賈紅軍，孟英峰，李皋，舒剛，趙向陽，魏納，宋巍

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律研究

賈紅軍1，孟英峰1，李皋1，舒剛1，趙向陽2，魏納1，宋巍1

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層，多個(gè)不同地層壓力系數(shù)的漏層、噴層常同存于一個(gè)裸眼中，鉆進(jìn)過程極易發(fā)生溢漏同存的復(fù)雜情況。目前國內(nèi)外對(duì)多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存的研究，往往局限于現(xiàn)場(chǎng)堵漏壓井處理工藝技術(shù)。文中闡述了多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時(shí)的物理規(guī)律，并根據(jù)井筒環(huán)空多相流的理論建立了數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)總結(jié)了氣液兩相流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則和不同流型的壓降計(jì)算公式，得出了不同工況下多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時(shí)的井筒環(huán)空壓力曲線，以及氣液兩相流型沿井深的分布。計(jì)算結(jié)果表明：溢漏同存時(shí)井筒環(huán)空壓力迅速下降，溢流態(tài)勢(shì)更加嚴(yán)重；井筒環(huán)空的液體流量急劇減少，氣體迅速向上滑脫和運(yùn)移，導(dǎo)致氣液兩相流型分布變化較大，模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溢漏同存處理技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

多壓力系統(tǒng)；漏失；溢流；氣層；兩相流

多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存是指同一裸眼井段存在多個(gè)壓力系統(tǒng)，氣層壓力變化不規(guī)則，高低壓層交替，受井身結(jié)構(gòu)的限制，不可能把各個(gè)過渡帶分隔開來，井深且裸眼段較長(zhǎng)，鉆進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生漏失與溢流共存的井下復(fù)雜情況。鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層，壓力平衡極難調(diào)整，溢漏同存等惡性事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響鉆井周期，制約勘探開發(fā)速度［1］。研究多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律，以有效解決漏失與溢流共存的復(fù)雜問題，對(duì)優(yōu)質(zhì)高效鉆井和現(xiàn)場(chǎng)溢漏同存的處理技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存現(xiàn)狀

我國鄂西渝東及川東北探區(qū)、渤海遼東灣探區(qū)、塔河油田奧陶系地層等存在較多多壓力層系的井，這些區(qū)域構(gòu)造陡、地層破碎、斷層多、裂縫和孔洞發(fā)育，同一長(zhǎng)裸眼井段上、下地層壓力系數(shù)相差懸殊，多套壓力系統(tǒng)共存，常規(guī)鉆井方式鉆進(jìn)極易發(fā)生溢漏同存的復(fù)雜情況［2-3］。

1.1 典型事例

川東地區(qū)碳酸鹽巖地層壓力系數(shù)不均，常有異常低壓帶和高壓帶同存于一個(gè)裸眼中，有時(shí)造成噴漏相通，上噴下漏、下噴上漏或先漏后噴，噴漏同層又漏又噴，因此漏噴同存的情況時(shí)有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在川東已鉆過的構(gòu)造中漏噴同存的發(fā)生率為30%左右。受漏失與溢流困擾較為典型的華西2井，鉆至井深1 569 m發(fā)生井漏，經(jīng)邊鉆進(jìn)邊堵漏，用密度1.24 g/cm3鉆井液鉆至2 352 m，發(fā)生溢流，處理過程中漏失鉆井液1 663 m3，溢流40 m3。云安4-1井用密度為1.41 g/ cm3鉆井液鉆至4 393 m發(fā)生氣侵，循環(huán)加重至1.45 g/ cm3發(fā)生井漏，漏速25 m3/h，井內(nèi)H2S含量較高使得井內(nèi)鉆具斷成多節(jié)，處理長(zhǎng)達(dá)半年多。

1.2 研究現(xiàn)狀

多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存處理難度、風(fēng)險(xiǎn)大，工藝技術(shù)復(fù)雜，稍有不慎就會(huì)引發(fā)破壞性甚至災(zāi)難性的事故，所以預(yù)防和處理溢漏同存的堵漏壓井技術(shù)成為多年來主攻的技術(shù)難點(diǎn)之一。目前國內(nèi)外對(duì)溢漏同存的堵漏壓井處理工藝技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐也建立了許多單一漏失模型和公式，但對(duì)溢漏同存的基礎(chǔ)理論研究很少［4-5］。本文建立了多壓力系統(tǒng)溢漏同存發(fā)生時(shí)井筒環(huán)空多相流的理論模型，并通過模型計(jì)算得出了溢漏同存的井筒環(huán)空壓力以及氣液流型與井深的關(guān)系，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)漏噴同存處理技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 多壓力系統(tǒng)溢漏同存模型

