精細控壓固井技術(shù)國內(nèi)進展及下步發(fā)展方向

聶世均，鄧 理，鮮 明，2，馮予淇，2，廖富國

（1.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心，四川成都610051；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610052；3.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶401120）

1 背景

隨著深層油氣藏勘探開發(fā)加速，固井作業(yè)面臨的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件越來越復雜，井筒縱向差異越來越大，同一封固段油氣水顯示多、壓力層系多，給常規(guī)固井作業(yè)帶來了諸多技術(shù)難題，如水侵、氣侵、井漏、溢流等。這些問題不僅增加了井下作業(yè)風險，而且還會影響固井質(zhì)量和破壞井完整性，因此常規(guī)平衡壓力法固井技術(shù)已經(jīng)難以滿足該類復雜地層固井要求。針對這一問題，國內(nèi)外在窄壓力窗口固井過程中提出了精細控壓固井的新理念，通過固井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、井筒水力學參數(shù)實時模擬與井口回壓控制裝備相結(jié)合，實時精細控制固井過程中井筒壓力，使目標層位壓力始終維持在安全密度窗口范圍內(nèi)[1-2]，防止井涌、氣竄和漏失等復雜情況的發(fā)生，實現(xiàn)水泥漿一次性上返，并為后續(xù)提高固井頂替效率和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2 技術(shù)原理及關(guān)鍵節(jié)點

精細控壓固井源于精細控壓鉆井，是將固井基本原理、控壓鉆井原理、控壓鉆井裝備和控壓軟件系統(tǒng)等有機整合，并應用到固井作業(yè)過程中。針對窄密度窗口、噴漏同存條件下的固井，通過準確界定井下壓力窗口，精細壓力模擬設(shè)計，精確控制井筒環(huán)空壓力分布，并通過地面控壓固井流程實施精準的環(huán)空壓力剖面管理，合理有效地控制環(huán)空當量密度大于壓穩(wěn)氣層壓力梯度而小于地層漏失壓力梯度[3]，使井筒處于壓穩(wěn)而不漏的狀態(tài)（圖1），確保目標地層井筒壓力始終控制在窗口值范圍內(nèi)，實現(xiàn)安全高效固井作業(yè)的目的。

圖1 精細壓力固井原理圖

式中：PH——壓穩(wěn)油氣層壓力；

PL——地層漏失壓力；

PD——固井期間環(huán)空壓力；

Pha——環(huán)空靜液柱壓力；

Pfa——環(huán)空循環(huán)摩阻壓力；

Pka——井口控壓值。

通過工藝流程分析，精細控壓固井主要包含4個關(guān)鍵節(jié)點，并實現(xiàn)目的層段的壓力閉環(huán)控制管理。

（1）井筒當量密度窗口確定，需要確定固井作業(yè)的壓力下限（不侵、不竄、不溢）和壓力上限（不漏）；

（2）精細控壓固井模擬設(shè)計，需要優(yōu)化流體參數(shù)、漿柱結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)等，準確模擬固井作業(yè)過程中剖面上壓力分布和變化情況；

（3）精細控壓裝置系統(tǒng)，包括有回壓補償、壓力/微流量監(jiān)測與環(huán)空壓力控制、數(shù)據(jù)實時采集及監(jiān)測控制等，實現(xiàn)固井數(shù)據(jù)采集、分析和節(jié)流閥、平板閥的自動控制；

（4）作業(yè)實施方案，需要編制和完善下套管、循環(huán)、固井到候凝整個作業(yè)過程的實施方案和流程，指導固井作業(yè)執(zhí)行。

3 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展進展

國外精細控壓固井最早報道起于2003 年Enhanced Drilling 公司在里海區(qū)域的控壓固井作業(yè)，之后斯倫貝謝、哈里伯頓、威德福、Enhanced Drilling等固井服務商依托自身的控壓鉆井系統(tǒng)形成的控壓固井技術(shù)在秘魯Sagari 油田、美國Permian 盆地，馬來西亞Peninsular 海域、Sarawak 海域和 Duyong 區(qū)塊，阿 根 廷Neuquén盆地和北海海上等高溫高壓、窄密度窗口固井中獲得成功應用，有效解決了地層密度窗口窄、淺層水侵、氣竄、井涌和漏失等固井難題，密度窗口在0.02～0.12g/cm3之間不等[4-5]。

國內(nèi)控壓固井最早出現(xiàn)在2011 年，中石化河南石油勘探局針對B304 井140mm 套管固井時壓力窗口僅0.02g/cm3、易井漏、氣竄風險高與頂替效率提升難度大等難題，提出“高效頂替、整體壓力平衡”控壓固井技術(shù)思路[6]，通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，環(huán)空壓力、變排量頂替等工藝措施，并利用節(jié)流閥控制環(huán)空循環(huán)壓力，實現(xiàn)水泥漿一次性上返，固井質(zhì)量合格。

