基于Cempro Plus的长封固段固井顶替效率影响因素分析——以塔里木盆地顺北区块S7井为例

易 浩

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引言

S7 井是中国石化西北油田公司塔里木盆地顺北区块Ⅳ号断裂带顺托果勒低隆上的一口典型探井，主要探索奥陶系一间房组-鹰山组上段储层发育特征、横向展布规律及含油气性［1-2］。该井设计井深为8 029 m，采用五开井身结构，地层压力系数为1.15～1.48，邻井在钻完井过程中多次发生气侵、溢流等风险，普遍存在后期井口带压问题。为了防止S7井环空气窜以及提高长效密封性，四开采用193.7 mm+206.4 mm套管单级尾管回接固井，封固段约为6 000 m，面临气层压力高、上下温差大（静止温度120 ℃，循环温度100 ℃），水泥石顶部强度发展缓慢（7 d小于14 MPa）、顶替效率低、密封完整性差等一系列固井难题［3-10］。急需针对相关难题进行固井工艺的优化研究。

1 固井流场分析软件

在采用大温差高强度弹韧性水泥浆体系的基础上［11-16］，采用固井流场分析软件Cempro Plus 软件，模拟计算套管居中度、模拟钻井液顶替排量及冲洗液体积对水泥浆顶替效率的影响，为S7 井长封固段回接固井工艺优化提供指导。Cempro Plus 软件是进行油气井固井设计和施工的常用软件，该软件模拟固井水泥浆顶替过程中的压力、体积、顶替效率、循环温度和当量循环密度等，用以对固井方案进行可行性分析及优化［17-20］。在分析水泥浆顶替效率时，仅需在软件操作界面输入固井流体参数和井身结构参数即可完成计算。

2 顶替效率影响因素

鉴于S7 井的井身结构较为复杂，依次模拟钻井液、冲洗液、领浆、尾浆、重浆及顶替钻井液在井筒内的流动过程，计算不同工况条件下井筒顶替效率、相关入井流体参数（表1、表2）

表1 S7井设计井身结构表

表2 S7井入井流体性能与施工参数表

2.1 居中度影响

针对不同顶替排量，模拟分析了套管居中度分别为0、30%、60%及90%条件下不同井段水泥浆顶替效率。图1为不同套管居中度条件下顶替效率随井筒测深变化曲线。顶替排量一定的条件下，套管居中度与水泥浆顶替效率成正相关，与井筒混浆程度成负相关。在相同顶替排量下，随着套管居中度的增加，井筒中下部区域（1 000～4 000 m井段）的顶替效率提升明显，最高提升幅度可达32%；而对于井筒上部区域（小于1 000 m井段），套管居中度对顶替效率的影响不明显，最高提升幅度仅为5%。此外，可以发现，在不同的套管居中度条件下，顶替效率增长幅度存在差异：高居中度井段顶替效率提升速率更快，而低居中度井段顶替效率提升相对缓慢，只有在达到5 000 m左右的位置才能形成较好的顶替效果。

图1 顶替效率随套管居中度变化曲线图

为了综合对比套管居中度的影响，统计了顶替效率大于85%的井段在井筒中的占比，以此为目标函数，作为评价井筒整体顶替效果的标准。顶替效率优良井段占比越大，表明顶替效果越好。图2为顺北区块常用顶替排量在2.5 m3／min 条件下，不同套管居中度对应的井筒顶替效率对比柱状图。通过分析发现，为保证S7 井整体顶替效果，套管居中度至少应保持在60%以上，才可以显著提升顶替效果，满足固井施工的要求。

图2 套管居中度对井筒整体顶替效率的影响图

2.2 顶替排量影响

针对不同的套管居中度，分析顶替排量分别为1.0 m3／min、1.5 m3／min、2.0 m3／min及2.5 m3／min条件下不同井段水泥浆顶替效率。

图3为不同顶替排量条件下顶替效率随井筒测深变化曲线。在套管居中度一定的条件下，顶替排量与水泥浆顶替效率成显著的正相关，而与井筒混浆程度成负相关。在低顶替排量条件下，3 500～5 693 m井段的顶替效率可以保证，但上部井段顶替效率偏低，只有60%～80%。随着顶替排量逐渐增加，1 500～3 500 m井段的顶替效率开始加强。当顶替排量达到2.5 m3／min时，1 500 m处的井段冲洗效率已超过95%，顶替效果良好。1 000 m 以浅的井段冲洗效率受顶替排量影响相对较小，基本维持在60%～70%的范围内。

图3 顶替效率随顶替排量变化曲线图

以顶替效率大于85%的井段在井筒中的占比为目标函数，作为评价井筒整体顶替效果的标准。顶替效率优良井段占比越大，表明顶替效果越好。图4为典型的套管居中度60%条件下，不同顶替排量对应的井筒整体顶替效率柱状图。为了保证S7 井顶替效果，顶替排量应达到2.0 m3／min 以上，才可以显著提升顶替效果，能较好地满足固井施工要求。

图4 顶替排量对井筒整体顶替效率的影响图

2.3 冲洗液体积影响

通过前面分析可知，为了保证高效的井筒顶替效率，套管居中度应大于60%、顶替排量应超过2.0 m3／min。在此基础上，以套管居中度60%、顶替排量2.0 m3／min 条件，研究冲洗液体积分别为5 m3、10 m3、20 m3、30 m3、40 m3对不同井段水泥浆顶替效率的影响。

由图5可知，在套管居中度与顶替排量一定的条件下，冲洗液体积与水泥浆顶替效率成显著的正相关，而与井筒混浆程度成负相关。在低冲洗液量条件下，4 000～5 693 m井段的顶替效率可以保证，但上部井段顶替效率偏低，只有60%～80%。随着冲洗液体积逐渐增加，2 000～4 000 m井段的顶替效率开始加强。当冲洗液体积达到30 m3时，2 000 m以深的井段冲洗效率已超过85%；当冲洗液体积达到40 m3时，1 000 m 以深的井段冲洗效率超过85%，顶替效果良好。对于1 000 m 以浅的井段，冲洗效率超过75%。

为了对比冲洗液体积对顶替效率的影响，统计了顶替效率大于85%的井段在井筒中的占比，以此为目标函数，作为评价井筒整体顶替效果的标准。顶替效率优良井段占比越大，表明顶替效果越好。图6为不同冲洗液体积对应的井筒整体顶替效率柱状图，为了保证S7 井顶替效果，冲洗液体积应至少保持在30 m3以上，才可以显著地提高井筒上部区域的顶替效果。

图5 顶替效率随冲洗液体积变化曲线图

图6 冲洗液体积对井筒整体顶替效率的影响图

3 结论

根据Cempro Plus 软件对S7井顶替效率影响因素分析结果发现，套管居中度、顶替排量及冲洗液体积与井筒顶替效率成显著的正相关，当套管居中度超过60%、顶替排量大于2 m3／min、冲洗液量在30 m3以上时，井筒可以保持较好的整体顶替效率。研究结果为长封固段井眼固井工艺优化提供了指导与参考。