油氣藏的地質條件越來越復雜[1]，給油氣勘探開發帶來了諸多技術難題。油氣井固井過程中，窄安全密度窗口[2]、淺層氣[3]和淺層流[4]等難題會導致固井過程中井涌、氣竄現象頻發，破壞井筒的完整性。此外，傳統固井技術通常采用高密度水泥漿平衡地層壓力來防止氣竄的發生，然而水泥漿密度過高容易壓裂地層誘發漏失。因此，傳統的固井技術已經難以滿足復雜地層安全高效固井的要求。控制壓力固井（managed pressure cementing,MPC）技術是近年來發展起來的固井新技術，通過固井參數優化設計、固井過程中井筒水力學參數實時計算與井口回壓控制裝備相結合，可以實時精細控制固井過程中的井筒壓力，使井筒壓力始終維持在地層安全密度窗口范圍以內，防止發生井涌、氣竄和漏失等復雜情況，彌補了傳統固井技術的不足。筆者從控壓固井的基本原理出發，介紹了國內外控壓固井技術的發展現狀與應用情況，總結了國內外現場應用案例，分析了控壓固井的技術優勢，并在此基礎上分析了當前控壓固井技術存在的問題，對技術發展提出了若干建議，以期為我國控壓固井技術的發展提供指導和幫助。

1 控壓固井技術原理及發展現狀

1.1 控壓固井技術原理

控壓鉆井是一種自適應鉆井過程，用于精確控制整個井筒的環空壓力分布，目的是確定井下壓力環境限制，并相應地管理環空壓力剖面[5]。控壓鉆井技術能夠用于窄安全密度窗口條件下的鉆井作業。而控壓固井技術是將控壓鉆井工藝原理、硬件設備以及軟件系統等應用到固井過程中，以提高固井成功率，實現固井作業安全高效的目的。通常情況下，控壓固井所需的硬件設備與控壓鉆井基本相同，都是利用井口壓力控制設備、流量控制設備等來調節環空壓力。壓力控制的原理和基本原則為[6]：

式中：pBH為井底壓力，Pa；phyd為靜液柱壓力，Pa；psurf為井口回壓，Pa；pf為環空摩阻，Pa。

從式（1）可以看出，控壓固井技術需要優化環空水泥漿、沖洗液和隔離液等漿體結構，計算井筒水力參數，結合控壓裝置實時調整流量和井口回壓，達到精細控制井底壓力的目的。窄安全密度窗口下常規固井技術與控壓固井技術的井底壓力變化對比曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，洗井階段由于混合隔離液的需求需要暫時停泵，會導致常規固井施工時井底壓力降低，由于安全密度窗口窄，井底壓力會低于地層孔隙壓力，導致井涌。然而，控壓固井施工時可以對環空壓力精確控制，使井底壓力在停泵工況下維持不變，從而避免發生井涌。水泥漿頂替階段的水泥漿密度通常比較大，常規固井施工會導致井底壓力超過地層破裂壓力，從而發生井漏。控壓固井施工時可以選用密度更低的水泥漿，以確保井底壓力始終維持在安全密度窗口范圍內，避免壓漏地層。

圖1 窄安全密度窗口下常規固井與控壓固井的井底壓力對比Fig.1 Comparison of the bottomhole pressures of the conventional cementing and managed pressure cementing under narrow safety density window

1.2 控壓固井技術發展現狀

目前，多個國際油田技術服務公司均研發了各自的控壓固井系統，并在現場進行了成功應用[7-10]；國內部分油田也進行了相關技術研究，并開展了現場測試[11-13]。

1.2.1 國外應用情況

斯倫貝謝公司在DAPC控壓鉆井系統的基礎上研制了控壓固井系統，并進行了現場應用。控壓固井技術解決了秘魯Sagari油田存在的井眼失穩坍塌、低壓-高滲透儲層易卡鉆、高滲透地層井筒流體漏失等難題[14]，規避了美國Permian盆地[5]面臨的淺水流、漏失、井眼失穩、卡鉆和井控等風險；馬來西亞Duyong區塊[15]高溫高壓井采用控壓固井，避免了井涌井漏的發生。非常規氣田應用控壓固井技術取得成功，解決了阿根廷Neuquén盆地非常規氣井存在的高孔隙壓力和窄安全密度窗口問題，2013年的固井成功率由原先的50%提高到70%，隨后2年固井成功率進一步提高到94%[16]。此外，馬來西亞Peninsular海域的AT井[17]和Sarawak海域的JST-1井[18]是典型的高溫高壓井，固井難度大，利用控壓固井技術成功將井底壓力控制在安全密度窗口以內，并順利實施了固井作業。

