控壓固井候凝階段井口回壓控制方法研究與應用

紀 經(jīng)，馮穎韜，王有偉，張 浩，崔 策，黃 峰，袁 彬

（1.中海油田服務股份有限公司油田化學事業(yè)部海南作業(yè)公司，廣東湛江 524051；2.中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北廊坊 065201；3.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500）

隨著國家經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，油氣資源需求量與日俱增，為提高油氣產(chǎn)量，油氣勘探開發(fā)向地質條件更加復雜的深層超深層邁進，使固井面臨越來越多的技術挑戰(zhàn)[1-2]。深層超深井經(jīng)常會鉆遇窄安全壓力窗口地層，固井時由于水泥漿密度大于鉆井液密度，水泥漿摩阻大，在注替過程中極易引發(fā)井漏[3]。為了解決該問題，相關學者基于控壓鉆井原理提出了控壓固井技術[4-6]。控壓固井通過主動降低鉆井液密度來降低環(huán)空靜液柱壓力以此增大安全施工窗口，然后利用控壓鉆井裝備施加井口回壓將井筒壓力控制在安全壓力窗口范圍內(nèi)[7]。間接增大安全施工窗口，提高頂替排量，從而提高注水泥漿頂替效率。控壓固井的候凝階段，由于水泥漿水化體積收縮以及水泥漿膠凝懸掛，導致靜液柱壓力下降，如果壓力補償不夠或不及時，就會出現(xiàn)氣侵和溢流等危險[8]。目前，候凝過程壓力補償主要是基于經(jīng)驗的分段式補壓，該方法沒有將壓力補償值與靜液柱壓力減少值準確對應，導致誤差較大有可能超過安全窗口[9]。因此，需要針對水泥漿候凝階段的靜液柱壓力變化規(guī)律建立更為準確的井底壓力控制模型和方法。根據(jù)水泥漿水化體積收縮及膠凝懸掛效應，建立了候凝環(huán)空壓力控制模型。并在此基礎上，提出了水泥漿候凝過程中井口回壓控制方法。

1 靜液柱壓降分析

水泥漿候凝期間，由于靜液柱壓力降低，容易發(fā)生氣侵和氣竄。目前有很多理論來解釋靜液柱壓力降低，被廣泛接受的理論是體積收縮失重及膠凝懸掛失重。

1.1 體積收縮失重

控壓固井水泥漿候凝階段，由于水化反應和失水，水泥漿體積減小。井壁與套管的外表面構成一個封閉的液壓系統(tǒng)。根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)液相體積收縮導致系統(tǒng)壓力降低的原理，失水和水化體積收縮導致的水泥漿有效靜液柱壓力下降，壓降可表示為[10]：

式中：ΔPShr（h，t ）-靜液柱壓降，MPa；ΔV（h，t ）-體積收縮量，m3；Va-環(huán)空體積，m3；Ccem-水泥壓縮系數(shù)，MPa-1，2.85×10-5。

1.2 膠凝懸掛失重

水泥漿開始候凝后會迅速形成具有強度的空間網(wǎng)格結構，并覆蓋在地層巖石表面和套管表面。膠凝強度越大，網(wǎng)架結構的懸掛能力越強，水泥漿的懸浮量越大，靜液柱壓力就越小。因此，水泥漿的靜膠凝強度隨著其候凝時間而增大，水泥漿的有效靜液柱壓力不斷減小。根據(jù)經(jīng)典剪切應力方程，膠凝懸掛壓降的壓降量可表示為[11]：

式中：ΔPg（h，t ）-由于膠凝懸掛失重造成的壓降，Pa；Do-套管外徑，m；DW-井眼直徑，m；τget-膠凝強度，Pa；γ-剪切速率，s-1。

2 井口回壓控制模型

2.1 體積收縮壓降

2.1.1 水化體積收縮模型 根據(jù)水泥水化模型[12]，結合水泥熟料水化程度的參數(shù)可以計算出水泥漿體的水化收縮體積：

式中：αt-水泥漿水化程度；v（t） -化學收縮率，cm3/cm3。

2.1.2 失水導致的壓力降低 水泥漿在候凝過程中發(fā)生了失水。根據(jù)水泥漿失水動力學機理模型和達西流動定律，失水導致的壓力降低可表示為：

式中：φ（t ）-失水速率，cm3（/cm2·min·MPa）；ΔP-平衡壓力，MPa；Pinit-水泥漿柱初始平均靜液柱壓力，MPa；Pp-地層平均孔隙壓力，MPa；ΔPloss-失水壓降，MPa。

