張 帥 馮永存 古臣旺 鄧金根

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院)

0 引 言

我國(guó)深層油氣資源量大、分布廣，開(kāi)采前景廣闊。但高溫、高壓、高應(yīng)力的地層特點(diǎn)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中井漏事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約了勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

漏失裂縫尺寸是指導(dǎo)堵漏工藝選擇和堵漏材料優(yōu)化的關(guān)鍵依據(jù)。裂縫尺寸預(yù)測(cè)不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致堵漏材料尺寸與裂縫入口尺寸不匹配，難以有效封堵或堵漏顆粒在入口處封門(mén)[1]。盡管利用測(cè)井資料、地震資料以及成像測(cè)井等手段可以直接或間接獲得井壁上的裂縫尺寸，但存在精度低、價(jià)格昂貴以及僅能提供縫口尺寸等缺點(diǎn)[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)推導(dǎo)解析解和數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)漏失裂縫尺寸。

漏失裂縫解析解主要借鑒水力壓裂相關(guān)研究成果。2004年，M.W.ALBERTY等[4]首先在其經(jīng)典的“應(yīng)力籠(Stress Cage)”論文中，提出了線裂紋解析模型計(jì)算單一漏失裂縫尺寸的方法。該模型簡(jiǎn)潔易用，國(guó)內(nèi)外多數(shù)堵漏軟件均采用了該模型，但前提是在直井、均勻應(yīng)力和均勻縫內(nèi)壓力分布的理想狀態(tài)下才成立。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上逐漸考慮了井斜、應(yīng)力各向異性、非均勻縫內(nèi)壓力分布、多裂縫等因素影響的漏失裂縫尺寸和漏失壓力相關(guān)的解析模型[5-10]。然而這些模型均基于線彈性假設(shè)，并大多忽略了井周應(yīng)力集中、井筒-裂縫-地層之間的傳質(zhì)、傳熱等因素對(duì)裂縫尺寸的影響。

為獲得更加準(zhǔn)確的裂縫尺寸預(yù)測(cè)結(jié)果，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法。如WANG H.M.等[11-12]基于線彈性假設(shè)，分別用邊界元和有限元的方法建立了漏失裂縫模型，考慮了井周應(yīng)力集中對(duì)裂縫尺寸的影響，但未考慮滲流和傳熱的影響。曾義金等[13]也利用類(lèi)似的有限元模型對(duì)井周裂縫寬度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。為了進(jìn)一步探究井筒-裂縫-地層之間的滲流對(duì)漏失裂縫的影響，F(xiàn)ENG Y.C.等[14-15]基于孔隙彈性假設(shè)，建立了漏失裂縫的有限元模型。為了研究動(dòng)態(tài)漏失裂縫尺寸，S.SALEHI[16]利用水力壓裂研究中常用的內(nèi)聚力單元法對(duì)漏失裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行了模擬，但其模型直接套用水力壓裂模型中恒定注入速率邊界條件，與動(dòng)態(tài)裂縫尺寸實(shí)際情況不相符，因此無(wú)法正確解釋漏失裂縫在鉆井循環(huán)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)漏失和擴(kuò)展規(guī)律。為解決該問(wèn)題，F(xiàn)ENG Y.C.等[17]基于ABAQUS有限元平臺(tái)，建立了“井筒循環(huán)-裂縫擴(kuò)展-巖石變形”一體化漏失預(yù)測(cè)模型。該模型考慮了井筒內(nèi)鉆井液循環(huán)對(duì)裂縫生長(zhǎng)的影響，同時(shí)考慮了鉆井液向裂縫內(nèi)漏失對(duì)井筒循環(huán)的影響，從而更加準(zhǔn)確地描述了漏失裂縫的擴(kuò)展情況。然而，“井筒-裂縫-地層”之間的傳熱對(duì)漏失裂縫尺寸的影響尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

綜上所述，近年來(lái)漏失裂縫尺寸預(yù)測(cè)模型有了很大進(jìn)展。但現(xiàn)有模型都無(wú)法預(yù)測(cè)鉆井波動(dòng)壓力、溫度影響下漏失裂縫尺寸的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

