一種固井施工過程中井下安全工作狀態分析方法

吳朗，唐煒

（川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川成都610052）

1 概述

隨著石油天然氣工業的不斷發展，許多復雜井、特殊井的固井施工作業難度越來越大，固井作業面臨的風險越來越高。固井施工過程中為了保障固井施工安全和提高固井質量，不僅需要施工前精細設計，也需要開展施工過程精細控制。固井設計主要實現了固井方案的確定以及相關的前期準備工作，而施工過程控制則是實現固井過程安全順利的必備手段。目前固井施工過程的控制手段缺乏，如何實現真正意義上實現固井施工過程控制是有待解決的關鍵問題。目前已實現固井過程實時獲取泵注參數（排量、壓力、密度）同時可從設計中獲取各種入井工作液的性能數據，然而如何利用這些數據實現固井過程控制就是本文解決的問題。文中針對固井施工過程中的井下安全工作狀態分析，建立了固井施工過程仿真模擬與輔助分析方法，構建了一套固井施工實時仿真模擬分析系統，最終形成了一種固井施工過程中井下安全工作狀態分析方法，通過對固井注水泥過程的動態參數實時了解和分析，有效地判斷井下工作狀態，實時反映井下情況并做出安全預警提示。

2 井下安全工作狀態分析方法

固井施工過程中井下動態安全情況分析方法則是從平衡壓穩出發，結合排量壓力分析對井下安全狀態做出判斷。平衡壓穩固井主要校核現場施工注替過程中動態ECD維持在地層壓力與地層漏失壓力之間；排量、壓力異常分析主要校核實際施工參數中的排量、壓力是否出現異常波動，進而對井下的情況做出判斷。井下異常情況檢測以上述確定的臨界條件為依據，通過調用仿真模擬、輔助分析軟件實現現場實時施工參數條件下相關參數的計算對比分析對井下動態情況做出有效判斷[2-3]。

（1）平衡壓穩分析。平衡地層壓力要求施工中環空漿體所產生的壓力既能壓穩地層又不壓漏地層[1-2]，因此，判斷施工參數是否出現異常的壓力條件可根據設計依據中所提供的地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度來設定。對于平衡壓力固井要求作用于地層的漿體壓力應保持在地層壓力和地層破裂壓力之間，當漿體作用于地層的壓力小于地層壓力時可能存在壓不穩地層的潛在危險，而當漿體作用于地層的壓力超過地層破裂壓力時，則存在壓漏地層的可能。

漿體作用于地層的壓力與漿體的密度、注替排量、漿體性能有密切關系，對于靜止的漿體，其作用于地層的壓力主要為靜液柱壓力，與漿體的密度和封固段高度有關。注替過程中流動漿體作用于地層的壓力由靜液柱壓力和流動摩阻力構成，應用仿真模擬模塊結合實時采集三參數數據來完成實時動態計算分析判斷。

（2）排量壓力異常分析。根據實時采集壓力排量與注入返出排量情況，主要進行實時采集壓力、排量的波動趨勢變化情況、注入與返出量的情況對比分析，對井下安全情況做出判斷。壓力、排量異常波動分析，施工過程中若井下發生復雜情況采集到施工排量、壓力將會發生變化，同時結合實時模擬計算井口壓力、井下關注點壓力輔助判斷。若實時采集的壓力陡然下降而注入排量未發生變化或排量增加，此時需要分析井下是否發生復雜情況并及時做出異常提示；相反陡然壓力上升而排量未發生變化或減小，也需要對其進行甄別與分析，同理排量變化也會引起壓力變化。注入返出情況分析，實時對比分析采集的注入返出量數據判斷井下的溢漏狀態，若注入排量大于了返出排量，結合仿真模擬是否發生U型管效應，核查井下是否發生井漏情況，相反則核對是否發生了溢流。

3 井下安全工作狀態分析方法實現

針對固井過程井下安全狀態分析，形成了實時分析判斷方法，結合計算機仿真模擬技術，開發了固井施工實時監測仿真模擬系統[4-9]，結構如圖1所示，由硬件系統與軟件系統組成，硬件系統負責固井施工實時數據采集處理，軟件系統實時模擬分析井下動態情況，系統主要功能包括實時監測、仿真模擬、輔助決策分析。①實時監測功能，主要功能包括了實時的排量、壓力、密度數據的采集、傳輸、顯示、處理功能，為現場計量監測提供了有效手段與科學根據。②實時仿真模擬功能，運用實時采集三參數數據與井眼基礎數據能夠進行注替過程的實時反演、計算，并圖形化顯示漿柱的運移的過程，更加直觀地向用戶展示流體在井下實時情況，隨著施工過程的進行實時模擬顯示漿柱運移過程、注入流體實時位置情況，更加直觀顯示漿柱運移過程中所處狀態。③輔助決策分析功能，通過實時采集數據異常波動、同時與仿真模擬計算的結果數據實時對比分析，對井下安全情況做出判斷并進行異常提示。系統實時全井段壓力分析，井下復雜情況預警，實時計算分析整個井筒內壓力分布情況，獲取整個施工過程中任意時刻任意井深下的動液柱、靜液柱壓力，并實時更新整個施工過程中最大靜壓動壓、最小靜壓動壓情況，并結合實時采集壓力排量數據，實時判斷井筒內壓穩防漏狀態，分析判斷井下復雜情況并進行預警提示。

圖1 系統框架結構

4 現場應用實例

（1）XX井壓力、排量異常波動分析判斷。XX井鉆達5460.00m完鉆，擬下?127mm尾管，封固4620.00~5460.00m井段。本次固井采用一凝水泥漿一次性正注尾管固井施工工藝。應用固井實時仿真模擬系統，驗證沖洗液出管鞋時井口壓力下降的現象。仿真模擬注替過程，沖洗液出管鞋時漿柱結構如圖2所示，時間在87min附近；實時監測排量、壓力如圖3所示，在施工87min附近出現了明細壓力下降趨勢，表明沖洗液此時出管鞋，仿真模擬結果與實際監測的施工情況吻合。系統成功地預測了特殊時間的漿柱情況，為工程人員做出判斷提供了依據。

圖2 XX井漿柱運移可視化顯示

圖3 XX井實時監測排量壓力數據

（2）XX井井漏狀態分析判斷。XX井四開鉆達5202.00m中完，下?177.8mm尾管，封固2310.00~5202.00m，設計采用兩凝防氣竄水泥漿體系一次性正注尾管固井施工工藝。設計采用兩凝防氣竄水泥漿體系一次性正注尾管固井施工工藝。系統在該井應用過程實時監測壓力/排量如圖4所示，系統在95~105min時分析判斷施工過程中可能發生井漏風險做出了井漏預警提示（從圖中顯示可知此段時間內排量與壓力對比出現了排量上升壓力反而下降的異常情況），同時通過模擬壓力與實際采集壓力對比分析也做出了井漏預警提示（圖5所示）。系統及時的異常判斷為施工過程中技術措施的及時采取提供了依據。

圖4 監測排量、壓力對比分析

圖5 監測壓力與模擬壓力對比分析

5 結論

文中介紹了一種可用于判斷井下安全工作動態的分析方法，為固井施工過程控制提供了有效技術手段?；谠摲椒ㄐ纬傻墓叹┕崟r監測與仿真模擬系統實現了實時井下動態參數實時計算實現了井下安全情況動態分析，具備了實時全過程全井段壓穩防漏狀態分析、實時監測與模擬數據對比分析與及時判斷井下復雜情況并進行預警提示的能力。系統應用過程中運行平穩高效，取得了良好的應用效果。