李宁1，张亦驰4，刘忠飞1，张端瑞1，李牧2，何思龙3
(1.塔里木油田公司油气工程研究院,2.中国石油集团工程技术研究院有限公司, 3.塔里木油田油气田产能建设事业部,
4.中国石油大学(北京))
摘要：伴随着勘探开发的不断深入，油气藏地质条件越来越复杂，窄安全密度窗口等难题导致固井过程中漏失㊁井涌㊁气窜现象频发，破坏井筒的完整性㊂传统的油气井固井工程一直遵循 居中㊁替净㊁压稳㊁封严 的原则，作业过程中使用的钻井液和水泥浆密度通常高于地层压力系数，过高的当量循环密度容易使井下压力接近或超过地层破裂压力极限，导致漏失等事故复杂㊂控压固井技术在控压钻井技术基础上发展而来，通过水泥浆体系及作业流程优化设计㊁参数实时监控及模拟计算，配合专用的控压固井装备实时调节井口回压，能够使井底压力在安全密度窗口范围内保持恒定，可有效解决窄安全密度窗口条件下的压稳防漏矛盾，显著提高固井质量，目前已成为解决此类复杂地层固井难题的关键技术㊂本文通过调研国内外控压固井技术发展情况，阐述了控压固井基本原理及国内外应用现状，针对具体技术案例进行分析，总结了控压固井井口回压设计的基本流程，重点分析了井口回压的迭代计算模型；在此基础上，提出了关于控压固井井口回压设计与控制技术研发的建议㊂ 关键词：控压固井；窄密度窗口；当量循环密度；井口回压；迭代计算
中图分类号:T E256文献标识码:A 文章编号:1006-7981(2020)09-0061-04
1研究背景与基本原理
1.1研究背景
固井是井筒建立的重要环节，针对固井施工中的可能出现的问题，采取相应的技术措施，避免井涌㊁井漏等事故复杂的发生，提高固井质量，保证井筒完整性，是满足油田长期高效生产的需要㊂随着勘探开发的不断深入，油气藏地质条件越来越复杂，窄安全密度窗口等难题给传统的固井作业方式带来了一系列技术难点:
(1)传统固井作业使用的水泥浆密度通常较高，井筒内的液柱压力大于地层孔隙压力，对于窄安全密度窗口地层，在固井施工时极易引起漏失及水泥浆失返，固井质量难以保证，严重影响了区块的勘探开发㊂
(2)在发生漏失的同时容易引起气窜，使得套管与水泥浆之间以及水泥浆与地层之间胶结强度降低，影响固井质量㊂
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(3)提高水泥浆顶替效率难度较大，特别是对于超深小井眼固井，由于钻井液密度的影响，会限制钻井液㊁隔离液和水泥浆的匹配程度，影响泵排量，对于固井㊁尤其是尾管固井增加了施工风险㊂
针对深井㊁超深井㊁复杂地质条件下的固井技
术难题，在控压钻井技术的基础上提出了控压固井
技术㊂控压固井技术是在固井前循环㊁注水泥浆㊁
替钻井液等作业过程中，通过对正注入排量和返出
口流量的精确动态控制，产生反向回压来调节井筒
液柱压力，实现安全固井的技术[1]㊂控压固井技术已经成为解决上述固井难题的重要手段并在国内
外多个油田取得了的应用㊂
1.2基本原理
小林奈绪
控压固井技术通过固井参数优化设计㊁固井过
程中井筒水力学参数实时计算与井口回压控制来
实现对井底压力的精确控制㊂在具体操作过程中,
控压固井软件㊁控制系统与专用装备相结合，实时
精确地控制固井过程中的井筒压力，使井筒压力始
终维持在地层安全作业窗口范围以内，防止井涌㊁
漏失和气窜等事故复杂的发生，弥补了传统固井技
术的不足[2]㊂控压固井基本装备㊁流程如下图所示:
16
2020年第9期内蒙古石油化工
收稿日期:2020-06-16
作者简介：李宁，高级工程师,1970年生，现在从事钻井技术研究工作㊂
图1控压固井基本设备
2国内外应用现状
2.1国外应用现状
国外多个油服公司对控压固井技术进行了深入的研究，并且取得了一定的应用成果㊂
