分析與計算地層滲透性漏失漏層深度和壓力的新方法

張景富 岳宏野 張德兵 侯瑞雪 劉 凱

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

分析與計算地層滲透性漏失漏層深度和壓力的新方法

張景富 岳宏野 張德兵 侯瑞雪 劉 凱

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

漏失對油氣鉆井及固井施工危害極大。針對利用現(xiàn)場常規(guī)數(shù)據(jù)無法用現(xiàn)有模型進(jìn)行地層漏失信息計算的問題，以追溯漏失過程為出發(fā)點，利用非牛頓流體力學(xué)、滲流力學(xué)原理，研究了滲透性漏失漏層深度及壓力計算模型的建立及計算問題。分析了漏失發(fā)生時間與鉆井液漏失總量及鉆頭進(jìn)尺的關(guān)系，建立了漏層深度與液體漏失總量的函數(shù)關(guān)系；依據(jù)滲透性漏失機理，建立了漏失壓力、漏失流量及漏層厚度間的函數(shù)關(guān)系；提出了一種新的計算與分析漏層深度與壓力的計算模型和方法，并對特定油田區(qū)塊的漏失問題進(jìn)行了計算與分析。該方法為準(zhǔn)確確定地層漏失信息，合理選擇與設(shè)計鉆井液體系、水泥漿體系、鉆井與固井施工參數(shù)提供基礎(chǔ)。

鉆井液；漏失；漏層深度；漏失壓力；計算模型

有關(guān)井眼漏層深度與漏失壓力的分析與計算問題，曾有大批學(xué)者及現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行過研究，建立了相應(yīng)的理論及檢測技術(shù)，并針對漏層層位計算和漏層壓力計算分別建立了計算模型。其中有關(guān)漏層深度計算方面，主要有正反循環(huán)流量計算法、井漏前后泵壓變化計算法2種；漏失壓力計算方面，主要有靜液面深度計算法、井漏前后鉆具懸重變化計算法和不同排量循環(huán)時壓差計算法3種。上述模型的建立為分析確定漏層深度及壓力等漏層信息提供了理論基礎(chǔ)［1-5］。然而，一般現(xiàn)場施工及數(shù)據(jù)記錄中，對于鉆進(jìn)中的漏失問題，往往不能及時觀測到并記錄下漏失前后立管壓力變化、進(jìn)出排量變化、大鉤懸重變化等重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般只給出發(fā)現(xiàn)漏失的井深、漏失的總量及漏失的程度（部分漏失或全部漏失）等信息，導(dǎo)致無法采用現(xiàn)有模型獨立實施相關(guān)地層漏失信息的計算與分析。為此，以目前鉆井現(xiàn)場能夠提供的常規(guī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以追溯漏失起始時間及漏失過程為出發(fā)點，利用非牛頓流體力學(xué)、滲流力學(xué)原理及力學(xué)平衡原理，針對地層滲透性漏失問題，探索建立了一種計算與分析漏層深度及壓力的新方法，為準(zhǔn)確確定地層漏失信息，合理選擇與設(shè)計鉆井液體系、水泥漿體系、鉆井與固井施工參數(shù)提供基礎(chǔ)。

1 漏失發(fā)生時間與漏失量及鉆進(jìn)進(jìn)尺之間的關(guān)系

鉆井液循環(huán)或固井注替流動過程中，當(dāng)某井深處環(huán)空液體作用于井壁上的壓力高于地層壓力，并能夠克服工作液在地層孔隙中流動阻力時，在地層未被壓裂的情況下井眼中的工作液也會產(chǎn)生向地層內(nèi)的漏失，這種漏失方式即為滲透性漏失。開始產(chǎn)生漏失的壓力稱為漏失壓力，此時該漏失壓力小于地層破裂壓力。滲透性漏失多發(fā)生在粗顆粒未膠結(jié)或膠結(jié)很差的巖層中，如粗砂巖、礫巖、含礫砂巖地層中。

