蘭焜翔， 張興國(guó)， 艾正青， 袁中濤， 徐力群， 劉忠飛

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2. 中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒 841000）

塔里木盆地庫(kù)車山前構(gòu)造帶蘊(yùn)藏了塔里木油田60%以上的天然氣，是塔里木油田天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力氣區(qū)[1]。但由于氣層埋藏超深（6 000～8 000 m）、井筒溫度超高（井底靜止溫度130～180 ℃）、井內(nèi)壓力超高（鉆井液密度超過(guò)2.55 kg/L）且安全密度窗口窄，四開、五開固井下套管期間經(jīng)常發(fā)生漏失，從而嚴(yán)重影響固井施工和固井質(zhì)量[2-3]。

目前，固井下套管時(shí)的激動(dòng)壓力基于全剪切速率下測(cè)得的流變參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而鉆井液的流變特性隨剪切速率變化而變化。但窄安全密度窗口井下套管和鉆井液上返的速度慢，鉆井液上返時(shí)的剪切速率達(dá)不到旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的最高剪切速率1 021.40 s-1。在此情況下，低剪切速率（1.70～340.50 s-1）下的流變參數(shù)與全剪切速率（1.70～1 021.40 s-1）下的流變參數(shù)差異較大，導(dǎo)致低剪切速率時(shí)下套管的激動(dòng)壓力與全剪切速率時(shí)下套管的激動(dòng)壓力存在較大差異[4-5]。

為此，利用測(cè)試得到的庫(kù)車山前超深天然氣井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)空鉆井液的流變性數(shù)據(jù)，擬合了鉆井液低剪切和全剪切速率下的流變參數(shù)，分析了二者及所對(duì)應(yīng)下套管激動(dòng)壓力的差異，發(fā)現(xiàn)低剪切速率下的流變特性對(duì)庫(kù)車山前固井下套管激動(dòng)壓力有較大影響[6-8]。由此可知，針對(duì)庫(kù)車山前及類似區(qū)塊窄安全密度窗口的超深天然氣井，應(yīng)根據(jù)鉆井液低剪切速率下的流變參數(shù)分析下套管激動(dòng)壓力，為合理設(shè)計(jì)套管下入速度、降低下套管時(shí)的漏失量提供參考。該研究也進(jìn)一步豐富了對(duì)流體流變性的認(rèn)識(shí)。

1 地層特點(diǎn)及固井技術(shù)難點(diǎn)

塔里木盆地庫(kù)車山前構(gòu)造帶超深天然氣井常采用“五開五完”井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一至第三層套管封固鹽頂及鹽上地層，第四層采用尾管封固鹽膏層，第五層采用尾管封固目的層。

圖1 庫(kù)車山前常用的“五開五完”井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Commonly used "five-section and five-completion"casing program in Kuqa Piedmont

庫(kù)車山前復(fù)合鹽巖層以膏鹽巖、白云巖、膏泥巖為主，夾薄砂巖、軟泥巖，具有塑性流動(dòng)、非均質(zhì)、含鹽泥巖易垮塌等地質(zhì)特征，顯著特點(diǎn)是高壓鹽水層發(fā)育、鹽水層壓力系數(shù)高。由于受沉積和塑性流動(dòng)的影響，鹽膏層分布的深度、厚度在縱向上差異很大，鉆井揭示厚度從幾十米至幾千米不等，最厚超過(guò)3 000 m，埋深最大超過(guò)7 300 m[9-10]。

四開鹽膏層井段，通常具有在同一裸眼段高壓鹽水層與漏失層同層、深部井段安全密度窗口窄、地層傾角大、防斜困難等特點(diǎn)，同時(shí)面臨著環(huán)空間隙?。?1～19 mm）、套管容易偏心（無(wú)扶正器）、超高密度油基鉆井液濾餅影響膠結(jié)質(zhì)量等固井技術(shù)難點(diǎn)[11-12]，導(dǎo)致防漏和壓穩(wěn)矛盾突出。