S c h l u m b e r g e r公司在2013年针对阿根廷N e u q uén盆地非常规储层的高孔隙压力和窄密度窗口问题，应用控压固井技术，将固井合格率提高了20%[4];2014年-2015年，针对马来西亚P e n i n-s u l a r㊁D u y o n g以及S a r a w a k海域的高温高压井的固井难题，成功进行了控压固井作业[5]，针对秘鲁S a g a r i油田易发生井壁失稳地层㊁低压 高渗储层以及易发生卡钻的高渗透砂岩层等问题，应用控压固井技术进行作业，成功避免了井涌㊁卡钻㊁漏失等风险[6];2018年针对美国P e r m i a n盆地面临的浅水流㊁漏失㊁井壁失稳㊁卡钻㊁井控等风险问题，成功实施了控压固井作业[7]㊂
H a l l i b u r t o n公司在2015年针对Q u i n t u c o和V a c a M u e r t a地层含有浅层气以及较高孔隙压力的技术难题，成功地实施了控压固井作业[8]㊂2017年针对加勒比海地区深水探井易发生气窜的技术难题，成功应用控压固井进行了尾管固井，解决了技术难题[9]㊂
W e a t h e r f o r d公司于2013年在伊拉克的库尔德斯坦地区针对该地区破裂地层㊁易发生气侵以及井壁失稳的问题，成功实施了控压固井作业[10]㊂2017年针对北海区域高温高压㊁漏失事故频发的技术
难题，在S e c u r e D r i l l i n g控压钻井系统的基础上研制了控压固井系统，并成功应用于该地区[11]㊂2.2国内应用现状
2011年，中国石化河南石油勘探局将控压固井技术在B304井成功进行应用㊂该油气地层具有易上窜㊁压力窗口低等技术难题，通过控压固井技术，实现了固井质量合格，界面的胶结程度得到提高[12]㊂
2016年9月，中国石化西北油田分公司对于顺南区块井深㊁井底温度高㊁压力窗口极窄㊁压稳和防漏难以兼顾的固井难题，采用精细控压固井技术在该区开展了现场固井实践，通过准确计算环空循环摩阻，提高顶替效率，进一步提高了尾管固井质量㊂2017年2月，中国石油西南油气田公司在龙岗70井的尾骨固井的顺利完成，解决了该地区裸眼井段存在小井眼井段长㊁环空间隙小㊁套管下入深㊁钻井液安全密度窗口窄等施工难题与挑战[14]㊂2019年中国石油塔里木分公司在塔里木地区对大北某井首次应用控压固井技术，完成四开固井该技术的成功应用，成功解决了压力窗口窄㊁地质结构复杂井段固井施工过程中带来的井漏风险，为窄密度窗口井段固井提供了思路㊁积累了经验，填补了塔里木油田精细控压固井施工领域的空白㊂虽然我国控压固井技术在一定范围内进行了应用，但是总体而言仍处于起步阶段㊂目前还存在着计算模型不够精确㊁工艺流程不够完善㊁配套的软件及装备不够系统等问题，尚无法满足复杂压力体系下控压固井的技术需求，急需研发控压固井技术㊁软件，并进一步发展具有自主特的控压固井装备，提升深部复杂地层固井质量㊂
3井口回压设计基本流程
3.1重点技术
在控压固井包含的诸多工艺流程中，环空压力设计是其中最为关键的流程之一㊂环空压力设计主要包括对环空液柱当量密度的优化设计，确保压稳地层；对顶替时的施工压力进行精确计算，确保安全碰压；对固井施工结束，井底压力突然减小时，补偿压力损失，防止发生气窜㊂
环空压力设计是通过井口回压设计来实现的，因此，如何计算控压固井作业过程中所需施加的井口回压是整个控压固井设计中最突出最重点的问题㊂
3.2设计流程
本文以S c h l u m b e r g e r设计流程[15]为例，简述控压固井井口回压的设计过程，主要包括三个阶段：数据收集㊁计算流程和程序编制㊂
3.3.1数据收集
数据收集是控压固井作业前最重要的阶段之一，需要从参加固井作业的各个相关部门搜集到准确的数据㊂数据收集的目的是为了减少在建模和
26内蒙古石油化工2020年第9期
迭代阶段未知参数的数量，提高计算的准确性和可靠性㊂数据收集的主要信息包括区域已钻井的孔隙