2015 年中石化西北局、中原石油工程公司針對塔中SN6井四開鉆井中異常高壓、氣侵現(xiàn)象嚴重、井漏風險大(密度窗口僅為0.07g/cm3)等復雜條件，在177.8mm尾管固井作業(yè)中提出精細控壓固井技術(shù)[7-10]，優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化泵注參數(shù)和水泥漿體系，采用格瑞迪斯井口控壓裝置合理控制實施井口動態(tài)控壓，動態(tài)調(diào)整施工排量等措施，成功實施了固井作業(yè)，測井質(zhì)量較同區(qū)塊井有較大程度的提高，之后SN7 井177.8mm尾管也得到成功應用。

2017 年，中石油西南油氣田和川慶鉆探公司針對LG70井六開鉆井中氣層和漏層多，地層多次出水，漏、涌交替發(fā)生，密度窗口窄（0.04g/cm3），且小井眼井段長、環(huán)空間隙小等難題，首次提出了超深井小間隙尾管全過程動態(tài)平衡壓力固井方案，通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，強化漿體的高溫流變性和防漏性能，優(yōu)化注替排量，配備精細化控壓流程，采用井口精細動態(tài)控壓作業(yè)等措施，確保了茅口、棲霞組敏感地層當量密度處于2.08～2.12g/cm3安全窗口之內(nèi)，實現(xiàn)了小間隙、長封固、窄密度窗口尾管固井的一次性正注上返難題，作業(yè)井深達到 7793m[1-2，11-12]。2018 年，在 LG70 井基礎(chǔ)上，進一步對工藝和井口動態(tài)控壓措施優(yōu)化，并在LT1 井、ST7等井成功實施了精細控壓固井作業(yè)，固井質(zhì)量提升10%～20%。

2018年中石油鉆井工程技術(shù)研究院王朝輝針對海洋深水勘探開發(fā)面臨的低溫、淺層氣、淺水流、異常高壓層以及窄密度窗口等挑戰(zhàn)，提出了深水控壓固井技術(shù)理念，通過增加鉆井泵轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)及控制系統(tǒng)維持起下鉆、下套管作業(yè)、固井作業(yè)過程中所需的當量循環(huán)密度[13]。特別指出控壓固井對深水無隔水管淺部地層控壓固井具有較大的應用價值，可以緩解表層套管下深限制，提高固井質(zhì)量，保持表層套管結(jié)構(gòu)的完整性等。

2019年中石油西南油氣田和川慶鉆探公司聯(lián)合開展了精細控壓固井技術(shù)深度融合研究，對精細控壓固井原理、工藝流程、現(xiàn)場實施方案等進行了系統(tǒng)研究，升級改造了控壓設(shè)計軟件、控壓裝置、控制系統(tǒng)等軟硬件，并連續(xù)在雙魚石區(qū)塊、磨溪區(qū)塊開展精細控壓固井現(xiàn)場應用（如圖2所示），截止2020年3月底，在川渝地區(qū)開展了50余井次的精細控壓固井作業(yè)，固井成功率100%，水泥漿一次性正注上返到位，泵注排量提升30%～40%。同期塔里木油田聯(lián)合中石油工程技術(shù)研究院、川慶鉆探公司等在KS13-3、DB12等井也成功實施精細控壓固井作業(yè)，推動了國內(nèi)精細控壓固井技術(shù)的發(fā)展與應用。

圖2 ST某井環(huán)空動態(tài)壓力控制曲線

控壓固井裝備上，國外哈里伯頓、斯倫貝謝和Enhanced Drilling 公司的控壓固井原理與國內(nèi)基本相同，都是借助控壓鉆井地面流程，改變環(huán)空中井口回壓來控制井筒壓力。受旋轉(zhuǎn)控制頭類型及尺寸限制，哈里伯頓控壓固井系統(tǒng)只適用于尾管固井，斯倫貝謝控壓裝備無法測量井底壓力的真實變化情況，Enhanced Drilling 公司適用于海上低密度鉆井液條件下固井作業(yè)[4-5]。國內(nèi)精細控壓固井裝置以川慶鉆采院、中石油工程院、格瑞斯公司的精細控壓鉆井裝置為基礎(chǔ)，包括自動節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓補償系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)、井口控制系統(tǒng)四大關(guān)鍵裝備，固井作業(yè)時通過地面控壓流程，實現(xiàn)各階段的回壓補償、溢漏監(jiān)測，使得目的層段壓力控制在壓力窗口間。同時川慶鉆探和西南油氣田針對精細控壓固井開發(fā)了控壓實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了固井注替過程的動態(tài)參數(shù)實時獲取、計算與分析，實現(xiàn)了與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，并可與固井工程設(shè)計軟件共享數(shù)據(jù)，實時進行全井段壓穩(wěn)防漏分析，具備一定的井下復雜情況預警分析能力。

