窄安全压力窗口地层精细控压下套管技术研究

徐璧华，李俊蝠 ，李斌，田东诚，饶福家

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都610500

2.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院，四川成都610017

3.中国石油大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司，黑龙江大庆163358

4.中国石油西南油气田分公司川中油气矿，四川遂宁629000

引言

随着国内能源需求日益剧增以及浅层油气资源的逐渐枯竭，油气勘探开发逐步向深部地层方向发展，钻遇的窄安全压力窗口地层越来越普遍[1-3]，尤其四川盆地窄安全压力窗口地层更为常见，压力窗口当量密度仅为0.04～0.08 g/cm3[4-5]。窄安全压力窗口地层由于地层破裂压力相对较低，下套管产生的波动压力容易导致井筒压力超出压力窗口上限，从而引发井漏[6-8]，而下套管时一旦发生井漏，无法进行堵漏作业，将套管强行下放到位，随后在漏失情况下采用“正注反打”技术进行固井，会导致固井质量普遍较差[9-12]；因此，窄安全压力窗口地层下套管时应尽量避免波动压力引起的井筒压力过大而压漏地层。目前，控制波动压力减小下套管漏失风险的措施主要有：（1）控制套管下放速度[13-15]；（2）适当降低钻井液密度[16-17]；（3）安装自动灌钻井液浮阀、浮箍使钻井液流动通道变大[18-19]。但上述措施仍不能有效解决窄安全压力窗口地层下套管问题，套管下放速度稍微控制不当就会压漏地层。因此，为了有效地避免窄安全压力窗口地层下套管漏失的发生，以瞬态波动压力为基础，建立窄安全压力窗口地层下套管过程中井筒压力控制模型，进而提出精细控压下套管方法。

1 下套管瞬态波动压力模型

在充满泥浆的井筒中下套管的基本物理模型及钻井液流动通道如图1 所示。

图1 下套管物理模型及钻井液流动通道示意图Fig.1 Physical model of casing running and schematic diagram of drilling fluid flow channel

下套管过程考虑井内钻井液流动为瞬态流动，其特征有：（1）套管下放速度随时间变化；（2）井内钻井液可压缩；（3）地层、井眼和套管为弹性体；（4）井底为刚性。该水力系统为两个流道串联组成：（1）环空流道A，其流动为套管底部到井口；（2）井眼圆形流道B，其流动为套管底部到井底。

套管在井筒中下放时，引起井内钻井液的瞬态流动，可依据质量守恒和动量守恒原理，得到下套管引起的钻井液在各流道的一维不稳定流动的控制方程[20]

求解一维不稳定流动的控制方程需先确定初始条件和边界条件。下套管初始时刻，井筒内各节点的体积流量和波动压力为

井口位置处液面与大气相连，波动压力为

井底位置考虑为刚性且无钻井液渗入，体积流量为

套管底部为环空和空井眼交汇处，波动压力和体积流量满足

瞬态波动压力模型的方程组中，式（1）为一阶非线性偏微分方程组，其解析解很难求出。因此，采用特征线法和隐式差分法进行数值求解[21-22]。特征线法用于处理套管下放过程中形成长度较长的流道，而隐式差分法用于处理长度较短的流道。以往考虑扶正器对波动压力的影响采用的是附加一个局部阻力的简单处理[15]。为了接近真实情况，对扶正器与环空形成的短管流道采用隐式差分格式的微观处理。

2 下套管瞬态波动压力影响因素分析

选取下套管控压过程对波动压力影响的关键因素进行分析，某口井采用ϕ215.60 mm 的钻头钻至目的层3 000 m 后下入ϕ177.80 mm 套管，上层ϕ244.48 mm 套管下深2 627 m。钻井液密度为1.90 g/cm3，静切力为2.58 Pa，稠度系数为0.277 Pa·s0.831，流性指数为0.831。

2.1 套管初始下入深度的影响

不同套管初始下入深度对井底波动压力的影响如图2 所示。

图2 套管底部初始深度对波动压力的影响Fig.2 Effect of initial depth of casing bottom on surge pressure

由图2 可知，套管底部初始下放深度越深，井底波动压力峰值越大，随着套管下放深度增加，井底波动压力峰值增幅越大。主要原因是扰动源离井底越近，压力波衰减越小，井底压力波动越剧烈[23]。

2.2 套管下放最大速度的影响

不同套管下放最大速度对井底波动压力的影响如图3 所示。井底波动压力峰值随着最大下放速度增大而增大，且随着最大速度增加井底波动压力峰值增幅越大。由于压力波传到井底需要一定时间，井底波动压力峰值相较于最大速度点有滞后性。调节套管下放速度是常规下套管控制波动压力的最主要手段，但在窄安全压力窗口地层受限制较大。

图3 套管下放最大速度对波动压力的影响Fig.3 Effect of casing running maximum speed on surge pressure

2.3 环空间隙的影响

不同环空间隙对井底波动压力的影响如图4 所示。随着环空间隙的减小，井底波动压力峰值增大较为显著，其主要原因为环空间隙越小，环空截面流速越大，压力波动越剧烈。因此，在窄安全压力窗口地层小间隙井眼对套管下放速度又是一限制条件。此外，由于波动压力受环空间隙影响较大，故波动压力的计算不能忽略裸眼段的井径变化。

图4 环空间隙对波动压力的影响Fig.4 Effect of annular clearance on surge pressure

2.4 钻井液密度的影响

不同钻井液密度对井底波动压力的影响如图5所示。

图5 钻井液密度对波动压力的影响Fig.5 Effect of drilling fluid density on surge pressure

随着钻井液密度的增加，井底波动压力峰值增加并不明显，说明钻井液密度对波动压力并无太大影响。但是，钻井液密度的变化会直接影响静液柱压力进而改变井筒压力。在窄安全压力窗口地层下套管速度受限制时，调节钻井液密度也是一种可行手段。

