控压固井技术在高温高压井中的应用

控压固井技术在高温高压井中的应用
摘要：控压技术基于优化环空加重隔离液、加重水泥浆等浆体结构，通过压稳计算，并结合控压装置，在固井作业过程中压稳地层，减少地层和井筒的流体交换，可控制环空压力，更
好地保障固井施工安全。

控压固井主要应用在窄密度窗口井固井、高温高压井固井等。

控压
固井技术在固井前循环、注固井液、替钻井液及后续反循环等固井过程中，通过压稳计算，
并结合控压装置精确动态控制正注入排量和返出口流量，产生反向回压，从而调节井筒液柱
压力，实现安全固井的技术。

关键词：控压固井技术；气窜漏失；压稳计算；动态控制
常规固井技术通常是通过提高水泥浆密度来预防井涌和气窜，但是高密度水泥浆和循环压力
容易压裂地层、导致漏失。

窄密度窗口以及浅层气侵、水侵问题对常规固井技术提出了挑战。

此外，固上部地层套管时，因为井眼尺寸较大，采用传统固井技术的话，在水泥浆凝固阶段，水泥浆失水及流体静压力的下降严重，很容易导致气窜、水侵，破坏井筒完整性，需要进行
补救，严重时不得不弃井。

控压固井技术是在控压钻井技术的基础上提出的，主要在固井前
循环、注固井液、替钻井液及后续反循环等固井过程中，通过压稳计算，并结合控压装置精
确动态控制正注入排量和返出口流量，产生反向回压，从而调节井筒液柱压力，实现安全固
井的技术。

1 控压固井应用现状
控压固井技术够解决传统固井方法遇到的窄窗口固井、高温高压固井、浅层水侵、气窜和漏
失难题，提高固井质量和保证固井安全。

同时控压固井工艺复杂，对人员以及设备要求较高，并且固井施工的成功依赖于水力学模型与实际情况的符合程度。

在区块成功封固7″尾管(水泥浆密度 2.15g/cm3，井底静止温度 178℃)。

2017年，成功进行了4-1/2″尾管固井（井深
7793m的超深井）。

2 控压固井的原理及系统组成
控压技术基于优化环空加重隔离液、加重水泥浆等浆体结构，通过压稳计算，并结合控压装置，在固井作业过程中压稳地层，减少地层和井筒的流体交换，可控制环空压力，更好地保
障固井施工安全。

不考率波动压力时，根据水力学原理，环空压力=静液柱压力+环空循环压
耗+井口回压。

哈里巴顿公司、斯伦贝谢公司的控压固井系统组成类似（图1）：都包括固井泵、控压钻井设备（包括旋转控制头，自动节流系统）。

旋转控制头是一种压力控制设备，
安装在环形防喷器顶部，提供一个封闭的循环系统，在钻杆旋转时可以保持井筒密封，使井
筒内返回的钻井液流向自动节流系统，自动节流系统控制流入和流出的流量大小，进而控制
施加在井口的回压大小。

如突然停泵，井口回压则由回压泵施加，以防止在固井施工中发生
井涌或漏失。

图1 控压固井系统地面装备示意图
以挪威Enhanced Drilling 公司的控压固井技术为例，详细阐述控压固井原理。

为了便于理解，将重浆（通常是隔离液和水泥浆）顶替钻井液可以分成2个主要时期，5个阶段。

第一时期：重浆顶部达到关键区域之前（关键区域是指在固井作业前后需要保持环空压力不变的区域，
一般是指上层套管鞋处）。

此阶段，泵保持恒定的入口压力。

这样保证了关键区域的压力不变。

在这一阶段，当重浆顶部出了套管鞋，底部环空压力随着环空中重浆顶替密度低的钻井
液而自然增加。

在关键区域处，较小的压力增加也可能导致发生地层漏失，因为破裂压力与
环空压力很接近。

第二时期：重浆顶部达到关键区域之后。

这一阶段中，泵的入口压力改变
使得固井泵（立管压力）保持不变。

假定循环速率不变，这一措施将保持关键区域压力不变。

井口压力（泵的入口压力）应按照固井前的设计表进行变化，该设计表应取决于需要被顶替
的水泥浆或前置液的体积，将水泥浆的顶替分成5个不同的阶段。

第一阶段完成时，泵入的
总的液体体积可以根据地表管线的体积、钻杆内容积和长度推算出来。

阶段2：重浆顶部进
入环空开始到重浆顶部抵达上层套管鞋时（关键区域）结束。

如同阶段1,泵的入口压力应保
持不变。

在这一阶段，通过 SPP 变化可以判断重浆顶部位置。

SPP 随着重浆进入环空而自然
增加。

当重浆顶部抵达上层套管鞋时，SPP 压力增加值为ΔP2。

第二阶段结束时，水泥泵的压力 SPP2为：
阶段3：环空中重浆顶部抵达上层套管鞋开始至重浆顶部返至井口。

这一阶段，需降低泵的
入口压力以抵消因环空中因重浆沿环空上升而高度增加所造成的静液柱压力增加。

为保持上
层套管鞋处环空压力不变，应保持 SPP 不变，泵的入口压力应相应改变。

当重浆顶部抵达井
口时，泵入口压力应该降低ΔP3才能保持 SPP 不变：如果不需要返回振动筛或者取样，可以
选择是否将重浆排放。

阶段5：钻井液顶替水泥浆。

固井作业钻杆内的水泥浆需要被顶替出来。

需要被顶替的体积可以计算出来。

在这一阶段，应控制泵的入口压力保持不变，以保持
环空压力不变。

因为密度低的钻井液顶替钻杆内的密度高的水泥浆，这将导致SPP 自然增加。

经过时间 t ，在 ut桶钻井液泵入钻杆后，固井泵的压力SPPt为：
式中：ρcmt——水泥浆密度，ppg 。

以上计算仅仅为了表示控压固井过程中压力变化趋势。

公式中没有考虑摩擦压力损失和流变特性的影响，一般使用模拟软件计算这些压力。

3 控压固井系统的优缺点
控压固井技术可以提高固井质量保证固井安全。

控压固井技术可以设计合理密度差和流变特性，有利于顶替钻井液、清除钻井液泥饼和减少混浆。

采用常规固井技术，使用高密度钻井液，压力窗口较窄时，无法使用密度更高的水泥浆来顶替钻井液。

控压固井循环系统为闭环
系统，产生的井口回压可以弥补因为钻井液密度降低造成的井底压力降低值，固井时可以设
计合理的密度差和流变特性，取得更好的顶替效率和减小固井过程中钻井液和水泥浆发生混浆。

同时，降低了环空中的静液柱压力，可提高固井泵速，利于清除钻井液泥饼。

控压固井
有助于减少固井过程中以及水泥浆候凝期间的水泥浆失水量，有助于维持环空压力，缩短静
胶凝过渡时间，增加水泥浆的凝胶强度和降低地层水气侵入的风险，提高井筒完整性。

使用
控压固井可以使得环空压力始终保持在安全密度窗口之内，避免压裂地层，减少井漏井涌等
事故。

同时可以及时发现和控制漏失或井涌。

参考文献：
[1]郭继刚. 精细动态控压固井技术在顺南区块的应用[J]. 钻井液与完井液,2016（5）:76-79.
[2]天工.中国石油西南油气田公司首次精细控压固井成功实施[J]. 天然气工业,2017（2）:51.。