一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法与流程

1.本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法。


背景技术：

2.随着油气资源的不断开发，钻井作业领域呈现陆上到海上、浅水到深水、浅层到深层的变化趋势，钻井作业深度不断增加。目前国内外常见的深井井身结构设计中，末开次套管常设计为悬挂尾管，使尾管串悬挂在前一开套管上，并配合水泥环封隔裸眼段的油、气、水层。尾管固井质量的好坏与油气井后续完井作业及生产安全息息相关。
3.在窄安全密度窗口条件下，常规尾管固井作业在顶替阶段易压漏地层，候凝阶段水泥浆失重易引发窜流，从而导致施工作业难、固井质量差等问题。为了提高尾管小环空间隙的顶替效率及固井质量，现场常采用尾管控压固井技术。通过在井口施加环空补偿压力，该技术能够在保证不压漏地层的前提下优化环空浆柱结构，同时增大顶替排量，提高尾管固井的顶替效率。在水泥浆候凝期间，井口回压可以通过环空液体传递至井底，从而弥补水泥浆失重造成的井底压力损失，实现压稳防窜的目的，提高尾管固井质量。
4.然而，对于具有高温、高压、含酸性气体等问题的高风险井，其设计往往会考虑坐封尾管封隔器以防止后期井筒完整性失效。在尾管固井过程中，封隔器的坐封发生在水泥浆顶替到位后、候凝阶段前，这使得水泥浆候凝期间的井口回压无法沿环空顺利传递到井底，且管柱内已碰压的胶塞也无法实现压力传递，导致水泥浆失重引起的井底压力损失得不到弥补，候凝期间地层流体侵入环空，尾管固井质量不合格，严重影响井筒完整性及油气井后续开发。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提供一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法，以实现尾管封隔器坐封条件下水泥浆候凝期间的井底压力控制。
6.本发明一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法，所述方法包括：
7.根据环空浆柱结构计算水泥浆候凝过程中的体积收缩量；
8.设计封隔器坐封条件下的尾管控压固井流体注入体积；
9.进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业；
10.封隔器坐封后上提送入工具进行控压循环洗井；
11.使送入工具循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。
12.根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括设计所述环空浆柱结构。
13.根据本发明的一种实施方式，设计所述环空浆柱结构包括：通过分析裸眼井段安全作业密度窗口、顶替排量及井口回压，在保证固井施工过程中井底及套管鞋压力符合安全窗口的条件下，设计尾管固井所用前置液，水泥浆的密度及环空返高参数。
14.根据本发明的一种实施方式，计算水泥浆候凝过程中的体积收缩量包括：
15.根据裸眼段浆柱滤失失水、水化过程体积收缩、井内高温条件下水泥浆热膨胀、裸眼井壁及尾管柱形变所导致的尾管环空体积变化量，计算得出水泥浆顶替到位且封隔器坐封条件下水泥浆候凝过程的体积收缩量。
16.根据本发明的一种实施方式，设计封隔器坐封条件下的尾管控压固井流体注入体积包括：
17.根据前置液、水泥浆返高及环空截面积计算前置液注入体积；根据水泥浆返高、总井深、裸眼环空截面积及水泥浆候凝过程中的体积收缩量计算水泥浆实际注入体积；根据水泥浆注入体积及尾管串内径计算水泥浆在管串内的欠替段长及胶塞顶替位置；根据胶塞顶替位置及管柱内径计算顶替液或钻井液的注入体积。
18.根据本发明的一种实施方式，进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业包括：
19.按照对应排量进行水泥浆顶替作业，通过调节井口回压使井底压力满足安全密度窗口的要求。
