M油田鹽膏層精細動態控壓固井技術

楊鴻波 陳國軍 張國光 劉 欣 劉 剛

1.中海油服中東公司 2.中海油服鉆井事業部 3.中海油服油田化學事業部

0 引言

鹽膏層固井是鉆井行業的世界性難題[1]。M油田Lower Fars地層含800 m鹽膏層，壓力窗口窄，地層孔隙壓力2.20～2.23 g/cm3，漏失壓力2.40 g/cm3，且含高壓鹽水，井漏、溢流風險大，固井作業難度高[2]，以往采用常規方法固井，固井期間井漏、溢流頻發，井下復雜情況發生頻率0.5次/井，為了防止發生井漏必須降低頂替排量，從而犧牲了頂替效率，導致固井質量差，單井鹽膏層井段固井優良率不足50%。

控壓固井技術（Managed Pressure Cementing）適用于窄壓力窗口的固井作業，主要是通過壓穩計算，設計出各類流體的性能和體積，在固井前循環、注固井液（前置液、水泥漿等）、替鉆井液等固井過程中，調節排量，調節環空循環壓耗，侯凝時調節井口回壓，從而調節環空壓力，全過程控制環空當量密度原則上大于地層孔隙壓力而小于地層漏失壓力，盡量使井筒處于壓穩而不漏的狀態下安全完成整個固井施工作業[3-5]。

傳統的控壓固井技術理論上能滿足作業要求，但還不夠精細、與現場作業實際不夠貼切，主要體現在以下幾個方面：①沒有根據現場實際數據及時對軟件參數進行校核與修正，設計軟件模擬準確度和精度不夠；②雖然設計了各類流體的性能和體積，但對各類流體間的污染考慮得較少，也沒有采取有效的措施防止流體間的污染；③雖然設計了泵排量，但實際作業時沒有結合泵壓變化精細調整排量。以上原因導致控壓固井設計與實際作業存在較大偏差，影響了控壓固井的作業效果。

精細動態控壓固井技術改進了傳統控壓固井技術，使得設計與實際更吻合，控壓更精準。使用精細動態控壓固井技術可以使井下環空壓力始終保持在安全壓力窗口之內，避免井漏、溢流等井下復雜情況，同時，因降低了環空中的靜液柱壓力和同等排量下的循環壓耗，為提高循環和頂替排量創造了條件，排量高了利于清除泥餅及提高頂替效率，從而提高固井質量[6-8]。精細動態控壓固井技術近期在M油田推廣后，鹽膏層井段固井期間井漏、溢流等井下復雜情況降到了0.06次/井，單井鹽膏層井段固井優良率提升到了平均85%以上。

