陳燁，閆鐵，孫曉峰，王克林，張亞東

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000；3.中國(guó)石化中原石油工程有限公司技術(shù)公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

氣體鉆井是一種欠平衡鉆井技術(shù)，能夠顯著提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期[1]，但氣體鉆井也存在井眼清潔、井眼穩(wěn)定等一系列問題，其中地層出水是氣體鉆井最難解決的問題。地層出水將改變環(huán)空的流動(dòng)型態(tài)，開始聚并、黏結(jié)，進(jìn)而泥包鉆頭，堵塞井眼，這一過程隨著地層水侵入量的變化而逐漸變化。因此，有必要在鉆前進(jìn)行地層出水量的預(yù)測(cè)[2-4]，對(duì)不同出水量情況下的巖屑與地層水的相互作用情況進(jìn)行合理描述，預(yù)測(cè)鉆具黏卡的可能性，這對(duì)氣體鉆井的順利施工具有重要意義。對(duì)上述相關(guān)問題的研究，李祖光等[5]根據(jù)滲流力學(xué)基本原理，建立了4種情況下的地層出水量的理論預(yù)測(cè)模型。Y.F.Jiang等[6-7]建立了無界地層定井筒壓力為內(nèi)邊界的不穩(wěn)定滲流出水量的計(jì)算方法。唐貴等[8-9]利用微分的思想建立了欠平衡鉆井過程中儲(chǔ)層流體動(dòng)態(tài)滲流模型。賈紅軍等[10]建立了氣體鉆井過程中非均質(zhì)圓形封閉地層瞬態(tài)產(chǎn)液理論模型。

文章采用W.C.Lyons等[11]的環(huán)空壓力計(jì)算模型，通過分層迭代計(jì)算得出較為準(zhǔn)確的環(huán)空井底壓力，而后根據(jù)滲流力學(xué)中平面徑向流模型結(jié)合氣體鉆井過程中井底壓力公式建立地層出水量預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)一步分析不同出水量情況下環(huán)空內(nèi)各個(gè)階段的地層水與巖屑的相互作用情況及流型分布，結(jié)合出水量計(jì)算模型以及工程巖土學(xué)中稠度的概念，建立了地層出水后鉆具黏卡定量風(fēng)險(xiǎn)模型。

1 地層水與巖屑相互作用物理描述

不同出水量情況下，地層水與巖屑相互作用及運(yùn)移情況見圖1。

圖1 不同出水量情況下地層水與巖屑相互作用情況示意

圖1a是未鉆遇水層時(shí)環(huán)空的巖屑的運(yùn)移狀況。氣體鉆井過程主要依靠氣體的沖擊壓力及鉆頭破碎巖石，當(dāng)井底產(chǎn)生的巖屑非常小時(shí)，高速氣體能夠?qū)⑵渲苯訋е镰h(huán)空，而后被環(huán)空中的高速上升氣流帶至井口；對(duì)于中等粒徑的巖屑，可能在運(yùn)移過程中由于與管柱或其他巖屑碰撞而破碎成更小的顆粒，從而被高速氣流帶出井口；對(duì)于大顆粒巖屑，由于巖屑太大，氣體動(dòng)能不能直接克服巖屑重力和摩擦阻力將其帶出井口，只能將其向上攜帶一定距離，而后又會(huì)落回井底，被沖擊氣流和鉆頭重復(fù)破碎，變成中等粒徑或者更小粒徑的巖屑顆粒，直到尺寸足夠小至能被高速上升氣流帶出井口。

圖1b是剛進(jìn)入水層時(shí)環(huán)空內(nèi)巖屑與小液滴的運(yùn)移狀況。當(dāng)鉆遇水層時(shí)，地層水會(huì)在壓差的驅(qū)動(dòng)下侵入井筒，當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井眼并與高速氣體混合后，就會(huì)在井筒內(nèi)產(chǎn)生氣液固三相流。地層水進(jìn)入井底后，立即被高速氣流分成許多離散的小液滴，小液滴隨著高速氣體向井口方向運(yùn)移，這時(shí)，通常大部分地層水都以小液滴的形式被攜帶于中央氣流中，呈現(xiàn)霧狀流特征，很少或者基本沒有巖屑被潤(rùn)濕。