為此，筆者提出一種鉆井動(dòng)態(tài)循環(huán)“熱-流-固”全耦合模型，通過(guò)井筒和地層之間的耦合，實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程中考慮溫度影響的動(dòng)態(tài)井底壓力和漏失裂縫的模擬。模型通過(guò)ABAQUS軟件，利用耦合溫度的管流單元、孔隙壓力單元和內(nèi)聚單元，分別實(shí)現(xiàn)井筒循環(huán)、地層位移-孔壓-溫度變化以及裂縫起裂和擴(kuò)展的全耦合模擬。應(yīng)用該模型開(kāi)展了高溫地層中鉆井液溫度對(duì)漏失規(guī)律影響的研究。

1 概念模型

鉆井液漏失模型如圖1所示。

圖1 鉆井液漏失模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling fluid loss model

據(jù)統(tǒng)計(jì)，超70%的漏失為裂縫性漏失，其中又以壓裂性漏失為主[18-19]。鉆井循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)井筒內(nèi)壓力超過(guò)地層破裂壓力時(shí)，裂縫開(kāi)啟，鉆井液漏失。本文利用ABAQUS平臺(tái)建立“井筒-地層-裂縫”耦合模型，研究鉆井液溫度對(duì)漏失規(guī)律的影響。

模型包括井筒、地層和裂縫，分別采用管流單元、孔隙壓力單元和內(nèi)聚力單元進(jìn)行建模。模擬過(guò)程為：鉆井液沿井口泵入鉆桿，從環(huán)空返出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。期間如果發(fā)生漏失，鉆井液將沿著裂縫進(jìn)入地層，改變地層的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

2 基礎(chǔ)理論

2.1 管流模型理論

以管流單元表征井筒和環(huán)空，模擬鉆井液的循環(huán)。假設(shè)流體單相不可壓縮，基于伯努利方程計(jì)算管內(nèi)流體在流動(dòng)過(guò)程中的黏度、重力和壓力損失。單元中兩點(diǎn)之間的流動(dòng)方程如下[20]：

(1)

式中：Δp為兩節(jié)點(diǎn)間的壓力差值，Pa；ΔZ為兩節(jié)點(diǎn)之間的海拔高度差值，m；ρ為管內(nèi)流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；CL為損失系數(shù)；Ki為定向損失系數(shù)；v為流體的流動(dòng)速度，m/s；

2.2 熱-流-固耦合理論

熱-流-固耦合模型(見(jiàn)圖2)可同時(shí)考慮流體滲流、巖石變形和溫度變化等因素。流體滲流改變巖石孔隙壓力和有效應(yīng)力，導(dǎo)致孔隙和裂縫變形；滲流伴隨著流體和地層之間的熱量交換，引起溫度場(chǎng)的變化，產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步影響巖石的變形[21- 22]。

圖2 熱-流-固耦合相互作用示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermo-hydro-mechanical coupling interaction

根據(jù)虛功原理，巖石骨架的平衡方程為[23]：

(2)

巖石內(nèi)部滲流控制方程為[23]：

(3)

式中：J為多孔介質(zhì)體積變化率；ρw為流體密度，kg/m3；nw為孔隙比；vw為流體滲流速度，m/s；x為空間向量，m。

考慮熱孔隙彈性的巖石本構(gòu)方程為[24]：

(4)

其中：

(5)

式中：σij為總應(yīng)力張量，Pa；εij為總應(yīng)變張量；εkk為靜止壓力應(yīng)變張量；G、λ為拉梅常數(shù)，Pa；γ為熱膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為溫度變化量，℃；E為彈性模量，Pa；μ為泊松比；α為biot系數(shù)；δij為1(i=j時(shí))或0(i≠j時(shí))，無(wú)量綱。

2.3 裂縫區(qū)損傷模型

以Cohesive單元表征裂縫起裂和延伸，以牽引-分離定律作為裂縫起裂準(zhǔn)則。牽引分離定律損傷準(zhǔn)則如圖3所示。起裂包括損傷起始和損傷演化2個(gè)階段。裂縫初始是閉合且完好無(wú)損的，在外部載荷的作用下，Cohesive單元開(kāi)始出現(xiàn)剛度退化，當(dāng)外載荷達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，開(kāi)始起裂，直到完全失效，形成裂縫。

