趙向陽(yáng) 孟英峰 楊順輝 魏 納 李 皋 何青水

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?西南石油大學(xué)

0 引言

裂縫性地層在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)漏噴同存的情況，造成井控困難、井下復(fù)雜情況和儲(chǔ)層傷害，人們通過(guò)實(shí)踐總結(jié)也形成了漏噴同存的處理技術(shù)[1-4]。但是，漏噴同存的機(jī)理目前還處于經(jīng)驗(yàn)描述階段，缺少基礎(chǔ)理論研究和模型描述。

在伊朗雅達(dá)油氣田的Kazhdumi地層HOS2-ST井鉆遇活躍瀝青體，而與之相距僅1.5 km的F7井卻未鉆遇瀝青；F21井鉆遇到了活躍瀝青體，而在原井位側(cè)鉆400 m后卻未鉆遇瀝青。這些特征均反映了瀝青體分布離散，且連通性差，同時(shí)單個(gè)瀝青體存在著明顯的邊界，說(shuō)明了單一的瀝青體分布范圍及大小是有限的，這比常規(guī)圈閉油氣藏的壓力系統(tǒng)更加復(fù)雜。定容封閉體是雅達(dá)油氣田活躍瀝青體的明顯特征，也是開(kāi)展物理模擬和數(shù)值模擬的地質(zhì)基礎(chǔ)。筆者依據(jù)上述鉆井及測(cè)試數(shù)據(jù)，基于真實(shí)裂縫空間的可視化井筒—地層耦合流動(dòng)試驗(yàn)裝置，通過(guò)室內(nèi)液—液定容置換實(shí)驗(yàn)和CFD仿真驗(yàn)證，分別對(duì)鉆井液密度、井口回壓、裂縫寬度等參數(shù)對(duì)地層壓力的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，以期為鉆井處理定容封閉體壓井作業(yè)提供理論依據(jù)[5-8]。

1 定容封閉體地層壓力現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)

雅達(dá)油氣田非均質(zhì)活躍瀝青層地層壓力差異大，因而每口井求壓結(jié)果都不同，S03井4次關(guān)井求壓數(shù)值差異較大，而且出現(xiàn)鉆井液密度越高，所求地層壓力值越大的趨勢(shì)，WD-2井DST測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)兩次關(guān)井地層壓力數(shù)值不一樣的結(jié)果。而且瀝青層鉆進(jìn)中鉆井液進(jìn)出口始終存在密度差，停泵后，井筒內(nèi)始終存在受污染瀝青段塞。

1.1 實(shí)鉆鉆井液密度

對(duì)于鉆遇固態(tài)瀝青或未鉆遇瀝青井，實(shí)鉆中完鉆井液密度最低為1.38 g/cm3（F14井、F15井），中完作業(yè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)瀝青返出；對(duì)于活躍瀝青輕度污染井，中完鉆井液密度范圍介于1.38 g/cm3（F18井）～1.59 g/cm3（WD2井，圖1），中完過(guò)程中仍有瀝青返出；對(duì)于活躍瀝青嚴(yán)重污染井，實(shí)鉆中完鉆井液密度介于1.50 g/cm3（HOS2-ST井）～1.90 g/cm3（S03井），中完過(guò)程中仍有瀝青返出。

1.2 壓井過(guò)程中關(guān)井求壓情況

圖1 WD2井鉆井和測(cè)試階段采用的鉆井液密度圖

F13、APP2、F21、S03井在鉆遇 Kazhdumi瀝青層時(shí)遇到了嚴(yán)重瀝青污染情況，關(guān)井所求取的地層孔隙壓力差異較大，求取的地層壓力當(dāng)量密度介于1.48～1.77 g/cm3。S03井在鉆進(jìn)Kazhdumi地層時(shí)，在不同時(shí)段進(jìn)行了4次關(guān)井求壓，求取的地層壓力介于1.77～1.88 g/cm3。地層壓力隨著所采用的鉆井液密度的增加而增加。

1.3 DST測(cè)試情況

為了求取瀝青層真實(shí)的地層壓力，在WD2井Kazhdumi地層進(jìn)行了DST測(cè)試，兩次關(guān)井地層壓力恢復(fù)結(jié)果存在差異（圖2）。測(cè)試得到的地層壓力上升的主要原因是DST測(cè)試射孔后的井筒壓力傳導(dǎo)給了瀝青層，使其壓力上升至井筒壓力（DST測(cè)試時(shí)使用鉆井液密度為1.65 g/cm3）。二次開(kāi)井產(chǎn)液15.6 m3后，地層壓力下降到51.13 MPa，折算壓力當(dāng)量密度為1.41 g/cm3，隨地層流體排出，地層孔隙壓力快速下降，驗(yàn)證了定容封閉活躍瀝青體的存在。