針對(duì)庫(kù)車山前超深天然氣井的固井技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)低返速固井配套工藝，準(zhǔn)確掌握四開、五開井段的承壓能力，再準(zhǔn)確掌握低返速固井過(guò)程中的流體流變特性，并據(jù)此精確控制下套管時(shí)的激動(dòng)壓力，合理設(shè)計(jì)套管下入速度，降低庫(kù)車山前超深天然氣井四開、五開尾管固井下套管時(shí)的漏失量。

2 流變參數(shù)計(jì)算及分析

2.1 環(huán)空鉆井液流變性測(cè)試數(shù)據(jù)

在溫度60～150 ℃、壓力30～70 MPa條件下，利用7 600型超高溫高壓流變儀（相較于常規(guī)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，該儀器的低剪切速率范圍更廣，更有利于分析低剪切速率下鉆井液的流變性能），測(cè)試了庫(kù)車山前鹽膏層段現(xiàn)場(chǎng)環(huán)空超高密度（2.42 kg/L）油基鉆井液的流變性數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

2.2 赫-巴模式全剪切流變參數(shù)

赫-巴模式集冪律模式和賓漢模式的特點(diǎn)于一體，能較好地反映鉆井液的流變性、描述鉆井液在不同剪切速率下的流變行為，用其擬合鉆井液的流變特性更為合適[13-15]。

圖2和表2分別為赫-巴模式全剪切速率下鉆井液的流變性擬合曲線和流變參數(shù)擬合結(jié)果。由圖2和表2可知，油基鉆井液在各溫度、壓力條件下的擬合優(yōu)度R2都很高，均接近0.999，證明赫-巴模式適合描述庫(kù)車山前環(huán)空油基鉆井液的流變性。

表1 環(huán)空鉆井液流變性測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Rheological test data of drilling fluids in annular space

注：①“/”前面的數(shù)據(jù)為溫度，℃；“/”后面的數(shù)據(jù)為壓力，MPa。

圖2 赫-巴模式全剪切速率下的鉆井液流變性擬合曲線Fig. 2 Fitting curve for rheological parameters of drilling fluids at full shear rates in Herschel-Bulkley model

表2 赫-巴模式全剪切速率下的鉆井液流變參數(shù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of rheological parameters of drilling fluids at full shear rates in Herschel-Bulkley model

2.3 下套管時(shí)實(shí)際鉆井液的剪切速率

下套管時(shí)，為防止壓漏薄弱地層，套管下放速度慢，環(huán)空鉆井液剪切速率低，未必能達(dá)到全剪切速率最高值1 021.40 s-1。

根據(jù)下套管工藝，將套管視為堵口管，計(jì)算了下套管過(guò)程中環(huán)空鉆井液上返時(shí)的剪切速率。套管在井眼內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使環(huán)空鉆井液產(chǎn)生2種流速：套管柱頂替力引起的鉆井液上返流速v1和套管柱黏附力引起的鉆井液上返流速v2。v1的表達(dá)式為：

式中：vp為套管下入速度，m/s；Di為井眼直徑或上層套管內(nèi)徑，mm；Do為套管或送入鉆桿外徑，mm。

為了求得v2，J.A.Burkhardt[16]利用窄槽流動(dòng)代替環(huán)空流動(dòng)，提出了v2與套管下入速度vp間的關(guān)系式：

式中，Kc為鉆井液黏附常數(shù)。

將v1和v2疊加，可得套管在井眼內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的環(huán)空鉆井液總上返流速：

式中，v為環(huán)空鉆井液總上返流速，m/s。

其中，當(dāng)環(huán)空間隙較?。碊o/Di的比值大）時(shí)，激動(dòng)壓力表現(xiàn)最突出，此時(shí)Kc接近于0.5。因此，式（3）可表示為：

