地层承压能力固井前动态测试方法

王 涛， 贾博超

(1.陕西延长石油〈集团〉有限责任公司研究院 陕西 西安 710075； 2.陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室〈筹〉，陕西 西安 710075； 3.天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451)

地层的实际承压能力对固井方案设计、水泥浆设计和固井施工排量设计等均有重要的影响[1-3]。对于低压易漏井固井，为了降低风险，保障固井安全，做到固井的可控，在固井前必须对井眼做承压试验[4-6]。目前常用的承压试验采取的是“逐渐加压，平缓泄压”的方式[7-8]，即用井筒内钻井液对套管进行试压，逐渐加压，直至地层不能“稳压”，以此得出地层的承压能力，这种方法称之为静态的测试方法。但是，对于低压易漏失地层，受井身结构和上层套管鞋处破裂压力等条件的限制，无法在固井前对其承压能力做常规的静态测试。本文提出一种下套管后动态测试地层承压能力的方法，为该类地层承压能力的测试提供了一套科学、可行的办法。

1 地层承压能力动态测试方法的提出

对于低压易漏井固井，在下述情况下，目前的地层承压能力静态测试方法不能满足要求：

(1)上层套管下入较浅，受上层套管套管鞋处的地层破裂压力限制，地面井口压力不能施加过高；

(2)受上层套管抗内压强度值的限制，地面井口压力不能施加过高。

为解决上述难题，本文根据流变学原理，提出了一种地层承压能力动态测试方法，并在延长石油延208、延437两口试验井中进行了应用；测试出了该区域油层套管封固裸眼井段内地层的最大承压能力值，为该区低压易漏长封固段条件下的油层套管的安全、一次性固井全封固提供了强有力的技术保证。

2 地层承压能力动态测试方法的原理

地层承压能力动态测试方法即在下套管循环后逐渐分挡增加排量，并同时记录与之对应的泵压和钻井液性能，然后利用流变学的原理计算出关键地层深度的承压能力。由于不同于常规静态的地层承压试验，是动态的，所以称之为动态测试方法。

该方法的原理如下所述：下套管循环钻井液两个循环周期后以一定的排量Q进行循环并记录与之对应的泵压Pp，同时测试计算钻井液性能，包括密度ρ、流性指数n、稠度系数K。其他的已知条件有套管的外径De、内径Di，井眼直径Dw。

2.1 计算井底的承压能力

由于循环时管内和环空全部都是钻井液，没有液柱压力差，所以此时记录的泵压为循环压耗。则此时井底的当量密度ρ井底可由式(1)计算得出。对于井底是薄弱地层的井，不断变换测试排量直至设计值，由此可计算出井底的最大承压能力和当量密度。

ρ井底=ρ+Pp/(gH)

(1)

式中：ρ井底——井底当量密度，g/cm3；H——井底深度，m；Pp——泵压，MPa；g——0.00981 N/kg；ρ——钻井液密度，g/cm3。

2.2 计算任意井深的承压能力

计算以当前排量Q循环时的整个管内循环摩阻和整个环空循环摩阻压降[9]，对于宾汉流体，有：

Pfp=250λρLQ2/(π2r5)

(2)

λ=0.228/〔6.4Qρ/(πμ)〕0.2

(3)

式中：Pfp——循环摩阻，MPa；ρ——钻井液密度，g/cm3；L——套管长度，m；r——套管半径，m；λ——摩阻系数，无因次；Q——排量，m3/min；μ——塑性粘度，Pa·s。

对于环空摩阻Pfa，也可采用(2)式计算，半径采用当量半径法计算：

(4)

式中：r2——环空当量半径，m；D——井眼直径，m；d——套管直径，m。

由于井下条件的复杂性，计算的循环摩阻值与实际的循环摩阻(即此时泵压Pp)必定会有误差，计算出此时的环空修正压耗系数T，即T=(Pp-Pfp)/Pfa，任意井深H′处的最大承压能力和当量密度ρ′可通过公式(5)计算得出。

ρ′=ρ+TPfa/(gH′)

(5)

