楊鴻波 陳國(guó)軍 張國(guó)光 劉 欣 劉 剛

1.中海油服中東公司 2.中海油服鉆井事業(yè)部 3.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部

0 引言

鹽膏層固井是鉆井行業(yè)的世界性難題[1]。M油田L(fēng)ower 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(fēng)險(xiǎn)大，固井作業(yè)難度高[2]，以往采用常規(guī)方法固井，固井期間井漏、溢流頻發(fā)，井下復(fù)雜情況發(fā)生頻率0.5次/井，為了防止發(fā)生井漏必須降低頂替排量，從而犧牲了頂替效率，導(dǎo)致固井質(zhì)量差，單井鹽膏層井段固井優(yōu)良率不足50%。

控壓固井技術(shù)（Managed Pressure Cementing）適用于窄壓力窗口的固井作業(yè)，主要是通過(guò)壓穩(wěn)計(jì)算，設(shè)計(jì)出各類流體的性能和體積，在固井前循環(huán)、注固井液（前置液、水泥漿等）、替鉆井液等固井過(guò)程中，調(diào)節(jié)排量，調(diào)節(jié)環(huán)空循環(huán)壓耗，侯凝時(shí)調(diào)節(jié)井口回壓，從而調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，全過(guò)程控制環(huán)空當(dāng)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(wěn)而不漏的狀態(tài)下安全完成整個(gè)固井施工作業(yè)[3-5]。

傳統(tǒng)的控壓固井技術(shù)理論上能滿足作業(yè)要求，但還不夠精細(xì)、與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際不夠貼切，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①?zèng)]有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行校核與修正，設(shè)計(jì)軟件模擬準(zhǔn)確度和精度不夠；②雖然設(shè)計(jì)了各類流體的性能和體積，但對(duì)各類流體間的污染考慮得較少，也沒(méi)有采取有效的措施防止流體間的污染；③雖然設(shè)計(jì)了泵排量，但實(shí)際作業(yè)時(shí)沒(méi)有結(jié)合泵壓變化精細(xì)調(diào)整排量。以上原因?qū)е驴貕汗叹O(shè)計(jì)與實(shí)際作業(yè)存在較大偏差，影響了控壓固井的作業(yè)效果。

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)控壓固井技術(shù)，使得設(shè)計(jì)與實(shí)際更吻合，控壓更精準(zhǔn)。使用精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)可以使井下環(huán)空壓力始終保持在安全壓力窗口之內(nèi)，避免井漏、溢流等井下復(fù)雜情況，同時(shí)，因降低了環(huán)空中的靜液柱壓力和同等排量下的循環(huán)壓耗，為提高循環(huán)和頂替排量創(chuàng)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(zhì)量[6-8]。精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)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(fù)雜情況降到了0.06次/井，單井鹽膏層井段固井優(yōu)良率提升到了平均85%以上。

1 控壓設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

不考慮波動(dòng)壓力時(shí)，根據(jù)水力學(xué)原理，環(huán)空壓力＝靜液柱壓力+環(huán)空循環(huán)壓耗+井口回壓，通過(guò)調(diào)節(jié)靜液柱壓力、環(huán)空循環(huán)壓耗和井口回壓，可控制環(huán)空壓力[9-10]。

循環(huán)時(shí)通過(guò)調(diào)整靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓耗來(lái)控制環(huán)空壓力，不循環(huán)時(shí)可通過(guò)關(guān)防噴器來(lái)提供井口回壓。

靜液柱壓力的計(jì)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(huán)空中的垂直高度，m；ρi表示該段流體的密度，g/cm3。

根據(jù)公式（1），可通過(guò)調(diào)整流體結(jié)構(gòu)（各段液體的密度及其在環(huán)空中的高度）來(lái)調(diào)整靜液柱壓力。