圖2 WD2井測(cè)試壓力計(jì)記錄壓力圖

綜上所述，該層表現(xiàn)出無(wú)外部壓力補(bǔ)給，原始地層壓力能量具有局限性，鉆井時(shí)定容封閉體被揭開(kāi)，如果鉆井液密度無(wú)法平衡原始地層壓力，活躍瀝青便會(huì)侵入井筒，定容封閉體原始地層壓力即隨著地層流體的釋放而發(fā)生變化；同時(shí)由于液體的不可壓縮性和定容封閉體容積相對(duì)固定，活躍瀝青侵入到井筒后，其原在定容封閉內(nèi)占據(jù)的儲(chǔ)存空間為鉆井液流入定容封閉提供條件，如定容封閉與井筒間形成了足夠的連通通道（即活躍瀝青進(jìn)入井筒和鉆井液進(jìn)入定容封閉體具有各自的流動(dòng)通道），且定容封閉體壓力與井內(nèi)液柱壓力仍未建立平衡時(shí)，井下便會(huì)發(fā)生持續(xù)的“鉆井液進(jìn)入地層—活躍瀝青侵入井筒”雙向流動(dòng)，密度差導(dǎo)致的置換性雙向流動(dòng)在井筒附近的近井地帶會(huì)形成一個(gè)勢(shì)壓力空間。勢(shì)壓力空間壓力與所用鉆井液密度和回壓正相關(guān)，采用高密度鉆井液壓井，勢(shì)壓力空間壓力隨之升高。定容封閉體與常規(guī)圈閉油氣藏的差異對(duì)比如表1所示[1-4]。

表1 定容封閉體與常規(guī)圈閉油氣藏的差異表

2 定容封閉體地層壓力變化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 可視化地層—井筒耦合流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制

活躍地層流體進(jìn)入井筒發(fā)生置換的過(guò)程中，涉及地層裂縫與流體流固耦合、地層流體與井筒流體動(dòng)態(tài)耦合兩個(gè)復(fù)雜的耦合過(guò)程，流體流動(dòng)環(huán)境復(fù)雜，流體狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。平板縫黏砂相應(yīng)結(jié)論不能真實(shí)反映實(shí)際裂縫情況的置換性雙向流動(dòng)，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有類似裝置報(bào)道。為了通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證定容封閉瀝青體地層壓力的變化規(guī)律，筆者研制了一套基于真實(shí)裂縫空間的可視化井筒—地層耦合流動(dòng)試驗(yàn)裝置，具有壓力、流量自動(dòng)測(cè)量與采集、試驗(yàn)現(xiàn)象可視化的特點(diǎn)?？梢暬貙印柴詈狭鲃?dòng)實(shí)驗(yàn)裝置主要由模擬地層模塊，模擬井筒模塊，模擬裂縫模塊組成。實(shí)驗(yàn)裝置有14個(gè)壓力計(jì)記錄重要壓力變化數(shù)據(jù)[9-12]。

2.2 鉆井液密度對(duì)地層壓力的影響

為了研究密度對(duì)地層壓力的影響規(guī)律，通過(guò)3次不同鉆井液的密度的液—液置換實(shí)驗(yàn)地層壓力數(shù)據(jù)，分析了密度對(duì)地層壓力的影響規(guī)律，隨鉆井液密度增大，置換界面向右、向上移動(dòng)，置換現(xiàn)象更明顯（圖3）。

圖3 典型液—液置換實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

從圖4中可以看出，縫板閥門打開(kāi)瞬間，地層壓力均迅速下降；鉆井液密度越大，置換過(guò)程中地層壓力和置換量越大；隨置換時(shí)間的推移，由于置換量較小，地層壓力基本穩(wěn)定。

圖4 不同鉆井液密度對(duì)地層壓力的影響圖

2.3 液—液置換回壓對(duì)地層壓力的影響規(guī)律

為了研究回壓對(duì)地層壓力的影響規(guī)律，置換實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變4次回壓（0 MPa、0.06 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa），然后停泵、分析不同回壓下對(duì)地層壓力的影響。從圖5中可以看出，隨著回壓的逐漸增大，井筒壓力升高，同時(shí)，地層壓力也升高；停泵時(shí)，井筒壓力下降，地層壓力下降；最后井筒回壓調(diào)整為0時(shí)，地層壓力迅速下降。