4 技術(shù)瓶頸與下步發(fā)展方向

2017 年底以來，川慶鉆探公司參與了國內(nèi)精細化控壓固井95%以上的固井作業(yè)，主要圍繞川渝深井、磨溪—高石梯高壓氣井完成50余井次精細控壓固井作業(yè)中，通過對前期研究及大量現(xiàn)場實踐，國內(nèi)精細控壓固井技術(shù)發(fā)展存在幾個技術(shù)瓶頸待突破。

第一，地層壓力窗口無法準確摸清楚。配備PWD模塊的鉆井系統(tǒng)雖然能夠在鉆進期間實時準確獲取地層漏、溢壓力實測數(shù)據(jù)，但作業(yè)成本高昂。因此目前固井主要通過鉆錄井油氣水顯示、后效、井漏等實鉆資料進行數(shù)據(jù)分析獲取，并通過靜觀、承壓試驗和水力學計算模型驗證。因此井筒縱向多套壓力體系下，井筒壓力分析精度因人而異，影響后續(xù)精細控壓固井作業(yè)實施和效果。

第二，環(huán)空液柱壓力以模擬分析為主，缺乏實測數(shù)據(jù)校驗。為達到精細控壓目的必須加強井筒液柱壓力模擬計算，但目前所有井底壓力計算均是通過理論模型獲得，而建立的理論模型本身在考慮影響因素、邊界條件取舍和數(shù)值計算轉(zhuǎn)化等存在一定的誤差，進而導致后續(xù)固井方案設(shè)計、現(xiàn)場方案實施的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)缺乏精準性，控壓固井效果大打折扣。而目前國內(nèi)外并沒有較好的方法實現(xiàn)固井過程中關(guān)注點壓力實時監(jiān)控與反饋，尤其對新探區(qū)非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算結(jié)果失真較大。

第三，精細控壓固井專用裝備自動化能力有待提升。目前控壓裝備實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、遠傳與控制等功能，但未能實現(xiàn)真正的閉環(huán)精細控制管理。同時現(xiàn)有精細控壓鉆井裝備的部分功能對固井作業(yè)而言顯得冗余而缺乏精度，如現(xiàn)有控壓鉆井系統(tǒng)的私服電機驅(qū)動非線性節(jié)流模式，存在PID調(diào)節(jié)響應慢、閉環(huán)控制精度差的局限；全過程注入與返出流量系統(tǒng)未完全整合，不能實現(xiàn)漏溢微流量在線監(jiān)測；現(xiàn)有控壓鉆井裝備體積龐大，不便于撬裝化和快速安裝作業(yè)；現(xiàn)有控制系統(tǒng)未完全實現(xiàn)井筒壓力實時模擬、反饋和控制等功能。

第四，缺乏完善的精細控壓固井技術(shù)體系[14]。國內(nèi)針對高壓、窄密度窗口固井近幾年才開始實施精細控壓固井，起步晚，發(fā)展慢。作為聯(lián)合作業(yè)技術(shù)，涉及到地質(zhì)、錄井、鉆井、鉆井液、固井、裝備等，而其中任何一方對技術(shù)思路、技術(shù)系統(tǒng)不理解，單純考慮各自企業(yè)成本著手時就難以達到既定效果，經(jīng)常出現(xiàn)甲方控制得力則落實效果好，反之則可能出現(xiàn)偏差。同時目前精細控壓固井技術(shù)未能全面實現(xiàn)“標準化現(xiàn)場、標準化崗位、標準化操作”，因此控壓固井技術(shù)體系建設(shè)方面存在投入不足，技術(shù)不完善，設(shè)備和工藝創(chuàng)新性不足等，使得控壓固井技術(shù)體系較為單一，難以應對復雜的地層地質(zhì)環(huán)境挑戰(zhàn)。

針對上述存在的問題，結(jié)合現(xiàn)有精細控壓固井技術(shù)體系、裝備、軟硬件等，下步需要深入推進技術(shù)體系整合，按照精細化、標準化、智能化、信息化的方向發(fā)展。

（1）更加精確、直觀的確定地層壓力剖面。地質(zhì)工程一體化條件下更加精細化的刻畫地層壓力剖面，并加強工程數(shù)據(jù)共享，同時固井工程師應加強鉆井、地質(zhì)、錄井參數(shù)分析，建立一套準確的地層壓力實時預測系統(tǒng)，如地震評價法、校正Dc指數(shù)法、測井評價法和鄰井資料評估法等，然后結(jié)合靜觀、后效觀測、承壓試驗等進行綜合評估驗證，確保地層壓力取準，為精細控壓固井作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

