路保平, 侯緒田, 邢樹賓

(中國石化石油工程技術研究院,北京 100101)

伊朗雅達油田瀝青層置換機制與壓力波動分析

路保平, 侯緒田, 邢樹賓

(中國石化石油工程技術研究院,北京 100101)

伊朗雅達油田Kazhdumi瀝青層孔隙壓力求取值波動大,隨鉆井液密度的增加瀝青溢出量不減少反而增加。為了解釋這一反常現象,提出封閉地質空間內流體與井筒通過置換性雙向流動形成的泛井筒空間的概念,建立地層瀝青與井筒鉆井液置換性雙向流動的機制模型;采用室內瀝青置換模擬試驗,驗證鉆井液置換瀝青速度和鉆井液與瀝青的密度差呈線性增加關系。結果表明,密閉地質流體空間中的置換性雙向流動是導致瀝青層孔隙壓力波動的根本原因。

瀝青層; 置換; 雙向流動; 泛井筒空間; 地層孔隙壓力波動

伊朗雅達油田在一期鉆井過程中鉆遇Kazhdumi地層時,有多口井遇到了不同程度的瀝青侵入。瀝青侵入的顯著特點是:起下鉆溢流檢查時無異常,但下鉆到底洗井時有大量瀝青返出[1-3];壓井時大幅度提高鉆井液密度并不能有效降低溢出量,而且個別井還會增加溢流量;關井求取的地層孔隙壓力在井與井之間變化大,且同一口井多次求取地層孔隙壓力時也不相同。這種孔隙壓力的不確定性給施工帶來了極為不利的影響,導致施工周期延長、鉆井液材料消耗增大,甚至工程報廢。弄清瀝青質油藏的壓力波動原因,為后期鉆井方案設計提供指導十分必要。筆者建立地層瀝青與井筒鉆井液置換性雙向流動的機制模型，采用室內瀝青置換模擬試驗，對伊朗雅達油田瀝青層置換機制與壓力波動進行研究。

1 地層孔隙壓力求取情況

一個地質區(qū)域某一地層的孔隙壓力具有一定的穩(wěn)定性,無論是使用DST測試還是常規(guī)溢流關井求壓,都應該有一個基本一致的孔隙壓力數據,但這一常識在Kazhdumi地層卻被顛覆。

(1)不同井間溢流關井求取的孔隙壓力變化大。F-13、APP-2、F-21、S-3井在鉆遇Kazhdumi瀝青層時遇到了不同程度的瀝青溢出情況,現場利用關井求壓法分別計算了Kazhdumi的地層孔隙壓力,但各井孔隙壓力都不相同,且差異較大,見圖1。

圖1 不同井Kazhdumi地層關井求壓結果Fig.1 Different well Kazhdumi formation pressure obtain through well shutdown pressure data

(2)同井不同時段孔隙壓力求取數據差異大。同一口井在Kazhdumi層鉆進時,在不同時段關井求取的孔隙壓力數值也存在很大的差異性,S-3井的4次孔隙壓力數據見圖2,同時關井求取的地層壓力值隨鉆井液密度的增加而增加。APP-2井、F-21井和F-13井同樣存在類似情況。

圖2 S-3井不同時段關井求壓結果Fig.2 Well S-3 formation pressure obtain through well shutdown pressure data in different periods

2 地層孔隙壓力波動內在原因分析

造成Kazhdumi地層孔隙壓力如此復雜的波動原因不明,地層的非均質性可以解釋井間地層壓力的變化,然而同一口井不同時段求取地層壓力有較大的差異是難以理解的。

依據常規(guī)的井控理論,關井求壓中地層孔隙壓力的變化是由于關井過程中氣體滑脫上升形成了井筒圈閉壓力[4]造成的。井筒圈閉壓力形成的過程：關井時隨著氣體滑脫上移井底壓力上升,鉆井液濾液滲入地層形成泥餅將地層孔隙壓力與井筒壓力隔離,氣體的繼續(xù)上移使井底壓力大于地層孔隙壓力。由于井筒圈閉壓力與氣體的滑脫位置及氣體侵入量等因素有關,因此可能表現出每口井求取的壓力不同甚至是同一口井同一地層不同時段求取的孔隙壓力也不相同,這是一種假象,因為地層孔隙壓力并沒有變化。有圈閉壓力現象時,按常規(guī)的井控技術恰當地釋放掉圈閉壓力后,就可準確地求取孔隙壓力值,該值會比較穩(wěn)定而不會大幅變化[5-8]。如果地層孔隙結構特征不利于鉆井液內的固相在地層接觸面上形成泥餅,當氣體滑脫上升井底壓力大于孔隙壓力時鉆井液會推動孔隙中的流體流動,表現為井漏,也就形成不了井筒圈閉壓力。