哈里伯頓公司在MPD控壓鉆井系統的基礎上研發了控壓固井系統，并成功進行了應用。猶他州東南部Paradox盆地存在高壓、高滲透層和易漏失等難題，利用控壓固井技術將井筒壓力控制在安全密度窗口以內，水泥漿返高達到設計高度[19]。阿根廷Neuquén盆地的非常規氣田采用控壓固井技術，成功克服了高孔隙壓力和窄安全密度窗口的問題，避免了井涌和井漏的發生[20]。此外，馬來西亞海域的一口高溫高壓、窄安全密度窗口井應用控壓固井技術后，成功避免了井涌、井漏的發生[8]。

威德福公司在Secure Drilling控壓鉆井系統的基礎上研制了控壓固井系統，并成功應用于北海海域。北海某區塊具有高溫高壓的特征，井漏頻發，利用控壓固井技術對固井過程進行水力學模擬，避免了井漏的發生[9]。

1.2.2 國內應用情況

目前，國內也開始研發控壓固井技術，并在現場進行了應用。例如，塔中順南6井φ 177.8 mm尾管固井過程中面臨井深、溫度高、氣層異常活躍且分布廣、安全密度窗口狹窄和地質構造復雜等難點，為此，應用了控壓固井技術，并獲得較好的固井質量[11]。河南油田B304井存在易井漏、易上竄與頂替效率低的難題，應用了控壓固井技術，確保了該井固井施工的安全，保證了固井質量[12]。此外，中國石油西南油氣田針對龍崗70井存在多層區域性儲層、高低壓互存，且小井眼井段長、環空間隙小、套管下入深和鉆井液安全密度窗口窄等難題，采用精細控壓固井技術，優質、安全、高效地完成了固井作業[13]。

2 控壓固井關鍵技術

各公司開發的控壓固井系統其基本原理相同，都是通過實時監控并調節井口回壓或排量來實現環空壓力的精細控制，其關鍵技術主要包括控壓固井工藝流程、硬件系統和軟件系統。

2.1 控壓固井工藝流程

以斯倫貝謝公司開發的控壓固井系統[16]為例進行分析，該控壓固井系統主要由固井井筒水力學參數優化設計軟件系統和固井井筒壓力控制硬件系統2部分組成，2部分之間借助實時監測與控制軟件系統實現交互。該控壓固井系統的工藝流程見圖2。

圖2 控壓固井工藝流程示意[16]Fig.2 Process flow of managed pressure cementing[16]

利用固井水力學優化設計軟件系統進行固井井筒水力學參數優化設計（見圖2左側部分），其主要步驟為：

1）確定地層安全密度窗口。根據固井前鉆井作業獲取的參數及井內最終狀態，確定固井施工時的安全密度窗口。根據之前獲取的鉆井數據，可以得到地層孔隙壓力剖面、破裂壓力剖面、溢流位置和漏失位置等信息。

2）預選水泥漿。水泥漿的優選主要包括水泥漿密度和水泥漿流變性的確定。水泥漿的密度可根據步驟1）確定的安全密度窗口來選取。水泥漿流變性主要影響環空內ECD剖面和回壓的確定，因此需要確定水泥漿的流變性。

3）固井水力參數優化設計。首先確定水泥漿，然后建立泵的工作制度，確定不同固井階段的泵速，計算相應的ESD/ECD剖面；最后將計算得到的剖面與地層安全密度窗口進行對比，確定所需要施加的井口回壓，以確保固井施工過程中回壓能夠在節流壓力的允許范圍內。該階段的水力學設計需要借助專業的固井井筒水力學優化設計軟件來進行。