1 控壓設計

1.1 設計原理

不考慮波動壓力時，根據水力學原理，環空壓力＝靜液柱壓力+環空循環壓耗+井口回壓，通過調節靜液柱壓力、環空循環壓耗和井口回壓，可控制環空壓力[9-10]。

循環時通過調整靜液柱壓力和環空循環壓耗來控制環空壓力，不循環時可通過關防噴器來提供井口回壓。

靜液柱壓力的計算公式如下：

式中ps表示靜液柱壓力，MPa；Hi表示某段流體在環空中的垂直高度，m；ρi表示該段流體的密度，g/cm3。

根據公式（1），可通過調整流體結構（各段液體的密度及其在環空中的高度）來調整靜液柱壓力。

根據排量計算環空返速，公式如下：

式中va表示環空返速，m/s；Q表示排量，L/s；DH表示環空直徑，cm；DP表示環空中套管直徑，cm；

根據流體力學[11]，層流紊流臨界環空返速計算公式如下：

式中vac表示層流紊流臨界環空返速，m/s；n表示流性指數，無量綱；K表示稠度指數，N sn/cm2。

若va≤vac，則流體在環空中形成層流，層流環空循環壓耗計算公式如下：

式中Δpc表示環空循環壓耗，MPa；L表示計算井段長度，m。

若va＞vac，則流體在環空中形成紊流，紊流環空循環壓耗計算公式如下：

式中PV表示流體塑性黏度，mPa s；ρm表示流體密度，g/cm3。

根據公式（4）、（5），可通過調節排量和流體性能（密度、流變性能）來控制環空循環壓耗。

精細動態控壓固井作業是一個連續過程，從固井前循環，到注水泥頂替，到候凝都必須考慮環空壓力變化[12]。

1.2 設計基礎數據

?311.15 mm井眼全井段為鹽膏層，以XX井為例，井深2 962 m，鉆井液密度2.28 g/cm3，塑性黏度47 mPa s，流性指數n=0.43，稠度指數K=1.43 N sn/cm2，通過下?244.48 mm套管封固，采用雙級固井方式，分級箍位于?244.48 mm）套管與?339.73 mm套管重疊段，一級固井封固鹽膏層段，一級固井采用領尾漿雙凝漿柱結構，尾漿封固井底至mb4頂（2 495 m）這一段含高壓鹽水的鹽膏層，領漿封固mb4頂返至分級箍（1 865 m），詳見圖1。

圖1 XX井?244.48 mm套管固井示意圖

1.3 固井前循環時的控壓設計

固井前循環能清除井壁虛泥餅、巖屑，有利于水泥環與井壁的膠結，鉆井液在環空形成紊流能達到較好的清潔效果[13]。

根據公式（3），計算鉆井液在?244.48 mm套管與?311.15 mm井眼的環空中的層流紊流臨界環空返速vac=1.32 m/s。

代入公式（2）可得，排量大于2 300 L/min，鉆井液在環空能形成紊流。

通過Cem SAIDS固井軟件模擬，可計算出不同鉆井液密度、不同排量下的井底當量循環密度（ECD）（表1），井內鉆井液密度2.280 g/cm3，為防止井漏，最大排量不能超過2 000 L/min，但此排量下形成不了紊流。

表1 不同排量與鉆井液密度下的井底ECD數據表

為降低ECD，設計泵入5 m3密度為1.10 g/cm3的半飽和鹽水，半飽和鹽水在環空時，靜液柱壓力將下降，計算方式為：

式中Δps表示靜液柱壓力下降值，MPa；ρm表示鉆井液密度，2.28 g/cm3；ρs表示半飽和鹽水密度，1.10g/cm3；V表示半飽和鹽水體積，m3；ΔV表示每米環空容積，在?311.15 mm裸眼中為0.029 1 m3/m，在?339.73 mm套管中為0.031 2 m3/m。

計算可得半飽和鹽水在環空時靜液柱壓力下降1.86～1.97 MPa，靜液柱壓力下降后，能允許更大的環空循環壓耗，排量得以提高。

通過軟件模擬，可計算出半飽和鹽水在環空時排量2 400 L/min對應的井底ECD為2.388 g/cm3，低于漏失壓力，2 400 L/min的排量時鉆井液能形成紊流，提高清潔效果。

當然也不能為了追求高排量而泵入過多的低比重的半飽和鹽水，還要考慮“壓穩”問題，泵入5 m3密度為1.10 g/cm3的半飽和鹽水后，井底靜態當量密度為2.212～2.216 g/cm3，短時停泵期間能壓穩地層。

為提高清潔效果，前后共泵入3段5 m3密度為1.10 g/cm3的半飽和鹽水，設計好每段鹽水泵入后的頂替量，以保證沒有兩段鹽水同時在環空，以防靜液柱壓力下降過多導致壓不穩。

通過泵入適量的低比重半飽和鹽水，能在防漏和壓穩的前提下提高循環排量，提高清潔效果，從而為固井創造好的井眼條件。

1.4 頂替水泥漿時的控壓設計

固井液漿柱結構為：優質鉆井液+隔離液+半飽和鹽水+沖洗液+水泥漿領漿+水泥漿尾漿（表2）：

表2 固井液漿柱結構一覽表

優質鉆井液的黏切比井內原鉆井液低（表3），同等排量時環空循環壓耗更低。根據公式（3），計算優質鉆井液在?244.48 mm套管與?311.15 mm井眼的環空中的層流紊流臨界環空返速vac=1.14 m/s。

代入公式（2）可得，排量2 000 L/min時優質鉆井液在環空就能形成紊流，相比原鉆井液2 300 L/min的紊流臨界排量，優質鉆井液更易形成紊流，利于提高清潔環空效果。