井筒圈閉壓力形成的必要條件是井筒為封閉空間且井底有氣體向上運移。

Kazhdumi屬于孔隙型碳酸鹽巖地層,鉆至該地層如果出現鉆速劇增現象時一般都伴隨嚴重的瀝青溢出。鉆速突然加快,地層巖性不變,預示瀝青層孔隙非常發(fā)育[9],由于瀝青溢出量和鉆井液減少量幾乎相同從而使總體積不變,表明在井筒和地層間發(fā)生了雙向流動,以至高鉆速井段的井壁上沒有形成有效泥餅,也就在井筒內產生不了井筒圈閉壓力?？梢?井筒內形成的圈閉壓力沒有釋放導致關井求取的地層孔隙壓力變化,不足以解釋Kazhdumi地層孔隙壓力的波動。

根據鉆進時出口密度變低并有瀝青侵入但鉆井液總量不變,及起下鉆時無溢流但下鉆到底循環(huán)時有大量瀝青返出這一現象,可以假設井筒內的鉆井液與地層內的瀝青發(fā)生了置換性雙向流動。正是這種置換現象導致了孔隙壓力求取的復雜性:封閉空間中較低密度的地層流體與井筒內較高密度的鉆井液發(fā)生置換性雙向流動,使井筒與封閉地層流體空間連通形成一個泛井筒空間,關井時,置換進入井筒中的瀝青含有的氣體滑脫上升,使封閉的泛井筒空間內的壓力上升,形成了泛井筒空間圈閉壓力[10-11]。由于泛井筒空間內在井筒和地層流體空間存在置換性雙向流動,這種泛井筒空間圈閉壓力除具有井筒圈閉壓力同樣的特征外,還具有如下特性:原封閉的地層流體空間中的流體壓力與井筒壓力趨于一致;關井時置換進入井筒流體中的氣體會不停地進入井筒滑脫上移,其圈閉壓力影響不像常規(guī)井筒圈閉壓力那樣可以消除,難以求取到幾乎一致的孔隙壓力,氣體滑脫位置與侵入量的不確定性導致了求取壓力的多樣性。

造成這種泛井筒空間特性的主要原因或實質是在井筒與封閉地質體內含有氣體的流體發(fā)生了置換型雙向流動,因此探索并驗證這種置換型雙向流動的機制就顯得十分重要。

3 瀝青層置換機制模型及試驗

為探索置換型雙向流動的原因,以流體力學為依據建立置換流動模型,并開展相關試驗研究,用試驗數據和現場數據對模型進行驗證。

3.1 瀝青層置換模型

由于地層連通性好,當鉆頭鉆遇封閉瀝青體時,則瀝青層的孔隙壓力在揭開后等于井筒壓力。施工現象表明在井筒內鉆井液與地層瀝青間發(fā)生了等量交換,即雙向流動。兩者之間沒有壓差,卻有密度差,密度差是導致雙向流動的動力。

如圖3所示,設鉆開瀝青層的厚度為h,鉆井液密度為ρm,瀝青密度為ρa,ρm>ρa。A點為鉆頭剛鉆遇瀝青層時瀝青層頂部在井壁上的一點,此處井筒壓力pAH與瀝青層壓力pAL相同,即pAH=pAL,在A點壓力平衡。

當鉆進到B點,井筒壓力為

pBH=pAH+ρmgh.

(1)

瀝青層壓力為

pBL=pAL+ρagh.

(2)

pAH=pAL,ρm>ρa，故

pBH-pBL=(ρm-ρa)gh.