4）固井工程方案設計和審核。固井工程師、鉆井工程師、裝備工程師和井筒壓力控制工程師等對固井作業方案進行系統設計和審核，最終方案確定后，便可以進行固井作業的準備和實施。

固井井筒壓力控制主要借助于井筒壓力控制硬件系統來實施，主要操作及決策過程如圖2右側部分所示。在控壓固井過程中，通過實時監測環空壓力，判斷是否發生氣竄或者井漏等現象，然后通過調控回壓與泵速來消除氣竄或井漏。此外，還需要建立一個應急響應預案，根據井筒內流體類型及泵入體積確定井口回壓，以便能夠在固井突然停泵等緊急情況下施加所需的井口回壓。

控壓固井的最后階段是固井候凝，需要施加一個關井壓力來確保井筒內一直處于過平衡狀態。考慮井口最大承壓能力及地層破裂壓力的限制，關井壓力通常取1.38～2.07 MPa。在井筒內水泥漿壓縮強度達到規定值之前，需要一直保持該過平衡壓力。最后，釋放關井壓力，持續監測環空帶壓至少1 h。如果沒有觀測到環空帶壓現象，表明固井成功，控壓固井作業結束。

2.2 控壓固井硬件系統

控壓固井系統中的井筒壓力控制硬件系統通過給井口施加回壓或改變流量的方式，來精細控制井筒環空壓力。控壓固井硬件系統主要包括旋轉控制頭、自動壓力控制節流管匯、回壓泵及流量計等[8,15,20]，在地面的布置如圖3所示，

旋轉控制頭位于井口防噴器頂部，主要作用是形成一個封閉的循環系統。它能夠在鉆桿旋轉過程中始終保持井筒的密封性，使井筒內流出的鉆井液流入節流管匯中。

通過調整自動壓力控制節流管匯中節流閥的開度，可以持續維持所需的井口回壓。節流管匯與固井井筒水力參數優化設計軟件系統、控制軟件系統可以實時交互，根據水力學軟件的推薦值實時調節井口回壓，使井筒壓力始終處于安全密度窗口范圍內。

自動壓力控制回壓泵的主要作用是在停泵工況下給節流管匯提供流體，協助節流管匯調整回壓。

圖3 固井井筒壓力控制硬件系統布置示意[15]Fig.3 Layout of the cementing wellbore pressure control hardware system[15]

流量計能夠及時監測溢流的發生，并與水力學軟件系統相結合，監測和計算流量的實時變化。

2.3 控壓固井軟件系統

無論是常規固井技術還是控壓固井技術，施工過程中都必須考慮孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力及地面設備承受能力等因素。為了確保控壓固井過程中這些參數始終在限制范圍內，關鍵要準確預測井筒內壓力。但是影響井筒內壓力預測精度的因素很多，如水泥漿密度、排量、水泥漿流變性、井筒與地層溫度、起下套管速度及井筒幾何形狀等。為了提高預測的精度，需要建立更為完善的數學模型來進行計算。

控壓固井系統中的井筒水力參數優化設計軟件具有準確預測井底壓力的功能，該軟件需要在充分考慮各影響因素的基礎上對井筒水力學參數進行預測。同時，控壓固井系統還配套了控制軟件系統，這是井口回壓控制系統的重要組成部分。控制軟件系統能夠通過調控節流閥開度來調整井筒環空壓力，使其處于安全密度窗口范圍內。根據水力參數的優化結果，控制軟件系統設定好井口回壓的目標值，實時調節節流閥開度使井口回壓維持在設定值[20]。

3 發展建議

當前的控壓固井系統都是在控壓鉆井技術基礎上發展而來的，但是固井過程與鉆井過程之間存在著較大差異，使控壓固井技術在發展初期存在計算模型缺乏、控制軟硬件不配套和工藝不完善等難題。今后控壓固井技術需要在井筒壓力控制硬件/軟件系統、水力學計算模型和固井工藝等方面進行完善。