圖3 牽引分離定律損傷準(zhǔn)則示意圖Fig.3 Schematic diagram of damage criterion of traction separation law

以二次應(yīng)力準(zhǔn)則判斷裂縫是否開(kāi)裂[25]：

(6)

裂縫內(nèi)部的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力可以描述為：

(7)

(8)

2.4 裂縫區(qū)的滲流和能量平衡方程

裂縫內(nèi)部流體流動(dòng)分為切向流和法向流，如圖4所示。

圖4 Cohesive單元內(nèi)部流動(dòng)示Fig.4 Schematic diagram of internal flow of Cohesive unit

裂縫內(nèi)法向流，即裂縫面和地層之間流體滲流方程為[26]：

(9)

式中：q為切向流流體通量，m2/s；w為裂縫寬度，m；qt和qb分別是裂縫頂面和底面的法向?yàn)V失速度，m/s。

裂縫內(nèi)切向流表示為[27]：

(10)

式中：μ1為流體黏度，mPa·s，pf為流體壓力，Pa。

裂縫內(nèi)考慮溫度的能量平衡方程為[19]：

ρfCf[ct(pi-pt)+cb(pi-pb)]-

h(θ-θt)-h(θ-θb)=0

(11)

式中：ρf為流體密度，kg/m3；Cf為流體比熱容，J/(kg·℃)；k為流體熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；θ為裂縫內(nèi)流體溫度，℃；θt、θb分別為裂縫上、下表面的溫度，℃；ct、cb為裂縫上、下表面濾失系數(shù)，m/(Pa·s)；pi、pt、pb分別為裂縫中間、底部和頂部的壓力，Pa。

3 模型建立

3.1 幾何模型

鉆井液漏失模型如圖5所示。使用管流(PIPE)單元建立U形管結(jié)構(gòu)表征鉆桿(綠色)和環(huán)空(黃色)。雖然U形管尺寸固定，但可通過(guò)調(diào)整摩擦因數(shù)等參數(shù)來(lái)等效不同井身結(jié)構(gòu)。理論上，裂縫會(huì)沿最大水平地應(yīng)力方向起裂和擴(kuò)展，故預(yù)設(shè)一條與此方向平行的裂縫。該模型基于二維平面應(yīng)變假設(shè)，只獲取裂縫的長(zhǎng)度和寬度。為減小計(jì)算量、提高收斂性和計(jì)算精度，建立地層模型，并將井筒附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。為圖示清楚，對(duì)圖5中的井眼進(jìn)行了放大(實(shí)際半徑為10 cm)。模擬的實(shí)際工況為：深3 100 m、寬300 m、厚60 m的高溫地層中的鉆井液漏失。

圖5 鉆井液漏失模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of drilling fluid loss model

3.2 初始和邊界條件

以南海某高溫高壓區(qū)塊為例，設(shè)置初始最大(X方向)、最小(Y方向)水平主應(yīng)力分別為58.2、55.5 MPa；初始孔隙壓力為44.8 MPa；初始孔隙度為15.7%；初始滲透率為5.3 mD。左側(cè)施加對(duì)稱(chēng)邊界條件，其他施加位移邊界、孔隙壓力邊界和溫度邊界條件。井筒部分施加重力場(chǎng)、鉆桿頂部的流量邊界以及環(huán)空頂部的0壓力邊界條件，其他參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 模型的基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of model

井筒與地層通過(guò)“Tie”和“PORMECH”關(guān)鍵詞進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)鉆井液在井筒和地層中的連續(xù)流動(dòng)。“Tie”將井底節(jié)點(diǎn)與地層節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，保證井底與地層之間的壓力、溫度傳遞。“PORMECH”將井底壓力施加到井壁上，模擬實(shí)際鉆井時(shí)液柱對(duì)井壁的支撐力。通過(guò)這2個(gè)特殊約束，實(shí)現(xiàn)了井壁-裂縫-地層的熱-流-固全耦合。

