固井前地层漏失压力动态测试方法

2019-09-25吴天乾李明忠李德红宋文宇李季

石油钻采工艺 2019年3期

吴天乾李明忠李德红宋文宇李季

中石化华北石油工程有限公司技术服务公司

地层承压能力低、漏失严重已成为固井作业保证水泥返高和提高固井质量的瓶颈。为有效解决固井工程中的漏失问题，固井设计考虑的安全窗口由“地层压力-破裂压力”窗口转变为“地层压力-漏失压力”窄窗口，即通过设计合理的浆柱结构和注、替浆工艺，实现油气层的压稳和薄弱地层的防漏。地层压力及异常压力评价可通过声波时差法或实钻dc指数法进行预测或监测，破裂压力评价可借助岩石力学和地层应力参数，通过黄荣樽法等模型预测，或钻井液压试验法实际测量［1］。但目前，国内对漏失压力的确定尚无成熟的理论，其研究基本停留在定性半定量描述阶段。或基于某类漏失机理，或讨论有无泥饼存在，根据岩石力学原理，建立地层漏失压力理论计算模型［2-7］。但造成地层漏失的原因种类多、机理复杂，理论模型适用范围有限，而且其中基础参数测量与处理的准确性有待提高。因此，现场试验测定是获取地层漏失压力最为直接有效的方法。

当作用在薄弱地层上的动液柱压力等于地层漏失压力时，地层开始发生漏失，因此准确计算浆柱的动液柱压力是地层漏失压力评价的关键。笔者以环空和套管内流体力学的原理和方法为基础［8-10］，提出了一种固井前开展地层漏失压力动态测试的方法。通过逐步提高循环排量，增加作用于目标层的动液柱压力，根据循环立压，结合环空和套管的几何特征关系，计算在环空不同井段处动液柱压力分布，从而确定目标层漏失压力，为优化防漏固井设计提供依据和参考。

1 地层漏失压力动态测试流程

下完套管固井前需要循环钻井液，降低钻井液的黏度、切力。钻井液经套管由井底返出进入环空，循环摩阻方向与钻井液流动方向相反，大小与循环排量正相关，如图1所示。钻井液经过充分循环后，出入口钻井液密度、流变性能基本保持一致，此时井口立压pf与套管及环空内循环摩阻pfi、pfo满足关系

式中，pf为井口立压，MPa；pfi为套管内循环摩阻，MPa；pfo为环空内循环摩阻，MPa。

通过逐步提高排量，增大作用在地层上的循环摩阻力，进而对地层漏失压力开展动态测试，具体流程如下。

图1 固井前钻井液循环示意图Fig.1 Circulation of drilling fluid before the cementing

(1)收集基础数据：套管外径、壁厚及套管分段段长，井眼井径及分段段长；结合邻井实钻资料，确定主要漏失层(测试目标层)及其井深。根据固井设计的浆柱结构、流体性能和注替浆排量，计算固井时作用在目标层的最大动液柱压力pcd；

(2)下完套管后缓慢开泵，顶通井内钻井液，小排量循环以充分破坏静切力，防止压力激动；

(3)适当提高循环排量，调整钻井液性能至进、出口基本一致；

(4)逐渐增大循环排量，作用于测试目标层的动液柱压力逐渐增大，测量对比进、出口排量，记录井口立压pf及对应排量；

(5)根据井口立压实时计算作用在目标层的动液柱压力pd，具体计算方法见2.2节；

(6)当出口排量开始小于井口排量，井眼开始发生微漏时停止测试，此时动液柱压力即为目标层漏失压力；或者测试至pf≥pcd仍未发生井漏，停止测试进行固井作业；

(7)若测试目标层的地层承压能力pf≤pcd，通过采取调整浆柱结构、优化固井液密度与流变性和优化注替浆排量的措施，降低pcd使其满足pf≥pcd(如图2中①所示)，或采取循环堵漏措施，提高pd满足pf≥pcd(如图2中②所示)。

2 循环摩阻及地层漏失计算

2.1 循环摩阻计算

为便于理论研究，做出如下假设：(1)环空畅通，不存在明显憋堵井段；(2)考虑钻井液的屈服特性和触变性，钻井液满足宾汉流变模式［11］；(3)充分循环后，井内钻井液性能基本一致；(4)套管串上的浮箍及浮鞋水眼直径较大，节流效应较小，井口立压主要是套管、环空的循环摩阻叠加。

图2 地层漏失压力动态测试流程Fig.2 Dynamic test process of formation leakage pressure

固井前循环钻井液，经过充分降黏切，并逐步提高排量，钻井液在环空内的流态变为紊流。一般井眼内径Dw、套管外径De之比大于0.3，为窄环空间隙，因此采用窄缝近似法计算宾汉流体的环空流动特性。pfi和pfo可通过式(2)、(3)计算［12］：

在套管内的钻井液速度及雷诺数见式(4)、(5)，在环空内的钻井液速度及雷诺数见式(6)、(7)。

套管和环空内的摩阻系数f为

式中，Q为循环排量，m3/s；V为钻井液在套管或环空内的平均流速，m/s；Di为套管内径，m；ρ为钻井液密度，kg/m3；μp为钻井液塑性黏度，Pa · s；Dw为井眼内径，m；De为套管外径，m；Re为套管或环空内流体雷诺数；L为套管或环空段长，m；f为套管或环空的摩阻系数；KRe和KΔp/L均为常数，使用SI单位制时取1；A、B为与宾汉流体赫兹数相关常数，A=0.205 21，B=0.355 79。

