一种固井前检验地层承压能力的方法
【专利摘要】本发明公开了一种固井前检验地层承压能力的方法，其步骤为：第一步：完钻后，直接下钻杆至套管鞋处，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值，井口逐步加压，发现泵压拐点或井口压力达到设计值，停止检验，记录最终压力数据，然后计算出套管鞋处地层承压能力，若地层承压能力满足要求则进行第二步，裸眼地层薄弱地层承压能力检验。该方法能较准确获得薄弱地层承压能力，克服了传统地层承压能力静态检验方法易压漏上层套管鞋处地层的不足，同时也避免了传统地层承压能力动态检验方法确定加重钻井液密度以及循环排量的盲目性，现场可操作性强。
【专利说明】一种固井前检验地层承压能力的方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及石油和天然气工程【技术领域】，确切地说涉及一种固井前检验地层承压能力的方法。
【背景技术】
[0003]针对孔隙压力低、易漏失等压力敏感性地层，准确确定地层承压能力有助于科学设计施工参数，能有效防止井漏，是保证固井质量的关键。目前国内外固井使用的地层承压检验方法主要包括两种：地层承压能力静态检验方法和地层承压能力动态检验方法。
[0004]地层承压能力静态检验方法即通过井口加压的方式检验地层承压能力。具体步骤如下：下入钻杆到井底后，关封井器，井口向环空逐步憋压，观察泵入量和压力变化，一旦发现泵压拐点或井口压力达到设计值，立即停止检验，记录最终压力数据，根据环空静液柱压力与井口压力之和除以计算点井深，可得到以当量密度形式表示的不同深度的地层的承压能力。该方法由于采取了井口加压的方式检验地层承压能力，压力由井口至井底逐步衰减，检验过程中，上层套管鞋处最易漏失。因此，静态地层承压能力检验方法实际检验的是上层套管鞋处地层承压能力，无法确定裸眼段薄弱地层承压能力，对固井施工参数设计指导性不强。
[0005]地层承压能力动态检验方法是通过泵入加重钻井液循环检验地层承压能力。具体操作步骤如下：下入钻杆至井底，泵入加重钻井液(密度与固井施工时环空液柱静态当量密度相等或略高)，然后开泵循环，直至达到固井施工排量或出现漏失时，停止检验，观察循环排量、泵压、钻井液漏失情况。如果循环过程中钻井液不发生漏失，则地层承压能力满足固井施工要求，否则需要根据发生井漏时的施工排量、钻井液密度综合考虑，进行堵漏作业或重新设计固井施工参数（水泥浆密度、施工排量等）。该方法缺点如下：由于同等密度的水泥浆与钻井液流变性能并不一样，对加重钻井液密度与固井施工排量设计采用经验法估算，从而不能准确判断地层承压能力，不能准确指导固井施工参数设计。
[0006]综上所述，目前采用的地层承压能力静态检验方法和地层承压能力动态检验方法均存在不足，不能准确判断地层承压能力，不能准确指导固井施工参数设计，难以满足固井施工要求。
[0007]经检索，目前还未发现有关于地层承压能力检验的有关方法申请专利或发表论文。
【发明内容】
[0008]本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷或不足，提供一种固井前检验地层承压能力的方法，采用本方法，能得到较为准确的地层承压能力，从而能为固井施工参数设计提供参考依据，能为固井施工安全提供有力保障，也克服了现有地层承压能力静态检验方法和地层承压能力动态检验方法的不足。[0009]本方法是通过采用下述技术方案实现的：
一种固井前检验地层承压能力的方法，其特征在于步骤为：
第一步：完钻后，直接下钻杆至套管鞋处，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值，井口逐步加压，观察泵入量和压力变化，一旦发现泵压拐点或井口压力达到设计值，立即停止检验，记录最终压力数据，然后计算出套管鞋处地层承压能力，若地层承压能力不满足要求则需进行堵漏作业，若地层承压能力满足要求则进行
第二步：根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度，并依据加重钻井液密度值将井内钻井液全部或部分置换，然后逐步提高循环排量，直至出现井漏或环空动态当量密度与固井时最大环空动态当量密度相等，若发生井漏，则考虑进行堵漏作业或对固井施工方案进行调整，若不发生井漏则按原施工方案固井。
[0010]所述第一步中，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值具体是指：根据固井施工时环空浆柱结构、施工排量以及井眼状况，利用固井设计软件计算出固井时最大环空动态当量密度，根据式（I)设计井口加压值：
P0=ISlXHbX(ECDc-P111)(I)
式中：
Hb—上层套管鞋垂深，m;
P m—钻井液密度，kg/m3 ；
E⑶。一固井时最大环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一井口加压值，Pa。
[0011]所述第二步中，根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度具体是指：