3.3 模擬步驟

地應(yīng)力平衡步驟：計(jì)算井筒內(nèi)靜液柱壓力，平衡地層中應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、孔隙壓力場(chǎng)，獲取初始場(chǎng)平衡。

鉆井液循環(huán)步驟：鉆桿頂部注入鉆井液，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。若發(fā)生漏失，可獲取漏失量、漏失速度、裂縫尺寸等相應(yīng)數(shù)據(jù)。

基于上述模型，分別開(kāi)展了等溫和低溫循環(huán)的數(shù)值模擬研究，探討溫度對(duì)鉆井液漏失的影響。

4 結(jié)果與分析

通過(guò)設(shè)置不同排量的等溫(鉆井液溫度100 ℃)和低溫(鉆井液溫度30 ℃)對(duì)比模型來(lái)探究溫度對(duì)鉆井液漏失的影響。

4.1 鉆井液溫度對(duì)井周應(yīng)力的影響

以0.094 m3/s排量，鉆井液溫度30和100 ℃為例，分析鉆井液溫度對(duì)井周應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖6所示。如圖6中藍(lán)線所示，初始地應(yīng)力平衡后，2個(gè)案例井周應(yīng)力分布相同，均為壓縮周向應(yīng)力(正值代表拉伸，負(fù)值代表壓縮)。最大值29.8 MPa，為Y方向；最小值13.4 MPa，為X方向。此狀態(tài)下，Y方向更易發(fā)生井壁坍塌事故，X方向更易發(fā)生漏失事故。這與前人的研究規(guī)律相同[28-30]。

圖6 井周應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution around wellbore

當(dāng)鉆井液開(kāi)始循環(huán)，井周應(yīng)力顯著減小。在60 s時(shí)，30 ℃鉆井液循環(huán)的井周應(yīng)力最大值、最小值分別為12.40和0.02 MPa，見(jiàn)圖6a；100 ℃鉆井液循環(huán)的井周應(yīng)力最大值、最小值分別為17.8和2.8 MPa，見(jiàn)圖6b。在該工況下，由于溫度效應(yīng)導(dǎo)致的井周應(yīng)力最大值、最小值分別降低了30.3%和99.0%。70 s時(shí)井周應(yīng)力繼續(xù)縮小，但均與60 s時(shí)相差無(wú)幾。據(jù)此可知，當(dāng)鉆井液溫度低于地層溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“冷卻”效應(yīng)，導(dǎo)致地層遇冷收縮，進(jìn)一步降低井周應(yīng)力，這將降低井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)，增大鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 鉆井液溫度對(duì)漏失裂縫起裂和擴(kuò)展的影響

以0.094～0.100 m3/s(間隔0.002 m3/s)排量下的等溫和低溫模型模擬結(jié)果分析溫度對(duì)漏失裂縫的影響。圖7展示了相同排量下2種模型的裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖7 裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間變化(帶T的圖例指低溫注入模型)Fig.7 Change in fracture length over time (legend with T refers to low temperature injection model)

在0.094 m3/s排量下(見(jiàn)圖7a)，等溫模型未出現(xiàn)裂縫，未發(fā)生鉆井液漏失，而低溫模型在370 s開(kāi)始出現(xiàn)裂縫并快速擴(kuò)展，在1 104 s達(dá)到最大裂縫長(zhǎng)度74.3 m。排量為0.096 m3/s時(shí)(見(jiàn)圖7b)，2種模型均發(fā)生了鉆井液漏失，但發(fā)生漏失的時(shí)間不同。低溫模型在139 s發(fā)生漏失，在924 s達(dá)到最大裂縫長(zhǎng)度88.4 m；等溫模型則在679 s才出現(xiàn)漏失，并在1 320 s達(dá)到最大裂縫長(zhǎng)度90.4 m。同樣的，當(dāng)排量增加至0.096和0.100 m3/s時(shí)，裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律與0.096 m3/s時(shí)相同，且裂縫長(zhǎng)度差異更小，見(jiàn)圖7c、圖7d。由此可見(jiàn)，當(dāng)鉆井液溫度明顯低于地層溫度時(shí)，可降低漏失排量閾值，更小的循環(huán)排量即可誘發(fā)鉆井液漏失。此外，相同排量下，低溫鉆井液循環(huán)發(fā)生的漏失更早。