20.根据本发明的一种实施方式，水泥浆是否顶替到位以顶替液的注入体积为准，当顶替液注入体积达到设计值时，顶替作业结束。
21.根据本发明的一种实施方式，封隔器坐封后上提送入工具进行控压循环洗井包括：
22.尾管封隔器坐封后，按照上部井筒
‑
尾管串内部
‑
井底的压力传递路径计算井底压力，通过控制循环洗井过程中的井口回压抵消活动送入工具及洗井循环导致的井底压力波动，避免井下裸眼段发生漏失。
23.根据本发明的一种实施方式，使送入工具循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力包括：
24.将送入工具上提至某一深度后打通循环，通过调节循环排量及井口回压，实现井底压力的动态控制，弥补由环空水泥浆候凝失重引起的井底压力损失，循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。
25.根据本发明的一种实施方式，所述循环指顶替液沿送入工具内部空间流入井内，并在到达送入工具当前下入深度后，沿工具与套管形成的环空向上流动返回至井口，完成整个闭路流动的过程；使所述水泥浆具备足够的防气窜能力还包括：当水泥浆注替作业结束时，顶替胶塞并未到达浮箍处，尾管的下部仍有一段水泥浆，从而在候凝期间顶替胶塞依然能够在压差的作用下继续下行，保证压力的有效传递，弥补所述水泥浆由于候凝失重引起的井底压力损失，避免环空气窜。
26.本发明考虑了尾管封隔器坐封对常规尾管控压固井作业的影响，通过改变尾管固井施工中的水泥浆注入量及顶替作业方式，打通封隔器上部井筒
‑
尾管串内部
‑
井底的压力传递路径，实现了尾管固井作业在封隔器坐封条件下的井底压力控制。
27.本发明能够有效减小带封隔器尾管固井作业在水泥浆顶替及候凝全过程的井底压力变化，从而降低水泥浆顶替过程中的裸眼段漏失风险及水泥浆候凝期间的环空油气水窜风险，有效提高带封隔器尾管固井的水泥浆顶替效率及固井质量。
28.本发明拓展了控压固井技术的适用范围，实现了带封隔器尾管的控压固井作业，使其既能满足窄安全密度窗口地层对固井期间井底压力精细控制的要求，又能实现高风险井尾管封隔器的坐封，形成多级屏障系统，有效降低钻完井及后期生产期间的安全风险。
附图说明
29.图1为本发明一实施例封隔器坐封条件下尾管控压固井方法的流程示意图；
30.图2为本发明一实施例尾管封隔器坐封后的井筒浆柱结构示意图；
31.图3为本发明一实施例尾管封隔器坐封条件下水泥浆候凝期间的循环补压示意图；
32.附图标号：
33.1、井口装置，2、回压控制阀，3、送入工具，4、尾管封隔器，5、悬挂卡瓦，6、尾管，7、顶替胶塞，8、浮箍，9、裸眼井壁，10、顶替液，11、水泥浆，12、前置液。
具体实施方式
34.以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
35.为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法。利用本发明提出的封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法，能够对尾管固井施工的浆柱结构进行设计，通过增加水泥浆注入量，同时减少顶替液泵送体积，使水泥浆顶替过程在胶塞碰压前结束，井筒上部压力能够通过尾管柱内部传递至井底，从而实现尾管封隔器坐封条件下水泥浆候凝期间的井底压力控制。本发明提供的方法能够弥补尾管封隔器坐封条件下水泥浆失重引起的井底压力损失，从而有效防止气窜等固井问题，提高尾管固井质量，对油气井的后续作业及油田长期有效开发具有重要意义。
36.为了实现上述目的，本发明实施方式所采用的技术方案如下：
37.如图1所示，一种封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法，具体步骤如下：
38.1、按照常规尾管控压固井方法设计环空浆柱结构；
39.2、计算水泥浆候凝过程中的体积收缩量；
40.3、设计封隔器坐封条件下的尾管控压固井流体注入体积；
41.4、进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业；
