基于Cempro Plus的長封固段固井頂替效率影響因素分析
——以塔里木盆地順北區塊S7井為例

易 浩

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

S7 井是中國石化西北油田公司塔里木盆地順北區塊Ⅳ號斷裂帶順托果勒低隆上的一口典型探井，主要探索奧陶系一間房組-鷹山組上段儲層發育特征、橫向展布規律及含油氣性［1-2］。該井設計井深為8 029 m，采用五開井身結構，地層壓力系數為1.15～1.48，鄰井在鉆完井過程中多次發生氣侵、溢流等風險，普遍存在后期井口帶壓問題。為了防止S7井環空氣竄以及提高長效密封性，四開采用193.7 mm+206.4 mm套管單級尾管回接固井，封固段約為6 000 m，面臨氣層壓力高、上下溫差大（靜止溫度120 ℃，循環溫度100 ℃），水泥石頂部強度發展緩慢（7 d小于14 MPa）、頂替效率低、密封完整性差等一系列固井難題［3-10］。急需針對相關難題進行固井工藝的優化研究。

1 固井流場分析軟件

在采用大溫差高強度彈韌性水泥漿體系的基礎上［11-16］，采用固井流場分析軟件Cempro Plus 軟件，模擬計算套管居中度、模擬鉆井液頂替排量及沖洗液體積對水泥漿頂替效率的影響，為S7 井長封固段回接固井工藝優化提供指導。Cempro Plus 軟件是進行油氣井固井設計和施工的常用軟件，該軟件模擬固井水泥漿頂替過程中的壓力、體積、頂替效率、循環溫度和當量循環密度等，用以對固井方案進行可行性分析及優化［17-20］。在分析水泥漿頂替效率時，僅需在軟件操作界面輸入固井流體參數和井身結構參數即可完成計算。

2 頂替效率影響因素

鑒于S7 井的井身結構較為復雜，依次模擬鉆井液、沖洗液、領漿、尾漿、重漿及頂替鉆井液在井筒內的流動過程，計算不同工況條件下井筒頂替效率、相關入井流體參數（表1、表2）

表1 S7井設計井身結構表

表2 S7井入井流體性能與施工參數表

2.1 居中度影響

針對不同頂替排量，模擬分析了套管居中度分別為0、30%、60%及90%條件下不同井段水泥漿頂替效率。圖1為不同套管居中度條件下頂替效率隨井筒測深變化曲線。頂替排量一定的條件下，套管居中度與水泥漿頂替效率成正相關，與井筒混漿程度成負相關。在相同頂替排量下，隨著套管居中度的增加，井筒中下部區域（1 000～4 000 m井段）的頂替效率提升明顯，最高提升幅度可達32%；而對于井筒上部區域（小于1 000 m井段），套管居中度對頂替效率的影響不明顯，最高提升幅度僅為5%。此外，可以發現，在不同的套管居中度條件下，頂替效率增長幅度存在差異：高居中度井段頂替效率提升速率更快，而低居中度井段頂替效率提升相對緩慢，只有在達到5 000 m左右的位置才能形成較好的頂替效果。

圖1 頂替效率隨套管居中度變化曲線圖

為了綜合對比套管居中度的影響，統計了頂替效率大于85%的井段在井筒中的占比，以此為目標函數，作為評價井筒整體頂替效果的標準。頂替效率優良井段占比越大，表明頂替效果越好。圖2為順北區塊常用頂替排量在2.5 m3／min 條件下，不同套管居中度對應的井筒頂替效率對比柱狀圖。通過分析發現，為保證S7 井整體頂替效果，套管居中度至少應保持在60%以上，才可以顯著提升頂替效果，滿足固井施工的要求。

圖2 套管居中度對井筒整體頂替效率的影響圖

2.2 頂替排量影響

針對不同的套管居中度，分析頂替排量分別為1.0 m3／min、1.5 m3／min、2.0 m3／min及2.5 m3／min條件下不同井段水泥漿頂替效率。

圖3為不同頂替排量條件下頂替效率隨井筒測深變化曲線。在套管居中度一定的條件下，頂替排量與水泥漿頂替效率成顯著的正相關，而與井筒混漿程度成負相關。在低頂替排量條件下，3 500～5 693 m井段的頂替效率可以保證，但上部井段頂替效率偏低，只有60%～80%。隨著頂替排量逐漸增加，1 500～3 500 m井段的頂替效率開始加強。當頂替排量達到2.5 m3／min時，1 500 m處的井段沖洗效率已超過95%，頂替效果良好。1 000 m 以淺的井段沖洗效率受頂替排量影響相對較小，基本維持在60%～70%的范圍內。

圖3 頂替效率隨頂替排量變化曲線圖

以頂替效率大于85%的井段在井筒中的占比為目標函數，作為評價井筒整體頂替效果的標準。頂替效率優良井段占比越大，表明頂替效果越好。圖4為典型的套管居中度60%條件下，不同頂替排量對應的井筒整體頂替效率柱狀圖。為了保證S7 井頂替效果，頂替排量應達到2.0 m3／min 以上，才可以顯著提升頂替效果，能較好地滿足固井施工要求。

圖4 頂替排量對井筒整體頂替效率的影響圖

2.3 沖洗液體積影響

通過前面分析可知，為了保證高效的井筒頂替效率，套管居中度應大于60%、頂替排量應超過2.0 m3／min。在此基礎上，以套管居中度60%、頂替排量2.0 m3／min 條件，研究沖洗液體積分別為5 m3、10 m3、20 m3、30 m3、40 m3對不同井段水泥漿頂替效率的影響。

由圖5可知，在套管居中度與頂替排量一定的條件下，沖洗液體積與水泥漿頂替效率成顯著的正相關，而與井筒混漿程度成負相關。在低沖洗液量條件下，4 000～5 693 m井段的頂替效率可以保證，但上部井段頂替效率偏低，只有60%～80%。隨著沖洗液體積逐漸增加，2 000～4 000 m井段的頂替效率開始加強。當沖洗液體積達到30 m3時，2 000 m以深的井段沖洗效率已超過85%；當沖洗液體積達到40 m3時，1 000 m 以深的井段沖洗效率超過85%，頂替效果良好。對于1 000 m 以淺的井段，沖洗效率超過75%。

為了對比沖洗液體積對頂替效率的影響，統計了頂替效率大于85%的井段在井筒中的占比，以此為目標函數，作為評價井筒整體頂替效果的標準。頂替效率優良井段占比越大，表明頂替效果越好。圖6為不同沖洗液體積對應的井筒整體頂替效率柱狀圖，為了保證S7 井頂替效果，沖洗液體積應至少保持在30 m3以上，才可以顯著地提高井筒上部區域的頂替效果。

圖5 頂替效率隨沖洗液體積變化曲線圖

圖6 沖洗液體積對井筒整體頂替效率的影響圖

3 結論

根據Cempro Plus 軟件對S7井頂替效率影響因素分析結果發現，套管居中度、頂替排量及沖洗液體積與井筒頂替效率成顯著的正相關，當套管居中度超過60%、頂替排量大于2 m3／min、沖洗液量在30 m3以上時，井筒可以保持較好的整體頂替效率。研究結果為長封固段井眼固井工藝優化提供了指導與參考。