(3)

式中,pBH為B點處井筒壓力;pBL為B點處瀝青層壓力。

圖3 重力置換示意圖Fig.3 Sketch map of gravity displacement

B點井筒壓力大于瀝青層壓力,盡管該壓差很小,但足以推動B點處的鉆井液進入瀝青層,考慮液體的不可壓縮性,瀝青層壓力會上升,當A點的瀝青壓力高于井筒鉆井液壓力時,即pAH>pAL,瀝青將進入井筒。隨著下部鉆井液不斷進入瀝青層,瀝青會連續(xù)從上部進入井筒,如圖4所示。瀝青和鉆井液密度差越大,井筒底部與瀝青層的壓力差越大,瀝青和鉆井液的重力置換越嚴重,瀝青層揭開的厚度越大，壓差越大，置換就越嚴重。

圖4 重力置換引起瀝青置換示意圖Fig.4 Sketch map of asphalt displacement caused by gravity

3.2 瀝青置換室內試驗

為深入了解瀝青侵入機制、驗證置換模型,采用試驗手段模擬鉆遇瀝青層時井筒和瀝青層的狀況,觀察記錄鉆井液密度、縫寬、縫高對瀝青置換量的影響[12]。圖5為試驗的主體裝置示意圖。左側筒柱里裝有稠油模擬瀝青地層,右側筒柱模擬井筒,井筒中有鉆柱,兩筒中間的平板模擬地層裂縫或孔隙。平板的四角分別裝有壓力傳感器。

試驗原理:模擬地層的容器設定為一個封閉空間,有多少鉆井液進入地層就有多少地層稠油進入井筒。在此情況下,模擬正常鉆進過程中地層與井筒置換的情況:鉆井液從鉆桿上部注入又環(huán)空返出,觀察環(huán)空中鉆井液與地層稠油的置換現象。模擬關井情況下環(huán)空鉆井液與地層稠油置換的情況:將鉆井液充滿鉆井井筒與環(huán)空之后關泵,使井筒形成密閉空間。在此情況下觀察環(huán)空鉆井液與地層稠油的置換現象。

試驗步驟:①打開試驗裝置左側油泵將油管充滿油后關閉油泵及泄油閥,使油管內容積保持不變,模擬封閉地層條件;②打開試驗裝置右側水泵將水管充滿鉆井液后關閉泄水閥3,分別以保持水泵打開和關閉兩種模式模擬正常鉆進中鉆井液循環(huán)過程和關井、停泵時,只考慮稠油與鉆井液密度差導致的重力置換現象。

圖5 試驗裝置示意圖Fig.5 Sketch map of experimental facility

試驗參數:整體試驗裝置高1.5 m,試驗井筒直徑為120 mm,試驗鉆柱直徑為40 mm,工作壓力低于0.1 MPa。模擬裂縫面長和高均為350 mm,模擬裂縫采用2.5 mm的寬度。模擬瀝青黏度為224 mPa·s,瀝青密度為0.84 g/cm3,模擬鉆井液密度為1.0～1.5 g/cm3。

試驗結果見圖6～8。

圖7 瀝青置換速度隨模擬鉆井液密度變化Fig.7 Variation of asphalt displacement rate with experimental drilling fluid density

圖6驗證了上述置換機制模型,即鉆井液從其與瀝青接觸面的下方流入瀝青層,同時瀝青從接觸面的上方流出;圖7試驗數據和擬合關系顯示,鉆井液的密度越大置換發(fā)生速度越大,也就是鉆井液與瀝青的密度差越大置換量越大;圖8試驗數據不僅顯示了鉆井液與瀝青接觸面在垂向上存在壓差,在水平面上也存在壓差,表明流動的復雜多樣性。

圖8 循環(huán)時4個測試點壓力Fig.8 Pressure of four test points during circulation

4 現場數據驗證

圖9為S-3井瀝青置換速度隨鉆井液密度的變化。鉆遇瀝青層時隨著鉆井液密度增大,瀝青溢出量增加,從實踐上驗證了置換量與密度差正線性相關。該井鉆瀝青層時鉆井液密度越來越高的原因就是發(fā)現有瀝青溢出時,關井求壓有立壓就加重,由于泛井筒空間的形成不僅使瀝青層壓力等于加重后的井筒壓力,而且置換進入井筒瀝青中氣體的滑脫上升還會在關井時在泛井筒空間形成圈閉壓力,促使現場再次提高鉆井液密度,導致了密度越加越高而溢流卻不見減少的現象。

