控压固井候凝阶段井口回压控制方法研究与应用

纪 经，冯颖韬，王有伟，张 浩，崔 策，黄 峰，袁 彬

（1.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部海南作业公司，广东湛江 524051；2.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201；3.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500）

随着国家经济建设的不断发展，油气资源需求量与日俱增，为提高油气产量，油气勘探开发向地质条件更加复杂的深层超深层迈进，使固井面临越来越多的技术挑战[1-2]。深层超深井经常会钻遇窄安全压力窗口地层，固井时由于水泥浆密度大于钻井液密度，水泥浆摩阻大，在注替过程中极易引发井漏[3]。为了解决该问题，相关学者基于控压钻井原理提出了控压固井技术[4-6]。控压固井通过主动降低钻井液密度来降低环空静液柱压力以此增大安全施工窗口，然后利用控压钻井装备施加井口回压将井筒压力控制在安全压力窗口范围内[7]。间接增大安全施工窗口，提高顶替排量，从而提高注水泥浆顶替效率。控压固井的候凝阶段，由于水泥浆水化体积收缩以及水泥浆胶凝悬挂，导致静液柱压力下降，如果压力补偿不够或不及时，就会出现气侵和溢流等危险[8]。目前，候凝过程压力补偿主要是基于经验的分段式补压，该方法没有将压力补偿值与静液柱压力减少值准确对应，导致误差较大有可能超过安全窗口[9]。因此，需要针对水泥浆候凝阶段的静液柱压力变化规律建立更为准确的井底压力控制模型和方法。根据水泥浆水化体积收缩及胶凝悬挂效应，建立了候凝环空压力控制模型。并在此基础上，提出了水泥浆候凝过程中井口回压控制方法。

1 静液柱压降分析

水泥浆候凝期间，由于静液柱压力降低，容易发生气侵和气窜。目前有很多理论来解释静液柱压力降低，被广泛接受的理论是体积收缩失重及胶凝悬挂失重。

1.1 体积收缩失重

控压固井水泥浆候凝阶段，由于水化反应和失水，水泥浆体积减小。井壁与套管的外表面构成一个封闭的液压系统。根据闭式液压系统液相体积收缩导致系统压力降低的原理，失水和水化体积收缩导致的水泥浆有效静液柱压力下降，压降可表示为[10]：

式中：ΔPShr（h，t ）-静液柱压降，MPa；ΔV（h，t ）-体积收缩量，m3；Va-环空体积，m3；Ccem-水泥压缩系数，MPa-1，2.85×10-5。

1.2 胶凝悬挂失重

水泥浆开始候凝后会迅速形成具有强度的空间网格结构，并覆盖在地层岩石表面和套管表面。胶凝强度越大，网架结构的悬挂能力越强，水泥浆的悬浮量越大，静液柱压力就越小。因此，水泥浆的静胶凝强度随着其候凝时间而增大，水泥浆的有效静液柱压力不断减小。根据经典剪切应力方程，胶凝悬挂压降的压降量可表示为[11]：

式中：ΔPg（h，t ）-由于胶凝悬挂失重造成的压降，Pa；Do-套管外径，m；DW-井眼直径，m；τget-胶凝强度，Pa；γ-剪切速率，s-1。

2 井口回压控制模型

2.1 体积收缩压降

2.1.1 水化体积收缩模型 根据水泥水化模型[12]，结合水泥熟料水化程度的参数可以计算出水泥浆体的水化收缩体积：

式中：αt-水泥浆水化程度；v（t） -化学收缩率，cm3/cm3。

2.1.2 失水导致的压力降低 水泥浆在候凝过程中发生了失水。根据水泥浆失水动力学机理模型和达西流动定律，失水导致的压力降低可表示为：

式中：φ（t ）-失水速率，cm3（/cm2·min·MPa）；ΔP-平衡压力，MPa；Pinit-水泥浆柱初始平均静液柱压力，MPa；Pp-地层平均孔隙压力，MPa；ΔPloss-失水压降，MPa。

2.1.3 体积收缩压降 将式（4）代入式（1），则体积收缩导致的压降为：

2.2 胶凝悬挂压降

当水泥浆停止流动时，水泥浆将从液体状态变为胶凝态。水泥浆的静胶凝强度继续发展，从而产生悬挂作用。水泥浆的静胶凝强度取决于候凝时间。根据曹成章[13]的研究成果，采用指数模型描述静胶凝强度的发展，其表达式为：

式中：t-候凝时间，min；τ0，A，B，C-通过实验测得的参数。

2.3 井口回压控制

控压固井作业的水泥浆候凝过程中，井筒压力由静流体压力（通常由钻井液Pm、冲洗液Pw、隔离液Psp、水泥浆Pc和井口回压Pwb）构成，为防止气窜，井筒压力必须大于或等于地层孔隙压力Po，同时考虑水泥浆体积收缩及胶凝悬挂作用，井口回压控制范围为：

式中：；Pwb（h，t ）-井口回压，MPa；h-井深，m；ρc-流体密度，kg/m3；Po-地层孔隙压力，MPa；Pb-破裂压力，MPa；g-重力加速度，m/s2。

3 候凝过程井口回压控制方法

为避免窄安全压力窗口候凝过程中的气窜风险，提出了井口回压控制方法。首先，确定井筒安全压力窗口（孔隙压力与破裂压力之间）。其次，当注水泥浆结束时，确保井筒压力在安全压力窗口内；同时，用建立的模型计算环空实时压力。如果井筒压力不在安全压力范围内，则通过控压钻井设备调节井口回压，如果井筒压力在安全压力范围内，则保持井口回压。当静胶凝强度大于250 Pa 时，井口停止施加回压。

4 应用

某口探井采用回压控制模型和方法进行实例应用，该井使用直径为171.45 mm 的钻头钻开至7 793 m的深度，然后将直径为139.7、101.3 mm 的套管柱下入目标地层。在钻井过程中，遇到了4 个漏失地层和10 个油气显示地层，该地层的安全密度窗口为2.08～2.12 g/cm3。顶替结束时，环空流体的密度和长度见表1。在固井结束时，施加4.5 MPa 井口回压以平衡地层孔隙压力。候凝过程中的常规方法是施加9.5 MPa 的井口回压，并保持48 h。在优化方法中，井口回压根据静液柱压力变化（图1）。

图1 候凝期间井口回压

表1 环空流体的密度和长度

图1 表明，常规方法采用最大井口回压而不是根据静液柱压力下降进行压力补偿。优化方法在初始阶段井口回压较小，然后逐渐增大。这样可以避免如果在水泥浆中加入膨胀剂，当膨胀剂起作用时，井筒压力可能高于破裂压力，从而导致漏失。因此，优化模型和方法可以避免因井口回压为定值而静液柱压力变化而导致的漏失风险。

5 结论

（1）考虑控压固井过程水泥浆候凝阶段水化体积收缩和胶凝悬挂效应，建立了控压固井井口回压控制模型，该模型能够根据井筒静液柱压力变化实时进行井口回压补偿，使井筒压力始终处于安全压力窗口内。

（2）根据控压固井井口回压控制模型提出了候凝期间控制井口回压方法，该方法通过控压固井设备将环空压力维持在安全压力窗口内，避免窄安全压力窗口井候凝阶段压漏地层或气窜的风险。