首先根据井内原钻井液流变参数，利用固井工程设计软件计算出下入光钻杆后以钻井泵最大排量循环钻井液时的环空动态当量密度ECDmtl ；
若采用常规套管固井，承压检验时全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)计算出加重钻井液密度：
P hm= P m+E⑶c- ECDm0+ P 0(2)
若采用尾管固井，承压检验时将全井筒置换成加重钻井液或仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液；若全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)确定加重钻井液密度；若仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液，则根据式（3)计算出加重钻井液密度：
P ta= (；ECDc- ECDm0) X Hc/Lb+ P m+ P Q(3)
式⑵和（3)中：
ECDmtl—原钻井液以钻井泵最大排量循环时的环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一附加安全密度值，kg/m3, 一般取50左右；
Hc一井底垂深，m ；
Lb—水泥封固段垂直长度，m ；
P 一加重钻井液密度，kg/m3。
[0012]与现有技术相比，本发明所达到的有益效果表现在：
I、本发明中，采用分步承压检验，静态承压与动态承压相结合，通过逐步提高钻井液密度，循环观察漏失情况，计算得到较准确的地层承压能力，为固井施工参数设计提供参考依据，为固井施工安全提供保障。
[0013]2、本发明所述地层承压检验方法，依据固井工程设计软件进行科学动态模拟计算，使得井口加压值、加重钻井液密度以及循环排量的确定更加科学合理，在保证地层承压能力满足固井需求的同时又避免了对地层提出过高要求，提高了地层承压检验精确度。
[0014]3、本发明所述地层承压检验方法，克服了静态承压检验方法易压漏上层套管鞋处地层的不足。
[0015]4、本发明所述地层承压检验方法，克服了动态承压检验方法确定加重钻井液密度以及循环排量的盲目性。
【具体实施方式】
[0016]实施例I
作为本发明的最佳实施方式，其步骤包括：
一种固井前检验地层承压能力的方法，其特征在于步骤为：
第一步：完钻后，直接下钻杆至套管鞋处，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值，井口逐步加压，观察泵入量和压力变化，一旦发现泵压拐点或井口压力达到设计值，立即停止检验，记录最终压力数据，然后计算出套管鞋处地层承压能力，若地层承压能力不满足要求则需进行堵漏作业，若地层承压能力满足要求则进行
第二步：根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度，并依据加重钻井液密度值将井内钻井液全部或部分置换，然后逐步提高循环排量，直至出现井漏或环空动态当量密度与固井时最大环空动态当量密度相等，若发生井漏，则考虑进行堵漏作业或对固井施工方案进行调整，若不发生井漏则按原施工方案固井。
[0017]所述第一步中，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值具体是指：根据固井施工时环空浆柱结构、施工排量以及井眼状况，利用固井设计软件计算出固井时最大环空动态当量密度，根据式（I)设计井口加压值：
P0=ISlXHbX(ECDc-P111)(I)
式中：
Hb—上层套管鞋垂深，m;
P m—钻井液密度，kg/m3 ；
E⑶。一固井时最大环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一井口加压值，Pa。
[0018]所述第二步中，根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度具体是指：
首先根据井内原钻井液流变参数，利用固井工程设计软件计算出下入光钻杆后以钻井泵最大排量循环钻井液时的环空动态当量密度ECDmtl ；
若采用常规套管固井，承压检验时全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)计算出加重钻井液密度：
P hm= P m+E⑶c- ECDm0+ P 0(2)
若采用尾管固井，承压检验时将全井筒置换成加重钻井液或仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液；若全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)确定加重钻井液密度；若仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液，则根据式（3)计算出加重钻井液密度：
P ta= (；ECDc- ECDm0) X Hc/Lb+ P m+ P Q(3)