42.5、封隔器坐封后上提送入工具控压循环洗井；
43.6、送入工具循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。
44.下面进行具体说明。
45.如图2所示，本发明实施方式的结构介绍如下：
46.井口装置1，其作用是为井下不同尺寸的套管提供悬挂力；回压控制阀2可为控压节流阀，可通过调节节流阀的开度设置循环期间的环空出口压力；送入工具3与尾管6连接并协助尾管串的下放；尾管封隔器4，作为尾管悬挂器的组成部分之一，能够在坐封后阻断封隔器上、下部环空的压力传递路径；悬挂卡瓦5，作为尾管悬挂器的组成部分之一，在开启状态下能够挂住上层套管，为下部尾管串提供足够的悬挂力；顶替胶塞7，其作用是分隔水泥浆与顶替液；浮箍8，其具有单流阀的作用，同时具有胶塞限位作用，一旦胶塞到达浮箍位置就无法继续下行，导致尾管内部的压力传递路径失效；裸眼井壁9为裸眼段的壁；顶替液10，通常情况下为钻井液；水泥浆11，其凝固后可在尾管串外部形成水泥环；前置液12，用于提高水泥浆的顶替效率。当水泥浆注替作业结束时，顶替胶塞7并未到达浮箍8处，此时尾管
6的下部仍有一段水泥浆11，从而在候凝期间顶替胶塞7依然能够在压差的作用下继续下行，保证压力的有效传递，弥补水泥浆11由于候凝失重引起的井底压力损失，避免环空气窜，最终有效提高带封隔器尾管的固井质量。
47.按照常规尾管控压固井方法设计环空浆柱结构。通过分析裸眼井段安全作业密度窗口、顶替排量及井口回压，在保证固井施工过程中井底及套管鞋压力符合安全窗口的条件下，设计尾管固井所用前置液(清洗液、隔离液)，水泥浆(领浆、尾浆)的密度及环空返高参数。
48.计算水泥浆候凝过程中的体积收缩量。根据水泥浆性能及井下环境条件，分别分析由裸眼段浆柱滤失失水、水化过程体积收缩、井内高温条件下水泥浆热膨胀、裸眼井壁及尾管柱形变所导致的尾管环空体积变化量，在此基础上综合计算得出水泥浆顶替到位且封隔器坐封条件下水泥浆候凝过程的体积收缩量。
49.设计封隔器坐封条件下的尾管控压固井流体注入体积。根据前置液、水泥浆返高及环空截面积计算前置液注入体积；根据水泥浆返高、总井深、裸眼环空截面积及水泥浆候凝过程中的体积收缩量计算水泥浆实际注入体积；根据水泥浆注入体积及尾管串内径计算水泥浆在管串内的欠替段长及胶塞顶替位置；根据胶塞顶替位置及管柱内径计算顶替液或钻井液的注入体积。
50.进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业。以上一步设计好的流体注入体积为基础，按照对应排量进行水泥浆顶替作业，且在顶替过程中通过调节井口回压使井底压力满足安全密度窗口的要求；水泥浆是否顶替到位以顶替液的注入体积为准，当顶替液注入体积达到设计值时，顶替作业结束。
51.封隔器坐封后上提送入工具控压循环洗井。尾管封隔器坐封后，按照上部井筒
‑
尾管串内部
‑
井底的压力传递路径计算井底压力，通过控制循环洗井过程中的井口回压抵消活动送入工具及洗井循环导致的井底压力波动，避免井下裸眼段发生漏失。
52.送入工具循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。将送入工具上提至某一深度后打通循环，此时顶替液沿送入工具内部空间流至工具当前的下入深度，随后流入环空并上返至井口，整个循环路径如图3所示。通过调节循环排量及井口回压，实现井底压力的动态控制，弥补由环空水泥浆候凝失重引起的井底压力损失，循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。
53.下面通过实施方式进行更具体地说明。
54.根据本发明的一种实施方式，封隔器坐封条件下的尾管控压固井方法，包括如下步骤：
55.1、按照常规尾管控压固井方法设计环空浆柱结构
56.通过分析裸眼井段安全作业密度窗口、顶替排量及井口回压，在保证固井施工过程中井底及套管鞋压力符合安全窗口的条件下，设计尾管固井所用前置液(清洗液、隔离液)，水泥浆(领浆、尾浆)的密度及环空返高参数。前置液的环空返高为h