2.4 高密度鉆井液壓井過(guò)程地層壓力和置換量變化規(guī)律

圖5 不同回壓對(duì)地層壓力的影響曲線圖

實(shí)驗(yàn)中，用常規(guī)鉆井液進(jìn)行循環(huán)時(shí)，裂縫發(fā)生了井涌，在用高密度鉆井液壓井的過(guò)程中，高密度鉆井液逐漸替換了低密度鉆井液，高密度鉆井液侵入裂縫的區(qū)域增加，井涌逐漸停止；從圖6中可以看出，在地層和井筒壓力穩(wěn)定后，打開(kāi)縫板閥門，地層壓力急劇降低，隨后地層壓力出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，當(dāng)高密度鉆井液抵達(dá)縫板后，地層壓力逐漸增加并達(dá)到最大值，隨后隨著置換的發(fā)生，地層壓力重新建立新的平衡。

3 定容封閉體地層壓力變化CFD模擬

圖6 高密度鉆井液壓井過(guò)程中地層壓力隨時(shí)間的變化

圖7 寬度為10 mm的三維單裂縫定容模型圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證定容封閉體地層壓力變化規(guī)律，裂縫置換模型基礎(chǔ)上建立，寬度為10 mm的三維單裂縫定容模型（圖7），開(kāi)展定容封閉體地層壓力CFD研究。設(shè)置地層流體為密度0.7 g/cm3，黏度為1 990 mPa·s的液體。地層初始?jí)毫?.13 MPa，環(huán)空鉆井液流體返排速度為1 m/s，環(huán)空入口壓力為0.008 24 MPa。選取圖7模型右下端為定容地層的壓力取值端，并在后面取出不同時(shí)刻壓力值進(jìn)行分析。工況1為清水，井口回壓為0.008 24 MPa；工況2為清水，井口回壓為0 MPa；工況3為高密度流體，井口回壓為0 MPa，進(jìn)行回壓、鉆井液密度等參數(shù)對(duì)地層壓力的影響[13-19]。

3.1 井口回壓對(duì)地層壓力影響

根據(jù)工況1與工況2的模擬結(jié)果，對(duì)比鉆井液為清水，圖7中地層壓力取值端原始取值40 800 Pa，施加回壓0.008 24 MPa（工況1）和清水不施加回壓（工況2）的壓力云圖，如圖8所示，增加至45 700 Pa，可以得到施加回壓使得整個(gè)環(huán)空鉆井液壓力升高，導(dǎo)致相同高度地層壓力比不施加回壓時(shí)更大，說(shuō)明井口施加回壓會(huì)使定容封閉體地層壓力升高。

3.2 鉆井液密度對(duì)地層壓力影響

都不施加回壓的情況下，對(duì)比密度對(duì)定容封閉體地層壓力的影響。采用清水（工況2）和高密度鉆井液（工況3）的壓力云圖對(duì)比分析表明，高密度鉆井液發(fā)生液—液置換后地層壓力升高值大于要低密度鉆井液升高值。

圖8 工況1和工況2在地層壓力取值端的壓力對(duì)比云圖

3.3 等ECD置換對(duì)地層壓力影響

等ECD的情況下，采用清水+回壓（工況1）和高密度鉆井液（工況3）的壓力云圖對(duì)比分析表明，地層壓力存在一定差異，差異大小與裂縫距離井底位置有關(guān)，施加回壓略大于高密度鉆井液工況。

3.4 模擬不同裂縫寬度井口無(wú)回壓置換過(guò)程地層壓力變化規(guī)律

參考工況2，減少裂縫寬度為3.5 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)置參數(shù)不變，定義為工況4（裂縫寬度為3.5 mm，清水+無(wú)井口回壓）。模擬結(jié)果與10 mm裂縫（工況2）對(duì)比，取置換時(shí)間均為25 s時(shí)刻的地層壓力分析可知，工況2地層壓力大于工況4，說(shuō)明裂縫越寬，裂縫壓耗越小，定容時(shí)地層壓力升幅更高。裂縫寬度對(duì)流體置換有較大的影響，裂縫越寬地層壓力變化越大，置換形態(tài)越不易受裂縫面形態(tài)影響，置換推進(jìn)速度越大。

