固井前地層漏失壓力動態測試方法

吳天乾 李明忠 李德紅 宋文宇 李季

中石化華北石油工程有限公司技術服務公司

地層承壓能力低、漏失嚴重已成為固井作業保證水泥返高和提高固井質量的瓶頸。為有效解決固井工程中的漏失問題，固井設計考慮的安全窗口由“地層壓力-破裂壓力”窗口轉變為“地層壓力-漏失壓力”窄窗口，即通過設計合理的漿柱結構和注、替漿工藝，實現油氣層的壓穩和薄弱地層的防漏。地層壓力及異常壓力評價可通過聲波時差法或實鉆dc指數法進行預測或監測，破裂壓力評價可借助巖石力學和地層應力參數，通過黃榮樽法等模型預測，或鉆井液壓試驗法實際測量［1］。但目前，國內對漏失壓力的確定尚無成熟的理論，其研究基本停留在定性半定量描述階段。或基于某類漏失機理，或討論有無泥餅存在，根據巖石力學原理，建立地層漏失壓力理論計算模型［2-7］。但造成地層漏失的原因種類多、機理復雜，理論模型適用范圍有限，而且其中基礎參數測量與處理的準確性有待提高。因此，現場試驗測定是獲取地層漏失壓力最為直接有效的方法。

當作用在薄弱地層上的動液柱壓力等于地層漏失壓力時，地層開始發生漏失，因此準確計算漿柱的動液柱壓力是地層漏失壓力評價的關鍵。筆者以環空和套管內流體力學的原理和方法為基礎［8-10］，提出了一種固井前開展地層漏失壓力動態測試的方法。通過逐步提高循環排量，增加作用于目標層的動液柱壓力，根據循環立壓，結合環空和套管的幾何特征關系，計算在環空不同井段處動液柱壓力分布，從而確定目標層漏失壓力，為優化防漏固井設計提供依據和參考。

1 地層漏失壓力動態測試流程

下完套管固井前需要循環鉆井液，降低鉆井液的黏度、切力。鉆井液經套管由井底返出進入環空，循環摩阻方向與鉆井液流動方向相反，大小與循環排量正相關，如圖1所示。鉆井液經過充分循環后，出入口鉆井液密度、流變性能基本保持一致，此時井口立壓pf與套管及環空內循環摩阻pfi、pfo滿足關系

式中，pf為井口立壓，MPa；pfi為套管內循環摩阻，MPa；pfo為環空內循環摩阻，MPa。

通過逐步提高排量，增大作用在地層上的循環摩阻力，進而對地層漏失壓力開展動態測試，具體流程如下。

圖1 固井前鉆井液循環示意圖Fig.1 Circulation of drilling fluid before the cementing

(1)收集基礎數據：套管外徑、壁厚及套管分段段長，井眼井徑及分段段長；結合鄰井實鉆資料，確定主要漏失層(測試目標層)及其井深。根據固井設計的漿柱結構、流體性能和注替漿排量，計算固井時作用在目標層的最大動液柱壓力pcd；

(2)下完套管后緩慢開泵，頂通井內鉆井液，小排量循環以充分破壞靜切力，防止壓力激動；

(3)適當提高循環排量，調整鉆井液性能至進、出口基本一致；

(4)逐漸增大循環排量，作用于測試目標層的動液柱壓力逐漸增大，測量對比進、出口排量，記錄井口立壓pf及對應排量；

(5)根據井口立壓實時計算作用在目標層的動液柱壓力pd，具體計算方法見2.2節；

(6)當出口排量開始小于井口排量，井眼開始發生微漏時停止測試，此時動液柱壓力即為目標層漏失壓力；或者測試至pf≥pcd仍未發生井漏，停止測試進行固井作業；

(7)若測試目標層的地層承壓能力pf≤pcd，通過采取調整漿柱結構、優化固井液密度與流變性和優化注替漿排量的措施，降低pcd使其滿足pf≥pcd(如圖2中①所示)，或采取循環堵漏措施，提高pd滿足pf≥pcd(如圖2中②所示)。

