陳 敏 趙常青 林 強(qiáng) 周迎春 廖長(zhǎng)平 楊萬(wàn)忠 賓國(guó)成 周太彬
1. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司
川渝地區(qū)是典型的“三高”(即地層壓力、產(chǎn)量、含硫量普遍偏高)氣田,油氣資源豐富。既有埋藏深度為幾百米、千余米的白堊系、侏羅系淺層氣儲(chǔ)層,又有5 000 m以上的寒武系、震旦系深部?jī)?chǔ)層。氣藏以孔隙裂縫性為主,斷層多,孔縫發(fā)育,地層壓力普遍較高,造成鉆探作業(yè)中的溢流井漏現(xiàn)象突出。一旦鉆遇井漏,常常耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力、物力來(lái)治理,尚僅能維持壓穩(wěn)地層繼續(xù)鉆進(jìn)的需要,對(duì)提高地層承壓能力的作用十分有限。在鉆井過(guò)程中,提鉆井液密度或井筒壓力波動(dòng)過(guò)大等,都可能導(dǎo)致復(fù)漏溢漏復(fù)雜井。這不僅是鉆井面臨的主要技術(shù)難題,也給固井工程質(zhì)量和井筒完整性帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了提高復(fù)雜井固井質(zhì)量,國(guó)內(nèi)做了大量研究[1-10],但是整體固井質(zhì)量仍然維持低位,需要新理論、新工藝的突破,以徹底改變這種現(xiàn)狀。針對(duì)川渝地區(qū)普遍存在安全密度窗口窄而帶來(lái)的固井技術(shù)難題,借助控壓鉆井裝置、通過(guò)優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等措施,形成了精細(xì)控制固井技術(shù),控制固井全過(guò)程的井筒動(dòng)當(dāng)量密度在窄安全密度窗口內(nèi)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了固井施工中既壓穩(wěn)地層又防止井漏發(fā)生的目的,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用,取得了固井質(zhì)量高于常規(guī)20%以上的良好效果。
以地層壓力當(dāng)量密度為下限、地層承壓能力當(dāng)量密度為上限,其上限與下限區(qū)間值,即為安全作業(yè)密度窗口。窗口可以是單一地層也可指全井筒。在鉆探作業(yè)中,地層壓力并無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通常以能壓穩(wěn)地層的鉆井液柱壓力(可包括井口控壓值)作為地層壓力,以循環(huán)摩阻(也包括井口控壓值)與鉆井液柱壓力之和作為地層承壓能力。固井因循環(huán)、起下管柱、密度變化、注替水泥漿作業(yè)等工況,均會(huì)使井筒液柱壓力發(fā)生波動(dòng),壓力控制不準(zhǔn)確就會(huì)造成井漏或溢流。經(jīng)川渝地區(qū)大量實(shí)踐表明,地層承壓能力與地層壓力之間大于0.15 g/cm3時(shí),能夠滿(mǎn)足正常下套管與固井注水泥漿作業(yè)。而目前川渝地區(qū)深層天然氣井部分井窗口低于0.15 g/cm3,個(gè)別井為零安全或負(fù)安全密度窗口,固井難度大。
四川盆地深井、超深井的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,鉆遇地層巖性較復(fù)雜,不確定地質(zhì)因素較多,尤其是地層壓力難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),因?yàn)樵诳v向上有多個(gè)壓力系統(tǒng),且存在局部高壓。而有限的套管程序不可能將各個(gè)復(fù)雜層段有效地分隔開(kāi)來(lái),造成同一個(gè)裸眼井段內(nèi)同時(shí)存在2個(gè)或多個(gè)高、低壓互層,固井過(guò)程中容易同時(shí)發(fā)生井漏、溢流。而且固井過(guò)程中壓穩(wěn)與壓漏地層的鉆井液密度窗口窄,往往出現(xiàn)噴漏并存的井下復(fù)雜情況,增加井控風(fēng)險(xiǎn)。如LG70井?114.3 mm尾管固井作業(yè),壓力窗口僅為0.04 g/cm3,油氣顯示層10段,主要在吳家坪組與茅口組;鉆井液密度1.88~2.04 g/cm3,而該地層段同時(shí)存在4個(gè)主要漏失層位,鉆井過(guò)程中鉆井液漏失總量超過(guò)400 m3。在鉆井過(guò)程中,往往同一井段的噴、漏、卡、塌、高壓鹽水等多個(gè)工程復(fù)雜情況共存。為了滿(mǎn)足后續(xù)固井作業(yè)需求,常耗費(fèi)巨大財(cái)力、物力進(jìn)行堵漏以提高承壓能力,實(shí)際效果不佳。如YA002-7完鉆后,前后堵漏耗時(shí)1個(gè)多月,在固井施工中仍發(fā)生漏失,被迫采取正注返打工藝。
