劉 偉， 李 牧， 何思龍， 雷萬能， 房 超， 唐 雷

(1中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司 2中國石油塔里木油田分公司)

庫車山前構(gòu)造巨厚鹽膏層屬純鹽、膏泥巖等組成的不規(guī)律復(fù)合鹽巖層[1]，埋深在484～7 945 m[2]，普遍發(fā)育超高壓鹽水層且層間夾雜薄泥巖層，導(dǎo)致安全密度窗口窄。經(jīng)過多年的技術(shù)實踐，目前制約庫車山前鹽膏層固井質(zhì)量最關(guān)鍵的兩大因素是井漏(固井漏失率>50%)和竄槽(固井合格率徘徊在50%左右)，對井筒完整性和后期開采造成嚴重的影響。井漏主要是由于高壓鹽水發(fā)育，使用高密度漿體導(dǎo)致的誘導(dǎo)性漏失，竄槽主要是由于受窄安全密度窗口限制，固井施工排量小，無接箍套管沒加扶正器，居中度差，漿體高密度且無密度差，導(dǎo)致頂替效率低。因此，針對高壓鹽水層地質(zhì)特點和固井難點，研究和提出能夠有效避免固井漏失，保障固井質(zhì)量的技術(shù)十分必要。

一、控壓固井技術(shù)應(yīng)用可行性分析

1. 國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用情況分析

1.1 國外應(yīng)用情況

以Schlumberger、Halliburton、Weatherford為代表的國際油服公司對控壓固井技術(shù)開展了深入研究并進行了超過百口井的商業(yè)應(yīng)用。

Schlumberger控壓固井系統(tǒng)在阿根廷Neuquén盆地非常規(guī)油氣藏應(yīng)用超過87口井，固井成功率由原先的50%提高到94%[3]。

Halliburton iCem?控壓固井技術(shù)自2013年以來在Piceance和Paradox Basins[4]已成功實施超過20口井，實現(xiàn)了高溫高壓(地層壓力系數(shù)2.40，149℃)、窄密度窗口地層(2.37～2.52 g/cm3、1.92～2.04 g/cm3)的良好固井層間封隔。

Weatherford固井實時壓力計算和控制系統(tǒng)在北海區(qū)域解決高溫高壓、窄密度窗口地層(1.99～2.03 g/cm3)的固井難題[5]；完成墨西哥灣首次控壓固井技術(shù)應(yīng)用，解決窄密度窗口導(dǎo)致漏失難題[6]。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

近年來，國內(nèi)也逐步開展控壓固井技術(shù)研究，并在現(xiàn)場試驗與應(yīng)用[7]。2016年，中石化西北油田分公司針對順南區(qū)塊油氣活躍、后效嚴重、壓力窗口窄、井深、井底溫度高、地層承壓能力低等固井技術(shù)難點[8]，應(yīng)用了精細動態(tài)控壓固井技術(shù)，取得了良好效果，?177.8 mm尾管固井質(zhì)量明顯好于鄰井，為精細控壓固井技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗；2017年，中石油西南油氣田公司針對龍崗70井超深、高溫、含硫、小井眼井段長、環(huán)空間隙小、套管下入深、鉆井液安全密度窗口窄等固井難題[9]，在?114.3 mm尾管固井作業(yè)中首次應(yīng)用了精細控壓固井技術(shù)，避免了漏涌交替發(fā)生的施工風(fēng)險。

2. 技術(shù)難點

2.1 無法精確獲取井底溫度壓力數(shù)據(jù)

(1)無法使用隨鉆測量工具。井底溫度最高接近200℃，壓力超過180 MPa，超過了油田現(xiàn)有隨鉆測量工具使用環(huán)境極限，國外產(chǎn)品的費用高、動員時間長，且考慮到鹽膏層的鉆探風(fēng)險問題也無法使用。

(2)高溫高壓對鉆井液密度和流變性的影響機理不清。鉆井液在高溫高壓條件下密度和流變性與入井前相比發(fā)生改變，對井底靜液柱壓力和環(huán)空摩阻造成的影響通過現(xiàn)有計算模型無法獲取，計算精度不能保障。