提取最終的裂縫坐標(biāo)并繪制裂縫剖面，如圖8所示。

圖8 不同排量下的裂縫剖面Fig.8 Fracture section at different displacements

從整體裂縫趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是低溫循環(huán)(見(jiàn)圖8a)還是等溫循環(huán)(見(jiàn)圖8b)，裂縫寬度整體表現(xiàn)為從井壁到遠(yuǎn)場(chǎng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。原因在于，井壁附近有應(yīng)力集中，裂縫最大寬度出現(xiàn)在靠近井壁的區(qū)域，而非井壁面上。但低溫循環(huán)后在近井區(qū)域裂縫寬度明顯增大，這是低溫?cái)U(kuò)散到近井區(qū)域產(chǎn)生“冷卻”效應(yīng)，引起地層收縮。

以最大排量0.100 m3/s為例，對(duì)比循環(huán)后裂縫剖面，如圖8c所示。低溫循環(huán)和等溫循環(huán)后裂縫長(zhǎng)度相同，為124.4 m；距井壁30 m以遠(yuǎn)區(qū)域的裂縫寬度幾乎相同。但在近井區(qū)域(<30 m)低溫循環(huán)后的裂縫寬度明顯更寬，最大寬度為2.54 mm，相較于等溫循環(huán)最大縫寬(2.28 mm)增大11.4%。據(jù)此可知，低溫鉆井液循環(huán)對(duì)近井區(qū)域裂縫寬度影響明顯，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域裂縫尺寸無(wú)影響。

4.3 鉆井液溫度對(duì)漏失速度和漏失壓力的影響

圖9為相同排量下低溫循環(huán)和等溫循環(huán)的漏失速度隨時(shí)間變化圖。由圖9可見(jiàn)，整體規(guī)律為低溫循環(huán)漏失出現(xiàn)的更早，且峰值漏失速度略小于等溫循環(huán)模型。以0.098 m3/s排量為例(見(jiàn)圖9a)，低溫循環(huán)的漏失發(fā)生時(shí)間為93 s，峰值漏失速度為0.001 4 m3/s，而等溫循環(huán)的對(duì)應(yīng)值為576 s和0.001 55 m3/s。

圖9 漏失速度隨時(shí)間變化Fig.9 Change in leak-off velocity over time

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于模型中裂縫向地層內(nèi)的漏失系數(shù)極低。因此，在發(fā)生漏失初期，漏失速度由裂縫的體積變化主導(dǎo)，當(dāng)裂縫長(zhǎng)度穩(wěn)定后，漏失速度等于裂縫表面的濾失速度，而裂縫寬度的輕微增加，并不會(huì)顯著增大漏失速度。結(jié)合裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間變化情況(見(jiàn)圖7c)可知，無(wú)論是低溫循環(huán)還是等溫循環(huán)，漏失裂縫最終長(zhǎng)度相同。而起裂和擴(kuò)展總時(shí)間分別為565和386 s。據(jù)此可知，低溫循環(huán)裂縫出現(xiàn)的早，但擴(kuò)展較慢，而等溫循環(huán)裂縫出現(xiàn)的晚，同時(shí)擴(kuò)展速度快。故等溫循環(huán)的峰值漏失速度要高于低溫循環(huán)，最終穩(wěn)定在相同的漏失速度。

漏失壓力隨時(shí)間變化如圖10所示。對(duì)比漏失壓力發(fā)現(xiàn)：在相同的排量下，低溫循環(huán)的漏失壓力略低于等溫循環(huán)。在排量為0.094和0.096 m3/s時(shí)，裂縫延伸壓力存在一定差異，但隨著排量的增大，裂縫延伸壓力相同?？梢?jiàn)，排量大小是裂縫起裂和延伸的主導(dǎo)作用，溫度只對(duì)漏失排量閾值影響較為明顯。