2.5 下套管井筒压力控制模型

以瞬态波动压力为基础，建立下套管井筒压力控制模型，其主要原理为通过控制下套管过程井筒压力使其始终维持在安全压力窗口内。

尾管完全进入井筒前，通过调节套管下放速度控制波动压力，从而控制下套管过程井筒压力

尾管完全进入井筒后，则通过循环降低钻井液密度及井口压力补偿，以控制下套管过程井筒压力

根据下套管过程产生的最大波动压力，确定井筒钻井液密度的降低值

确定出密度降低值后，按式（7）计算出下套管过程井口压力补偿值pb。

3 精细控压下套管方法

精细控压下套管方法主要针对于下尾管的情况。尾管完全进入井筒前，只通过调整套管下放速度控制波动压力；尾管完全进入井筒后，通过降低上部井段的钻井液密度并采用井口压力补偿的方式控制下套管过程井筒压力，使其处于安全窗口内。精细控压下套管的工艺流程图见图6，具体步骤为：

图6 精细控压下套管工艺流程图Fig.6 Flow chart of running casing process with fine pressure control

（1）根据测井资料和承压试验，确定安全压力窗口。

（2）设置最大下套管速度为vp1，并计算下套管过程关注点的动态压力。

（3）判断关注点动态压力是否在安全压力窗口内。若否，将最大下套管速度降低至vp2；若是，则按速度vp1下放套管。

（4）判断尾管是否完全进入井筒。若否，重复步骤（2）至步骤（4）；若是，进入下一步。

（5）计算以最大速度vp3下套管时，整个后续下套管过程关注点产生最大抽吸压力psw和最大激动压力psg。

（6）判断psw+psg是否小于井口所能提供的最大控压值pmax。若否，将速度降低至vp4，并重复步骤（5）至步骤（6）；若是，进入下一步。

（7）计算将尾管长度井段的钻井液的液柱压力降低psg所需降低的钻井液密度。

（8）通过循环降低环空钻井液密度，同时进行井口压力补偿，最大压力补偿值为psw+psg。

（9）以步骤（6）得到的速度继续下套管，并判断套管是否到达目的位置。若是，下套管结束；若否，重复步骤（9）。

4 实例应用

对四川盆地某口井采用本文所述的精细控压下套管方法进行实例应用，该井井深为5 600 m，裸眼段安全压力窗口为2.15～2.19 g/cm3，其井身参数见表1。钻井液密度为2.16 g/cm3，静切力为3.3 Pa，稠度系数为0.245 Pa·s0.820，流性指数为0.820。

表1 井身尺寸参数Tab.1 Well dimension parameters

以最大速度0.5 m/s 下放套管，关注点（井深5 500 m 处）的最大、最小压力当量密度及最大波动压力，见图7。

图7 下套管过程中关注点最大、最小压力当量密度及最大波动压力Fig.7 Maximum,minimum pressure equivalent density and maximum surge pressure of concern during casing running

当套管下放到1 218 m 时，关注点最大压力超过压力窗口上限，尾管未全部进入井筒，则改为最大速度0.13 m/s 继续下放套管。

尾管全部进入井筒后，可改为最大速度0.50 m/s下放套管，需在套管下放深度为3 000 m 时循环降低井筒钻井液密度0.14 g/cm3，并在下套管过程中采用井口压力补偿，使控压后关注点压力当量密度维持在2.16 g/cm3，最大井口压力补偿值为4.5 MPa，下入部分管柱的井口压力补偿和关注点压力当量密度，见图8。

图8 下入部分管柱的井口压力补偿和关注点当量密度Fig.8 Wellhead pressure compensation and pressure equivalent density of concern for the downhole part of the string

尾管完全进入井筒后，若仍采用控制套管下放速度的常规下套管方法，需再一次降低套管下放最大速度，见图9。由图9 可以看出，套管下放到井底附近时，需将最大速度控制在0.04 m/s 以下才能将关注点压力维持在安全压力窗口内。

图9 精细控压、常规下套管关注点最大压力当量密度Fig.9 The maximum pressure equivalent density of managed pressure running casing and conventional running casing

此外，当套管底部下放到3 000 m 时关注点最大波动压力有所降低，见图7。这是由于套管进入裸眼段后考虑了井眼扩大率，环空间隙增大，所以下套管关注点最大波动压力有所降低。由此可见，考虑了裸眼段的井眼扩大率对波动压力计算结果有较大影响。

5 结论

（1）利用瞬态波动压力计算模型进行下套管过程波动压力敏感性分析可知，套管下放速度越大、套管下入深度越深、钻井液密度越大、环空间隙越小，下套管引起的井底波动压力越大，钻井液密度对波动压力的影响最小。

（2）以瞬态波动压力为基础，建立了窄安全压力窗口地层下套管过程井筒压力控制模型，提出了通过降低井筒上部井段的钻井液密度及井口压力补偿实现下套管过程井筒压力实时控制的精细控压下套管方法。

（3）通过实例应用发现考虑了裸眼段的井眼扩大率对波动压力计算结果影响较大，井眼扩大后波动压力将减小；采用降低上部井段的钻井液密度及井口压力补偿的精细控压下套管方法，既能够保障下套管速度，又能降低井漏风险。

（4）与常规下套管方法对比可知，在窄安全压力窗口情况下，套管下放到井底位置附近时，套管下放速度的控制范围非常窄，常规方法很难将关注点压力始终维持在安全压力窗口内，控制不当就会增加井漏风险。

符号说明

v——井筒钻井液流速，m/s；