2.2 地層壓力體系復(fù)雜

庫車山前超高壓鹽水層窄密度窗口形成原因較為特殊，一方面是由于在高壓鹽層間存在薄弱層導(dǎo)致的窄密度窗口，另一方面是由于高壓鹽水及其間泥巖透鏡體形成的圈閉效應(yīng)。高壓鹽水將層間泥巖透鏡體壓開產(chǎn)生裂縫，同時不斷充填鹽水，裂縫延伸到一定程度后停止延伸，隨著高壓鹽水的繼續(xù)充填，形成了一個高壓圈閉空間，受節(jié)流壓力波動的影響，存在回吐鹽水現(xiàn)象。由于每口井高壓鹽水和泥巖透鏡體儲集空間、位置各不相同，吞吐效應(yīng)的持續(xù)時間和壓力波動的不確定性導(dǎo)致難以找到溢、漏壓力控制間的平衡。

二、試驗準(zhǔn)備工作

1. 前期準(zhǔn)備工作

中石油工程院依托國家科技重大專項，研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PCDS精細控壓鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由自動節(jié)流控制系統(tǒng)、回壓補償系統(tǒng)、監(jiān)測及自動控制系統(tǒng)、實時水力計算軟件等組成[10]，各組成部分即可獨立運行也能組合集成使用。該裝備集恒定井底壓力控制與微流量控制于一體，可實現(xiàn)井底壓力控制精度0.2 MPa，通過60多口井精細控壓鉆井技術(shù)實踐，已形成9種工況、4種控制模式、13種應(yīng)急轉(zhuǎn)換的精細控制技術(shù)，針對不同需求可實現(xiàn)欠平衡、近平衡、過平衡控壓鉆井工藝。

2. 實踐前準(zhǔn)備工作

考慮到常規(guī)的精細控壓裝備不能完全滿足高壓鹽水層控壓固井的技術(shù)需求，開展了高壓鹽水層及窄窗口井筒壓力控制方法策略研究，并對控壓裝備進行了一系列的升級改造。

2.1 形成了高壓鹽水層控壓固井控制策略

施工原則：按照“微過平衡”的原則開展控壓固井施工，壓穩(wěn)水層、不漏或微漏，充分分析控壓固井施工流程中的關(guān)鍵風(fēng)險點，通過精細化控壓操作等手段，減少井下漏失、釋放施工排量、提高固井質(zhì)量。

技術(shù)關(guān)鍵：首先確保壓穩(wěn)地層，避免膏鹽層蠕變，確保套管安全下入(前提)，盡量保證套管下入后可建立循環(huán)(關(guān)鍵)，如果出現(xiàn)無法建立循環(huán)，采用正注返擠方式固井(補救)。

2.2 完成了控壓固井全過程工藝梳理及方案制定

結(jié)合國外油服公司控壓固井工作流程和庫車山前超高壓鹽水層固井特點，按照固井前操作、固井下套管、固井注替、固井候凝等控壓固井四大階段系統(tǒng)梳理了控壓固井全過程的基本工藝流程，制定了各流程中的壓力控制工作方案。

2.3 軟硬件裝備升級完善

主要包括編制了實時流量分析軟件模塊，形成了同步、異步流量監(jiān)控模塊，有效解決由于流體彈性造成的流量監(jiān)測不準(zhǔn)的技術(shù)難題；改造升級回壓泵壓力級別至15 MPa，提升了回壓泵流量補償能力。