則赫-巴模式下，下套管時(shí)環(huán)空鉆井液的剪切速率為[17]：

式中：γ為鉆井液的剪切速率，s-1；n為流性指數(shù)；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；τy為動(dòng)切力，Pa。

下面以庫(kù)車山前某典型超深天然氣井各井段溫度壓力分布為例，來(lái)說(shuō)明固井下套管過(guò)程中尾管的位置變化。該典型井下套管過(guò)程中各井段的溫度壓力分布如圖3所示（圖3中，上下淺藍(lán)色部分為套管，白色部分為鉆桿與套管之間的環(huán)空，中部紫色部分為鉆桿，鉆桿右側(cè)深藍(lán)色部分為尾管）。將不同井段溫度、壓力對(duì)應(yīng)的參數(shù)代入式（5），可得下尾管期間不同井段鉆井液的真實(shí)剪切速率，結(jié)果見表3。

圖3 庫(kù)車山前典型超深天然氣井溫度壓力分布Fig. 3 Temperature and pressure distribution of typical ultra-deep natural gas wells in Kuqa Piedmont

從表3可以看出，該井環(huán)空鉆井液的剪切速率未超過(guò)292.30 s-1，遠(yuǎn)低于全剪切速率最高值1 021.40 s-1。因此，此時(shí)用全剪切速率范圍內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)擬合鉆井液流變參數(shù)，與實(shí)際情況不符。

2.4 赫-巴模式下低剪切鉆井液的流變參數(shù)

采用赫-巴模式重新按擬合表1中剪切速率低于340.50 s-1的鉆井液流變性測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖4和表4。

表3 下套管時(shí)環(huán)空鉆井液的剪切速率Table 3 Shear rates of drilling fluids in annular space while running casing

圖4 赫-巴模式低剪切下的鉆井液流變性擬合曲線Fig. 4 Rheological fitting curve of drilling fluids at low shear rates in Herschel-Bulkley model

表4 赫-巴模式低剪切下的鉆井液流變參數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of rheological parameters of drilling fluids at low shear rates in Herschel-Bulkley model

2.5 低剪切與全剪切速率下的流變參數(shù)對(duì)比

將低剪切速率下環(huán)空鉆井液的流變參數(shù)擬合結(jié)果（相關(guān)系數(shù)、流性指數(shù)、稠度系數(shù)和動(dòng)切力）與全剪切流速下的相應(yīng)擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別見圖5—圖8。

圖5 相關(guān)系數(shù)對(duì)比Fig. 5 Comparison of correlation coefficients

圖6 流性指數(shù)對(duì)比Fig. 6 Comparison of fluidity indexes

圖5所示為低剪切速率與全剪切速率下擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)對(duì)比。

圖7 稠度系數(shù)對(duì)比Fig. 7 Comparison of consistency coefficients

圖8 動(dòng)切力對(duì)比Fig. 8 Comparison of yield points

從圖5可以看出，低剪切速率與全剪切速率下擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)都比較大，均接近0.999 0，但低剪切速率下的相關(guān)系數(shù)變化幅度更小、更穩(wěn)定，而全剪切速率下的相關(guān)系數(shù)變化較大。液的稠度系數(shù)較全剪切速率的稠度系數(shù)低0.10 Pa·sn。但隨著溫度、壓力升高，全剪切速率的稠度系數(shù)快速變小，低剪切速率鉆井液的稠度系數(shù)則緩慢變小，導(dǎo)致高溫高壓下低剪切速率鉆井液的稠度系數(shù)明顯高于全剪切速率的稠度系數(shù)。

圖8所示為低剪切速率與全剪切速率下環(huán)空鉆井液的動(dòng)切力對(duì)比。

從圖8可以看出，低剪切速率鉆井液的動(dòng)切力與全剪切速率的動(dòng)切力存在一定差異。低溫下，低剪切速率鉆井液的動(dòng)切力明顯低于全剪切速率的動(dòng)切力，如在60 ℃/30 MPa條件下，低剪切速率鉆井液的動(dòng)切力較全剪切速率的動(dòng)切力低0.62 Pa。但隨著溫度、壓力升高，全剪切速率的動(dòng)切力快速降低，而低剪切速率鉆井液動(dòng)切力的降低速度較慢，因此二者之間的差距逐漸縮小。