固井作業(yè)和鉆井作業(yè)的管柱結(jié)構(gòu)不同,其井眼和管柱環(huán)間間隙明顯減小,在同等工況下,管柱在下入和循環(huán)過(guò)程中的流動(dòng)摩阻比鉆進(jìn)過(guò)程更大,即在同等窄窗口條件下更易發(fā)生井漏。在不考慮其他情況下,下完套管后環(huán)空循環(huán)動(dòng)態(tài)壓耗比完鉆環(huán)空循環(huán)動(dòng)態(tài)壓耗將近增加50%~80%。同時(shí)下套管作業(yè)過(guò)程中,因井漏或者擔(dān)心井漏不能正常循環(huán),致套管環(huán)空泥餅砂屑等堆積物不能有效疏通,鉆井液結(jié)構(gòu)力不能及時(shí)破壞,使下套管發(fā)生阻卡的可能性極大,下套管安全風(fēng)險(xiǎn)也急劇增加,尤其是大斜度井、水平井套管阻卡風(fēng)險(xiǎn)更易發(fā)生。在G—M地區(qū)經(jīng)常遇到下套管過(guò)程中井漏和套管遇阻卡。
長(zhǎng)期以來(lái),固井為獲取良好的水泥漿頂替效率,通常做法是將漿體密度按梯次設(shè)計(jì),鉆井液密度最低,水泥漿最高,由此直接增加了漿體液柱壓力,而遇窄安全密度窗口復(fù)雜井固井則極有可能發(fā)生井漏。固井作業(yè)中,突發(fā)井漏使固井陷入被動(dòng),增加不確定性和復(fù)雜因素。井漏降低了環(huán)空流速,改變了漿體流態(tài),影響水泥漿頂替效率;井漏使井筒環(huán)空水泥漿減少,引起水泥漿返高不夠,導(dǎo)致漏封少封,增加了固井質(zhì)量不合格風(fēng)險(xiǎn)。
窄窗口固井發(fā)生井漏、不能壓穩(wěn)地層主要體現(xiàn)為兩種情況。第一種情況為停泵后液面不在井口,氣層以上液柱壓力不能平衡氣層壓力,引起氣液上竄;第二種情況為停泵后井口不斷流,會(huì)使地層中氣液一起上竄,最終導(dǎo)致固井發(fā)生竄氣。
對(duì)于安全密度不小于0.05 g/cm3的窄壓力窗口,利用精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)在固井作業(yè)過(guò)程中,控制井口回壓,合理有效地控制環(huán)空當(dāng)量密度處于安全密度窗口之間,即大于地層壓力且小于地層漏失壓力,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)[11-14]。其核心在于,準(zhǔn)確掌握地層壓力和漏失壓力、精確計(jì)算固井下套管與泵注期間環(huán)空動(dòng)當(dāng)量密度。
2.1.1 下套管激動(dòng)壓力計(jì)模型
下套管過(guò)程中,套管下入激動(dòng)壓力峰值是由于鉆井液靜切力、鉆井液動(dòng)能變化、鉆井液黏滯阻力引起的,采用穩(wěn)態(tài)法計(jì)算套管下入激動(dòng)壓力。首先考慮鉆井液黏滯力產(chǎn)生的激動(dòng)壓力(Δp1)。套管以速度(vp)下入井內(nèi),鉆井液受排擠以一定速度上返。假設(shè)速度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài),鉆井液流變性滿(mǎn)足冪律模式,套管壁面鉆井液速度于套管下放速度一致,井壁處鉆井液速度為0,考慮偏心環(huán)空等條件下,得到關(guān)于黏滯力產(chǎn)生的激動(dòng)壓力有關(guān)表達(dá)式:
式中L表示管柱長(zhǎng)度,m;k表示稠度系數(shù),Pa·sn;r表示半徑,m;rco表示套管外徑,m;rmax表示環(huán)空流體流速最大位置,m;rw表示井徑,m;θ表示徑向夾角,(°);vp表示套管下入速度,m/s;n表示流性指數(shù),無(wú)因次。
根據(jù)體積守恒定律,下入套管排開(kāi)體積應(yīng)等于鉆井液沿環(huán)空上返排量:
式中ru(r)表示u點(diǎn)徑向長(zhǎng)度,m。
采用牛頓迭代法解非線性方程組,可以求出速度分布,及鉆井液黏滯力產(chǎn)生的激動(dòng)壓力(Δp1)。
其次考慮破壞鉆井液膠凝結(jié)構(gòu)引起的激動(dòng)壓力(Δp2):
式中τ表示動(dòng)切力,Pa;e表示套管偏心距,m。
再來(lái)考慮套管下入引起鉆井液動(dòng)量變化產(chǎn)生的激動(dòng)壓力(Δp3):
式中a表示下套加速度,m/s2;ρm表示鉆井液密度,g/cm3。
2.1.2 固井施工環(huán)空動(dòng)當(dāng)量密度計(jì)算模型
