川西地區精細控壓壓力平衡法固井技術研究與應用

胡錫輝， 唐 庚， 李 斌， 任雪松， 胡嘉佩

(1西南油氣田分公司工程技術研究院 2川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司)

隨著四川盆地油氣藏勘探開發向川西地區發展，井深不斷增加，套管封固的裸眼段加長，同一裸眼井段的棲霞組、茅口組及以上地層顯示活躍，尾管固井面臨封固井段長、環空間隙小、安全密度窗口窄、噴漏同存等諸多挑戰，固井質量及水泥環密封完整性難以保證，制約了勘探進程[1]。近年來，精細控壓鉆井技術在四川高磨地區、川西地區等構造鉆井實踐表明，精細控壓鉆井技術可有效解決鉆井過程中的窄密度窗口問題[2]，根據這一技術，開展精細控壓壓力平衡法固井技術應用研究，取得了良好的效果，固井質量得到大幅提高。

一、主要固井技術難點

1.封固段長，油氣顯示活躍，噴漏同存

川西地區雙魚石構造目的層為茅口組、棲霞組，設計采用五開非常規井身結構。其中，四開?177.8 mm復合尾管固井裸眼封固井段長，平均在3 500 m左右；存在多套壓力系統、長興組、茅口組地層顯示活躍，壓穩防竄難度大；吳家坪以下地層承壓能力低，漏層數量多，易發生井漏。由于安全密度窗口非常窄，調節空間小，在施工過程難以做到既要壓穩地層又要防止壓漏地層，難以實現平衡固井。

2.環空間隙小，施工泵壓高，井漏風險大

小井眼(?139.7 mm井眼下入?114.3 mm尾管)、深井超深井(井深超過7 000 m)，存在固井施工摩阻大，泵壓高，固井一次性上返井漏風險極大。此外，小尺寸尾管固井易漏失，水泥漿用量難以確定，容易造成井漏或加劇井漏造成液柱壓力降低，引起下部井段的油氣上竄，一、二界面膠結強度低，導致固井質量不合格。

3.頂替效率低，固井質量難以保證

由于高溫高壓、安全密度窗口窄、超深井通常鉆井液密度高、黏切大，油氣侵造成的含油較多，固井過程中，井壁與套管壁上的虛濾餅、油膜和鉆井液難以清洗干凈。此外，窄密度窗口限制了鉆井液、隔離液和水泥漿的密度級差，三者密度、流變性難以形成梯級匹配，影響頂替效率。

二、精細控壓壓力平衡法固井技術

精細控壓壓力平衡法固井技術是在精細控壓鉆井技術的基礎上發展起來的，其關鍵技術是通過計算和實鉆油氣顯示、承壓試驗等確定壓力窗口值，根據壓力窗口值優化固井施工排量、水泥漿漿柱結構和固井施工各階段井口控壓壓力值，實現壓穩、防漏、提高固井質量的固井的技術[3]。該技術是利用精細控壓鉆井設備，通過固井井段壓穩、防漏計算，控制井口及井底壓力，實現固井作業過程中壓穩地層，且不至于壓漏地層的目的，更好地保障固井施工安全[4]。該技術在固井施工前循環、注隔離液、注水泥漿、替漿等各種工況均要有精準的動態井口控壓，才能確保壓穩地層且不壓漏地層[5-9]。

1.地層安全密度窗口確定方法

一是根據精細控壓鉆井實鉆情況，確定油氣壓穩的最小安全臨界密度；二是下套管前，通過不同的循環排量，驗證不同排量下的地層承壓能力，以二者中最小壓力窗口作為最終安全密度窗口，以此為基礎形成了安全密度窗口確定方法。

2.固井漿柱結構設計

2.1 施工排量的確定

根據不同排量頂替效率軟件計算結果，選取保證頂替效率大于90%的排量作為初選排量范圍，再計算排量范圍設計固井漿柱結構。如圖1、圖2所示，?177.8 mm尾管固井初選最優排量>1.1 m3/min(18.3 L/s)。

頂替效率90.6%(18.3 L/s)

頂替效率93.6%(21.7 L/s)圖1 不同排量頂替效率計算

2.2 漿柱結構設計方法

確定初選排量范圍內，根據確定的安全密度窗口值，利用流變學計算公式，優選出隔離液、快干和緩凝水泥漿、頂替液的用量和密度。再根據計算結果，計算固井井段關注點的壓力，確保壓穩防漏，最終確定滿足精細控壓壓力平衡法固井的最優排量范圍，并確定施工過程中環空控壓值。