綜合圖5—圖8可知，在不同的溫度、壓力條件下，在不同的剪切速率范圍內(nèi)，環(huán)空鉆井液的流變參數(shù)有所不同，從而影響下套管時(shí)的激動(dòng)壓力。因此，對(duì)于庫(kù)車山前超深天然氣井四開、五開固井中面臨的安全密度窗口窄的問(wèn)題，準(zhǔn)確掌握低剪切速率下鉆井液流變特性對(duì)控制下套管時(shí)的激動(dòng)壓力具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖6所示為低剪切速率與全剪切速率下環(huán)空鉆井液的流性指數(shù)對(duì)比。

從圖6可以看出，低剪切速率鉆井液的流性指數(shù)與全剪切速率的流性指數(shù)差異較大。低溫下，低剪切速率鉆井液的流性指數(shù)明顯高于全剪切速率鉆井液的流性指數(shù)，如在60 ℃/30 MPa條件下，低剪切速率鉆井液的流性指數(shù)較全剪切速率鉆井液的流性指數(shù)高0.06。但隨著溫度、壓力升高，全剪切速率鉆井液的流性指數(shù)緩慢增大，而低剪切速率鉆井液的流性指數(shù)則緩慢減小，導(dǎo)致高溫高壓下低剪切速率鉆井液的流性指數(shù)明顯低于高剪切速率鉆井液的流性指數(shù)。

圖7所示為低剪切速率與全剪切速率下環(huán)空鉆井液的稠度系數(shù)對(duì)比。

從圖7可以看出，低剪切速率鉆井液的稠度系數(shù)與全剪切速率的稠度系數(shù)差異較大。低溫下，低剪切速率鉆井液的稠度系數(shù)明顯低于全剪切速率的稠度系數(shù)，如在60 ℃/30 MPa條件下，低剪切速率鉆井

3 下套管激動(dòng)壓力計(jì)算與實(shí)例分析

3.1 激動(dòng)壓力計(jì)算方法

實(shí)際下套管過(guò)程中，尾管進(jìn)入裸眼段，此時(shí)有3種構(gòu)造方式的環(huán)空，分別為鉆桿與套管環(huán)空、尾管與套管環(huán)空、尾管與裸眼段環(huán)空。因此，在計(jì)算激動(dòng)壓力時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)空的不同[18]。下套管后井中的3種環(huán)空如圖9所示，圖中各部分構(gòu)造與圖3類似（L1為鉆桿與套管構(gòu)成環(huán)空的井段長(zhǎng)度，m；L2為尾管與套管構(gòu)成環(huán)空的井段長(zhǎng)度，m；L3為尾管與裸眼段構(gòu)成環(huán)空的井段長(zhǎng)度，m）。

圖9 固井下套管過(guò)程中尾管的位置變化Fig.9 Change of liner position while running casing

已知油基鉆井液的流變性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、套管下入速度，以及L1段、L2段和L3段環(huán)空內(nèi)外徑，采用式（4）和式（5）分別計(jì)算了L1段、L2段和L3段鉆井液的環(huán)空返速和剪切速率，結(jié)果見表5。

表5 不同環(huán)空段的鉆井液返速和剪切速率Table 5 Return velocities and shear rates of drilling fluids in different annulus sections

由表5可知，L1段、L2段和L3段的鉆井液剪切速率分別為118.14，185.98和214.80 s-1，都處于低剪切速率區(qū)間。

在此基礎(chǔ)上，可以分別計(jì)算L1段、L2段和L3段環(huán)空鉆井液產(chǎn)生的激動(dòng)壓力，計(jì)算式分別見式（6）—式（8）[18]。

