精细控压固井技术在川渝及塔里木盆地的应用

孙翊成， 蒋 林, 刘成钢

1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中国石油欠平衡与气体钻井试验基地 3中国石油川庆钻探工程有限公司苏里格项目部

0 引言

近年来，精细控压钻井技术在四川磨溪—高石梯构造、龙岗构造、双鱼石—河湾场构造及新疆塔里木山前构造等钻井实践表明，该技术可有效解决钻井过程中的溢漏复杂问题[1]，但是在固井时却存在密度窗口窄、套管居中度低、环空间隙窄等复杂情况，常规固井作业时存在井控风险大、固井质量难以保障等问题。常规固井作业一般采用静液柱过平衡的方式实施下套管、注替水泥浆等作业，下套管过程中容易产生激动压力、替浆时也因注替高摩阻及候凝过程中因水泥环失重等极易造成环空压力失衡而导致井下出现井控风险，固井质量难以保障；同时，还面临所用水泥浆密度过高，顶替效率低，以及发生漏失引起窜气等诸多挑战，固井质量及水泥环密封完整性难以得到保证。因此，在川渝及塔里木地区的深井、超深井及复杂地层固井采用常规固井工艺已不能满足窄安全密度窗口地层固井的井控及固井质量要求，严重制约了上述区域的油气勘探开发进程[2]，应用精细控压固井技术已成为势在必行，既能满足封固井段长、环空间隙小，又能保证地层压力敏感的窄安全密度窗口地层固井的安全需求。

1 精细控压固井技术

1.1 精细控压固井技术原理

精细控压固井技术是在精细控压钻井技术基础上发展起来的，是精细控压钻井技术的延伸和发展。该技术首先通过实钻资料、测井资料、承压试验等确定地层压力窗口，然后在前期固井设计时将环空流体的静液柱压力确定为略低于地层孔隙压力，最后通过旋转防喷器、自动节流控制系统、数据监测与控制系统、回压补偿系统等精细控压设备，在固井施工过程中调节井口回压和环空摩阻来实现井底压力的平衡，如图1所示。

图1 精细控压固井主要设备图

可用式(1)表示：

pH

(1)

式中：pH—固井期间压稳地层压力,MPa；pD—固井期间环空压力,MPa；ph—环空静液柱压力,MPa；pL—固井期间地层漏失压力,MPa；pf—环空循环摩阻,MPa；pk—井口回压,MPa。

也可理解为根据前期确定的安全密度窗口优化固井施工排量、井筒水力学参数和固井施工过程中的井筒压力的精确控制，利用专业设备来实现压稳、防漏、防气窜，提高固井质量的一种固井技术，如图2所示。精细控压固井技术在施工过程中可降低钻井液密度，在水泥浆顶替过程中增大排量，从而提高顶替效率，达到安全施工、保证固井质量的目的，弥补了常规固井技术的不足[3]。

图2 精细控压固井原理图

1.2 精细控压固井技术流程

近年来，所通过不断攻关与现场试验，形成了通井、下套管、循环降密度、注替固井工作液、起钻、侯凝等全过程精细控压固井工艺包，实现了窄密度窗口条件下固井不同作业阶段的压力精细控制流程，如图3所示。

图3 全过程精细控压固井流程图

2 精细控压固井理论及设计方法

2.1 精细控压固井技术理论依据

为保证控压固井施工过程中静液柱压力略低于地层孔隙压力，采用精细控压平衡法来设计环空浆体密度，注水泥顶替过程中通过在井口施加补偿压力，钻井液的流动阻力和静液柱压力来平衡地层压力[4- 5]。

环空静液柱压力应满足：

(2)

(3)