3.1 高度自動化、智能化的控壓設備與軟件

固井施工過程包括洗井、循環頂替和候凝等流程。洗井階段，井筒內流體以洗井液為主；頂替循環過程中，井筒內為水泥漿、沖洗液和隔離液等多種類型流體共存的狀態；候凝期間井筒內流體停止了循環，但仍需要施加一定的井口回壓來預防氣竄的發生。與鉆井過程相比，由于固井工藝復雜，致使固井過程中井筒壓力變化規律復雜，同時固井過程持續時間短且要求一次成功，這就需要井筒壓力控制設備與軟件系統能夠更為科學地調節環空壓力，能夠及時準確地對井筒壓力復雜變化做出正確反應。一個自動化、智能化程度更高的井筒壓力控制設備與軟件系統，能夠協助固井工程師更為及時精細地調整井筒內壓力剖面，應對固井中的各類復雜工況。

3.2 井筒水力參數計算

1）水泥漿流變性。控壓固井施工時需要準確計算井筒ECD剖面，水泥漿流變性影響流動摩阻，進而影響ECD的預測精度。目前的固井井筒水力學模擬軟件并未考慮溫度對水泥漿流變性的影響，因此有必要開展固井井筒溫度場預測模型的相關研究，并針對不同溫度環境下水泥漿流變性變化規律開展理論及實驗研究。

2）水泥漿密度。當前控壓固井軟件一個共同的缺陷就是沒有考慮不同溫度壓力環境下水泥漿的密度分布。這是因為在不同溫度壓力環境下，水泥漿在壓縮性作用下密度發生變化，從而影響井筒ECD的分布規律。未來有必要針對不同溫度壓力環境下的水泥漿密度變化規律開展相關的實驗及理論研究。

3）套管偏心度。理想固井條件下，套管位于井筒的中心位置，這將有助于提高固井頂替效率，進而提高固井第二界面的膠結質量。但在實際情況下，套管偏心現象頻繁出現，而套管偏心會明顯降低環空壓降梯度[21]。今后需要研究考慮套管偏心度的井筒ECD預測模型。

4）流體自由下落效應。與鉆井過程不同的是，固井過程中井筒內同時存在水泥漿、沖洗液和隔離液等多種流體，不同流體的密度也各不相同。當井筒內同時存在不同密度的流體時，高密度流體會有更快向下運動的趨勢，這會對泵排量和井筒壓力分布產生影響。因此，需要開展考慮流體自由下落影響的井筒水力參數計算模型研究，以提高井口回壓、泵排量等參數設計的準確性。

3.3 工藝流程優化

控壓固井過程中涉及多方面技術人員的協同合作，包括固井工程師、井筒壓力控制工程師和井筒水力學參數設計人員等，因此必須對控壓固井工藝流程進行優化，以提高固井成功率。首先，要優選水泥漿，根據地層密度窗口確定水泥漿密度、水泥漿流變性及水泥漿配方，并對井口回壓工作制度進行優化，以保證安全；其次，需要優選固井過程中所需的沖洗液、隔離液等工作液，以保證高效頂替；最后，需要制訂固井過程中泵的工作制度，在優選水泥漿的基礎上計算井筒水力學參數，確定不同作業階段合適的泵工作制度，以提高固井質量。

4 結 論

1）現場應用表明，控壓固井技術能夠解決窄安全密度窗口等復雜難題，顯著提高固井成功率和固井質量，具有明顯的技術優勢和良好的應用前景。

2）系統綜述了國外公司主要控壓固井系統的關鍵技術，包括工藝流程、硬件系統及軟件系統，可以為國內控壓固井技術的發展提供指導和幫助。

3）控壓固井技術從控壓鉆井技術基礎上發展而來，并沒有充分考慮固井工藝和施工特征。在分析當前控壓固井技術存在的問題的基礎上，建議結合固井工藝建立更為精確的井筒水力參數計算模型；研發自動化、智能化程度更高的井筒壓力控制設備與軟件系統；針對地層復雜條件優化控壓固井工藝流程等。