圖1c是小水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。隨著鉆頭的繼續(xù)鉆進(jìn)，打開水層的范圍增大，地層水的侵入量也隨之增大。此時(shí)，由于地層水和鉆井用的氣體之間的密度差異，依據(jù)重力分離原理，地層水隨氣體滑脫上升現(xiàn)象將變得明顯，高速氣體已經(jīng)不能將進(jìn)入井筒的氣體全部割散成小液滴并及時(shí)帶走，而是聚并成稍大的液滴，這些稍大的液滴會(huì)有一部分潤(rùn)濕巖屑，另一部分還是以液滴的形態(tài)緩慢隨著高速氣流向井口運(yùn)移，但潤(rùn)濕的巖屑尚未發(fā)生黏結(jié)。

圖1d是中水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。地層出水量隨著鉆頭的繼續(xù)鉆進(jìn)而進(jìn)一步增加，液滴變得更大，巖屑幾乎全部被潤(rùn)濕，巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié)，聚集成團(tuán)，有部分潤(rùn)濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包，氣體只能將聚集成團(tuán)的巖屑向上帶一段距離，大尺寸巖屑團(tuán)會(huì)沉降，落到井底，這部分被潤(rùn)濕的巖屑和井底新產(chǎn)生的巖屑將有部分黏附到鉆頭上，鉆頭開始出現(xiàn)部分泥包。此時(shí)，井眼清潔已經(jīng)變得極為困難，鉆速下降明顯，氣體鉆井已經(jīng)無法正常實(shí)現(xiàn)。

圖1e是大水侵量下地層水與巖屑的相互作用及運(yùn)移狀況。隨著水侵量的繼續(xù)增加，巖屑間的黏結(jié)現(xiàn)象變得更為嚴(yán)重，巖屑團(tuán)變得越來越大；而另一方面，由于巖屑黏附在鉆柱上和井壁泥包，井眼環(huán)空不斷減小，加上大尺寸巖屑團(tuán)的繼續(xù)沉降，巖屑團(tuán)不斷聚集膨脹，井眼被堵卡，鉆頭幾乎被全包，此時(shí)鉆速基本為0，很可能發(fā)生嚴(yán)重的井下事故。

2 地層出水量預(yù)測(cè)模型

模型的建立基于達(dá)西穩(wěn)定滲流原理。

基本假設(shè)：1）地層物性不存在非均質(zhì)性；2）將氣體鉆井地層出水近似看成單相流體，穩(wěn)定滲流；3）可壓縮氣體符合氣態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)；4）可壓縮氣體和不可壓縮液體的混合可以達(dá)到均質(zhì)；5）大小、密度一致的巖屑能一直分布于氣液流中；6）巖屑隨氣液流以相同的速度流動(dòng)。

鉆至水層時(shí)，地層水開始侵入，地層出水主要表現(xiàn)為滲流形式。由于氣體鉆井的機(jī)械鉆速較高且變化不大，因此可以假設(shè)氣體鉆井時(shí)地層出水為單相的穩(wěn)定滲流。根據(jù)滲流力學(xué)的理論，可以采用平面徑向流的單井產(chǎn)量公式計(jì)算地層出水量，但地層出水量隨井底壓力的變化而變化較大，因此先給出氣體鉆井井底處的壓力計(jì)算公式。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]得到氣體鉆井的井底壓力，計(jì)算公式為設(shè)H0為出水層頂界面處深度，以鉆到水層頂界面為0時(shí)刻，此時(shí)的井底流動(dòng)壓力為

則dt時(shí)間后的井底壓力為

則當(dāng)t時(shí)刻時(shí)，總的出水量為

式中：Q 為出水量，m3/s；pe為供給壓力，Pa；pat為鉆井作業(yè)出口處在環(huán)空頂部的壓力，Pa；Tav為氣體平均溫度，K；K 為滲透率，μm2；ROP 為機(jī)械鉆速，m/h；μ 為液體的黏度，Pa·s；re為供給半徑，m；rw為油井半徑，m；aa，ba為中間參數(shù)；t為進(jìn)入水層的時(shí)間，h。