2.1 物理模型

鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層時(shí)，由于同一裸眼井段存在多個(gè)壓力系統(tǒng)，氣層壓力變化不規(guī)則，高低壓層交替，難以建立井筒與地層的壓力平衡。鉆進(jìn)高壓氣層時(shí)，采用高密度鉆井液平衡氣層鉆進(jìn)，如遇到發(fā)生漏失的地層，漏失造成鉆井液液面下降，使井筒中的液柱壓力低于氣層的壓力，導(dǎo)致高壓層氣體侵入井筒（見圖1，其中pA，pC，pB分別為漏失層A，C和溢流層B的地層壓力，pME為井筒環(huán)空壓力），井筒環(huán)空由單相液體流動(dòng)變?yōu)闅庖簝上嗔鲃?dòng)，地層氣和鉆井液沿環(huán)空向上流動(dòng)過程中，由于壓力、溫度等參數(shù)的變化，氣液兩相流動(dòng)的形態(tài)將發(fā)生變化。氣體隨鉆井液到達(dá)井口，由于作用在氣體上的壓力逐漸降低，使得氣體體積急劇膨脹，一旦關(guān)井將使井口具有較高的壓力，從而造成極高的壓力施加在井底，此時(shí)若井筒壓力高于高壓氣層的壓力，溢漏發(fā)生轉(zhuǎn)換。由于氣井的漏失和溢流發(fā)生迅速且易燃易爆，所以給壓井堵漏作業(yè)帶來了直接困難。

圖1 多壓力系統(tǒng)溢漏同存物理模型

2.2 溢漏模型

當(dāng)?shù)貙颖旧泶嬖阢@井液流動(dòng)的通道，或者由于井筒內(nèi)流體壓力大于地層破裂壓力而人為形成的漏失通道，且井筒流體壓力大于地層孔隙、裂縫或溶洞的流體壓力時(shí)，鉆井液將向地層漏失。研究表明，對(duì)于壓差性漏失通道，即漏失通道性質(zhì)不隨井下壓力變化，漏失方程為

式中：△p為漏失壓差，MPa；pw為井底壓力，MPa；pi為地層壓力，MPa；k為漏失系數(shù)，與壓差無關(guān)；ql為漏失速率，m3/s；n為漏失指數(shù)。

當(dāng)井底有效壓力小于地層流體壓力時(shí)，地層氣體會(huì)在該壓差下向井筒溢流；當(dāng)井底有效壓力大于或等于地層流體壓力時(shí)，井內(nèi)流體進(jìn)入地層會(huì)將可擴(kuò)散的氣體從地層中置換出來。

根據(jù)氣體穩(wěn)定滲流產(chǎn)量公式得：

式中：qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的產(chǎn)氣量，m3/d；K為地層滲透率，10-3μm2；h為產(chǎn)層厚度，m；pf為地層壓力，MPa；ph為井筒環(huán)空壓力，MPa；T為地層溫度為平均氣體黏度為平均氣體偏差系數(shù)；re為供給邊界半徑，m；rw為井眼半徑，m；qg為地層氣體溢流速率，m3/s。

2.3 井筒環(huán)空氣液流動(dòng)控制方程

假設(shè)液相密度為常數(shù)，忽略地層氣體在鉆井液中的溶解，且兩相間無化學(xué)反應(yīng)；環(huán)空內(nèi)在同一位置處氣液兩相溫度相同，無熱量交換，井筒溫度可由地溫梯度求得。

井筒氣液兩相流動(dòng)方程組包含氣相連續(xù)方程、液相連續(xù)方程及氣液混合運(yùn)動(dòng)方程［6］，它們分別為

式中：ρg，ρl分別為氣相、液相的密度，kg/m3；vg，vl分別為氣相、液相的速度，m/s；p為壓力，MPa；α為空隙率；（?p/?z）f為摩阻壓力梯度，MPa/m；t為時(shí)間，s；z為沿流道長(zhǎng)度，m。