三、現(xiàn)場試驗

2018年該技術(shù)先后在塔里木油田克深A(yù)井和克深B井鹽膏層進行了探索應(yīng)用。

1. 試驗概況

克深A(yù)井四開以密度2.50 g/cm3鉆井液四開鉆進至6 898.21 m時發(fā)生高壓鹽水溢流，通過節(jié)流循環(huán)、正反擠壓井成功后，由于控壓放水效果不明顯，研究決定采用控壓鉆井和固井?？貕恒@進期間鉆至6 924.00 m時發(fā)生漏失，后控壓起鉆至井深6 707.00 m，節(jié)流循環(huán)降密度至2.56 g/cm3，鉆進至四開中完井深7 068.00 m，經(jīng)分析高壓鹽水層壓力系數(shù)2.63-2.64，安全密度窗口僅為0.01 g/cm3。下套管前多次控壓劃眼并控壓起鉆至6 739 m節(jié)流循環(huán)測試地層壓力窗口，后續(xù)又分別控壓起鉆至6 738 m、5 586 m，關(guān)井觀察。由于地層壓力過高，為確保下套管過程安全，向井內(nèi)注入密度2.85 g/cm3重漿帽。?196.85 mm+?206.38 mm尾管下送過程中發(fā)生漏失，環(huán)空反擠鉆井液，開泵建立循環(huán)，出入口流量穩(wěn)定，循環(huán)12 h后，出口流量逐漸減小，最后失返，停泵關(guān)井，套壓最高上升至9.6 MPa，分析原因為鹽膏層蠕變導(dǎo)致環(huán)空堵塞，開泵發(fā)生漏失，停泵套壓升高。套管下送到位固井注替過程中進行了控壓固井監(jiān)測，在環(huán)空鉆井液被鹽水污染，拔出中心管后環(huán)空聯(lián)通，水眼與環(huán)空壓力差導(dǎo)致瞬間出現(xiàn)套壓升高后，實施了控壓循環(huán)，鉆井液密度調(diào)節(jié)至2.64 g/cm3，套壓為0 MPa，短起下10柱，靜止觀察5 h，套壓為0 MPa無變化，候凝完成后起鉆完?？松預(yù)井作為第一口庫車山前鹽膏層控壓固井技術(shù)試驗井，初步探索了控壓固井工藝的可行性，為后續(xù)試驗進行提供了相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

克深B井四開以密度2.50 g/cm2鉆井液四開鉆進至7 662 m時鉆遇高壓鹽水層，關(guān)井套壓9.4 MPa，卸壓至0 MPa，關(guān)環(huán)形、開半封帶壓起鉆至井深7 472 m，套壓上漲至10.9 MPa，泵入密度2.54 g/cm2鉆井液節(jié)流循環(huán)壓井，發(fā)生漏失。通過堵漏和降密度，恢復(fù)鉆進至井深7 924.5 m，以密度2.46 g/cm2鉆井液對7 882～7 924.5 m井段進行控壓擴眼鉆進，完成擴眼鉆進后控壓起鉆至井深7 464 m，精確控制井底ECD在2.48～2.50 g/cm3。實施控壓通井、下尾管、注替及候凝作業(yè)過程中，由于該井密度窗口僅為0.01 g/cm3，套管到底后無法建立循環(huán)，為保障固井安全，該井并未完全按照常規(guī)控壓固井施工流程進行，創(chuàng)新選擇了控壓正注反擠方式固井，通過精細控壓設(shè)備精準(zhǔn)監(jiān)測和計量，確保了固井施工作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性，為固井施工作業(yè)提供有力的技術(shù)支撐，形成了一套新型的控壓固井方式。

2. 現(xiàn)場試驗分析

通過兩口井的實踐發(fā)現(xiàn)，由于庫車山前高壓鹽水層存在著流體密度超高，流變性難以保障；地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，溢漏同存，建立壓力平衡困難；井筒存在明顯呼吸效應(yīng)，壓力流量反饋嚴重滯后，地面判斷困難等種種難題，對控壓固井裝備和技術(shù)提出了嚴格的要求：