水泥漿在小間隙環(huán)空剪切速率大于500 s-1,如仍按照常規(guī)流變模式計(jì)算,將導(dǎo)致壓力計(jì)算失真,進(jìn)而影響固井參數(shù)設(shè)計(jì)。而近年來(lái)川西北地區(qū)固井中面臨較長(zhǎng)小間隙封固段固井,摩阻壓降對(duì)排量十分敏感,開(kāi)泵井漏,停泵反吐等現(xiàn)象,對(duì)排量設(shè)計(jì)、壓力計(jì)算精確性要求很高。通過(guò)高溫下流體流變?cè)囼?yàn)入手,結(jié)合井下溫度場(chǎng)的計(jì)算,建立考慮溫度偏心影響下環(huán)空流動(dòng)壓力計(jì)算模型,主要從摩阻系數(shù)、流體判別,針對(duì)不同流態(tài)建立不同的計(jì)算模型,有效提高模型的準(zhǔn)確性,為掌握全過(guò)程動(dòng)態(tài)壓力及平衡補(bǔ)壓提供可靠數(shù)據(jù)。
根據(jù)高溫流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),修正含溫流變參數(shù)計(jì)算方法如下:
式中b表示溫度系數(shù);τ0表示溫度t0時(shí)流體的切力,Pa;τ表示溫度t時(shí)流體的切力,Pa。
偏心環(huán)空流動(dòng)雷諾數(shù)(NRe)計(jì)算公式為:
式中NRe表示偏心環(huán)空流動(dòng)雷諾數(shù),無(wú)因次;n表示流性指數(shù),無(wú)因次;ρ表示水泥漿密度,g/cm3;V表示水泥漿環(huán)空上返速度,m/s;D表示井徑,m;d表示管柱外徑,m;k表示稠度系數(shù),Pa·sn;τy表示赫巴模式,靜切力,Pa,賓漢流體 :τy=τ0,k=ηp,n=1;冪律流體:令τy=0。ηp表示塑性黏度,Pa·s。
式(6)中E、G等參數(shù)的確定式為:
式中e表示偏心距,m;ε表示偏心度,無(wú)因次。
將各參數(shù)代入式(6),可得到NRe。
高速層流狀態(tài)其摩阻系數(shù)計(jì)算公式為:
偏心環(huán)空摩阻壓降(pfa)計(jì)算公式為:
精細(xì)平衡壓力固井是應(yīng)對(duì)窄窗口溢漏井的主要技術(shù)對(duì)策,可分為動(dòng)態(tài)平衡壓力和靜態(tài)平衡壓力兩種。動(dòng)態(tài)平衡壓力即采用控壓鉆井系統(tǒng),使井筒靜液柱壓力與井口動(dòng)態(tài)控壓之和全程處于窄窗口區(qū)間內(nèi),達(dá)到壓穩(wěn)防漏之目的。而靜態(tài)平衡壓力即任何工況井筒漿體靜液柱壓力都能壓穩(wěn)地層,其關(guān)鍵是防漏。通過(guò)分析研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,將窄窗口量化為兩個(gè)區(qū)間,即窗口值為地層承壓能力與地層壓力之差。一般來(lái)講,其當(dāng)量密度小于0.1 g/cm3時(shí),實(shí)施動(dòng)態(tài)平衡壓力固井;介于0.1~0.15 g/cm3時(shí),采用靜態(tài)平衡壓力固井。
井眼準(zhǔn)備階段:完鉆后,直接下鉆桿至套管鞋處,根據(jù)固井時(shí)最大環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度設(shè)計(jì)井口加壓值,井口逐步加壓,觀察泵入量和壓力變化,一旦發(fā)現(xiàn)泵壓拐點(diǎn)或井口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值,立即停止檢驗(yàn),記錄最終壓力數(shù)據(jù),然后計(jì)算出套管鞋處地層承壓能力,若地層承壓能力不滿(mǎn)足要求則需進(jìn)行堵漏作業(yè),若地層承壓能力滿(mǎn)足要求則進(jìn)行正常固井通井等井眼準(zhǔn)備工作。
下套管階段:根據(jù)下套管激動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果,將套管下至上層套管鞋與下到井底后,分段循環(huán),并分階段低鉆井液密度,拓展窗口技術(shù)預(yù)處理,降低下套管井漏或套管不能安全下達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)。
注替階段:隨著隔離液與水泥漿等固井流體相繼進(jìn)入環(huán)空,環(huán)空靜液柱壓力與循環(huán)壓耗逐漸增加,為保持井底壓力相對(duì)恒定,必須同步減小井口控壓值,開(kāi)、停泵時(shí)做到操作平穩(wěn),并按照不同排量對(duì)應(yīng)的控壓值精準(zhǔn)調(diào)整。