根據(jù)排量計(jì)算環(huán)空返速，公式如下：

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

根據(jù)流體力學(xué)[11]，層流紊流臨界環(huán)空返速計(jì)算公式如下：

式中vac表示層流紊流臨界環(huán)空返速，m/s；n表示流性指數(shù)，無(wú)量綱；K表示稠度指數(shù)，N sn/cm2。

若va≤vac，則流體在環(huán)空中形成層流，層流環(huán)空循環(huán)壓耗計(jì)算公式如下：

式中Δpc表示環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；L表示計(jì)算井段長(zhǎng)度，m。

若va＞vac，則流體在環(huán)空中形成紊流，紊流環(huán)空循環(huán)壓耗計(jì)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(jù)公式（4）、（5），可通過(guò)調(diào)節(jié)排量和流體性能（密度、流變性能）來(lái)控制環(huán)空循環(huán)壓耗。

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井作業(yè)是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，從固井前循環(huán)，到注水泥頂替，到候凝都必須考慮環(huán)空壓力變化[12]。

1.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

?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(shù)n=0.43，稠度指數(shù)K=1.43 N sn/cm2，通過(guò)下?244.48 mm套管封固，采用雙級(jí)固井方式，分級(jí)箍位于?244.48 mm）套管與?339.73 mm套管重疊段，一級(jí)固井封固鹽膏層段，一級(jí)固井采用領(lǐng)尾漿雙凝漿柱結(jié)構(gòu)，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(lǐng)漿封固mb4頂返至分級(jí)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(huán)時(shí)的控壓設(shè)計(jì)

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

根據(jù)公式（3），計(jì)算鉆井液在?244.48 mm套管與?311.15 mm井眼的環(huán)空中的層流紊流臨界環(huán)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(huán)空能形成紊流。

通過(guò)Cem SAIDS固井軟件模擬，可計(jì)算出不同鉆井液密度、不同排量下的井底當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）（表1），井內(nèi)鉆井液密度2.280 g/cm3，為防止井漏，最大排量不能超過(guò)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(shù)據(jù)表

為降低ECD，設(shè)計(jì)泵入5 m3密度為1.10 g/cm3的半飽和鹽水，半飽和鹽水在環(huán)空時(shí)，靜液柱壓力將下降，計(jì)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(huán)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(jì)算可得半飽和鹽水在環(huán)空時(shí)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(huán)空循環(huán)壓耗，排量得以提高。

通過(guò)軟件模擬，可計(jì)算出半飽和鹽水在環(huán)空時(shí)排量2 400 L/min對(duì)應(yīng)的井底ECD為2.388 g/cm3，低于漏失壓力，2 400 L/min的排量時(shí)鉆井液能形成紊流，提高清潔效果。

當(dāng)然也不能為了追求高排量而泵入過(guò)多的低比重的半飽和鹽水，還要考慮“壓穩(wěn)”問(wèn)題，泵入5 m3密度為1.10 g/cm3的半飽和鹽水后，井底靜態(tài)當(dāng)量密度為2.212～2.216 g/cm3，短時(shí)停泵期間能壓穩(wěn)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(shè)計(jì)好每段鹽水泵入后的頂替量，以保證沒(méi)有兩段鹽水同時(shí)在環(huán)空，以防靜液柱壓力下降過(guò)多導(dǎo)致壓不穩(wěn)。

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

1.4 頂替水泥漿時(shí)的控壓設(shè)計(jì)

固井液漿柱結(jié)構(gòu)為：優(yōu)質(zhì)鉆井液+隔離液+半飽和鹽水+沖洗液+水泥漿領(lǐng)漿+水泥漿尾漿（表2）：

表2 固井液漿柱結(jié)構(gòu)一覽表

優(yōu)質(zhì)鉆井液的黏切比井內(nèi)原鉆井液低（表3），同等排量時(shí)環(huán)空循環(huán)壓耗更低。根據(jù)公式（3），計(jì)算優(yōu)質(zhì)鉆井液在?244.48 mm套管與?311.15 mm井眼的環(huán)空中的層流紊流臨界環(huán)空返速vac=1.14 m/s。