2.3 尾管固井各階段井口控制

井口控制壓力作為壓力平衡法固井的約束條件，是實現平衡壓力固井的基礎。固井施工注替過程中，井下不同深度固井流體所形成的環空總的動液柱壓力(環空各種固井液體靜液柱壓力、流動阻力與井口控制壓力之和)應小于相應深度的地層漏失壓力且大于地層孔隙壓力。水泥漿被頂替到設計的環空井段后，在凝聚和“失重”條件下，環空靜液柱壓力降低，因此需要通過環空補壓來保持環空當量壓力大于產層壓力，控制油、氣、水的侵竄。

圖2 漿柱結構及環空壓力分布情況

pD=pha+pfa+pka

(1)

式中：pD—動態壓力；pha—環空靜液柱壓力；pfa—環空壓耗；pka—井口控壓壓力。

精細控壓壓力平衡法固井過程中，不同作業階段的井口控制的壓力不同，分為井內工作液靜止階段(包括沖洗管線階段、管線試壓、配制水泥漿、開擋銷倒閘門、檢查回流、拆水泥頭)、井內液體移動階段(包括注隔離液、注水泥漿、頂替、尾管固井的起鉆和循環)。

(1)井內液體靜止階段，井口控壓值必須滿足：

pp-pha

(2)

(2)井內液體循環階段段，故井口控壓值需滿足：

pp-pha-pfa

(3)

式中：pp—地層孔隙壓力；pka—井口控壓壓力；ps—地層漏失壓力。

三、現場應用

1.應用效果

精細控壓壓力平衡法固井技術目前已在川西地區開展5口井的現場試驗，取得了顯著的效果。同比該地區常規尾管固井，平均固井質量優質率由37.68%提高至56.60%，合格率由64.9%提高至90.52%，分別提高50.22%、39.48%。

2.應用實例

雙探7井為川西北地區雙魚石～河灣場構造帶田壩里潛伏構造的一口預探井，目的層為茅口組、棲霞組。該井四開采用?241.3 mm鉆頭，采用精細控壓鉆井，鉆井液密度2.07 g/cm3，鉆至井深7 582 m中完，下入?177.8 mm+?193.68 mm+?184.15 mm套管封固3 770～7 582 m井段。

本次固井裸眼井段3 770～7 582 m，主要存在多層區域性儲層、高低壓互存，固井難點包括安全密度窗口窄，封固段最大承壓能力為當量密度2.12 g/cm3，壓穩嘉五段鹽水層需當量密度2.10 g/cm3，壓穩長興組及茅口組氣層需當量密度2.05 g/cm3，最小安全壓力窗口僅0.02 g/cm3。其次，封固段長(3 613 m)、溫差大(達81℃)，氣、水顯示活躍。

本次固井采用全程精細控壓壓力平衡法固井技術，采用三凝水泥漿體系，緩凝2.05 g/cm3，中凝和快干2.00 g/cm3，快干封固6 700～7 582 m井段，中凝封固5 200～6 700 m井段，緩凝封固3 770～5 200 m井段；頂替排量1.1～1.3 m3/min；在下套管、注水泥漿、替漿全過程實時精細控壓1.0～4.2 MPa(圖3)，關注點的井筒壓力控制在壓力窗口內解決了安全壓力窗口窄的難題。

圖3 各施工環節井口控制壓力和井底動壓力

采用CBL/VDL固井質量綜合評價測井，測井解釋結果顯示：水泥膠結優良井段為56.2%，水泥膠結中等井段為41.1%，水泥膠結差井段為2.7%。全井段固井水泥膠結合格率為97.3%，測井評價為合格。以7 350～7 410 m儲層為例，測井聲幅值低，一界面水泥膠結優；變密度曲線反映套管波能量弱、地層波能量較強，二界面水泥膠結中等。

四、結論

(1)根據實鉆的油氣顯示、井漏與地層承壓試驗確定的壓力窗口值，是精細控壓壓力平衡法固井的基礎。

(2)通過水泥漿、前置液優化設計，形成基于環空壓力剖面精細控制與提高頂替效率的環空漿柱結構；通過壓力平衡固井與防漏固井施工壓力分析，優化形成合理的施工排量、施工壓力參數。

(3)建立了精細控壓壓力平衡法固井施工作業各階段的井口控制壓力的計算，確保了壓穩、防漏的目的，保證了固井質量，通過環空動態壓力模擬井筒壓力情況，結合精細控壓鉆井裝備，合理控制井口回壓，確保井底壓力介于地層孔隙壓力與地層漏失壓力之間，保證了固井質量。

(4)精細控壓壓力平衡法固井技術在現場應用，有效解決了窄安全密度窗口地層固井噴漏同存的難題，為深井超深井窄安全密度窗口地層優質固井開辟了新途徑。