压力㊁井筒稳定性㊁裂缝剖面㊁地热剖面㊁井眼测量㊁机械配置结构细节㊁钻井液性能㊁水泥浆性能㊁水泥浆体积㊁水泥浆预期密度和泵送条件，这些信息都是重要的工程参数㊂此外，数据收集还包括工程师㊁现场监督㊁工程管理人员对于作业期间要完成的目标和指标㊂3.3.2 回压设计计算
将数据收集阶段获得的信息用于计算和预测
固井施工时的环空压力和温度㊂流体密度㊁粘度㊁体积㊁水油比(WO R )和其他参数可实时调整，确保计算结果的准确有效㊂在进行井口回压计算之前,
需要利用收集的信息建立基准固井模型㊂通过基准固井模型模拟，计算整个固井施工过程中各阶段的峰值当量循环密度和最终等效水泥浆重度，这个过程主要分为以下三个步骤:
第一步是模拟计算不考虑井口回压及停泵条件下的当量循环密度，将数据输出值与实际数值进行对比，对计算模型进行实时校正;
第二步是将设定的井口回压值加入到上述过程得到的修正模型中进行模拟计算，将数据输出值与实际数值进行对比，对计算模型进行二次校正;
第三步是将模型得出的当量循环密度计算结果与安全密度窗口进行对比，若计算结果在安全密度窗口范围内，则设定的井口回压值有效；若计算结果不在安全密度窗口范围内，则重新设定井口回压值并
重复上述计算过程㊂
下图为井口回压设计的迭代计算过程
㊂
图2 迭代流程计算图
以S c h l u m b e r g
e r 在墨西哥湾水深为2500米的两口井进行的9-5/8i n +10-1/8i n 套管控压固井作业为例，下图为整个作业过程中，常规固井与采用上述计算方法及流程得到的井口回压进行控压固井时的循环当量密度曲线对比㊂实践证明，在整
个固井作业过程中，井底当量循环密度始终控制在地层孔隙压力系数1.09和地层破裂压力1.14范围内
㊂
图3 常规固井E C D
剖面预测
图4 在控压固井作业下的E C D 剖面预测
3.3.3 设计软件编制
井口回压设计流程的最后一步为设计软件的编制㊂计算工作结束后，要将计算结果㊁操作指示以及现场建议准确地提供给相关工作人员㊂设计软件应具有以下功能:
(1)使用钻井液和水泥浆特性和动态温度曲线来调整E S D 和E C D ;
(2
)使用流变学数据和最佳拟合流变模型;(3)考虑间隙条件计算E C D ;(4)根据优化和手动计划计算井口回压;(5
)比较不同的方案以更好地评价计算结果并选择其中的最优化方案;(6)输出形式为以表格形式建立的井口回压过程，其中包括流体流入以及流出和关于此工况下的相关生产过程㊂
在最后的固井施工质量评价阶段，工程师㊁现场监督㊁工程管理人员在做出操作决策时，必须清楚地
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了解在控压固井过程中所进行的计算和正在使用的计算模式的输入数据，例如压力㊁流量和操作顺序，以便顺利执行，防止任何混淆或误解㊂4 结论与建议(1
)现场应用表明，控压固井能够通过施加井3
6 2020年第9期
李 宁 控压固井井口回压设计分析与建议
口回压，进而控制环空压力，使得整个控压固井工艺流程形成一个闭环的循环过程，从而使得井底当量循环密度(E C D)始终保持在孔隙压力与破裂压力之间，固井质量得到显著提高㊂因此控压固井对于解决窄压力窗口等技术难题具有重要的实践意义和广阔的发展前景㊂
(2)控压固井中井口回压能够通过上述迭代计算过程中实时的调整与校核，来弥补降低钻井液密度后当量循环密度的降低㊂只有在适当的风险评估㊁操作规程和应急程序均准备就绪，以及有经验的人员参与到精细控压固井作业的规划和执行时，这种施加井口回压的方法才能用于固井作业㊂(3)对压力的实时控制不仅要在固井施工前循环㊁注固井液㊁替钻井液等固井过程中对于环空压力进行精确控制，对于装水泥头，投球坐挂等工序也应加入例如回压泵之类的回压装置提供独立回压㊂因此，控压固井技术的推广还需进一步的理论研究与实践㊂
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