對于只給出某井發(fā)現(xiàn)井漏時鉆至的井深、漏失鉆井液總量及井口有無鉆井液返出的鉆井現(xiàn)場記錄，僅依據(jù)正常鉆進(jìn)工況下的參數(shù)無法采用原有所建立的模型對漏層深度及漏失壓力進(jìn)行計算。此時，可根據(jù)如下思路追溯漏失發(fā)生的過程：鉆進(jìn)過程中鉆井液漏失并非瞬時間即能完成，而應(yīng)是開始發(fā)生于之前的某一時刻t1，并持續(xù)進(jìn)行至發(fā)現(xiàn)漏失的時刻t2。若假設(shè)漏失過程持續(xù)發(fā)生的時間為Ti，對于正常鉆進(jìn)過程，則可通過Ti將鉆井液漏失總量和鉆進(jìn)進(jìn)尺建立聯(lián)系。具體分析如下。

若某井鉆至井深Di時發(fā)現(xiàn)井漏，已知該井段鉆進(jìn)速度V、鉆井液排量Q及鉆具組合等基本參數(shù)，漏失鉆井液總量為M。顯然，按照上述分析，漏失開始發(fā)生于該井鉆進(jìn)至Di以上的某一井深H1處，若設(shè)漏失過程內(nèi)漏失平均流量為QL，則從開始發(fā)生漏失到發(fā)現(xiàn)漏失所用的時間（簡稱漏失時間）Ti可以表達(dá)為

從鉆進(jìn)的角度來看，該時間內(nèi)鉆頭獲得的進(jìn)尺為聯(lián)立上兩式可以獲得

式中，Di為漏失時鉆進(jìn)深度，m；M為鉆井液漏失總量，m3；H1為漏失發(fā)生時井深，m；V為漏失井段鉆井速度，m/h；Ti為漏失時間，s；QL為鉆井液漏失平均流量，L/s。

可見，通過漏失時間與鉆進(jìn)時間對應(yīng)相等的條件，能夠?qū)⒙由疃让枋鰹楫?dāng)前鉆進(jìn)井深、漏失鉆井液總量、機械鉆速及漏失流量的函數(shù)。當(dāng)能夠通過相關(guān)分析再建立起漏失流量、漏失壓力等計算公式時，便可能以方程組的形式獲得漏層深度與漏失壓力的計算模型。由此，本文將以漏失時間為條件所建立的漏失過程與鉆進(jìn)過程對應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，獲得漏層深度與壓力計算分析模型的方法定義為漏層深度與壓力計算的漏失時間法（簡稱為漏失時間法）。

2 漏失壓力、漏失流量及漏層厚度之間的關(guān)系

對于滲透性漏失，鉆井液向地層的漏失流動可以利用滲流力學(xué)公式來描述?？紤]一般井眼為圓柱狀，鉆井液由井眼內(nèi)向周圍地層的滲漏可按照徑向滲流來分析。

由于鉆井液一般為非牛頓流體，當(dāng)采用賓漢模式來描述鉆井液流變學(xué)本構(gòu)關(guān)系時，鉆井液滲流流動的壓力與流量之間的關(guān)系可以表示為

式中，ηp為賓漢流體塑性黏度，Pa·s；τ0為賓漢流體屈服應(yīng)力，Pa·s；φ為地層孔隙度；pL為鉆井液漏失壓力，MPa；pp為地層壓力，MPa；k為地層滲透率，D；re為漏失半徑，m；rh為井眼半徑，m；h為漏層厚度，m。

當(dāng)目前鉆頭所處的層位與漏失起始層位相同時，漏層厚度可表達(dá)為

當(dāng)目前鉆頭所處的層位與開始發(fā)生漏失的層位不同時，可假定開始發(fā)生漏失的層位（H1所處的層位）的底界面深度為H1i，則漏層厚度可表示為

式中，H1i為漏失層底界面深度，i表示漏層距鉆頭所處層位的次序，從鉆頭所處層位開始計算，當(dāng)漏層與鉆頭當(dāng)前所處層位相同時，i標(biāo)記為1，層位不同時依次向上標(biāo)記為 2，3，…，n。