3 地層出水量鉆具黏卡的定量風(fēng)險(xiǎn)模型

鉆遇水層后，在壓差的驅(qū)動(dòng)作用下，地層水將侵入井筒，地層水進(jìn)入井眼環(huán)空后，細(xì)小的巖屑（尤其是泥質(zhì)含量較高的巖屑）遇水后就會(huì)黏結(jié)成塊。隨著出水量的增加，當(dāng)巖屑和水的比例達(dá)到一定值時(shí)，巖屑就會(huì)黏附在鉆具表面與井壁表面，形成泥餅環(huán)，使環(huán)空通道變小，使得巖屑不能被氣體攜帶到地面，從而造成鉆頭泥包、甚至黏附卡鉆和掩埋鉆具等井下復(fù)雜情況。

工程巖土學(xué)中對(duì)黏性土不同含水量情況下的狀況和性質(zhì)有明確的描述[12]，隨著含水量的增大，黏性土可由固態(tài)、半固態(tài)（堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬狀態(tài)）變?yōu)榭伤軤顟B(tài)，最后變?yōu)轭愃朴阢@井液的流動(dòng)狀態(tài)（見圖2）。黏性土這種因含水量變化而表現(xiàn)出的各種不同物理狀態(tài)的現(xiàn)象，在土壤學(xué)和工程巖土學(xué)中即稱為黏性土的稠度。黏性土的稠度，實(shí)際表征著土粒間的連接強(qiáng)度或土粒相對(duì)活動(dòng)的難易程度。隨著含水量變化，黏性土逐漸由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)，相應(yīng)于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含水量，即界限含水量，也稱為稠度界限。黏性土稠度狀態(tài)的較為詳細(xì)劃分見表1。

圖2 不同含水量情況下的黏土狀態(tài)示意

氣體鉆井中，當(dāng)黏土處于固態(tài)和半固態(tài)時(shí)，巖屑顆粒能夠隨著氣體的運(yùn)移而向井口方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鉆遇水層，地層水將巖屑潤(rùn)濕后，巖屑中含水量增加，而當(dāng)其含水率增大到塑限進(jìn)入可塑狀態(tài)時(shí)，巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié)，聚集成團(tuán)，有部分潤(rùn)濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包。氣體只能將聚集成團(tuán)的巖屑向上帶一段距離，大尺寸巖屑團(tuán)會(huì)沉降，落到井底，這部分被潤(rùn)濕的巖屑和井底新產(chǎn)生的巖屑將有部分黏附到鉆頭上，鉆頭開始出現(xiàn)部分泥包。當(dāng)出水量進(jìn)一步增大，達(dá)到液限時(shí)，此時(shí)實(shí)際上已經(jīng)不是氣體鉆井，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)的鉆井液鉆井，因此也具有流動(dòng)性。

表1 黏性土的各種稠度狀態(tài)與稠度特征

由稠度指標(biāo)可知，當(dāng)黏性土含水率處于塑限和液限之間時(shí)，黏性土處于可塑狀態(tài)，此時(shí)具有塑性體性質(zhì)，可塑成任意形狀，且能黏著于其他物體上，不具有流動(dòng)性，因此，可將其引用到氣體鉆井中，將黏著界限作為黏卡鉆具的臨界條件。

根據(jù)王浩[13]的計(jì)算，在井筒達(dá)到穩(wěn)定之前巖屑體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

由于t0較小，當(dāng)鉆遇水層前，井筒一般都達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，因此這里只討論當(dāng)t≥t0情況下鉆遇水層的問題。

由于達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，故每米井筒內(nèi)的巖屑量為

則地層出水后的含水量為

當(dāng)ω剛剛大于黏著界限ωn時(shí)，即可認(rèn)為巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié)，聚集成團(tuán)，有部分潤(rùn)濕的巖屑甚至開始在鉆柱和井壁上形成泥包。