u
，水泥浆的环空返高为h
c
。
57.2、计算水泥浆候凝过程中的体积收缩量
58.根据水泥浆性能及井下环境条件，分别分析由裸眼段浆柱滤失失水、水化过程体积收缩、井内高温条件下水泥浆热膨胀、裸眼井壁及尾管柱形变所导致的尾管环空体积变
化量，在此基础上综合计算得出水泥浆顶替到位且封隔器坐封条件下水泥浆候凝过程的体积收缩量。
59.1)、裸眼段浆柱滤失失水体积变化量
60.可由公式(1)计算得到裸眼段浆柱滤失失水体积变化量δv
loss
：
61.δv
loss
＝vt(h
‑
h
a
)απd
w
ꢀꢀꢀ
(1)
62.式中，δv
loss
为裸眼段浆柱滤失失水体积变化量，m3；v为裸眼段井壁上单位面积在单位时间内的滤失速率，m
·
min
‑1，其值可以参考水泥浆的api滤失量；t为滤失失水过程持续的时间，min；h为总井深，m；h
a
为裸眼段上层套管鞋深度，m；α为裸眼段的井眼扩大率，无量纲；d
w
为裸眼段钻进所用钻头直径，m。
63.2)、水泥浆水化过程体积收缩量
[0064][0065]
式中，δv
sh
为水泥浆水化过程体积收缩量，m3；k为水泥浆初凝前水化过程的体积收缩系数，无量纲，其值可由实验测得；d
lo
为尾管外径，m。
[0066]
3)、高温条件下水泥浆热膨胀体积变化量
[0067][0068]
式中，δv
t
为水泥浆热膨胀体积变化量，m3；γ为水泥浆体积热膨胀系数，℃
‑1；t为水泥浆在井下的温度，℃；t0为水泥浆注入前的温度，℃。
[0069]
4)、裸眼井壁及尾管柱形变所导致的尾管环空体积变化量
[0070]
可由公式(4)计算得到裸眼井壁及尾管柱形变导致的环空体积变化量δv
a
：
[0071][0072]
式中，δv
a
为尾管环空体积变化量，m3；δs为裸眼段某深度处的环空截面积变化量，m2。
[0073]
5)、水泥浆候凝过程中的体积收缩量
[0074]
结合公式(1)
‑
(4)，可由公式(5)计算得到水泥浆候凝过程中的体积收缩量δv：
[0075]
δv＝δv
loss
δv
sh
‑
δv
t
δv
a
ꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
式中，δv为水泥浆候凝过程中的体积收缩量，m3。
[0077]
3、设计封隔器坐封条件下的尾管控压固井流体注入体积
[0078]
1)、设计前置液注入体积
[0079]
基于前置液、水泥浆返高及环空截面积，由公式(6)计算前置液注入体积v
u
：
[0080][0081]
式中，v
u
为前置液注入体积，m3；d
a
为裸眼段上层套管内径，m；d
po
为尾管串送入工具外径，m。
[0082]
2)、设计水泥浆注入体积
[0083]
基于水泥浆返高、总井深、裸眼环空截面积及水泥浆候凝过程中的体积收缩量，
[0084][0085]
式中，v
c
为水泥浆实际注入体积，m3。
[0086]
3)、设计胶塞顶替位置
[0087]
基于水泥浆注入体积及尾管串内径，由公式(8)计算水泥浆在尾管内的欠替段长l：
[0088][0089]
式中，l为水泥浆欠替段长，m；d
li
为尾管内径，m。
[0090]
由公式(9)计算胶塞顶替位置h
plu
：
[0091]
h
plu
＝h
‑
l
ꢀꢀꢀ
(9)
[0092]
式中，h
plu
为胶塞实际顶替深度，m。
[0093]
4)、设计顶替液或钻井液的注入体积
[0094]
基于胶塞顶替位置及管柱内径，由公式(10)计算顶替液或钻井液的注入体积v
d
：
[0095][0096]
式中，v
d
为顶替液或钻井液的注入体积，m3；h
l
为尾管串顶部深度，m；d
pi
为尾管串送入工具内径，m。
[0097]
4、进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业
[0098]
进行胶塞不碰压的水泥浆控压顶替作业。以上一步设计好的流体注入体积为基础，按照对应排量进行水泥浆顶替作业，且在顶替过程中通过调节井口回压使井底压力满足安全密度窗口的要求；水泥浆是否顶替到位以顶替液的注入体积为准，当顶替液注入体积达到设计值时，结束顶替作业并坐封尾管封隔器。尾管封隔器坐封后的井筒浆柱结构示意图如图2所示。
