楊鴻波 陳國軍 張國光 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)，主要是通過壓穩(wěn)計算，設(shè)計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）、替鉆井液等固井過程中，調(diào)節(jié)排量，調(diào)節(jié)環(huán)空循環(huán)壓耗，侯凝時調(diào)節(jié)井口回壓，從而調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，全過程控制環(huán)空當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、與現(xiàn)場作業(yè)實際不夠貼切，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①沒有根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)及時對軟件參數(shù)進行校核與修正，設(shè)計軟件模擬準確度和精度不夠；②雖然設(shè)計了各類流體的性能和體積，但對各類流體間的污染考慮得較少，也沒有采取有效的措施防止流體間的污染；③雖然設(shè)計了泵排量，但實際作業(yè)時沒有結(jié)合泵壓變化精細調(diào)整排量。以上原因?qū)е驴貕汗叹O(shè)計與實際作業(yè)存在較大偏差，影響了控壓固井的作業(yè)效果。

精細動態(tài)控壓固井技術(shù)改進了傳統(tǒng)控壓固井技術(shù)，使得設(shè)計與實際更吻合，控壓更精準。使用精細動態(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，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]。精細動態(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

1.1 設(shè)計原理

不考慮波動壓力時，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)時通過調(diào)整靜液柱壓力和環(huán)空循環(huán)壓耗來控制環(huán)空壓力，不循環(huán)時可通過關(guān)防噴器來提供井口回壓。

靜液柱壓力的計算公式如下：

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）來調(diào)整靜液柱壓力。

根據(jù)排量計算環(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)壓耗計算公式如下：

式中Δpc表示環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；L表示計算井段長度，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），可通過調(diào)節(jié)排量和流體性能（密度、流變性能）來控制環(huán)空循環(huán)壓耗。

精細動態(tài)控壓固井作業(yè)是一個連續(xù)過程，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，通過下?244.48 mm套管封固，采用雙級固井方式，分級箍位于?244.48 mm）套管與?339.73 mm套管重疊段，一級固井封固鹽膏層段，一級固井采用領(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)時的控壓設(shè)計

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)空形成紊流能達到較好的清潔效果[13]。

根據(jù)公式（3），計算鉆井液在?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Cem SAIDS固井軟件模擬，可計算出不同鉆井液密度、不同排量下的井底當量循環(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，靜液柱壓力將下降，計算方式為：

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。

計算可得半飽和鹽水在環(huán)空時靜液柱壓力下降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。

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

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

通過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 頂替水泥漿時的控壓設(shè)計

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），同等排量時環(huán)空循環(huán)壓耗更低。根據(jù)公式（3），計算優(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)，整個頂替過程中，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，沖洗液在整個一級固井井段的紊流接觸時間都超過10min，沖洗效果好，水泥漿的頂替效率達到100%（圖3）。

根據(jù)軟件模擬計算，頂替過程中井底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，停泵時井底靜態(tài)當量密度2.204 g/cm3，滿足壓穩(wěn)需求。

通過設(shè)計各段流體的密度、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 侯凝時的控壓設(shè)計

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

表4 井口環(huán)空補壓5 MPa后靜態(tài)當量密度變化表

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

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計軟件的精準模擬和計算

精細動態(tài)控壓固井設(shè)計軟件Cem SAIDS的核心技術(shù)為控壓固井水力學(xué)計算模型，通過引入 HB（赫巴） 流變模式，綜合考慮溫度場、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情況，并根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)對各類參數(shù)進行校核和修正，實現(xiàn)環(huán)空動態(tài)當量密度的精確計算，為固井設(shè)計和現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。

利用軟件計算固井前循環(huán)時不同排量下的泵壓，與現(xiàn)場實際泵壓差別不到5%（圖5），驗證了該軟件計算的精確度。

圖5 固井前循環(huán)時軟件計算泵壓與實際泵壓對比曲線圖

2.2 減少各類流體間的污染

精細動態(tài)控壓固井設(shè)計是基于鉆井液和固井液的流體性能的，由于壓力窗口很窄，如果實際作業(yè)時流體性能與設(shè)計差異大，那么實際的環(huán)空壓力也會與設(shè)計差異大，也就實現(xiàn)不了精細動態(tài)控壓，固井安全與質(zhì)量難以保證。

為保證實際作業(yè)時的流體性能與設(shè)計基本一致，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）會大幅改變，通過實驗室化驗，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（表5）。

表5 相容性試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

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較差，受污染后水泥漿的性能與設(shè)計差異較大，因此要盡可能減少鉆井液對水泥漿的污染。雖然漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計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有被沖洗干凈，后面還是會污染水泥漿。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，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，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個扶正器，前3個扶正器距離套管接箍4 m，用止動環(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)場作業(yè)中結(jié)合泵壓變化精細調(diào)整排量

精細動態(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)空中的實際位置與設(shè)計存在偏差，因此若完全根據(jù)理論計算的泵沖數(shù)來調(diào)整排量，將導(dǎo)致實際環(huán)空壓力與設(shè)計存在偏差，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，低相對密度的半飽和鹽水返出井口時（此時泵壓會升高）若未及時降排量可能導(dǎo)致井漏；比如頂替水泥漿期間，半飽和鹽水出了管鞋（此時泵壓會下降）若仍未及時提高排量將導(dǎo)致頂替效率低。因此現(xiàn)場作業(yè)中實際操作時應(yīng)密切監(jiān)控泵壓變化，依據(jù)設(shè)計結(jié)合泵壓變化精細調(diào)整排量，以克服因流體混合、泵效等導(dǎo)致的偏差，實現(xiàn)精細動態(tài)控壓。

3 應(yīng)用效果

精細動態(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94.2%（圖 7）。

圖7 XX井固井質(zhì)量評價結(jié)果圖

4 結(jié)論

1）使用精細動態(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）通過設(shè)計環(huán)空中的流體類型、流體體積、流體密度和流變性能，設(shè)計循環(huán)和頂替水泥漿時的排量，設(shè)計侯凝時關(guān)防噴器施加井口回壓的壓力值，實現(xiàn)精細動態(tài)控壓。

3）實現(xiàn)精細動態(tài)控壓固井的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計軟件的精準模擬和計算，現(xiàn)場作業(yè)中應(yīng)減少各類流體間的污染，使流體性能與設(shè)計基本一致，并根據(jù)實際泵壓變化精細調(diào)整排量。

4）精細動態(tài)控壓固井技術(shù)改進了傳統(tǒng)控壓固井技術(shù)，使得設(shè)計與實際更吻合，提高了控壓固井的作業(yè)效果。