隔離液和沖洗液的性能及紊流臨界排量見表3。

頂替水泥漿期間，一開始以2 100 L/min頂替，隔離液出管鞋時提排量至2 300 L/min，半飽和鹽水出管鞋后，提排量至2 500 L/min(圖2)，整個頂替過程中，優質鉆井液、隔離液和沖洗液都在環空能形成紊流，提高了沖洗效果、隔離效果及水泥漿的頂替效率。根據軟件模擬，沖洗液在整個一級固井井段的紊流接觸時間都超過10min，沖洗效果好，水泥漿的頂替效率達到100%（圖3）。

根據軟件模擬計算，頂替過程中井底ECD最高值為2.376 g/cm3，低于漏失壓力（圖4）。

圖4 頂替期間井底ECD模擬

頂替結束后，停泵時井底靜態當量密度2.204 g/cm3，滿足壓穩需求。

通過設計各段流體的密度、流變性能和體積，降低了環空靜液柱壓力，降低了同等排量下的環空循環壓耗，從而能在防漏和壓穩的前提下提高頂替排量，從而提高沖洗效果、隔離效果及水泥漿的頂替效率。

1.5 侯凝時的控壓設計

一級固井水泥漿采用雙凝領尾漿結構，尾漿稠化時間3 h 45 min，領漿稠化時間6 h 10 min，水泥漿在候凝期間會發生失重，失重后環空靜液柱壓力將降低，但此時水泥漿的膠凝強度還不能防止地層氣竄和鹽水侵入[14-15]。領尾漿稠化時間差異大能有效防止水泥漿同時失重導致環空靜液柱壓力大幅下降，但仍不足以平衡地層壓力，還必須施加一定的井口回壓[16]。

頂替結束后要投開孔彈打開分級箍，投開孔彈、開孔彈下行到位、憋壓打開分級箍，整個過程用時約2.5 h，期間尾漿將稠化、失重。水泥漿失重后的靜液柱壓力按半飽和鹽水的密度1.10 g/cm3計算[17]，計算可得尾漿失重后井底最小靜態當量密度為2.043 g/cm3，mb4頂最小靜態當量密度2.177 cm3，不滿足壓穩要求，因此為補償尾漿稠化、失重導致的靜液柱壓力降低，需關防噴器從環空補壓5 MPa，計算井底、mb4頂和?339.73 mm套管鞋處的靜態當量密度（表4），滿足壓穩要求，也低于漏失壓力。

表4 井口環空補壓5 MPa后靜態當量密度變化表

侯凝期間通過關防噴器施加井口回壓控制尾漿失重后的井下當量密度滿足壓穩要求。

2 關鍵技術

2.1 設計軟件的精準模擬和計算

精細動態控壓固井設計軟件Cem SAIDS的核心技術為控壓固井水力學計算模型，通過引入 HB（赫巴） 流變模式，綜合考慮溫度場、居中度、井筒條件、流體類型、流體性能、局部阻力等影響因素，盡可能地模擬井下真實情況，并根據現場實際數據對各類參數進行校核和修正，實現環空動態當量密度的精確計算，為固井設計和現場施工提供指導。

利用軟件計算固井前循環時不同排量下的泵壓，與現場實際泵壓差別不到5%（圖5），驗證了該軟件計算的精確度。

圖5 固井前循環時軟件計算泵壓與實際泵壓對比曲線圖

2.2 減少各類流體間的污染

精細動態控壓固井設計是基于鉆井液和固井液的流體性能的，由于壓力窗口很窄，如果實際作業時流體性能與設計差異大，那么實際的環空壓力也會與設計差異大，也就實現不了精細動態控壓，固井安全與質量難以保證。

為保證實際作業時的流體性能與設計基本一致，需減少各類流體間的污染。

1）優化水泥漿、隔離液、優質鉆井液的壁面剪切應力，提高頂替效率，減少各類流體間的混合

水泥漿、隔離液、優質鉆井液的流變讀數呈臺階遞減，使水泥漿、隔離液、優質泥漿壁面剪切應力遞減10%，從而提高各段流體的頂替效率，減少混合[18]。

水泥漿流變讀數：12/20/151/252/>300/>300

隔離液流變讀數：6/8/40/59/76/128

優質鉆井液流變讀數：2/3/19/32/45/77

2）改善相互接觸的各類流體之間的相容性，提高抗污染能力

若抗污染能力差，鉆井液和固井液受污染后其流體性能（包括流變性能、密度等）會大幅改變，通過實驗室化驗，相互接觸的各類流體之間，包括半飽和鹽水與鉆井液、鉆井液與隔離液、隔離液與沖洗液、沖洗液與水泥漿之間的相容性良好，抗污染能力強（表5）。

