張朝舉，李 軍，楊宏偉，柳貢慧，劉金璐，鄧昌松

1中國(guó)石化西南石油工程有限公司2中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院（北京）3中國(guó)石油塔里木油田公司

0 引言

鉆遇高壓鹽水層是鹽膏層鉆進(jìn)過(guò)程中的一種特殊情況。目前國(guó)內(nèi)處理高壓鹽水層的方法和措施主要有提密度壓井和控壓鉆井兩種［1-3］，但這些方法往往不能滿足安全鉆進(jìn)的要求。一方面是由于高的地層壓力使安全密度窗口變得非常窄，壓井或控壓時(shí)常常會(huì)發(fā)生壓漏地層的情況；另一方面是提高鉆井液密度只能平衡地層高壓，而不能減少地層壓力，這對(duì)后續(xù)固井過(guò)程中套管的抗外擠強(qiáng)度提出了很高的要求［4］。

控壓放水技術(shù)可以有效的解決上述問(wèn)題?？貕悍潘夹g(shù)通過(guò)釋放地層流體減小地層壓力，從而擴(kuò)寬鉆井液密度“操作窗口”，達(dá)到安全鉆進(jìn)的要求。但是，由于學(xué)者們對(duì)該技術(shù)的研究較少，許多理論還不完善，該技術(shù)目前僅在塔里木油田的一些井中得到了應(yīng)用［5-6］。筆者基于地層鹽水流動(dòng)機(jī)理，利用井筒多相流動(dòng)理論、地層滲流方程模擬了控壓放水全過(guò)程，并進(jìn)行了定量分析，以便該技術(shù)得到更好的推廣和應(yīng)用。

1 模型的建立及求解

1.1 井筒多相流動(dòng)及滲流模型

如圖1所示，在地層流體進(jìn)入井筒后，井筒環(huán)空中既存在鉆井液和巖屑，也存在與鉆井液理化性質(zhì)不同的高壓地層鹽水，還可能含有少量的原油。由于地層流體的進(jìn)入，井筒的溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，而溫度和壓力場(chǎng)的改變也會(huì)對(duì)井筒流動(dòng)產(chǎn)生影響。因此在控壓放水過(guò)程中，井筒環(huán)空流動(dòng)為多相多組分多因素影響下的流動(dòng)過(guò)程。

圖1 井筒流動(dòng)及地層滲流機(jī)理圖

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

鉆井液相：

式中：A—環(huán)空流道面積，m2；

ρl、ρs、ρw、ρo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相的密度，kg/m3；

αl、αs、αw、αo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相體積分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱；

vl、vs、vw、vo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相的實(shí)際流速，m/s。

1.1.2 動(dòng)量方程

式中：p—壓力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

θ—井筒與水平方向的夾角，°；

pf—沿程壓耗，Pa。

1.1.3 地層滲流方程

如圖2所示，隨著地層流體流出，近井筒的地層壓力開(kāi)始下降，壓力波向遠(yuǎn)離井筒方向傳播，該過(guò)程為滲流過(guò)程。

圖2 滲流階段地層壓力變化示意圖

地層鹽水滲流方程為：

式中：p—地層壓力，MPa；

μ—鹽水黏度，mPa·s；

K—高壓鹽水層滲透率，μm2；

Φ—高壓鹽水層孔隙度；

ct—綜合壓縮系數(shù)，MPa-3；

r—徑向距離，m；

t—時(shí)間，s。

1.2 模型的離散和求解

使用有限差分法進(jìn)行迭代求解。為保證計(jì)算的收斂性和提高計(jì)算速度，采用無(wú)條件穩(wěn)定的Crank-Nicolson隱式格式對(duì)上述方程進(jìn)行離散化處理。同時(shí)進(jìn)行等間距空間網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距為20 m。

通過(guò)以上步驟，可以計(jì)算n+1時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的物理參數(shù)，因此從初始邊界開(kāi)始計(jì)算，則可以確定后續(xù)時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的物理參數(shù)。

2 實(shí)例計(jì)算與分析

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

KS-X井鉆至7 229 m時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的井漏，常規(guī)堵漏方法效果不佳，決定采用控壓放水技術(shù)來(lái)降低高壓鹽水層圈閉壓力。KS-X井的基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 KS-X井的基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