代入公式（2）可得，排量2 000 L/min時(shí)優(yōu)質(zhì)鉆井液在環(huán)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(yōu)質(zhì)鉆井液更易形成紊流，利于提高清潔環(huán)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(shí)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(gè)頂替過(guò)程中，優(yōu)質(zhì)鉆井液、隔離液和沖洗液都在環(huán)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(jù)軟件模擬，沖洗液在整個(gè)一級(jí)固井井段的紊流接觸時(shí)間都超過(guò)10min，沖洗效果好，水泥漿的頂替效率達(dá)到100%（圖3）。

根據(jù)軟件模擬計(jì)算，頂替過(guò)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(jié)束后，停泵時(shí)井底靜態(tài)當(dāng)量密度2.204 g/cm3，滿足壓穩(wěn)需求。

通過(guò)設(shè)計(jì)各段流體的密度、流變性能和體積，降低了環(huán)空靜液柱壓力，降低了同等排量下的環(huán)空循環(huán)壓耗，從而能在防漏和壓穩(wěn)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(shí)的控壓設(shè)計(jì)

一級(jí)固井水泥漿采用雙凝領(lǐng)尾漿結(jié)構(gòu)，尾漿稠化時(shí)間3 h 45 min，領(lǐng)漿稠化時(shí)間6 h 10 min，水泥漿在候凝期間會(huì)發(fā)生失重，失重后環(huán)空靜液柱壓力將降低，但此時(shí)水泥漿的膠凝強(qiáng)度還不能防止地層氣竄和鹽水侵入[14-15]。領(lǐng)尾漿稠化時(shí)間差異大能有效防止水泥漿同時(shí)失重導(dǎo)致環(huán)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(jié)束后要投開孔彈打開分級(jí)箍，投開孔彈、開孔彈下行到位、憋壓打開分級(jí)箍，整個(gè)過(guò)程用時(shí)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(jì)算[17]，計(jì)算可得尾漿失重后井底最小靜態(tài)當(dāng)量密度為2.043 g/cm3，mb4頂最小靜態(tài)當(dāng)量密度2.177 cm3，不滿足壓穩(wěn)要求，因此為補(bǔ)償尾漿稠化、失重導(dǎo)致的靜液柱壓力降低，需關(guān)防噴器從環(huán)空補(bǔ)壓5 MPa，計(jì)算井底、mb4頂和?339.73 mm套管鞋處的靜態(tài)當(dāng)量密度（表4），滿足壓穩(wěn)要求，也低于漏失壓力。

表4 井口環(huán)空補(bǔ)壓5 MPa后靜態(tài)當(dāng)量密度變化表

侯凝期間通過(guò)關(guān)防噴器施加井口回壓控制尾漿失重后的井下當(dāng)量密度滿足壓穩(wěn)要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)軟件的精準(zhǔn)模擬和計(jì)算

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井設(shè)計(jì)軟件Cem SAIDS的核心技術(shù)為控壓固井水力學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)引入 HB（赫巴） 流變模式，綜合考慮溫度場(chǎng)、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(shí)情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行校核和修正，實(shí)現(xiàn)環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度的精確計(jì)算，為固井設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

利用軟件計(jì)算固井前循環(huán)時(shí)不同排量下的泵壓，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泵壓差別不到5%（圖5），驗(yàn)證了該軟件計(jì)算的精確度。

圖5 固井前循環(huán)時(shí)軟件計(jì)算泵壓與實(shí)際泵壓對(duì)比曲線圖

2.2 減少各類流體間的污染

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井設(shè)計(jì)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(shí)際作業(yè)時(shí)流體性能與設(shè)計(jì)差異大，那么實(shí)際的環(huán)空壓力也會(huì)與設(shè)計(jì)差異大，也就實(shí)現(xiàn)不了精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓，固井安全與質(zhì)量難以保證。

