窄压力窗口井段精细控压压力平衡法固井设计方法与应用

2019-04-08郭建华郑有成徐璧华

天然气工业 2019年11期

郭建华郑有成李维李斌袁彬徐璧华

1. 中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2. 中国石油西南油气田公司3. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

0 引言

四川盆地天然气资源丰富，但地质条件极为复杂，纵向上20多套含气层系共存[1-3]。深井超深井多采用尾管完井，钻进过程中通常会钻遇多个压力系统、高压气层以及窄安全窗口地层[4]。这些复杂条件给固井带来了巨大的挑战，尤其是小井眼尾管固井，固井质量难以保证、井控风险高[5-9]。例如，LG70井Ø139.7 mm井眼下入Ø114.3 mm尾管，如果用常规方法固井，为了防止发生井漏必然降低顶替排量从而牺牲顶替效率，而采用“正注反打”技术，固井质量无法保证[6,9]。目前，虽然精细控压钻井技术（MPD）保证了四川盆地深井超深井裸眼段安全有效钻进，但是窄压力窗口地层固井仍是制约这类深层气藏勘探开发的瓶颈[10-13]。因此，开展既能满足四川盆地小间隙尾管固井质量又能保证窄度安全密度窗口地层固井安全的固井工艺技术研究具有重要的现实意义。

1 技术原理

精细控压压力平衡法固井技术（MPC）是在MPD技术基础上提出来的，是MPD技术的延伸和发展。MPC技术是在注水泥设计时将环空流体的静液柱压力设计为略低于地层孔隙压力，然后借用MPD技术的装置，通过节流产生在井口回压或直接在井口施加补偿压力，使固井过程中通过井口压力和环空流动摩阻实现平衡孔隙压力[14-17]，还可以避免循环流动阻力过大而压漏地层。注水泥结束后环空还需继续施加一定的补偿压力，防止水泥浆失重造成候凝期间环空窜流。MPC技术间接增大了安全密度窗口，可以在顶替过程中增大排量，从而提高顶替效率，并达到安全施工并保证固井质量的目的。该技术能有效防止地层流体窜入降低固井质量，并在易漏地层防止漏失。当发生井涌或者漏失的情况下，能够使用MPC系统快速采取措施，简单迅速阻止事态扩大，防止井喷事故发生。

2 设计原理

要实现精细控压压力平衡固井，必须计算出整个注水泥过程中，井口需要补偿的压力大小。井口补偿压力与环空流体静液柱压力以及注水泥顶替过程中产生的流动阻力有关。注水泥顶替结束后，还需要考虑水泥浆失重的影响。精细控压固井作业是一个连续过程，从注水泥顶替到候凝都必须考虑环空压力变化，而且还必须考虑每个时刻环空压力的变化。

2.1 环空压力平衡设计

注水泥设计时，如果按环空流体静液柱压力平衡地层压力设计，那么注水泥顶替过程中产生的较大流动摩阻加上静液柱压力后，在保证顶替效率的情况下可能会压漏地层。因此，采用精细控压平衡法来设计环空浆体密度，使静液柱压力略低于地层孔隙压力，注水泥顶替过程中通过在井口施加补偿压力，外加流体的流动阻力和静液柱压力来平衡地层压力。因此，环空静压力应满足：

式中ph表示环空流体总静液柱压力，MPa；ρsi表示环空各段水泥浆密度，g/cm3；ρfi表示环空各段前置液密度，g/cm3；ρm表示环空钻井液密度，g/cm3；Hsi表示环空各段水泥浆垂直段长，m；Hfi表示环空各段前置液垂直段长，m；Hm表示环空钻井液垂深，m；pa表示控压过程井口补偿平衡压力，MPa；pfa表示注水泥过程环空流动摩阻，MPa；Ggoal表示目标井段地层控制当量密度，g/cm3；ΔGp表示控压过程地层压力附加安全当量密度，g/cm3；Hgoal表示目标位置垂深，m。

2.2 注水泥顶替井口补偿压力计算

精细控压压力平衡固井过程中，要求通过节流施加补偿压力或者直接在井口施加补偿压力，保证目标层位置当量密度达到控制要求。井口补偿压力应满足如下关系：

式中Gfgoal表示目标井段地层漏失压力当量密度，g/cm3；ΔGf表示地层漏失压力附加安全当量密度，g/cm3；ECDgoal表示目标位置实际环空循环当量密度，g/cm3。

2.3 候凝过程井口补偿压力计算

水泥浆在候凝期间会发生失重，失重后环空静液柱压力将降低，但此时水泥浆的胶凝强度还不能防止地层气窜。因此，候凝期间必须在井口施加一定的补偿压力，其补偿压力如下：

式中Δpweightloss表示水泥浆失重压差，MPa。可根据下式获得：

式中ρw表示水的密度，kg/m3；ρc表示水泥浆的密度，kg/m3；τ表示静切力，Pa。

3 关键技术

注水泥期间，井筒内没有压力检测设备，环空动态压力变化只能靠软件根据流体密度、注入排量等参数模拟计算，其计算精度直接影响井口补偿压力大小。因此，准确计算注水泥过程流动摩阻对精细控压固井实施效果影响较大。