基于上述模型和X井的參數(shù)，模擬了前6次放水過(guò)程中各參數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)過(guò)5次降密度6次放水，鉆井液密度由2.58 g/cm3降低至2.45 g/cm3；每次放水過(guò)程中，隨著低密度鹽水進(jìn)入井筒，液柱壓力降低，關(guān)井套壓升高，為了防止套壓超過(guò)極限，需要控量、控壓、多次放水；放水過(guò)程中立壓的變化與地層壓力的變化趨勢(shì)一致，所以可以使用立壓來(lái)判定地層壓力的變化規(guī)律；關(guān)井、循環(huán)排污和循環(huán)降低鉆井液密度的時(shí)間占整個(gè)放水時(shí)間的90%。

選取第1次放水過(guò)程中排水量和地層壓力的變化曲線來(lái)詳細(xì)分析放水過(guò)程中排水量和地層壓力的變化規(guī)律，圖4為第1次放水中累積排水量和套壓隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可知，由于單次放水過(guò)程中低密度鹽水不斷進(jìn)入井筒，使得靜液柱壓力逐漸降低，井底負(fù)壓差增大，所以放水速率逐漸增加；井口設(shè)備的承壓能力是限制每次放水量的主要因素，使用高承壓能力的節(jié)流管匯系統(tǒng)能夠增加單次放水量，有效地縮短放水時(shí)間。

圖4 第1次放水過(guò)程中排水量和套壓隨時(shí)間的變化曲線

圖5為第1次放水過(guò)程中井筒周?chē)貙訅毫吞讐弘S時(shí)間的變化曲線。由圖5可知，循環(huán)降密度及排污完成關(guān)井后，第1次開(kāi)井時(shí)地層壓力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次開(kāi)井后的地層壓力降低速率和降低量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。這是由于隨著放水量的增加，地層壓力漏斗曲線向遠(yuǎn)處傳播，鹽水在孔隙中流動(dòng)的摩阻增加，所以導(dǎo)致地層壓力降低速率越來(lái)越小。

圖5 第1次放水過(guò)程中地層壓力和套壓隨時(shí)間的變化曲線

圖6為整個(gè)放水過(guò)程中，地層壓力當(dāng)量密度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)曲線。

圖6 整個(gè)放水過(guò)程中地層壓力當(dāng)量密度隨放水量的變化曲線

地層壓力當(dāng)量密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可由現(xiàn)場(chǎng)套壓與鉆井液密度值計(jì)算得到。在井底井壁處，井筒流壓與地層壓力相等，且測(cè)量過(guò)程在地層鹽水停止流入井底后進(jìn)行，因此地層壓力當(dāng)量密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可反映井筒周?chē)牡貙訅毫ΑＳ蓤D6可得，地層壓力當(dāng)量密度由2.58 g/cm3降低至2.40 g/cm3，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的吻合度。隨著放水量的增加，在彈性驅(qū)動(dòng)階段地層壓力的初始降低速率較快，然后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)貙訅毫β┒非€傳播至含水透鏡體邊界時(shí)，地層壓力又開(kāi)始呈近似線性降低。

3 結(jié)論

（1）控壓放水是一個(gè)多過(guò)程結(jié)合的技術(shù)，本文基于井筒多相流動(dòng)理論和地層鹽水的滲流理論，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地層壓力、排水量、立壓和套壓的變化。

（2）單次放水過(guò)程中，隨著低密度鹽水進(jìn)入井筒，靜液柱壓力降低，關(guān)井套壓升高，為了防止套壓超過(guò)極限，需要控量、控壓、多次放水；且井口節(jié)流管匯系統(tǒng)的承壓極限是影響單次放水量的主要因素。

（3）單次放水過(guò)程中，第一次開(kāi)井時(shí)地層壓力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次開(kāi)井后的地層壓力降低速率和降低量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

（4）隨著放水量的增加，在彈性驅(qū)動(dòng)階段地層壓力的初始降低速率較快，然后逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)?shù)貙訅毫β┒非€傳播至含水透鏡體邊界時(shí)，地層壓力又開(kāi)始呈近似線性降低。