為保證實(shí)際作業(yè)時(shí)的流體性能與設(shè)計(jì)基本一致，需減少各類流體間的污染。

1）優(yōu)化水泥漿、隔離液、優(yōu)質(zhì)鉆井液的壁面剪切應(yīng)力，提高頂替效率，減少各類流體間的混合

水泥漿、隔離液、優(yōu)質(zhì)鉆井液的流變讀數(shù)呈臺(tái)階遞減，使水泥漿、隔離液、優(yōu)質(zhì)泥漿壁面剪切應(yīng)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(shù)：12/20/151/252/>300/>300

隔離液流變讀數(shù)：6/8/40/59/76/128

優(yōu)質(zhì)鉆井液流變讀數(shù)：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(huì)大幅改變，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，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(qiáng)（表5）。

表5 相容性試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3）優(yōu)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(duì)較差，受污染后水泥漿的性能與設(shè)計(jì)差異較大，因此要盡可能減少鉆井液對(duì)水泥漿的污染。雖然漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guī)則井眼處的鉆井液沒(méi)有被沖洗干凈，后面還是會(huì)污染水泥漿。性能優(yōu)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(nèi)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(yōu)化扶正器設(shè)計(jì)，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(shù)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(huán)空循環(huán)壓耗在允許范圍內(nèi)，；③保證套管居中度。經(jīng)軟件模擬，并結(jié)合本區(qū)塊作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，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(gè)扶正器，前3個(gè)扶正器距離套管接箍4 m，用止動(dòng)環(huán)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(gè)扶正器。經(jīng)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(jié)構(gòu)半剛性扶正器（圖6），其旋流結(jié)構(gòu)有助于形成紊流，改善流態(tài)[20]。通過(guò)提高居中度和改善流態(tài)，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(jié)構(gòu)套管扶正器照片圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中結(jié)合泵壓變化精細(xì)調(diào)整排量

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井要求根據(jù)各類流體在環(huán)空中的位置調(diào)整排量，從而控制環(huán)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(shí)際泵效與理論值可能有差異，將導(dǎo)致各段流體在環(huán)空中的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)存在偏差，因此若完全根據(jù)理論計(jì)算的泵沖數(shù)來(lái)調(diào)整排量，將導(dǎo)致實(shí)際環(huán)空壓力與設(shè)計(jì)存在偏差，可能引發(fā)井漏或溢流，影響頂替效率。比如固井前循環(huán)期間，低相對(duì)密度的半飽和鹽水返出井口時(shí)（此時(shí)泵壓會(huì)升高）若未及時(shí)降排量可能導(dǎo)致井漏；比如頂替水泥漿期間，半飽和鹽水出了管鞋（此時(shí)泵壓會(huì)下降）若仍未及時(shí)提高排量將導(dǎo)致頂替效率低。因此現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中實(shí)際操作時(shí)應(yīng)密切監(jiān)控泵壓變化，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)合泵壓變化精細(xì)調(diào)整排量，以克服因流體混合、泵效等導(dǎo)致的偏差，實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓。

3 應(yīng)用效果

精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)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(fù)雜情況發(fā)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(yōu)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(yōu)良率達(dá)94.2%（圖 7）。

圖7 XX井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果圖

4 結(jié)論

1）使用精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)可以在提高循環(huán)和頂替排量的同時(shí)使環(huán)空壓力始終保持在安全壓力窗口之內(nèi)，能提高沖洗效果和頂替效率，從而提高固井質(zhì)量，并避免井漏、溢流等井下復(fù)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(yè)。

2）通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)空中的流體類型、流體體積、流體密度和流變性能，設(shè)計(jì)循環(huán)和頂替水泥漿時(shí)的排量，設(shè)計(jì)侯凝時(shí)關(guān)防噴器施加井口回壓的壓力值，實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓。

3）實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)軟件的精準(zhǔn)模擬和計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中應(yīng)減少各類流體間的污染，使流體性能與設(shè)計(jì)基本一致，并根據(jù)實(shí)際泵壓變化精細(xì)調(diào)整排量。

4）精細(xì)動(dòng)態(tài)控壓固井技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)控壓固井技術(shù)，使得設(shè)計(jì)與實(shí)際更吻合，提高了控壓固井的作業(yè)效果。