圖10 漏失壓力隨時(shí)間變化Fig.10 Change in leakage pressure over time

4.4 鉆井液溫度對(duì)地層溫度場(chǎng)的影響

鉆井液漏失后最先進(jìn)入裂縫，因此，相較于地層而言，裂縫中的溫度場(chǎng)影響最為顯著。以排量0.100 m3/s、鉆井液溫度30 ℃為例，分析低溫鉆井液對(duì)地層溫度場(chǎng)的影響。圖11展示了循環(huán)不同時(shí)間后，沿裂縫長(zhǎng)度方向的溫度分布。

圖11 不同時(shí)間裂縫內(nèi)部溫度分布(Q=0.096m3/s)Fig.11 Temperature distribution inside fracture at different times (Q=0.096 m3/s)

由圖11可知：50 s時(shí)地應(yīng)力平衡，裂縫內(nèi)溫度與地層溫度相同；循環(huán)開(kāi)始后，鉆井液漏失進(jìn)入裂縫，近井區(qū)域溫度降低；在1 000 s時(shí)，裂縫內(nèi)溫度場(chǎng)波及長(zhǎng)度約10 m，而此時(shí)漏失裂縫長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)100 m(見(jiàn)圖7d)；隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆井液持續(xù)向地層內(nèi)漏失，裂縫內(nèi)的溫度場(chǎng)波及范圍增大，5 000 s時(shí)，波及范圍約22 m；最終，波及范圍約35 m?？梢?jiàn)，溫度場(chǎng)的波及速度要遠(yuǎn)比漏失鉆井液波及速度“慢”。

鉆井液漏失只對(duì)近井區(qū)域的溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，并未波及遠(yuǎn)場(chǎng)。這進(jìn)一步證明了相較于等溫循環(huán)，低溫循環(huán)的近井區(qū)域裂縫寬度變化明顯，井周應(yīng)力變化大，漏失壓力減小，而裂縫長(zhǎng)度、延伸壓力相同的現(xiàn)象。

綜合裂縫長(zhǎng)度、寬度和裂縫內(nèi)溫度的模擬結(jié)果，雖然低溫鉆井液循環(huán)會(huì)降低井周應(yīng)力，更早地誘發(fā)裂縫，但短時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)裂縫起裂和擴(kuò)展的是排量。另一方面，由于井筒內(nèi)循環(huán)的鉆井液體積有限，所攜帶的熱能相對(duì)較小，僅能影響近井區(qū)域和近井裂縫內(nèi)的溫度分布，因此“冷卻”效應(yīng)對(duì)于裂縫長(zhǎng)度的影響極小。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)ABAQUS軟件平臺(tái)，建立了考慮鉆井液動(dòng)態(tài)循環(huán)的熱-流-固全耦合漏失模型，以等溫與非等溫循環(huán)結(jié)果研究高溫地層中鉆井液漏失規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)在高溫地層中，低溫鉆井液循環(huán)會(huì)降低井周應(yīng)力集中，以30 ℃為例，最大、最小井周應(yīng)力分別降低了30.3%和99.0%，顯著增大了鉆井液漏失的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在排量從0.094 m3/s升高到0.100 m3/s過(guò)程中，低溫循環(huán)均發(fā)生了漏失，等溫循環(huán)僅在0.096 m3/s及更大的排量下發(fā)生漏失。低溫循環(huán)降低了漏失排量閾值，且相同排量下漏失更早。

(3)在排量大于0.096 m3/s時(shí)，低溫循環(huán)和高溫循環(huán)均發(fā)生漏失，裂縫長(zhǎng)度相同，僅在距離井壁30 m以?xún)?nèi)表現(xiàn)出低溫循環(huán)裂縫寬度明顯高于等溫循環(huán)，最大縫寬增大了11.4%。

(4)在相同排量下，若低溫循環(huán)和等溫循環(huán)均發(fā)生漏失，則低溫循環(huán)裂縫出現(xiàn)更早，擴(kuò)展時(shí)間較長(zhǎng)，但兩者的最終裂縫長(zhǎng)度相同，導(dǎo)致低溫循環(huán)的峰值漏失速度更小。

(5)由于鉆井液所攜帶的熱能總量小，僅對(duì)近井區(qū)域溫度場(chǎng)有明顯影響，鉆井液“冷卻”效應(yīng)對(duì)于遠(yuǎn)離井眼裂縫的尺寸影響非常小。