即

則鉆遇水層后，形成泥包的時(shí)間為

式中：Qs為巖屑量，m3；ωi為天然含水率；L 為井深，m；Ca為環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)；t0為第一粒鉆屑返到井口的時(shí)間，h；Dbit為鉆頭直徑，m；D 為井眼直徑，m；d 為鉆柱直徑，m。

4 實(shí)例分析

基本數(shù)據(jù)和條件：井型為直井；水層頂界面4 160 m，計(jì)算井深4 160 m，計(jì)算步長(zhǎng)60 m，地面溫度15℃，井口回壓200 kPa，供給壓力39.975 MPa，出水層滲透率 0.158 3×10-3μm2，供給半徑 1 000 m，黏土的塑限為25%，天然含水率為2%，第1粒鉆屑返到井口的時(shí)間（即達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間）為0.149 h。

地層參數(shù)：0～2 190 m為泥巖，機(jī)械鉆速為14 m/h；2 190～3 200 m 為粉砂巖，機(jī)械鉆速為 12 m/h；3 200～5 237 m為泥巖，機(jī)械鉆速為8 m/h。地溫梯度均為3℃/100 m。

井身結(jié)構(gòu)參數(shù)：采用φ339.7 mm×300 m+φ244.5 mm×3 260 m+φ215.9 mm的優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，套管粗糙度均為0.003 0 mm，裸眼段粗糙度為0.020 0 mm。

鉆具組合參數(shù)（3 260～5 916 m）：φ215.9 mm 鉆頭×0.25 m+φ214 mm穩(wěn)定器×1.50 m+φ159 mm螺旋鉆鋌×1.38 m+φ214 mm 穩(wěn)定器×1.50 m+φ178 mm 鉆鋌×54 m+φ214 mm 穩(wěn)定器×1.50 m+φ165 mm 鉆鋌×54 m+φ214 mm穩(wěn)定器×1.50 m+φ159 mm雙向穩(wěn)定器×4.10 m+φ159 mm 鉆鋌×54 m+φ127 mm 加重鉆桿×135 m+φ127 mm鉆桿。鉆具粗糙度均為0.000 3 mm。

氣體參數(shù)：以空氣作為介質(zhì)，以120 m3/min的流速注入，相對(duì)密度1.00。

通過分層迭代計(jì)算可算出水層頂界面壓力為

由于鉆到水層前達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，利用式（7）得出每米井筒內(nèi)的巖屑量Qs為1.05×10-5m3。

則地層出水后的含水量為

當(dāng) ωn≤ω（t）時(shí)，開始泥包：

解得：

由此可知，當(dāng)出水4.06 s后井下就開始泥包，速度非常快。

5 結(jié)論

1）分階段對(duì)鉆遇水層后的出水過程、地層水與巖屑相互作用情況、巖屑運(yùn)移狀況進(jìn)行描述。地層水侵對(duì)氣體鉆井影響非常大，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)改變?cè)镜牧餍蜖顩r，潤(rùn)濕巖屑，從而改變巖屑的運(yùn)移條件，造成巖屑運(yùn)移困難，壓差卡鉆，堵塞井眼，危害巨大。

2）建立了基于達(dá)西穩(wěn)定滲流的出水量預(yù)測(cè)模型，能夠計(jì)算鉆遇水層后任意時(shí)刻地層的出水量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定的指導(dǎo)意義，也為下一步預(yù)測(cè)鉆具黏卡奠定了理論基礎(chǔ)。另外，模型表明計(jì)算出水量的井底流壓就是水層頂界面的壓力，使計(jì)算簡(jiǎn)便。

3）引入工程巖土學(xué)中稠度的概念，將巖屑的黏著界限作為壓差卡鉆的臨界條件，建立了地層出水量黏卡鉆具的定量風(fēng)險(xiǎn)模型，能夠預(yù)測(cè)地層出水到鉆具發(fā)生黏卡的具體時(shí)間，為氣體鉆井施工提供重要參考。從地層出水到鉆具發(fā)生黏卡時(shí)間十分短暫，基本在幾秒鐘之內(nèi)就會(huì)發(fā)生井下事故，因此，要提前做好出水層預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)換鉆井方式的準(zhǔn)備工作。

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