下入尾管時(shí)，鉆桿在套管內(nèi)產(chǎn)生的激動(dòng)壓力（Δp1）：

下入尾管時(shí)，尾管在套管內(nèi)產(chǎn)生的激動(dòng)壓力（Δp2）：

下入尾管時(shí)，尾管在裸眼段內(nèi)產(chǎn)生的激動(dòng)壓力（Δp3）：

式中：Dci為套管內(nèi)徑，mm；Dp為鉆桿外徑，mm；Dh為裸眼直徑，mm；Dc為尾管外徑，mm。

3.2 實(shí)例分析

庫(kù)車山前KS區(qū)塊某井五開用φ127.0 mm鉆桿下入φ139.7 mm尾管，其中600 m長(zhǎng)的尾管與套管構(gòu)成環(huán)空，套管內(nèi)徑為171.5 mm，套管下入速度為0.13 m/s，裸眼內(nèi)徑為168.3 mm，裸眼段長(zhǎng)400 m，井深6 800 m，油基鉆井液密度為2.42 kg/L。

將全剪切速率流變參數(shù)擬合結(jié)果、赫-巴模式低剪切速率鉆井液流變參數(shù)擬合結(jié)果和該井下套管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入式（6）—式（8），計(jì)算各井段的激動(dòng)壓力，再累加得到全井段下套管時(shí)的激動(dòng)壓力，結(jié)果如圖10所示。

圖10 下套管時(shí)赫-巴模式全剪切速率與低剪切速率下的激動(dòng)壓力對(duì)比Fig.10 Comparison of drilling fluid surge pressure at full and low shear rates while running casing in Herschel-Bulkley model

從圖10可以看出，在0～3 400 m井段，下套管時(shí)全剪切速率鉆井液激動(dòng)壓力與低剪切速率鉆井液激動(dòng)壓力相差不大，二者僅相差0.11 MPa；在3 400 m以深井段，隨著井深增加，全剪切速率與低剪切速率下套管時(shí)的激動(dòng)壓力相差越來(lái)越大，到井底時(shí)二者之間的差值達(dá)到0.93 MPa。由此可知，在低剪切速率下，使用全剪切速率擬合計(jì)算得到激動(dòng)壓力的準(zhǔn)確度低于使用低剪切速率擬合計(jì)算得到激動(dòng)壓力的準(zhǔn)確度。對(duì)安全密度窗口較寬的井，該差異影響不大，但庫(kù)車山前超高壓氣井四開、五開固井安全密度窗口窄，該差異對(duì)下套管時(shí)是否發(fā)生漏失影響較大。

4 結(jié) 論

1）庫(kù)車山前超深天然氣井四開、五開固井下套管過(guò)程中，環(huán)空鉆井液的剪切速率低于340.50 s-1，更低于常規(guī)全剪切速率的最高值1 021.40 s-1。此時(shí)，如用全剪切速率下的流變性測(cè)試數(shù)據(jù)擬合鉆井液的流變參數(shù)，與下套管期間鉆井液剪切速率低的情況不符。

2）在不同溫度壓力條件（60 ℃/30 MPa～150 ℃/70 MPa）和不同剪切速率（低剪切速率范圍1.70～340.50 s-1、全剪切速率范圍1.70～1 021.40 s-1）下，鉆井液流變參數(shù)的差異較大，從而對(duì)下套管時(shí)的激動(dòng)壓力產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響下套管防漏。

3）對(duì)庫(kù)車山前超深天然氣井四開、五開及類似固井面臨的窄安全密度窗口問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)下套管時(shí)實(shí)際剪切速率區(qū)間內(nèi)的流變性測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合對(duì)應(yīng)的流變參數(shù)，并據(jù)此計(jì)算下套管時(shí)的激動(dòng)壓力，以合理控制套管下入速度，降低下套管時(shí)的漏失量。