式中：ph—环空流体总静液柱压力，MPa；Ha—目标位置垂深，m;Ga—目标井段地层控制当量密度，g/cm3；ΔGp—控压过程地层压力附加安全当量密度，g/cm3;pa—控压过程井口补偿平衡压力，MPa；pf—注水泥过程环空流动摩阻，MPa；Hsi—环空各段水泥浆垂直段长，m；ρsi—环空各段水泥浆密度，g/cm3；Hfi—环空各段前置液垂直段长，m；ρfi—环空各段前置液密度，g/cm3；Hm—环空钻井液垂深，m；ρm—环空钻井液密度，g/cm3。

井口补偿压力应满足：

(4)

pa=0.009 81(Ga+ΔGp-ECD)Ha

(5)

(6)

式中：Gf—目标井段地层漏失压力当量密度，g/cm3；ΔGf—地层漏失压力附加安全当量密度，g/cm3；ECD—目标位置实际环空循环当量密度，g/cm3。

2.2 精细控压固井关键技术

2.2.1 精细控压适应性评价技术

钻前结合邻井工程地质基础资料分析，开展精细水力学计算模拟和窗口不确定性风险评估，设计出最佳初始密度和控制套压，为复杂地层精细控压提供数据依据。

2.2.2 精细控压下管柱工艺技术

通过在线环空液面监控、微流量监测和水力学计算方式进行井筒压力实时控制，形成了管串下入安全评估方法、重浆帽技术、井筒压力控制技术、应急处置等配套技术，实现通井、刮管和完井管串下入等作业井筒压力的精细控制和安全施工。

将“井底恒压”原理和“精细控压”理念引入到固井设计，基于安全密度窗口，优化设计浆柱密度，井口控压值、注入排量等参数，利用集控压固井设计和实时监测控制为一体的精细控压固井装备，计算误差小于5%，控制精度±0.35 MPa，能够保持动静态井底压力平稳，解决固井过程中的漏喷复杂，提高固井质量。并针对精细控压固井安全密度窗口敏感性差异，形成了适用于安全密度窗口较大的间歇式精细控压固井和适用于安全密度窗口较小的全过程精细控压固井配套工艺，实现通井、下套管和固井各阶段对井筒压力的管理。

2.3 精细控压固井设计方法

以2.1压力计算理论为核心，控压下套管参数设计、注替动态模拟、憋压候凝方案等子模型为基础，建立了精细控压固井设计方法，开发专用设计软件，实现下套管参数、钻井液密度及性能、浆柱结构、排量、井口套压等参数的精确量化设计软件。

精细控压固井除了以上技术外，还在设计之初充分考虑各方面因素，使之具备固井全参数的采集、水泥浆顶替效率、ECD动态模拟、环空压力剖面的实时计算和动态控制、关键参数的报警等多重功能。

3 精细控压固井技术的应用情况

3.1 应用实例

BZ3-K2井是部署在塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深断裂带博孜～阿瓦特变换带博孜3号构造高点西南翼附近的一口开发井，Ø241.3 mm井眼的中完井深6 170.2 m,Ø196.85 mm+Ø206.38 mm的套管悬挂井深为4 223～6 170.2 m,中完钻井液密度为2.18 g/cm3,固井水泥浆密度为2.12 g/cm3。作为集团公司的一类风险井，通过前期施工得出安全密度窗口仅0.03 g/cm3，属于典型的窄安全密度窗口，长裸眼大斜度盐层，有接箍套管安全下入难度大；提前连通风险大，下套管和固井期间存在井漏风险，井控风险大，施工难度高。

BZ3-K2井下送套管至6 170.2 m后，排量3～6.6 L/s循环钻井液70 m3无异常，采用2.06 g/cm3钻井液替出井筒内2.18 g/cm3钻井液，全程通过调整排量大小和精确控制井口回压，始终将井底ECD控制在2.18～2.21 g/cm3的安全窗口范围以内;在注水泥过程中，为保证顶替效率，在1.8 m3/min的大排量情况下，全程精细控制井口回压精确控制井底ECD在2.18～2.185 g/cm3范围，钻井液与水泥浆密度差达到0.06 g/cm3，最大环空返速超过2.50 m/s，为提高顶替效率提供了基础。固井施工过程中控套压0～7 MPa，控压值与施工方案设计套压值完全吻合，一次性精确憋压7 MPa，与施工方案中的设计值0偏差，0浮动。