2 循環摩阻及地層漏失計算

2.1 循環摩阻計算

為便于理論研究，做出如下假設：(1)環空暢通，不存在明顯憋堵井段；(2)考慮鉆井液的屈服特性和觸變性，鉆井液滿足賓漢流變模式［11］；(3)充分循環后，井內鉆井液性能基本一致；(4)套管串上的浮箍及浮鞋水眼直徑較大，節流效應較小，井口立壓主要是套管、環空的循環摩阻疊加。

圖2 地層漏失壓力動態測試流程Fig.2 Dynamic test process of formation leakage pressure

固井前循環鉆井液，經過充分降黏切，并逐步提高排量，鉆井液在環空內的流態變為紊流。一般井眼內徑Dw、套管外徑De之比大于0.3，為窄環空間隙，因此采用窄縫近似法計算賓漢流體的環空流動特性。pfi和pfo可通過式(2)、(3)計算［12］：

在套管內的鉆井液速度及雷諾數見式(4)、(5)，在環空內的鉆井液速度及雷諾數見式(6)、(7)。

套管和環空內的摩阻系數f為

式中，Q為循環排量，m3/s；V為鉆井液在套管或環空內的平均流速，m/s；Di為套管內徑，m；ρ為鉆井液密度，kg/m3；μp為鉆井液塑性黏度，Pa · s；Dw為井眼內徑，m；De為套管外徑，m；Re為套管或環空內流體雷諾數；L為套管或環空段長，m；f為套管或環空的摩阻系數；KRe和KΔp/L均為常數，使用SI單位制時取1；A、B為與賓漢流體赫茲數相關常數，A=0.205 21，B=0.355 79。

鉆井液經過充分循環后，井內各段鉆井液密度、流變性能基本一致；套管與環空之間不存在“U”型管效應，即出入口排量相等。由公式(2)～(8)分析可得，在套管或環空各段之間循環摩阻差異由幾何特征(環空間隙寬度、套管內徑、段長)確定。

2.2 地層漏失壓力計算

采用動態測試法確定地層漏失壓力的關鍵是定量計算作用于目標層的動液柱壓力。井口立壓表征井內鉆井液在不同排量時的循環摩阻，基于套管與環空的幾何特征比例，量化井口立壓在不同井段的百分比，得到各井段產生的循環摩阻，進而計算作用于目標層的動液柱壓力。定義井深Lw、井眼平均直徑環空內的循環摩阻為參考變量pfw。僅當井徑、套管外徑隨井深增加而不變時，環空總循環摩阻等于pfw。

鉆井液在井徑Dj、段長Lj環空內的速度Vj與在井徑、段長Lw環空內的速度的關系為

鉆井液在井徑Dj、段長Lj環空內的雷諾數Rej與在井徑、段長Lw環空內的速度Rew的關系為

鉆井液在井徑Dj、段長Lj環空內摩阻系數fj與在井徑、段長Lw環空內的摩阻系數fw的關系為

鉆井液在井徑Dj、段長Lj環空內的摩阻pfj與pfw的關系為

同理，鉆井液在內徑Dk、段長Lk的套管內的摩阻pfk與pfw的關系為

因此，鉆井液循環時的井口壓力pf滿足：

式中，為井眼平均直徑，m；為環空內鉆井液平均速度，m/s；Dj為某井段井眼直徑，m；Lj為對應Dj的井段長度，m；j為環空內由井口至井底的依次編號，j=1，2，···，n；Lw為井深，m；Aj和Ak為無量綱參數，與套管與環空的幾何特征有關；k為按照套管內徑大小由井口至井底的依次編號，k=1，2，···，m。