式⑵和（3)中：
ECDmtl—原钻井液以钻井泵最大排量循环时的环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一附加安全密度值，kg/m3, 一般取50左右；
Hc一井底垂深，m ；
Lb—水泥封固段垂直长度，m ；
P 一加重钻井液密度，kg/m3。
[0019]具体描述此检验方法包括以下三个方面：
一、检验前软件模拟计算循环当量密度
为保证地层承压检验的针对性及精确度，在承压检验前，首先根据固井施工时环空浆柱结构、施工排量以及井眼状况，利用固井设计软件计算出固井时最大环空动态当量密度ECDc,然后分两种情况分别设计承压检验相关参数：
(I)第一步作静态承压检验时，井口加压值为：
P0=ISlXHbX(ECDc-P111)(I)
式中：
Hb—上层套管鞋垂深，m;
P m—钻井液密度，kg/m3 ；
E⑶。一固井时最大环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一井口加压值，Pa。
[0020](2)第二步作循环承压检验时，加重钻井液密度及循环排量计算如下：
首先根据井内原钻井液流变参数，利用固井工程设计软件计算出下入光钻杆后以钻井泵最大排量循环钻井液时的环空动态当量密度ECDm(l。
[0021]若采用常规套管固井，承压检验时全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)计算出加重钻井液密度：
P hm= P m+E⑶c- ECDm0+ P 0(2)
若采用尾管固井，承压检验时可将全井筒置换成加重钻井液或仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液。若全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)确定加重钻井液密度；若仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液，则根据式⑶计算出加重钻井液密度：
P ta= (；ECDc- ECDm0) X Hc/Lb+ P m+ P Q(3)
式中：
ECDmtl—原钻井液以钻井泵最大排量循环时的环空动态当量密度，kg/m3 ；
P。一附加安全密度值，kg/m3, 一般取50左右；
Hc一井底垂深，m ；
Lb—水泥封固段垂直长度，m ；
P 一加重钻井液密度，kg/m3。
[0022]然后根据加重钻井液流变参数，利用固井工程设计软件计算出下入光钻杆后，循环排量逐步增大时对应的井底循环当量密度ECDm。若ECDm=ECD。，则以对应的排量作为承压时的循环排量。[0023]二、上层套管鞋处地层承压能力检验
检验前应保证井眼状况良好，不漏失，井筒内钻井液密度均一。完钻后，关闭封井器，采用井口憋压的方式检验上层套管鞋处承压能力。注意控制泵入速度，每分钟泵压增加IMPa左右，并稳压2分钟，观察泵压变化，记录泵入量和压力变化，一旦发现泵压拐点或井口压力达到设计值Ptl，立即停止检验，记录最终压力数据，根据环空静液柱压力与井口压力之和除以套管鞋处垂深，可得到套管鞋处承压能力。如果承压能力不满足要求则需要进行堵漏作业，提高地层承压能力，达到施工要求。
[0024]三、裸眼地层薄弱地层承压能力检验
在上层套管鞋处地层承压能力满足要求的前提下，继续开展循环承压检验。
[0025](I)常规套管固井
采用常规套管固井，承压检验时全井筒置换成加重钻井液。加重钻井液密度和循环排量根据前面所述软件模拟计算确定。具体步骤如下：
采用逐步提高钻井液密度的方式，每次提高O. 05g/cm3，循环排量由小排量缓慢提高至设计循环排量，循环I周观察漏失情况，若不发生漏失则继续提高钻井液密度直至达到设计值，同时循环排量也应循序渐进，逐步提高至设计值。检验过程中记录循环排量和泵压，并与理论计算循环摩阻对比分析，以此确定有无必要进一步提高循环排量。如果检验过程发生漏失，则应及时堵漏，提高地层承压能力直至满足固井要求。检验完毕后，逐步减小钻井液密度至原钻井液密度值。
[0026](2)尾管固井
尾管固井时，若采用全井筒置换成加重钻井液的方式检验裸眼地层承压能力，则按上述“常规套管固井”方法实施。若只将水泥封固段部分置换为加重钻井液，则加重钻井液密度和循环排量根据前面所述软件模拟计算确定，具体步骤如下：
根据软件计算承压检验所需加重钻井液密度及体积，配制加重钻井液。然后将加重钻井液泵入井，循环排量在加重钻井液出套管前逐步增加至设计排量。当加重钻井液出套管鞋后，详细记录泵压，并计量好泵入量与返出量。如果检验过程发生漏失，则应及时堵漏，提高地层承压能力以满足固井要求。加重钻井液全部返出套管鞋后，承压检验结束，然后分段将重浆循环返出。
[0027]实施例2—具体应用实例
本发明所述地层承压检验方法已经在相国寺储气库山前I井、山前22井等多口井进行了现场检验验证，取得了较好的检验效果。运用本检验方法，确保固井时环空动态当量密度不超过地层承压能力，实现了平衡压力固井，大幅度降低了井漏风险。