3.5 模擬壓井置換過(guò)程地層壓力變化規(guī)律

采用相似的方法建立壓井過(guò)程置換模型，壓井液密度為1.25 g/cm3，地層流體密度為0.7 g/cm3，定義為工況5。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的模擬后，取出30 s、55 s、70 s和85 s時(shí)刻壓井與地層流體置換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖9不同時(shí)刻鉆井液體積分量云圖可知，隨著置換時(shí)間增加，兩相流體在裂縫內(nèi)形成明顯的分界線，置換質(zhì)量流量和體積流量先快后慢并趨于穩(wěn)定。

取出不同時(shí)刻的地層壓力進(jìn)行分析，隨著置換時(shí)間增加，地層壓力在不斷增加，如表2所示，但增加幅度不斷減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 不同時(shí)刻的鉆井液體積分量圖

表2 取值端地層壓力隨時(shí)間變化表

4 結(jié)論

1）通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆資料的分析，提出了定容封閉體的概念，定容封閉體存在無(wú)外部壓力供給，有限大小的邊界與容積，地層壓力變化較大和井間同層連通性差特點(diǎn)。密度差導(dǎo)致的置換性雙向流動(dòng)在井筒附近的近井地帶會(huì)形成一個(gè)勢(shì)壓力空間。

2）裂縫兩端的壓差仍是置換發(fā)生的主要原因，而鉆井液與地層流體的密度差與黏度差是導(dǎo)致裂縫兩端壓差的主控因素，隨著鉆井液進(jìn)入裂縫或地層流體進(jìn)入井筒，定容性活躍流體地層的置換量將隨時(shí)間減小，當(dāng)兩端壓力趨于平衡時(shí)，置換停止。

3）定容性油氣藏地層壓力與所用鉆井液密度和回壓呈正相關(guān)，采用高密度鉆井液壓井，地層壓力隨之升高。因此，建議現(xiàn)場(chǎng)采用封堵和井口控壓結(jié)合的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，采用泄壓法實(shí)施壓井作業(yè)。

4）從DST測(cè)試結(jié)果和實(shí)鉆資料可以看出，活躍瀝青層存在一定的圈閉壓力，出于井控安全考慮，建議現(xiàn)場(chǎng)安裝控壓設(shè)備提高井控安全。

[ 1 ] 張敬榮. 噴漏共存的堵漏壓井技術(shù)[J]. 鉆采工藝, 2008, 31(5):30-33.Zhang Jingrong. Well killing technology for wells with blowout and lost circulation coexisting[J]. Drilling & Production Technology, 2008, 31(5): 30-33.

[ 2 ] 曾明昌, 曾時(shí)田, 毛建華. 氣井噴漏同存的處理技術(shù)研究[J].天然氣工業(yè), 2005, 25(6): 42-44.Zeng Mingchang, Zeng Shitian & Mao Jianhua. Treating techniques of blowout-lost circulation coexistence in gas hole drilling[J]. Natural Gas Industry, 2005, 25(6): 42-44.

[ 3 ] 王平全, 羅平亞, 聶勛勇, 張新民, 楊莉. 雙廟1井噴漏同存復(fù)雜井況的處理[J]. 天然氣工業(yè), 2007, 27(1): 60-63.Wang Pingquan, Luo Pingya, Nie Xunyong, Zhang Xinmin &Yang Li. Dealing with complex conditions on well Shuangmiao-1 with both lost circulation and underground blowout[J]. Natural Gas Industry, 2007, 27(1): 60-63.

[ 4 ] Warren JE & Root PJ. The behavior of naturally fractured reservoirs[J]. SPE Journal, 1963, 3(3): 245-255.

[ 5 ] Kazemi H, Seth MS & Thomas GW. The interpretation of interference tests in naturally fractured reservoirs with uniform fracture distribution[J]. SPE Journal, 1969, 9(4): 463-472.

[ 6 ] 舒剛, 孟英峰, 李皋, 魏納, 趙向陽(yáng), 楊謀. 重力置換式漏噴同存機(jī)理研究[J]. 石油鉆探技術(shù), 2011, 39(1): 6-11.Shu Gang, Meng Yingfeng, Li Gao, Wei Na, Zhao Xiangyang &Yang Mou. Mechanism of mud loss and well kick due to gravity displacement[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2011, 39(1):6-11.