2.1.3 體積收縮壓降 將式（4）代入式（1），則體積收縮導致的壓降為：

2.2 膠凝懸掛壓降

當水泥漿停止流動時，水泥漿將從液體狀態(tài)變?yōu)槟z凝態(tài)。水泥漿的靜膠凝強度繼續(xù)發(fā)展，從而產(chǎn)生懸掛作用。水泥漿的靜膠凝強度取決于候凝時間。根據(jù)曹成章[13]的研究成果，采用指數(shù)模型描述靜膠凝強度的發(fā)展，其表達式為：

式中：t-候凝時間，min；τ0，A，B，C-通過實驗測得的參數(shù)。

2.3 井口回壓控制

控壓固井作業(yè)的水泥漿候凝過程中，井筒壓力由靜流體壓力（通常由鉆井液Pm、沖洗液Pw、隔離液Psp、水泥漿Pc和井口回壓Pwb）構成，為防止氣竄，井筒壓力必須大于或等于地層孔隙壓力Po，同時考慮水泥漿體積收縮及膠凝懸掛作用，井口回壓控制范圍為：

式中：；Pwb（h，t ）-井口回壓，MPa；h-井深，m；ρc-流體密度，kg/m3；Po-地層孔隙壓力，MPa；Pb-破裂壓力，MPa；g-重力加速度，m/s2。

3 候凝過程井口回壓控制方法

為避免窄安全壓力窗口候凝過程中的氣竄風險，提出了井口回壓控制方法。首先，確定井筒安全壓力窗口（孔隙壓力與破裂壓力之間）。其次，當注水泥漿結束時，確保井筒壓力在安全壓力窗口內(nèi)；同時，用建立的模型計算環(huán)空實時壓力。如果井筒壓力不在安全壓力范圍內(nèi)，則通過控壓鉆井設備調節(jié)井口回壓，如果井筒壓力在安全壓力范圍內(nèi)，則保持井口回壓。當靜膠凝強度大于250 Pa 時，井口停止施加回壓。

4 應用

某口探井采用回壓控制模型和方法進行實例應用，該井使用直徑為171.45 mm 的鉆頭鉆開至7 793 m的深度，然后將直徑為139.7、101.3 mm 的套管柱下入目標地層。在鉆井過程中，遇到了4 個漏失地層和10 個油氣顯示地層，該地層的安全密度窗口為2.08～2.12 g/cm3。頂替結束時，環(huán)空流體的密度和長度見表1。在固井結束時，施加4.5 MPa 井口回壓以平衡地層孔隙壓力。候凝過程中的常規(guī)方法是施加9.5 MPa 的井口回壓，并保持48 h。在優(yōu)化方法中，井口回壓根據(jù)靜液柱壓力變化（圖1）。

圖1 候凝期間井口回壓

表1 環(huán)空流體的密度和長度

圖1 表明，常規(guī)方法采用最大井口回壓而不是根據(jù)靜液柱壓力下降進行壓力補償。優(yōu)化方法在初始階段井口回壓較小，然后逐漸增大。這樣可以避免如果在水泥漿中加入膨脹劑，當膨脹劑起作用時，井筒壓力可能高于破裂壓力，從而導致漏失。因此，優(yōu)化模型和方法可以避免因井口回壓為定值而靜液柱壓力變化而導致的漏失風險。

5 結論

（1）考慮控壓固井過程水泥漿候凝階段水化體積收縮和膠凝懸掛效應，建立了控壓固井井口回壓控制模型，該模型能夠根據(jù)井筒靜液柱壓力變化實時進行井口回壓補償，使井筒壓力始終處于安全壓力窗口內(nèi)。

（2）根據(jù)控壓固井井口回壓控制模型提出了候凝期間控制井口回壓方法，該方法通過控壓固井設備將環(huán)空壓力維持在安全壓力窗口內(nèi)，避免窄安全壓力窗口井候凝階段壓漏地層或氣竄的風險。