考慮到完全漏失時漏失速度一般較快，式（6）適用于部分漏失。計算時，可從井眼底部開始由下向上逐層進(jìn)行試算。

3 漏層深度及壓力的計算模型

井眼漏失程度可以分為完全漏失和部分漏失兩種，不同的漏失狀況，所對應(yīng)的漏失流量、漏層深度及壓力計算方法是有區(qū)別的。

3.1 完全漏失

當(dāng)鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆井液完全漏失時，鉆井液不返出井口，全部流入地層，此時鉆井液排量即為鉆井液漏失流量

式中，Q為鉆井液排量， L/s。

由此，聯(lián)立求解式（3）、式（4）、式（5）和式（7），即可獲得該種漏失狀況下的漏層深度與壓力。

3.2 部分漏失

當(dāng)鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆井液部分漏失時，鉆井液部分流入地層，部分返出井口。此時鉆井液排量與鉆井液漏失流量和返出井口鉆井液流量之間的關(guān)系為

式中，Q1為返出口鉆井液流量， L/s。

環(huán)空流體作用在漏層上的壓力由漏層深度以上環(huán)空流體的靜液柱壓力和流體從漏層深度返至地面所消耗的摩擦阻力兩部分組成。設(shè)環(huán)空中漏層深度以上某井段長度為Li，井徑均為dhi，鉆具外徑均為dpi，鉆井液密度ρd，塑性黏度ηp，漏失后環(huán)空返出排量Q1，若漏層深度以上有j段這樣的井段，則環(huán)空流體作用在漏層層位上的總壓力p為

式中，dhi為井徑，cm；dpi為鉆具外徑，cm；ρd為鉆井液密度，g/cm3。

鉆進(jìn)過程中發(fā)生漏失時，鉆井液向地層漏失的滲流壓力與環(huán)空流體作用在該漏層處的壓力應(yīng)達(dá)到平衡。即

因此，由式（4）和式（9）、（10）可得

聯(lián)立求解式（3）、式（4）、式（6）、式（8）和式（11），可獲得該種漏失狀況下的漏層深度與壓力。

4 模型計算及應(yīng)用

根據(jù)上述建立的模型及分析計算方法，編制了漏層深度與壓力分析計算軟件，實現(xiàn)了對油田區(qū)塊漏失參數(shù)的計算，并對特定區(qū)塊的地層漏失特點進(jìn)行了分析。以大慶油田高165-145井為例進(jìn)行計算分析。該井為直井，地層傾角6°，設(shè)計井深1 254.0 m，鉆至井深745 m時發(fā)現(xiàn)井漏，漏失鉆井液3 m3，井口有鉆井液返出，此時，鉆井液密度1.70 g/cm3。

根據(jù)地層及巖性描述和環(huán)空流動壓力與地層破裂壓力對比（未發(fā)現(xiàn)溶洞并且地層未被壓裂），本井漏失屬于滲透性漏失，并且是部分漏失。

由現(xiàn)場資料獲得滲透率k和孔隙度φ等計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中，地層壓力梯度為1.40 MPa/100 m，漏失量3 m3，漏失時鉆進(jìn)深度745 m，鉆鋌長度Lc1=69.73 m、Lc2=34.61 m，對應(yīng)的鉆鋌直徑dc1=15.90 cm、dc2=17.80 cm，鉆桿長度及直徑為Lp=640.66 m，dp=12.70 cm，鉆井液密度1.70 g/cm3，表觀黏度50 mPa·s，塑性黏度 36 mPa·s，排量 32 L/s，機械鉆速30.04 m/h，表層套管外徑為273.1 mm，表層套管壁厚為8.89 mm，固表層套管時井深103 m，二開鉆頭直徑為220 mm，三開鉆頭直徑為215 mm，平均井徑擴大率為3.26%，平均井徑221.6 mm。