表5 相容性試驗數據統計表

3）優化沖洗液性能，提高沖洗效果，減少水泥漿受鉆井液的污染

水泥漿與鉆井液的相容性相對較差，受污染后水泥漿的性能與設計差異較大，因此要盡可能減少鉆井液對水泥漿的污染。雖然漿柱結構設計中水泥漿不與鉆井液直接接觸，但如果附著在井壁上、尤其是不規則井眼處的鉆井液沒有被沖洗干凈，后面還是會污染水泥漿。性能優良的沖洗液有較低的紊流臨界排量，易于形成紊流，提高沖洗效果；且沖洗液內含高分子聚合物，能提高流體拖曳力，利于把附著在井壁上的鉆井液沖走[19]。

4）優化扶正器設計，提高套管居中度，有助于提高頂替效率，減少水泥漿受鉆井液的污染

扶正器的數量和加放位置要考慮3方面因素：①保證套管能順利下入；②因扶正器增加的環空循環壓耗在允許范圍內，；③保證套管居中度。經軟件模擬，并結合本區塊作業經驗，扶正器的加放方案為：井底至以上300 m套管，每隔一根套管加放1個扶正器，前3個扶正器距離套管接箍4 m，用止動環限位，保證井底套管居中度；其余裸眼段每隔兩根套管加1個扶正器。經軟件模擬，扶正器加放后的套管居中度為100%。選用的扶正器為旋流結構半剛性扶正器（圖6），其旋流結構有助于形成紊流，改善流態[20]。通過提高居中度和改善流態，有助于提高隔離液和沖洗液的頂替效率，將鉆井液頂替干凈，減少水泥漿受鉆井液的污染。

圖6 旋流結構套管扶正器照片圖

2.3 現場作業中結合泵壓變化精細調整排量

精細動態控壓固井要求根據各類流體在環空中的位置調整排量，從而控制環空壓力。雖然采取了減少各類流體間混合的措施，但流體間的混合仍難以完全消除，且泥漿泵的實際泵效與理論值可能有差異，將導致各段流體在環空中的實際位置與設計存在偏差，因此若完全根據理論計算的泵沖數來調整排量，將導致實際環空壓力與設計存在偏差，可能引發井漏或溢流，影響頂替效率。比如固井前循環期間，低相對密度的半飽和鹽水返出井口時（此時泵壓會升高）若未及時降排量可能導致井漏；比如頂替水泥漿期間，半飽和鹽水出了管鞋（此時泵壓會下降）若仍未及時提高排量將導致頂替效率低。因此現場作業中實際操作時應密切監控泵壓變化，依據設計結合泵壓變化精細調整排量，以克服因流體混合、泵效等導致的偏差，實現精細動態控壓。

3 應用效果

精細動態控壓固井技術已在M油田得到了推廣，鹽膏層井段固井期間井漏、溢流等井下復雜情況發生頻率從0.5次/井降到了0.06次/井，單井鹽膏層井段固井優良率從不足50%提升到85%以上，近期完成的XX井鹽膏層井段固井優良率達94.2%（圖 7）。

圖7 XX井固井質量評價結果圖

4 結論

1）使用精細動態控壓固井技術可以在提高循環和頂替排量的同時使環空壓力始終保持在安全壓力窗口之內，能提高沖洗效果和頂替效率，從而提高固井質量，并避免井漏、溢流等井下復雜情況，適用于壓力窗口窄、排量受限的鹽膏層井段固井，也適用于其他窄壓力窗口地層固井作業。

2）通過設計環空中的流體類型、流體體積、流體密度和流變性能，設計循環和頂替水泥漿時的排量，設計侯凝時關防噴器施加井口回壓的壓力值，實現精細動態控壓。

3）實現精細動態控壓固井的關鍵技術是設計軟件的精準模擬和計算，現場作業中應減少各類流體間的污染，使流體性能與設計基本一致，并根據實際泵壓變化精細調整排量。

4）精細動態控壓固井技術改進了傳統控壓固井技術，使得設計與實際更吻合，提高了控壓固井的作業效果。