圖9 S-3井瀝青置換速度隨鉆井液密度的變化Fig.9 Variation of well S-3 asphalt displacement rate with drilling fluid density

WD-2井Kazhdumi地層DST測試過程中深度為3 695.86 m,壓力計記錄壓力為60.03 MPa(圖10),瀝青密度為1.01 g/cm3,射孔段深度為3 715～3 736 m,以射孔段中點深度(3 725.5 m)折算得Kazhdumi地層的地層壓力鉆井液當量密度為1.65 g/cm3。鉆開Kazhdumi地層采用的鉆井液密度為1.58～1.60 g/cm3(圖11),鉆井過程中未發(fā)生溢流現象,表明該瀝青層的初始地層壓力低于1.60 g/cm3。測試得到的地層壓力上升的主要原因是DST測試射孔后的井筒壓力傳導給了瀝青層,使其壓力上升至井筒壓力(DST測試時使用鉆井液密度為1.65 g/cm3),驗證了泛井筒形成后,地層孔隙壓力與井筒壓力相等這一結論。二開地層產液15.6 m3后,地層壓力下降到51.13 MPa,折算壓力當量密度為1.41 g/cm3,說明該地層為密閉性較好的定容體,隨地層流體排出,地層孔隙壓力快速下降。

圖10 WD-2 井測試壓力Fig.10 Well WD-2 testing pressure value

圖11 WD-2 井鉆井和測試階段采用的鉆井液密度Fig.11 Drilling fluid density adopted by well WD-2 during drilling and testing

5 結 論

(1)泛井筒空間內存在的置換性雙向流動,導致地層孔隙壓力等于井底壓力,鉆遇活躍瀝青層時不同的鉆井液密度形成不同的瀝青層壓力,同時瀝青置換流動速度與密度差呈線性正相關。

(2)地層流體空間封閉,與井筒連通性好,密度差導致的置換性雙向流動是形成泛井筒空間現象的必要條件。

(3)當發(fā)現有置換性雙向流動現象時,不能把提高鉆井液密度作為控制瀝青溢出的手段,而是堵塞流動的通道,消除泛井筒空間。

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AsphaltdisplacementmechanismandporepressurefluctuationinYadavaranOilfield,Iran

LU Baoping, HOU Xutian, XING Shubin

(ResearchInstituteofPetroleumEngineering,SINOPEC,Beijing100101,China)

It has observed that the pore pressure of the Kazhdumi asphalt formation fluctuates greatly in Yadavaran Oilfield of Iran, and asphalt spillage increases instead of decreasing when the density of drilling fluid goes up. To explain this abnormal phenomenon, a concept of extensive wellbore formed by displacement bidirectional flow between the fluids in the enclosed geological space and wellbore was presented. A mechanism model of bidirectional displacement flow between asphalt in formation and drilling fluid in wellbore was figured out. Laboratory simulation experiments show that, as the density difference between drilling fluid and asphalt increases, the asphalt displacement rate increases proportionally. The results indicate that bidirectional displacement flow in enclosed geological fluid space is the essential cause of the pore pressure fluctuation in the asphalt formation.

asphalt formation; displacement; bidirectional flow; extensive wellbore space; formation pressure fluctuation

2016-11-21

“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05033-004);中石化科技部項目(P16014)

路保平(1962-),男,教授級高工,博士,研究方向為石油工程技術及管理。E-mail:lubp.sripe@sinopec.com。

1673-5005(2017)06-0088-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.06.010

TE 254

A

路保平，侯緒田，邢樹賓. 伊朗雅達油田瀝青層置換機制與壓力波動分析[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2017，41(6)：88-93.

LU Baoping, HOU Xutian, XING Shubin. Asphalt displacement mechanism and pore pressure fluctuation in Yadavaran Oilfield, Iran[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):88-93.

(編輯 李志芬)