固井前鉆井液大排量循環，由井口立壓表讀取pf，Aj和Ak可通過式(13)和(14)由環空和套管尺寸參數計算，通過式(15)計算參考變量pfw，由式(13)和(14)分別計算環空與套管內的各段循環摩阻Pfj與Pfk。對目標層以上各環空井段所形成的循環摩阻疊加，見式(16)，進而得到作用于目標層的動液柱壓力。根據測試流程，確定目標層的地層漏失壓力，從而為防漏固井設計優化與施工方案調整提供數據支撐。

式中，pd為作用于目標層動液柱壓力，MPa；n0為目標層所在的井段編號；pfn0為n0段環空形成的循環摩阻；Ln0為第n0段環空段長，m；Hwn0為目標層所在井深，m。

在固井施工前鉆井液性能調整及井眼清潔過程中，首先頂通井內鉆井液，然后循環排量逐漸由低到高。壓力測試即在該階段完成，未增加額外的生產時間或形成額外的工作量，測試方法簡單，現場便于操作。通過實驗方法定量評價，得到的結果更為準確。

3 計算實例

以鄂爾多斯盆地大牛地氣田某井二開技術套管固井為例。井身結構：一開?311.2 mm鉆頭鉆至405 m，?244.5 mm(壁厚8.94 mm)套管下深404.82 m；二開?222.3 mm鉆頭鉆至 3 125 m，?177.8 mm(壁厚 8.05 mm)套管×(0～1 900 m)+?177.8 mm(壁厚9.19 mm)×(1 900～3 125 m)。環空井段 405～2 225 m井徑 231.80 mm，2 225～3 125 m井徑 232.60 mm。鉆井液性能：密度1.25 g/cm3，動切力8 Pa，塑性黏度16 mPa · s。固井前開展地層承壓能力動態測試，測試至循環排量22.4 L/s未發生井漏，井口壓力達到5 MPa。

借助2.2節方法，計算環空不同井段承受的動液柱壓力，如表1所示。環空分3段、套管分2段；環空平均井徑231.26 mm，在該井徑、井深3 125 m條件下計算的環空參考摩阻pfw為4.24 MPa。計算的環空和套管內的總摩阻分別為4.277 MPa和0.723 MPa。

表1 由井口壓力計算的環空不同層位的摩阻Table 1 Annulus friction at different horizons calculated on the basis of wellhead pressure

該井易漏失地層劉家溝組井深2 134 m，則作用在劉家溝組上的循環摩阻為

作用在劉家溝組上的動液柱當量密度為

即劉家溝組的地層承壓能力不小于1.394 g/cm3。

該井技術套管固井采用三凝水泥漿體系，領漿密度1.260 g/cm3，封固0～2 250 m井段，過渡漿密度1.75 g/cm3，封固2 250～2 500 m井段，尾漿密度1.88 g/cm3，封固 2 500～2 925 m，注漿排量 1.0～1.4 m3/min，U型管效應階段替漿排量1.5 m3/min，U型管效應結束后替漿排量0.3 m3/min。模擬計算作用于劉家溝組的最大動液柱壓力1.343 g/cm3，小于其地層漏失壓力，滿足固井防漏需要?，F場施工時水泥漿返至井口，未發生井漏。

4 結論

(1)基于鉆井液在環空和套管內的流動特性，提出了一種固井前利用鉆井液循環摩阻定量測試地層漏失壓力的原理和方法。參考井口壓力、井眼和套管幾何參數，即可定量計算作用于測試目標層的動液柱壓力。

(2)在動液柱壓力定量計算基礎上，制定了固井前地層漏失壓力動態測試流程。逐漸提高循環排量，實時監控進口、出口鉆井液排量，在發生微漏時停止測試，此時對應的動液柱壓力即為地層漏失壓力，或測試至滿足固井防漏需要時停止。

(3)與靜態承壓相比，該方法尤其適用于低漏失壓力井的測試?，F場應用表明，該方法簡便快捷、測試結果準確、現場可操作性強，為固井工程方案調整、設計優化和施工過程控制提供了參考和依據。