[0028]实施例2-1 ：
本发明所述地层承压检验方法在山前I井Φ 339. 7mm常规套管固井得到成功应用。山前I井三开采用1.45 g/cm3的钻井液Φ 444. 5mm钻头钻至1539m中完,钻进过程中发生多次漏失并进行过多次堵漏作业，准确判断堵漏后的地层承压能力是本次实现平衡压力固井、防止施工中井漏的关键。根据固井工程设计软件计算结果，套管鞋按I. 80g/cm3的钻井液当量密度，采用井口憋压的方式做套管鞋承压检验，检验成功，未发生井漏；第二步全井替入I. 76g/cm3的钻井液(采用逐步提高钻井液密度的方式，每次提O. 05 g/cm3，循环I周观察漏失情况)，模拟固井设计注替排量循环，检验全裸眼段地层承压能力，上述两步承压检验均获成功，地层承压能力满足全井选用密度I. 70 g/cm3的水泥浆固井。该井固井施工顺利，未发生井漏，固井质量优质。
[0029]实施例 2-2 ：
本发明所述地层承压检验方法在山前22井Φ177.8πιπι尾管固井中得到成功应用。山前22井四开采用1.82 g/cm3钻井液及Φ 215. 90mm钻头钻至2571m中完，钻进过程中发生多次漏失并进行过多次堵漏作业，准确判断堵漏后的地层承压能力是本次实现平衡压力固井、防止施工中井漏的关键。根据固井工程设计软件计算结果，套管鞋按I. 82g/cm3的钻井液当量密度，采用井口憋压的方式做套管鞋承压检验，检验成功，未发生井漏；第二步全井替入I. 95g/cm3的钻井液(采用逐步提高钻井液密度的方式，每次提O. 05 g/cm3，循环I周观察漏失情况)，模拟固井设计注替排量循环，检验全裸眼段地层承压能力，上述两步承压检验均获成功，地层承压能力满足全井选用密度I. 88 g/cm3的水泥浆固井。该井固井施工顺利，未发生井漏，固井质量优质。
【权利要求】
1.一种固井前检验地层承压能力的方法，其特征在于步骤为： 第一步：完钻后，直接下钻杆至套管鞋处，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值，井口逐步加压，观察泵入量和压力变化，一旦发现泵压拐点或井口压力达到设计值，立即停止检验，记录最终压力数据，然后计算出套管鞋处地层承压能力，若地层承压能力不满足要求则需进行堵漏作业，若地层承压能力满足要求则进行 第二步：根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度，并依据加重钻井液密度值将井内钻井液全部或部分置换，然后逐步提高循环排量，直至出现井漏或环空动态当量密度与固井时最大环空动态当量密度相等，若发生井漏，则考虑进行堵漏作业或对固井施工方案进行调整，若不发生井漏则按原施工方案固井。
2.根据权利要求I所述的固井前检验地层承压能力的方法，其特征在于：所述第一步中，根据固井时最大环空动态当量密度设计井口加压值具体是指：根据固井施工时环空浆柱结构、施工排量以及井眼状况，利用固井设计软件计算出固井时最大环空动态当量密度，根据式（I)设计井口加压值： P0=ISlXHbX(ECDc-P111)(I) 式中： Hb—上层套管鞋垂深，m; P m—钻井液密度，kg/m3 ； E⑶。一固井时最大环空动态当量密度，kg/m3 ； P。一井口加压值，Pa。
3.根据权利要求I或2所述的固井前检验地层承压能力的方法，其特征在于：所述第二步中，根据固井时最大环空动态当量密度及钻井液循环当量密度设计加重钻井液密度具体是指： 首先根据井内原钻井液流变参数，利用固井工程设计软件计算出下入光钻杆后以钻井泵最大排量循环钻井液时的环空动态当量密度ECDmtl ； 若采用常规套管固井，承压检验时全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)计算出加重钻井液密度： P hm= P m+E⑶c- ECDm0+ P 0(2) 若采用尾管固井，承压检验时将全井筒置换成加重钻井液或仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液；若全井筒置换成加重钻井液，根据式（2)确定加重钻井液密度；若仅将水泥封固段部分置换为加重钻井液，则根据式（3)计算出加重钻井液密度： P ta= (；ECDc- ECDm0) X Hc/Lb+ P m+ P Q(3) 式⑵和（3)中： ECDmtl—原钻井液以钻井泵最大排量循环时的环空动态当量密度，kg/m3 ； P。一附加安全密度值，kg/m3, 一般取50左右； Hc一井底垂深，m ； Lb—水泥封固段垂直长度，m ； P 一加重钻井液密度，kg/m3。
【文档编号】E21B49/00GK103485771SQ201310443478
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】范伟华, 刘世彬, 曾凡坤, 冯彬, 刘洋, 冯予淇, 赵常青, 范成友, 聂世均, 吴朗 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司