电测得到固井质量合格率83.2%,其中固井质量优质率为54.7%。而邻井BZ3-2X,BZ3-3X常规固井合格率仅为63%，其中固井优质率不足40%,BZ3-1CZ井固井合格率提高32%,优质率提高36.75%。精细控压固井施工期间实现“零溢流、零漏失、零复杂”，保障井控安全，为提升固井质量创造优质条件，取得显著的应用效果，得到一致好评。

截止2021年11月中旬，该技术已在川渝地区成功应用104口井，在塔里木库车山前构造成功应用3口井。与常规固井技术相比，精细控压固井技术始终控制环空动态当量密度在安全密度窗口范围内，提升顶替效率至95%以上，避免固井期间的溢漏复杂，大幅提升川渝地区和塔里木油田复杂井固井质量，成为提升窄密度窗口固井质量的一把利器。

3.2 川渝地区应用情况

据统计川渝地区自2018年采用精细控压固井技术以来，创造了最大井深、最小工作液密度窗口、一次上返率、固井合格率等多项应用指标记录，较好地解决了固井漏失低返问题，固井质量明显得到大幅度提高，采用精细控压固井技术后的固井合格率从2018年的59.9%提高到2021年的92.5%，平均每年提高18.3%；固井优质率从2018年的36.7%提高到2021年的63.6%，平均每年提高11%，如图4所示。

图4 川渝地区固井质量对比图

3.3 塔里木库车山前应用情况

塔里木库车山前是油田天然气上产的主战场，西气东输的气源地，但山前盐层固井质量受密度窗口窄、套管居中度低、环空间隙窄等影响，固井合格率多年来徘徊在50%左右，严重威胁井筒完整性生产和安全性。

塔里木库车山前构造2019年首次采用精细控压固井技术就获得多项成果：一是首次在超深、超高压盐水层、超窄密度窗口实现了零漏失、零溢流，成功实现一次上返，减少了正注反挤作业程序，显著降低了中完周期；二是显著提高了盐层固井施工排量(返速1.1 m/s)，大幅提高了钻井液和水泥浆密度差(0.09 g/cm3)，为提高盐层固井顶替效率提供了良好顶替环境；三是真正意义上解决了塔里木油田超窄密度窗口(0.02 g/cm3)的固井溢漏难题，填补了塔里木油田精细控压固井施工领域的空白。进一步扩展了精细控压固井技术的应用条件，为解决超窄安全密度窗口固井溢漏难题提供了新的技术途径。从塔里木库车山前精细控压固井后的统计数据来看，固井合格率由47.2%提高到83.2%，优质率由21.5%提高到54.7%，固井合格率与优质率均提高30%以上，效果十分显著，如图5所示。

图5 塔里木固井质量对比图

4 结论与建议

(1)精细控压固井技术是目前解决窄安全密度窗口气井固井难题的有效手段。它能最大限度地确保压稳地层，防止井漏的发生，为解决固井中普遍存在的“易漏失、难压稳”提供了新的技术途径。

(2)精细控压固井的基础是根据前期实钻情况，包括油气显示、井漏和地层承压试验等各种综合影响因素来确定固井施工作业过程中各阶段的井口控压值。在确保压稳、不漏、保证固井质量的前提下，通过精细控压固井装备，结合控制软件模拟井筒压力情况，并合理控制井口回压，确保固井过程中井底压力处于地层孔隙压力与地层漏失压力之间。

(3)精细控压固井的关键在于“精”，精准地层压力分析是前提、精确环空压力计算是重点、精细压力控制是关键，只有三者相辅相成，才能确保精细控压固井施工的成功。

(4)目前精细控压固井控制系统的智能化程度需要进一步加强，具体表现在现场控压值变化较大的时候控制系统响应时间较长，控压值调整到位会稍微滞后。