[0099]
5、封隔器坐封后上提送入工具控压循环洗井
[0100]
尾管封隔器坐封后，按照上部井筒
‑
尾管串内部
‑
井底的压力传递路径计算井底压力，通过控制循环洗井过程中的井口回压抵消活动送入工具及洗井循环导致的井底压力波动，避免井下裸眼段发生漏失。该过程的井底压力p
w
与地层破裂压力p
f
之间的关系应满足p
w
＜p
f
，井底压力p
w
可用过公式(11)计算求得：
[0101]
p
w
＝ρ
m
gh
plu
ρ
c
gl p
trip
‑
p
flow
p
a
ꢀꢀꢀ
(11)
[0102]
式中，p
w
为井底压力，mpa；ρ
m
为循环钻井液密度，kg
·
m
‑3；ρ
c
为水泥浆密度，kg
·
m
‑3；g为重力加速度，9.8m
·
s
‑2；p
trip
为活动管柱时产生的激动压力，mpa；p
flow
为洗井循环时产生的循环压耗，mpa；p
a
为井口回压，mpa。
[0103]
6、送入工具循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力
[0104]
水泥浆候凝过程中的送入工具循环补压示意图如图3所示。将送入工具上提至某一深度h
d
后打通循环，通过调节循环排量q
p
及井口回压p
a
，实现井底压力的动态控制，弥补由环空水泥浆候凝失重引起的井底压力损失，循环补压直至水泥浆具备足够的防气窜能力。由公式(12)计算送入工具循环钻井液产生的循环摩阻p
flow
：
[0105][0106]
式中，h
d
为循环时送入工具底部所处深度，m；f为钻井液循环摩阻系数，无因次；v
a
为环空钻井液上返速度，m
·
s
‑1；d
a
为环空截面当量直径，m。
[0107]
以宾汉流体为例，给出公式(12)中钻井液循环摩阻系数f的求解方法：
[0108][0109][0110]
量直径，m；v为截面平均流速，m
·
s
‑1；η为宾汉流体的粘性系数，pa
·
s；τ0为宾汉流体的极限动切力，pa。
[0111]
由公式(15)计算得到水泥浆候凝过程中t时刻的循环排量及井口回压，弥补水泥浆失重造成的井底压力损失δp：
[0112]
δp＝p
flow
(q
p
) p
a
‑
p
flow
(q
p0
)
‑
p
a0
ꢀꢀꢀ
(14)
[0113]
式中，δp为水泥浆失重造成的井底压力损失，mpa；q
p
为候凝过程中某时刻的循环补压排量，m3·
s；q
p0
为初始时刻的循环补压排量，m3·
s；p
a0
为初始时刻的井口回压，mpa。
[0114]
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0115]
1、本发明所述的方法，考虑了尾管封隔器坐封对常规尾管控压固井作业的影响，通过改变尾管固井施工中的水泥浆注入量及顶替作业方式，打通封隔器上部井筒
‑
尾管串内部
‑
井底的压力传递路径，实现了尾管固井作业在封隔器坐封条件下的井底压力控制。
[0116]
2、本发明所述的方法，能够有效减小带封隔器尾管固井作业在水泥浆顶替及候凝全过程的井底压力变化，从而降低水泥浆顶替过程中的裸眼段漏失风险及水泥浆候凝期间的环空油气水窜风险，有效提高带封隔器尾管固井的水泥浆顶替效率及固井质量。
[0117]
3、本发明所述的方法拓展了控压固井技术的适用范围，实现了带封隔器尾管的控压固井作业，使其既能满足窄安全密度窗口地层对固井期间井底压力精细控制的要求，又能实现高风险井尾管封隔器的坐封，形成多级屏障系统，有效降低钻完井及后期生产期间的安全风险。
[0118]
需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0119]
此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0120]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。