式中：Pfa——井深H′处的计算循环压降，MPa；ρ′——任意井深处的当量密度，g/cm3。

3 动态测试方法的实施步骤

(1)下套管后循环钻井液1个循环周期以上，如井下条件允许，2个循环周期效果更好。

(2)根据事先计算的排量计划，采用最低排量循环钻井液30～60 min，记录循环刚结束时的排量与泵压(可以采用录井仪的记录数据)、并测试钻井液的密度与流变性能。

(3)根据排量计划，提高一个排量挡位，循环钻井液30～60 min，循环刚结束时记录排量与泵压(可以采用录井仪的记录数据)、并测试钻井液的密度与流变性能，同时记录钻井液的漏失量。

(4)重复步骤(3)，直至事先计算的排量计划中的最高值。

(5)根据上述测试中所记录的排量、泵压、钻井液的密度与流变性能，并根据注水泥流变学计算的相关理论，计算不同排量下实际的井内关键地层深度处所承受的压力及当量密度。

下套管后动态承压测试需要注意的事项有：一是在上述动态测试中，必须仔细观察地面返出情况、泵压情况及泥浆池液面情况，严防出现恶性井漏的事故；二是司钻房的专职操作人员必须坐岗、随时观察，防溢管出口处必须有专人坐岗、随时观察，录井房必须有专人坐岗、随时观察。

4 现场应用

依据上述下套管后动态测试方法对延长石油延408、延437两口井进行地层承压能力测试，均取得了预期的效果。根据钻井和前期的调研情况，该区域内钻井及固井过程中井漏时有发生，前期主要采用分级固井的方式进行固井，但随着开发的深入，区域内井拟采用缝网压裂的方式进行增产试验，而分级箍较弱密封能力使其成为整个井筒的致命薄弱点，因此，急需论证一次性固井的可行性。但由于该区域井表层套管下深较浅，限制了通过承压试验的方式来获取地层承压能力来设计一次上返固井水泥浆浆柱结构。因此，采用动态承压测试的方式对区域内井的地层承压能力进行测试，对该区域的高效开发极为重要。

该区域内漏失最薄弱地层在接近井底处[10-12]，因此以下主要对井底处的承压能力进行计算。表1和表2分别是延408、延437井的井身结构，表套套管鞋处破裂压力当量密度为1.68 g/cm3，固井前承压试验井口承压值为3.61 MPa，无法满足固井要求，所以进行动态承压试验。动态承压试验是在下完套管循环2个循环周期后进行的。根据前文所述的方法，动态承压测试和计算结果如表3、表4所示。

表1 延408井井身结构

表2 延437井井身结构

表3 延408井动态承压试验结果

表4 延437井动态承压试验结果

由表3中数据可知，延408井井底的可控承压能力为1.442 g/cm3(当量密度)。以此为依据，设计该井施工采用常规密度+低密度的双密度水泥浆固井，低密度水泥浆密度为1.35 g/cm3，最终该井施工顺利，固井水泥浆返出井口。

由表4中数据可知，延437井的可控井底承压能力为1.585 g/cm3(当量密度)。以此为依据，设计该井同样采用双密度水泥浆固井，低密度水泥浆密度为1.40 g/cm3，最终该井同样施工顺利，固井水泥浆返出井口。

以上现场应用可知，该方法成功解决了该区块由于表层套管下深较浅无法在油层套管固井前进行静态承压试验的难题，获得了实际的地层承压能力，为该区实现固井全封固和固井施工的安全和成功奠定了基础。同时上述测试结果也为合理的低密度水泥浆密度设计提供了依据，最大限度地节省了低密度减轻材料，降低了固井成本。

5 结论

针对固井前无法进行常规的静态承压试验或者常规静态承压试验无法满足固井要求的特殊情况，本文提出了一种动态测试方法，根据研究及现场应用得出以下结论：

(1)这种动态测试方法能够解决受上层套管下深浅或者抗内压强度不够等限制而无法进行静态承压试验的难题，在下套管后对地层的实际承压能力进行测试，非常有效。

(2)从现场应用的情况来看，该方法实用性强，能够满足现场固井对地层承压能力测试的要求，获得的地层承压能力值为固井设计和固井安全提供了基础和保障。