钻井液经过充分循环后，井内各段钻井液密度、流变性能基本一致；套管与环空之间不存在“U”型管效应，即出入口排量相等。由公式(2)～(8)分析可得，在套管或环空各段之间循环摩阻差异由几何特征(环空间隙宽度、套管内径、段长)确定。

2.2 地层漏失压力计算

采用动态测试法确定地层漏失压力的关键是定量计算作用于目标层的动液柱压力。井口立压表征井内钻井液在不同排量时的循环摩阻，基于套管与环空的几何特征比例，量化井口立压在不同井段的百分比，得到各井段产生的循环摩阻，进而计算作用于目标层的动液柱压力。定义井深Lw、井眼平均直径环空内的循环摩阻为参考变量pfw。仅当井径、套管外径随井深增加而不变时，环空总循环摩阻等于pfw。

钻井液在井径Dj、段长Lj环空内的速度Vj与在井径、段长Lw环空内的速度的关系为

钻井液在井径Dj、段长Lj环空内的雷诺数Rej与在井径、段长Lw环空内的速度Rew的关系为

钻井液在井径Dj、段长Lj环空内摩阻系数fj与在井径、段长Lw环空内的摩阻系数fw的关系为

钻井液在井径Dj、段长Lj环空内的摩阻pfj与pfw的关系为

同理，钻井液在内径Dk、段长Lk的套管内的摩阻pfk与pfw的关系为

因此，钻井液循环时的井口压力pf满足：

式中，为井眼平均直径，m；为环空内钻井液平均速度，m/s；Dj为某井段井眼直径，m；Lj为对应Dj的井段长度，m；j为环空内由井口至井底的依次编号，j=1，2，···，n；Lw为井深，m；Aj和Ak为无量纲参数，与套管与环空的几何特征有关；k为按照套管内径大小由井口至井底的依次编号，k=1，2，···，m。

固井前钻井液大排量循环，由井口立压表读取pf，Aj和Ak可通过式(13)和(14)由环空和套管尺寸参数计算，通过式(15)计算参考变量pfw，由式(13)和(14)分别计算环空与套管内的各段循环摩阻Pfj与Pfk。对目标层以上各环空井段所形成的循环摩阻叠加，见式(16)，进而得到作用于目标层的动液柱压力。根据测试流程，确定目标层的地层漏失压力，从而为防漏固井设计优化与施工方案调整提供数据支撑。

式中，pd为作用于目标层动液柱压力，MPa；n0为目标层所在的井段编号；pfn0为n0段环空形成的循环摩阻；Ln0为第n0段环空段长，m；Hwn0为目标层所在井深，m。

在固井施工前钻井液性能调整及井眼清洁过程中，首先顶通井内钻井液，然后循环排量逐渐由低到高。压力测试即在该阶段完成，未增加额外的生产时间或形成额外的工作量，测试方法简单，现场便于操作。通过实验方法定量评价，得到的结果更为准确。

3 计算实例

以鄂尔多斯盆地大牛地气田某井二开技术套管固井为例。井身结构：一开Ø311.2 mm钻头钻至405 m，Ø244.5 mm(壁厚8.94 mm)套管下深404.82 m；二开Ø222.3 mm钻头钻至 3 125 m，Ø177.8 mm(壁厚 8.05 mm)套管×(0～1 900 m)+Ø177.8 mm(壁厚9.19 mm)×(1 900～3 125 m)。环空井段 405～2 225 m井径 231.80 mm，2 225～3 125 m井径 232.60 mm。钻井液性能：密度1.25 g/cm3，动切力8 Pa，塑性黏度16 mPa · s。固井前开展地层承压能力动态测试，测试至循环排量22.4 L/s未发生井漏，井口压力达到5 MPa。

借助2.2节方法，计算环空不同井段承受的动液柱压力，如表1所示。环空分3段、套管分2段；环空平均井径231.26 mm，在该井径、井深3 125 m条件下计算的环空参考摩阻pfw为4.24 MPa。计算的环空和套管内的总摩阻分别为4.277 MPa和0.723 MPa。

表1 由井口压力计算的环空不同层位的摩阻Table 1 Annulus friction at different horizons calculated on the basis of wellhead pressure

该井易漏失地层刘家沟组井深2 134 m，则作用在刘家沟组上的循环摩阻为

作用在刘家沟组上的动液柱当量密度为

即刘家沟组的地层承压能力不小于1.394 g/cm3。

该井技术套管固井采用三凝水泥浆体系，领浆密度1.260 g/cm3，封固0～2 250 m井段，过渡浆密度1.75 g/cm3，封固2 250～2 500 m井段，尾浆密度1.88 g/cm3，封固 2 500～2 925 m，注浆排量 1.0～1.4 m3/min，U型管效应阶段替浆排量1.5 m3/min，U型管效应结束后替浆排量0.3 m3/min。模拟计算作用于刘家沟组的最大动液柱压力1.343 g/cm3，小于其地层漏失压力，满足固井防漏需要。现场施工时水泥浆返至井口，未发生井漏。