[ 7 ] 賈紅軍. 鉆遇裂縫性地層溢漏同存機(jī)理研究[D]. 成都: 西南石油大學(xué), 2013.Jia Hongjun. Mechanism study on well kick accompanied with lost circulation during drilling fractured formation[D]. Chengdu:Southwest Petroleum University, 2013.

[ 8 ] 趙向陽(yáng), 孟英峰, 侯緒田, 楊順輝, 鮑洪志, 李皋. 瀝青質(zhì)稠油與鉆井液重力置換規(guī)律與控制技術(shù)[J]. 石油鉆采工藝, 2016,38(5): 622-627.Zhao Xiangyang, Meng Yingfeng, Hou Xutian, Yang Shunhui,Вao Hongzhi & Li Gao. Pattern and control of gravity displacement between asphaltic heavy oil and drilling fl uid[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38(5): 622-627.

[ 9 ] 張志. 裂縫性氣藏重力置換溢流規(guī)律研究[D]. 成都: 西南石油大學(xué), 2008.Zhang Zhi. Research on the rule of gravity displacement in fracture gas reservoir[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University,2008.

[10] Chang L & Gao Y. A simple numerical method for contact analysis of rough surfaces[J]. Journal of Tribology—Transactions of the ASME, 1999, 121(3): 425-432.

[11] Louis C & Maini YN. Determination of in-situ hydraulic parameters in jointed rock[J]. International Society of Rock Mechanics Proceedings, 1970, 1: 1-19.

[12] Winterfeld PH. Simulation of pressure buildup in a multiphase wellbore/reservoir system[J]. SPE Formation Evaluation, 1989,4(2): 247-252.

[13] Majidi R, Miska S, Thompson LG, Yu Mengjiao & Zhang Jianguo. Quantitative analysis of mud losses in naturally fractured reservoirs: The eあect of rheology[J]. SPE Drilling & Completion,2010, 25(4): 509-517.

[14] 劉文, 周芳德, 雷虎濤, 孟英峰, 魏納. 油井裂縫漏噴共存特性[J]. 油氣田地面工程, 2010, 29(11):12-14.Liu Wen, Zhou Fangde, Lei Hutao, Meng Yingfeng & Wei Na.The well crack lost and kick coexist features[J]. Oil and Gas Field Surface Engineering, 2010, 29 (11): 12-14.

[15] 楊順輝. 可視化重力置換室內(nèi)模擬裝置的研制與應(yīng)用[J]. 石油機(jī)械, 2015, 43(3): 96-99.Yang Shunhui. Development and application of lab simulation devices for visualized gravity displacement[J]. Petroleum Machinery, 2015, 43(3): 96-99.

[16] 何青水, 宋明全, 肖超, 黃在福, 王學(xué)杰. 非均質(zhì)超厚活躍瀝青層安全鉆井技術(shù)探討[J]. 石油鉆探技術(shù), 2013, 41(1): 20-24.He Qingshui, Song Mingquan, Xiao Chao, Huang Zaifu & Wang Xuejie. Discussion on safe drilling technology for heterogeneous ultra-thick and active bitumen zone[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2013, 41(1): 20-24.

[17] 金軍斌, 楊順輝, 張洪寶, 任立偉, 宋兆輝. 鉆井液用瀝青質(zhì)稠油硬化劑的研究與應(yīng)用[J]. 石油鉆探技術(shù)，2014, 42(1): 50-54.Jin Junbin, Yang Shunhui, Zhang Hongbao, Ren Liwei & Song Zhaohui. Development and application of a hardening agent for asphaltic heavy oil in drilling fl uid[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42(1): 50-54.

[18] 郭京華, 夏柏如, 黃桂洪, 侯立中, 黃河福. 稠油瀝青污染鉆井液的處理技術(shù)[J]. 鉆采工藝, 2012, 35(4): 91-94.Guo Jinghua, Xia Вairu, Huang Guihong, Hou Lizhong & Huang Hefu. Treatment technique for bitumen contaminated drilling fl uids[J]. Drilling & Production Technology, 2012, 35(4): 91-94.

[19] 舒剛, 孟英峰, 李洪濤, 賈紅軍, 嚴(yán)俊濤, 李海旭. 裂縫內(nèi)鉆井液的漏失規(guī)律研究[J]. 石油鉆采工藝, 2011, 33(6): 29-32.Shu Gang, Meng Yingfeng, Li Hongtao, Jia Hongjun, Yan Juntao& Li Haixu. Leakage laws research of drilling fluid in fracture reservoir[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2011, 33(6):29-32.