流型一直是氣液兩相流研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容，流型判別的意義在于根據(jù)其流動(dòng)特征建立適用于該流型的摩阻壓降模型。Taitel和Dukler根據(jù)流動(dòng)機(jī)理確定了氣液兩相的4種流型，并得出了它們之間的轉(zhuǎn)換界限；Hasan等人在Taitel和Dukler的研究基礎(chǔ)上，對(duì)各流型的判別準(zhǔn)則進(jìn)行了修正和完善［7-10］。

式中：g為重力加速度，m/s2；vsg，vsl分別為氣相、液相的表觀速度，m/s；σ為表面張力，N/m。

3 模型求解與實(shí)例計(jì)算

井筒環(huán)空氣液兩相流動(dòng)控制方程是由偏微分方程組成的數(shù)學(xué)模型，包含與壓力相關(guān)的流體物性、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和無因次變量，而求解壓力又需要這些相關(guān)參數(shù)，故難以求得解析解。本文用Mathcad軟件編制程序，首先把求解問題在時(shí)間域和空間域內(nèi)離散，時(shí)間按有限差分離散，空間沿環(huán)空分成許多有限體積單元體，然后逐時(shí)刻、逐單元地在全部時(shí)間域和空間域內(nèi)計(jì)算求解［11-12］。

川東地區(qū)碳酸鹽巖地層壓力系數(shù)為0.90～2.29，漏噴同存的情況時(shí)有發(fā)生。本文模擬同一裸眼中存在一個(gè)溢流層和漏失層在不同工況下的下漏上噴規(guī)律［3］。假設(shè)溢流層地層壓力系數(shù)為1.25，漏失層地層壓力系數(shù)分別以1.15，1.08，1.00，0.90計(jì)算，其他基本參數(shù)如下：漏失氣層井深4 996 m，溢流氣層井深4 453 m，鉆井液黏度20 mPa·s，鉆井液密度1.20 g/cm3，井口壓力0.1 MPa，鉆井液排量18 L/s，井口無節(jié)流，四開鉆具組合為φ152.4 mm鉆頭+φ120 mm×（1.50～1.75°）高溫螺桿+回壓閥+φ89 mm無磁抗壓鉆桿+MWD（高溫）+φ89 mm鉆桿（18°）×500 m+φ89 mm加重鉆桿×500 m+φ89 mm鉆桿×600 m+配合接頭+φ139.7 mm鉆桿（18°）×若干+φ127 mm鉆桿×400 m。

由圖2可知，漏失與溢流同時(shí)發(fā)生時(shí)的井筒環(huán)空壓力，低于僅有漏失或僅有溢流發(fā)生時(shí)的環(huán)空壓力。因?yàn)橄虏康貙拥穆┦沟镁畠?nèi)環(huán)空中鉆井液流量下降，且溢流的地層氣體不斷將井筒環(huán)空的鉆井液置換出去，造成高壓溢流層處的地層壓力與井筒壓力的差值變大，使得上部高壓氣層的溢流更加強(qiáng)勢(shì)，加速了天然氣運(yùn)移通道的溝通，致使溢漏同存后井內(nèi)更為活躍，漏失也更加厲害。

隨著漏失層地層壓力系數(shù)的降低，漏噴同存時(shí)的井筒環(huán)空壓力降低。這是由于井筒與低壓地層的漏失壓差增大，地層的漏失通道變得更寬，連通性更好，同等密度的鉆井液向低壓地層的漏失更嚴(yán)重，尤其當(dāng)漏失層壓力系數(shù)為0.90時(shí)，幾乎接近失返性漏失的臨界狀態(tài)，很難再建立井筒與地層的壓力平衡，高壓層氣體向井筒溢流已經(jīng)無法得到有效控制，氣體向井口運(yùn)移的同時(shí)也把井底的高壓帶到了井口，此時(shí)井控問題將變得相當(dāng)棘手。

表1說明了漏失與溢流同時(shí)發(fā)生和僅有溢流發(fā)生時(shí)，環(huán)狀流、攪動(dòng)流、段塞流、泡狀流沿井深的分布情況。在溢流層附近氣液混合物中含氣率較低，混合物的平均流速較低，氣體以分散的氣泡形式且高于鉆井液的流速向上滑脫；當(dāng)氣液混合物繼續(xù)向上流動(dòng)時(shí)，壓力不斷降低，氣體不斷膨脹，含氣率增加，氣相與液相以混雜的、振蕩式的形式運(yùn)動(dòng)，在井口附近氣液兩相流型變?yōu)榄h(huán)狀流；漏失與溢流同時(shí)發(fā)生時(shí)，漏失使得井筒環(huán)空鉆井液液柱壓力降低，氣體溢流量和能量較僅有溢流發(fā)生時(shí)大，氣液兩相流型在較深井段便發(fā)生轉(zhuǎn)化。值得說明的是，井口環(huán)狀流的攜巖效果較差，實(shí)際鉆井過程中可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)（增加回壓等）避免出現(xiàn)環(huán)狀流。