(1)由于所需平衡的地層壓力超高，要求地面回壓補償裝備具有較高的壓力級別，能夠提供高壓力的井口控制。

(2)由于溫度、壓力超高，現(xiàn)有PWD裝備不能完全滿足需求，需要針對鉆井期間無法使用PWD為固井作業(yè)提供井筒壓力測量資料的情況，提出準(zhǔn)確可行的安全密度窗口標(biāo)定方法，下一步可以嘗試在固井前最后一趟鉆(通井)充分循環(huán)，分別在井底、套管鞋處開展動態(tài)孔隙壓力測試和地層完整性測試。通過臨界漏失排量、臨界漏失壓力(固井時不同排量條件下)、臨界溢流排量、臨界溢流壓力測算地層安全密度窗口，逐步摸索地層安全密度窗口，實現(xiàn)安全、高效操作。

(3)為了保證控壓固井期間的地層壓力窗口穩(wěn)定，需要根據(jù)地層安全壓力窗口的大小，制定最后一趟鉆控壓起鉆模式，可在控壓固井實踐中根據(jù)地質(zhì)和工程情況選擇合適的方式。

(4)水力學(xué)計算與模擬軟件需具有在高溫高壓條件下更高的計算精度，同時考慮到固井作業(yè)時井筒流體的多樣性，還應(yīng)具備分段計算功能，考慮不同性質(zhì)流體的密度、流量、流變性、井筒溫度壓力、管柱運動、管柱和井筒的幾何形狀等眾多影響井底壓力計算的因素，能夠較為精確的表現(xiàn)高溫高壓條件下高密度流體和井筒壓力的變化特征。

(5)應(yīng)針對固井作業(yè)調(diào)整優(yōu)化實時監(jiān)控設(shè)備與軟件，幫助判斷井下情況，為技術(shù)人員提供各參數(shù)測量值和模擬值之間的比較，對水力學(xué)計算模型輔助修正，提高計算的可靠性。

(6)由于高壓鹽水層壓力變化較為復(fù)雜，若不能準(zhǔn)確判斷井筒內(nèi)情況，無法實施合適的控制策略，不僅無法解決井下復(fù)雜，還有可能造成更加嚴重的后果。以高壓鹽水層中存在的鹽間泥巖透鏡體為例，若發(fā)生溢流險情，高壓鹽水竄入井筒可能將其壓裂并充填形成高壓圈閉空間，同時壓井期間泥巖透鏡體受節(jié)流壓力波動的影響，存在回吐鹽水現(xiàn)象，造成鹽水上竄，環(huán)空密度降低。因此，需要針對高壓鹽水層壓力變化開展研究，配合實時監(jiān)控測量參數(shù)，形成井下情況的判斷方法，制定各種工況下的井控風(fēng)險對策。

四、結(jié)論與建議

(1)國內(nèi)控壓固井與控壓鉆井裝備是相對獨立運行的系統(tǒng)，尚無法建立直接的信息通訊，固井過程中入口處的水泥漿流量與壓力信息無法直接傳輸至已有的控壓鉆井系統(tǒng)，限制了井底壓力的精確控制，因此需要建立更加完善的控壓固井監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)井底壓力的實時分析判斷是控壓固井技術(shù)的重點和難點，需要進一步研發(fā)符合固井作業(yè)工況的高精度實時分析與控制軟件，精確分析井筒內(nèi)漿體及井底壓力的變化，提供準(zhǔn)確壓力控制參考值，以保障控壓固井質(zhì)量。

(3)目前主要使用精細控壓鉆井裝備進行控壓固井作業(yè)，但由于鉆井、固井作業(yè)的區(qū)別，現(xiàn)有設(shè)備體系過于龐大，不利于提高固井作業(yè)效率，因此亟需研發(fā)系統(tǒng)精簡、施工便捷、具有高度模塊化特點的專用控壓固井裝備或高效一體化控壓鉆完井裝備，拓展技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)更多控壓固井方式。

(4)現(xiàn)有控壓固井作業(yè)流程較為單一，在某些極端地質(zhì)條件或突發(fā)事故復(fù)雜情況下，不能夠及時做出應(yīng)對，因此需要針對固井作業(yè)中可能遇到的各類情況，優(yōu)化和細分控壓固井流程，制定多種工藝轉(zhuǎn)換技術(shù)、應(yīng)急措施和安全預(yù)案，確保施工中井筒的安全穩(wěn)定。