控壓固井就是借助控壓鉆井工藝原理,利用精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)、在施工過(guò)程中通過(guò)合理的環(huán)空補(bǔ)壓方式使環(huán)空當(dāng)量密度大于地層壓力梯度而小于地層漏失壓力梯度,從而使作業(yè)過(guò)程達(dá)到壓穩(wěn)而不漏的狀態(tài)。其關(guān)鍵工藝技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾方面:
1)精確獲取窗口區(qū)間值。窗口區(qū)間的下限是地層壓力,上限是地層承壓能力,而多數(shù)地層壓力數(shù)據(jù)很難從鉆井設(shè)計(jì)中直接獲取,可將鉆進(jìn)、接單根、起下鉆等多個(gè)工況檢驗(yàn)并壓穩(wěn)的鉆井液密度作為依據(jù)獲取。窗口下限地層壓力是本井段最高地層壓力(指當(dāng)量密度)并附加了一定安全值,窗口上限地層承壓能力是本井段最低承壓值是確保循環(huán)、起下鉆等工況不發(fā)生漏失的最大動(dòng)當(dāng)量密度,地層承壓能力還可以通過(guò)堵漏等措施進(jìn)一步提高。
2)精準(zhǔn)計(jì)算環(huán)空循環(huán)壓力。只有精準(zhǔn)計(jì)算環(huán)空循環(huán)壓耗,才能合理優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)和注替參數(shù),借助井口控壓方式實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)階段環(huán)空壓力控制等,確保固井作業(yè)注替期間當(dāng)量循環(huán)密度等于或略大于地層壓力,進(jìn)而在較高的頂替效率條件下實(shí)現(xiàn)水泥漿一次性上返到設(shè)計(jì)位置,保證較高的固井封隔質(zhì)量。目前現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)固井設(shè)計(jì)軟件水力學(xué)計(jì)算模塊,引入高溫流變模式、偏心效應(yīng)等影響因素,預(yù)先計(jì)算固井環(huán)空壓力,同時(shí)與鉆進(jìn)、通井及下完套管循環(huán)的排量、泵壓進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)校核,確保軟件計(jì)算的精度與可信度,為精準(zhǔn)控制環(huán)空壓力提供必要的支持。
3)精細(xì)流程管控與協(xié)調(diào)一致。精細(xì)控壓固井與常規(guī)固井方式不同在于要借助鉆井控壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),控壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)需要0.5~1.0 min,固井作業(yè)中由于漿柱結(jié)構(gòu)中各漿體流變性、密度、用量均存在不同,環(huán)空動(dòng)當(dāng)量密度不是一成不變的,即施工過(guò)程控壓值是變量,固井作業(yè)期間每變化控壓值應(yīng)提前0.5~1.0 min告知精細(xì)控壓操作者,確??貕褐挡秸{(diào)一致。
長(zhǎng)期以來(lái),在窄安全密度窗口條件下固井極大概率遭遇井漏復(fù)雜情況,從而面臨十分復(fù)雜的固井工況,有時(shí)被迫實(shí)施“正注反打”完成固井作業(yè)[15]。精細(xì)控壓平衡壓力固井工藝技術(shù)是對(duì)原平衡壓力固井的創(chuàng)新發(fā)展,通過(guò)準(zhǔn)確量化安全密度窗口區(qū)間值,為固井質(zhì)量和井完整性提供了更可靠的技術(shù)保障。
2017年,在龍崗70井首次進(jìn)行了川渝地區(qū)精細(xì)控壓固井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),至今已在雙魚(yú)石—河灣場(chǎng)、樂(lè)山—龍女寺古隆起磨溪高石梯等地質(zhì)構(gòu)造,累計(jì)開(kāi)展了20余井次窄安全密度窗口條件下精細(xì)控壓尾管固井精細(xì)動(dòng)態(tài)平衡壓力和精細(xì)靜態(tài)平衡壓力技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,各井施工中均未發(fā)生井漏和溢流現(xiàn)象,圓滿(mǎn)完成了固井施工,后期也無(wú)竄氣情況,固井質(zhì)量合格率高于80%,較常規(guī)方法固井質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)率與合格率平均值,提高20%~30%(圖1)。