隨著漏失層壓力系數(shù)的降低，鉆井液不斷向地層漏失，造成環(huán)空氣液兩相的持液率降低，氣體滑脫和膨脹運(yùn)移越迅速。因此，泡狀流的范圍逐漸降低，攪動(dòng)流和環(huán)狀流的范圍增加，尤其當(dāng)漏失層壓力系數(shù)為0.90時(shí)，漏失與溢流同時(shí)發(fā)生時(shí)泡狀流的井段只有546 m，且不存在段塞流，環(huán)狀流和攪動(dòng)流的井段卻長(zhǎng)達(dá)4 450 m。這與僅有溢流發(fā)生時(shí)氣液兩相流態(tài)分布的區(qū)別很大，因?yàn)榇藭r(shí)井筒環(huán)空中地層溢流氣體流量較高，氣體逐漸成為連續(xù)相不斷攜帶液體向上運(yùn)動(dòng)。

圖2 不同工況下井筒環(huán)空壓力與井深關(guān)系曲線

表1 不同工況下不同井深的流型分布

4 結(jié)論

1）鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層，壓力平衡極難調(diào)整，溢漏同存等惡性事故頻發(fā)。建立的模型可計(jì)算多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時(shí)的井筒環(huán)空壓力，判別環(huán)空氣液兩相流流型。

2）多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時(shí)，環(huán)空中鉆井液流量下降，且溢流的地層氣體不斷將井筒環(huán)空的鉆井液置換出去，導(dǎo)致井筒環(huán)空壓力迅速降低，溢流態(tài)勢(shì)更加嚴(yán)重。

3）多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時(shí)井筒環(huán)空的氣液兩相流動(dòng)流型與僅溢流發(fā)生時(shí)變化較大；漏失層壓力系數(shù)越低，環(huán)空氣液兩相的持液率越低，氣體滑脫和膨脹運(yùn)移越迅速，因此環(huán)狀流占據(jù)的井段越長(zhǎng)。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Research on well kick accompanied with lost circulation during drilling of gas formation with multi-pressure system

Jia Hongjun1,Meng Yingfeng1,Li Gao1,Shu Gang1,Zhao Xiangyang2,Wei Na1,Song Wei1
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,610500, China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The complex situation of well kick accompanied with lost circulation is very prone to happen during drilling the gas formation with multi-pressure system because many leakage zones and overflow zones with different formation pressure coefficient are always in a bare hole.The domestic and overseas researches on well kick accompanied with lost circulation are often confined to the treatment technologies of sealing and killing well at present.This paper elaborates the physical law and establishes the mathematical model of well kick accompanied with lost circulation on the basis of the annulus multi-phase flow.The transition criteria and pressure drop model of gas-liquid flow are systematically summarized and then the annulus pressure curves and the pattern distribution of gas-liquid flow along the well depth are obtained.Calculation result indicates that wellbore annulus pressure drops quickly and well kick is more serious.Annulus liquid flow rates reduce sharply and gases slip and migrate upward rapidly, resulting in the large transform of distribution pattern of gas-liquid flow.Simulation results have important guiding significance to field treatment technologies of well kick accompanied with lost circulation during drilling the gas formation with multi-pressure system.

multi-pressure system;lost circulation;well kick;gas formation;two phase flow

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“深井復(fù)雜地層鉆井壓力系統(tǒng)模型與規(guī)律”（2010CB226704）、國家科技重大專項(xiàng)“低滲氣藏特殊復(fù)雜地層高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)”（2008ZX05022-005）聯(lián)合資助

TE21

：A

1005-8907（2012）03-0359-05

2011-10-01；改回日期：2012-02-13。

賈紅軍，男，1988年生，在讀碩士研究生，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井多相流的研究。E-mail：hongjunjia@yeah.net。

賈紅軍，孟英峰，李皋，等.鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：359-363. Jia Hongjun，Meng Yingfeng，Li Gao，et al.Research on well kick accompanied with lost circulation during drilling of gas formation with multipressure system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：359-363.