3.1 设计软件与模拟分析

精细控压压力平衡法固井设计软件核心技术为动态控压固井水力学计算模型，通过引入HB（赫巴）流变模式，综合考虑温度场、居中度、小间隙、井筒条件、流体类型、局部阻力等影响因素，准确判别小间隙条件下流态，计算雷诺数并修正流动摩阻系数，提出注水泥作业环空流动摩阻计算新方法，实现环空环空动态当量密度的精确计算。

利用建立的流动计算模型，描述注水泥顶替过程中多种非牛顿流体的流动阻力，计算得到的压力与现场施工压力对比（表1）可以看出，其对流动摩阻的计算误差基本能控制在10%以内。

注水泥顶替过程中施工参数（密度、排量）时刻变化，将造成井下压力产生相应波动，要实现精细控压，就必须准确监控注入参数变化。建立考虑施工实时参数下动态注水泥模型是精细控压固井的关键技术。MPC设计软件的关键是计算出设定控压井深位置需要控制的当量密度限制，设计整个裸眼段均满足安全密度窗口的环空浆柱密度、注水泥排量与井口控压曲线，并计算出关注井深在注水泥过程控压前后环空当量密度。为此，研究开发了高精度的固井注水泥计算软件，并与现场高可靠性的数据监测及控制系统结合起来，即可以实现精细控压注水泥作业，图1为软件界面。

3.2 注水泥施工实时监测与自动控制

由于固井施工参数动态变化，如何实时掌握这些变化的参数，就需要配套或者借助现场注水泥实时监测系统。如何建立实时监测系统数据连接方式与平台，也是MPC技术需考重点考虑问题之一，这里设计了现场固井作业时实时监测流程（图2）。依据地层安全窗口确定环空安全当量密度后，如何实现井口压力实时控制是MPC最为关键的技术。这里还设计了实时数据监测与精细动态控制软件结合后，通过连接MPD设备控制井口补偿压力的流程图（图3）。

4 现场应用实例

四川盆地某探井设计目的层为二叠系栖霞组、茅口组，采用五开井身结构，其中四开实钻采用Ø241.3 mm钻头钻至井深7 633 m中完，钻井液密度为1.96 g/cm3，采用Ø177.80 mm＋Ø184.15 mm悬挂尾管封固3 950～7 633 m井段。本次固井裸眼封固段长3 475 m，自上而下依次为三叠系须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组，以及二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组、栖霞组。该井实钻过程油气显示活跃，井漏频发。须家河组、飞仙关组、长兴组、吴家坪组及茅口组钻遇油气显示24段，雷口坡组、长兴组及吴家坪组钻遇4个严重漏失层，并多次复漏，吴家坪组喷漏同存，固井过程防窜防漏矛盾突出。其中，6 354～7 633 m井段地层孔隙压力当量密度1.96 g/cm3，漏失压力当量密度为2.00 g/cm3，固井安全窗口仅0.04 g/cm3，常规固井设计与施工难度极大。笔者通过对常规固井方法和MPC进行了分析比较，优选出适合该井的固井方法。MPC固井需要将钻井液和固井液的密度降低，其浆柱结构设计如表2所示。

表1 固井作业井口压力计算与实际误差对比表

图1 精细控压压力平衡法固井模拟分析与设计软件界面

图2 实时监测现场示意图

图3 实时监测与控压软件一体化结构图

表2 固井浆柱结构及其密度表

笔者对这两种固井方法的注水泥顶替过程进行了模拟，得到了注水泥顶替过程中不同排量下的环空最大ECD分布，如图4所示。

图4 注水泥过程中环空最大ECD分布图

从图4可以看出，采用常规方法固井，当顶替排量为8 L/s时，环空最大ECD在井底达到了漏失压力当量密度；只有当顶替排量增加到6 L/s时，环空最大ECD才远低于漏失压力当量密度。如果采用常规固井方法固井，顶替排量就要控制在8 L/s内，所以必须以小排量顶替。如果顶替排量减小将造成低环空壁面剪切应力，从而导致顶替效率降低。然而，采用MPC法固井，当顶替排量达到21 L/s时，环空最大ECD在井底刚好达到漏失压力当量密度。当顶替排量为20 L/s时，环空最大ECD远小于漏失压力当量密度，在安全密度窗口范围内，完全能够满足安全施工要求。

这里利用壁面剪切应力和顶替效率对MPC固井的排量进行优化。不同顶替排量下的壁面剪切应力和顶替效率如表3所示。从该表可以看出，随着顶替排量增加，壁面剪切应力和顶替效率增加。当顶替排量从18 L/s增加到20 L/s时，壁面剪切应力和顶替效率分别增加了27.78%和13.3%。当顶替排量从20 L/s增加到21 L/s时，壁面剪切应力和顶替效率分别增加了9.34%和0.05%。可以看出以21 L/s的排量顶替，顶替效率增加得很小，但风险却增大了很多，故采用20 L/s的排量进行顶替。采用优选的MPC固井方案对该井实施固井作业，施工过程中井口补偿压力如图5所示。