將以上參數(shù)輸入所編軟件，運算得出：漏層深度在井深737.8 m左右，漏層壓力為12.471 MPa（壓力梯度為1.690 4 MPa/100 m）。表1給出了該區(qū)塊多口井的計算結(jié)果，與油田實際吻合。油田開發(fā)后期由于長期注水開采，地層壓力等地質(zhì)條件發(fā)生了變化，鉆進(jìn)及固井過程中存在多個層位漏失的可能性，其中，南2-1-斜P226、南2-10-斜P227井發(fā)生了完全漏失，漏層壓力與地層壓力接近，需經(jīng)過堵漏作業(yè)方能夠進(jìn)行后續(xù)鉆進(jìn)或固井施工；S2組發(fā)生漏失的幾率最大，平均漏失壓力梯度約為1.605 MPa/100 m（南2-1-斜P226除外）。由此，在該區(qū)塊實施油氣井鉆進(jìn)或固井時，可參照上述確定的最易發(fā)生漏失的層位和漏失壓力、地層壓力梯度等限定的壓力窗口，合理選擇鉆井液、水泥漿體系，設(shè)計鉆井、固井施工參數(shù)。

表1 某區(qū)塊漏失井的漏層深度與壓力計算結(jié)果

5 結(jié)論

（1）依據(jù)漏失時間與鉆進(jìn)時間對應(yīng)相等的條件，建立了漏層深度與液體漏失總量的函數(shù)關(guān)系；給出了漏失壓力、漏失流量及漏層厚度間的函數(shù)關(guān)系；提出了一種新的計算與分析漏層深度與壓力的模型和方法。

（2）對特定油田區(qū)塊發(fā)生的漏失井進(jìn)行了計算與分析，明確了該區(qū)塊的漏失特點，能夠為合理選擇鉆井液、水泥漿體系，設(shè)計鉆井、固井施工參數(shù)提供基礎(chǔ)。

（修改稿收到日期 2013-03-25）

［1］龍之輝.對深井井漏漏層位置確定方法的探討［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，1995，1（1）：12-14.

［2］石林，蔣宏偉，郭慶豐.易漏地層的漏失壓力分析［J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：40-44.

［3］朱亮，張春陽，樓一珊.兩種漏失壓力計算模型的比較分析［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（12）：60-64.

［4］金衍，陳勉，劉小明，等.塔中奧陶系碳酸鹽巖底層漏失壓力統(tǒng)計分析［J］.石油鉆采工藝，2007，29（5）：82-84.

［5］孫明，李天健，戴達(dá)山，等.低滲透油藏滲流啟動壓力理論計算方法［J］.河南石油，1999，13（4）：30-31.

New analysis and calculation method for permeable leakage layer depth and pressure

ZHANG Jingfu, YUE Hongye, ZHANG Debing, HOU Ruixue, LIU Kai
（College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing163318,China）

Leakage creates extreme damage to oil and gas drilling and well cementation. Aiming at the problem that the leakage layer information cannot be fi gure out through existing calculation model with the on-site data, starting from stretching back leakage process, calculation model of permeable leakage layer depth and pressure was analyzed and established by utilizing non-Newtonian fl uid mechanic and seepage mechanics. Then we established functional relation between leakage depth and total amount of liquid leakage by analyzing the relation of leakage occurrence time, leakage amount of drilling fl uid and bits footage; and fi gure out the function relationship among leakage pressure, leakage fl ow and thickness of leakage layer according to the permeability loss mechanism. Therefore, a new computation model which calculates the leakage depth and pressure was put forward and was applied to a particular block in some oil fi eld to analyze the leakage problems. This method provides the basis not only for determining the leakage layer information accurately, but also for selecting and designing drilling fl uid system, cement slurry and parameters of drilling and cementing reasonably.

drilling fl uid; leakage; leakage layer depth; leakoff pressure; computation model

張景富，岳宏野，張德兵，等.分析與計算地層滲透性漏失漏層深度和壓力的新方法 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：12-15.

TE21

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0012 – 04

大慶鉆探工程公司重點攻關(guān)項目“窄壓力窗口壓穩(wěn)與防漏固井力學(xué)分析與控制技術(shù)”（編號：2011G1X00177）。

張景富，1963年生。主要從事油氣井工程理論與技術(shù)的教學(xué)和研究工作，教授。E-mail：zjf286@126.com。

〔編輯

朱 偉〕