（2）井筒水力參數(shù)的精細模擬、刻畫[4]。針對目前固井無法實時對關(guān)注點當量壓力進行監(jiān)測、反饋，同時井筒溫度、壓力等對漿體密度、流變性影響較大，有必要開展井筒溫度場預測模型、井筒流體流變性變化規(guī)律、不同溫度壓力環(huán)境下水泥漿密度變化規(guī)律、井筒流體壓力傳遞規(guī)律等研究，有條件情況下開展井底壓力實測方法和工具研究，充分保證模型校正基礎(chǔ)上進一步提高水力學計算精度。

（3）精細控壓固井技術(shù)體系升級完善。從技術(shù)標準、技術(shù)規(guī)范、裝備性能、控壓固井方案、技術(shù)實施細則等加強對精細控壓固井技術(shù)的改進和優(yōu)化，結(jié)合地質(zhì)、鉆井、錄井、固井、鉆井液、裝備控制等方向，系統(tǒng)化的發(fā)展精細控壓固井技術(shù)。同時還應針對每井次固井作業(yè)所面臨的環(huán)境不同，地層壓力不同、壓力窗口不同等，確定個性化的精細控壓固井技術(shù)方案，更好地促進精細控壓固井技術(shù)朝著系統(tǒng)性、個性化的方向發(fā)展。

（4）精細控壓固井專用裝備系統(tǒng)化、信息化和模塊化建設(shè)。當前已經(jīng)進入信息化、智能化、自動化的時代，大數(shù)據(jù)、云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展日新月異，加強固井信息化建設(shè)也是促進精細控壓固井技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。通過信息化建設(shè)，加強對精細控壓固井數(shù)據(jù)、信息的掌握，并提出針對性的固井方案；通過專用、模塊化精細控壓固井裝備研發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)的迭代升級，提高設(shè)備在不同井場的適應性，做到“需之則來，來之則用，用之則精，固后則走”；通過加強物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)應用，將所有精細控壓固井設(shè)備（儀表、水泥車、控壓裝備等）實現(xiàn)統(tǒng)一集群管理；通過加強大數(shù)據(jù)技術(shù)應用，實現(xiàn)各種固井數(shù)據(jù)信息的分析和篩選，實現(xiàn)方案實時修正和精細控制管理。

（5）加強軟、硬件結(jié)合，提升控制系統(tǒng)動態(tài)和智能化控制。結(jié)合鉆、錄、固等各種測控、仿真模擬數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個精細控壓固井過程的實時在線監(jiān)控，實時仿真模擬并動態(tài)優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，并實時反饋控制參數(shù)到精細控壓固井裝置，實現(xiàn)自動化的閉環(huán)控制作業(yè)。通過地面控制裝備和工藝流程與壓力控制軟件系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，更為科學進行環(huán)空壓力管理，并對井筒壓力復雜變化情況做出及時、正確的反饋，更為精細地調(diào)整井筒內(nèi)壓力剖面。

（6）精細控壓固井工藝流程優(yōu)化[4]，實現(xiàn)區(qū)塊標準化、規(guī)范化作業(yè)。控壓固井涉及鉆井、錄井、鉆井液、控壓和固井等多方面技術(shù)人員協(xié)同配合，必須加強控壓固井實施的工藝及地面流程（如圖3所示）優(yōu)化，降低多方協(xié)同帶來的操作誤差，提高固井成功率。首先要對地層、井筒、地面有清晰認識和把控；其次要優(yōu)選水力學模型，合理設(shè)計固井作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)高效頂替；再次是要優(yōu)選水泥漿體系，保證密度、流變性、工程性能的匹配；最后是優(yōu)化固井施工流程，優(yōu)化各個階段井口回壓控制措施，保證安全高效泵注作業(yè)。

5 結(jié)論

圖3 川渝地區(qū)精細控壓固井工藝及地面流程

（1）精細控壓固井技術(shù)能夠解決窄密度窗口條件下溢漏同存、頂替效率不高、水泥漿難以實現(xiàn)一次性上返的難題，高效固井的同時提高固井質(zhì)量。

（2）精細控壓固井技術(shù)作為一項新技術(shù)，面臨的對象、工藝更為復雜，對人員以及設(shè)備要求較高，同時目前還較大程度依賴于水力學模型精度和控壓裝備控制精度，需要在軟件和裝備上迭代升級，提高與實際情況的符合程度。

（3）精細控壓固井未來發(fā)展的方向是信息化、自動化和智能化，雖然目前也存在一些技術(shù)瓶頸，但通過不斷的技術(shù)發(fā)展，不斷優(yōu)化完善，該技術(shù)未來必走向更為廣闊的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。