圖1 精細(xì)控壓固井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖
以ST10井為例,該井是雙魚(yú)石—河灣場(chǎng)構(gòu)造帶田壩里潛伏構(gòu)造的一口預(yù)探井,第四次開(kāi)鉆采用?241.3 mm鉆頭鉆至井深7 582 m中完,下入?(177.8+193.68+184.15)mm復(fù)合尾管封固3 900~7 410 m。鉆井過(guò)程中有18個(gè)氣測(cè)異常、3個(gè)氣侵、9個(gè)井漏,嘉陵江組、飛仙關(guān)組存在多段井漏,茅口組有井漏與氣侵。固井前維持井下穩(wěn)定鉆井液密度1.99 g/cm3;27 L/s排量、循環(huán)動(dòng)壓力為2.04 g/cm3時(shí)未漏,即壓力窗口為1.99~2.04 g/cm3,為了獲取90%頂替效率,最大動(dòng)當(dāng)量密度達(dá)2.08 g/cm3,主要技術(shù)措施如下所述。
1)固井工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)如表1所示。
表1 ST10井固井工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)表
2)地層承壓能力試驗(yàn),根據(jù)固井施工最大動(dòng)當(dāng)量密度,要求通井前下光鉆桿做動(dòng)承壓實(shí)驗(yàn),本井在完鉆鉆井液密度2.0 g/cm3情況下,采取光鉆桿排量35 L/s + 環(huán)空控壓2.0 MPa,其井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度2.08 g/cm3。
3)優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu),適當(dāng)降低環(huán)空液柱壓力當(dāng)量密度,根據(jù)循環(huán)情況精確計(jì)算地層壓力,固井前降低鉆井液密度1.96 g/cm3,采用三凝漿柱結(jié)構(gòu),緩凝與中凝2.00 g/cm3,快干1.90 g/cm3。
4)注替水泥漿作業(yè)過(guò)程中需向環(huán)空補(bǔ)壓,確保環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度氣能有效壓穩(wěn)地層,漏層當(dāng)量泥漿密度不高于2.04 g/cm3,全過(guò)程動(dòng)態(tài)控壓固井作業(yè)。
ST10井固井簡(jiǎn)況:注密度1.98 g/cm3隔離液20 m3,沖洗液3.0 m3,注緩凝水泥漿21 m3,中凝水泥漿55 m3,快干水泥漿22 m3,全過(guò)程控壓值1~4 MPa。全過(guò)程未發(fā)生井漏。固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率66.10%,合格率97.70%。
1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,精細(xì)平衡壓力固井技術(shù)是解決窄窗口天然氣井固井技術(shù)難題的有效手段。它能最大限度地確保壓穩(wěn)地層,同時(shí)防止井漏的發(fā)生,為解決常規(guī)固井中普遍存在的“易漏失、難壓穩(wěn)”難題提供了新的技術(shù)途徑。
2)精細(xì)控壓固井的關(guān)鍵在于“精”,精確壓力窗口獲取是前提、精準(zhǔn)計(jì)算環(huán)空壓力是重點(diǎn)、精細(xì)流程管控是關(guān)鍵,只有這三方面都做到了,才能確保精細(xì)控壓固井成功。
3)窄窗口井筒條件不僅普遍存在于“三高”氣田,事實(shí)上“三低”油氣田也非常多,精細(xì)平衡壓力固井則是針對(duì)窄窗口復(fù)雜井固井的關(guān)鍵技術(shù),具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景。
4)目前控壓系統(tǒng)控壓能力與智能化程度需要進(jìn)一步加強(qiáng),表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)控壓值偏低,不能滿(mǎn)足大幅度降低密度控壓技術(shù)需求,控制值調(diào)節(jié)不能與固井同步自動(dòng)匹配。
致 謝
感謝川慶鉆探和西南油氣田分公司固井同仁,精細(xì)控壓固井技術(shù)自2017年以來(lái)的不斷探索與完善,才使得這一技術(shù)在川渝地區(qū)的應(yīng)用日臻成熟。