準(zhǔn)南復(fù)雜構(gòu)造地層漏失規(guī)律研究

王 鑫，陶思才，孫 俊，聶榮國(guó)，張 楊，郭學(xué)良，苗 娟

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041；2.塔里木石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部第二勘探公司，新疆庫(kù)爾勒841000；3.西南石油大學(xué)，四川成都610500）

準(zhǔn)南復(fù)雜構(gòu)造地層漏失規(guī)律研究

王 鑫1，陶思才2，孫 俊2，聶榮國(guó)3，張 楊3，郭學(xué)良3，苗 娟3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041；2.塔里木石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部第二勘探公司，新疆庫(kù)爾勒841000；3.西南石油大學(xué)，四川成都610500）

準(zhǔn)南復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)和鉆井情況非常復(fù)雜，地層破碎、傾角陡，鉆達(dá)高壓層后，在同一壓力系統(tǒng)情況下，壓力系數(shù)隨深度增加而減少，導(dǎo)致安全密度窗口變窄，不同壓力系統(tǒng)同處一層裸眼引起井漏，井下復(fù)雜在所難免，嚴(yán)重地制約了鉆井效率，為了實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關(guān)。弄清井漏機(jī)理是防治井漏的關(guān)鍵所在，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)深井、超深探井漏的機(jī)理目前停留在定性半定量描述階段，需要進(jìn)一步深化機(jī)理的研究。為此，以非牛頓流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合鉆井工程的實(shí)際情況，建立了地層井漏的數(shù)學(xué)模型，分析了鉆井參數(shù)、鉆井液性能、地層特性等對(duì)井漏的影響，用以揭示復(fù)雜構(gòu)造地層的漏失特點(diǎn)及規(guī)律，從而為現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏提供理論依據(jù)。

準(zhǔn)南；復(fù)雜構(gòu)造；井漏；研究

1 概述

準(zhǔn)南構(gòu)造地質(zhì)和鉆井情況復(fù)雜，地層破碎嚴(yán)重、傾角陡，普遍存在長(zhǎng)裸眼，多套壓力共存，一旦鉆遇惡性復(fù)雜層段，則需提前下某層套管，這就面臨能否打到地質(zhì)目標(biāo)的問(wèn)題，也就是說(shuō)沒(méi)有退路可走。特別是壓力敏感性地層井漏十分頻繁，井漏、井涌、垮塌及壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況，井眼復(fù)雜在所難免，嚴(yán)重地制約了鉆井效率，為了實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關(guān)[2]。對(duì)于山前復(fù)雜構(gòu)造，實(shí)鉆過(guò)程中存在井漏和溢流同時(shí)發(fā)生，壓力平衡極難調(diào)整，事故、復(fù)雜情況頻繁發(fā)生，井控風(fēng)險(xiǎn)很大，嚴(yán)重地制約了該地區(qū)的鉆井速度。為了實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關(guān)。

解決該技術(shù)的關(guān)鍵是弄清楚井漏的原因和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)鉆井、鉆井液、固井工藝技術(shù)提高地層承壓能力，拓寬鉆井液密度窗口，降低事故、復(fù)雜損失和井控風(fēng)險(xiǎn)。在所有復(fù)雜時(shí)效中，由于井漏引起的復(fù)雜損失占了相當(dāng)大的比例。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)難題，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的技術(shù)。對(duì)于井漏機(jī)理目前停留在定性半定量描述階段，鉆井液性能、漏失通道、施工參數(shù)等對(duì)井漏的影響，缺乏較準(zhǔn)確的定量評(píng)價(jià)模型[1-3]。弄清井漏機(jī)理是防治井漏的關(guān)鍵所在，仍需要進(jìn)一步深化復(fù)雜構(gòu)造井漏機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)，建立和完善漏失理論及確定漏失規(guī)律的方法。

2 鉆井液漏失數(shù)學(xué)模型

在鉆井過(guò)程中，鉆井液漏失的模型如圖1所示。模型假設(shè)條件如下：

①單相流體，鉆井液為非牛頓流體；

②流動(dòng)符合線性阻力規(guī)律；

③漏失是恒溫過(guò)程；

④鉆井液的壓縮系數(shù)很小且為常數(shù)。

將在徑向孔隙單元的單向可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)方程與達(dá)西定律、密度與壓力關(guān)系相結(jié)合，可得到單向微可壓縮流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)方程：

式中：p——壓力，kPa；

K——滲透率，μm2；

φ——孔隙度；

μ——粘度，Pa·s；

C——綜合彈性系數(shù)。

進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

式中：B——恒定的漏失速率與地層的承受能力。這個(gè)方程揭示了冪律流體、壓力梯度與鉆井液流 變性和地層孔隙度、滲透率等之間的關(guān)系。

圖1 漏失幾何模型圖(rw為井眼半徑；re為漏失半徑；r為任一半徑)

3 數(shù)學(xué)模型的求解

初始條件：未發(fā)生井漏時(shí)，壓力為原始?jí)毫?，t=0，p=pi；

邊界條件：在外邊界，在離井眼很遠(yuǎn)處，鉆井液漏失不能達(dá)到，r→∞，p=pi；在內(nèi)邊界：鉆井液在地層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得：

在邊界處寫(xiě)成第二類邊界條件：

上式是一個(gè)變系數(shù)的線性拋物型偏微分方程（對(duì)流擴(kuò)散方程），要求取解析解是非常困難的，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究過(guò)，主要還是采用數(shù)值計(jì)算方法[3-4]。因此，本文采用了有限差分法求取該模型的數(shù)值解，并通過(guò)對(duì)空間的網(wǎng)格化，對(duì)時(shí)間的離散化來(lái)提高有限差分法的精度。利用模型的初始條件與邊界條件，采取隱式差分法得到三對(duì)角矩陣，并通過(guò)求解該矩陣，可以得出井底附近壓力在不同時(shí)間壓力變化情況。利用上面的差分格式，采用高斯—賽得爾迭代法就可以求出不同時(shí)刻不同位置的壓力值，即漏失發(fā)生后的壓力分布。根據(jù)上述方法，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序。圖2為該模型開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序界面。

4 井漏的影響因素研究

圖2 漏失壓力分布程序輸出界面圖

準(zhǔn)南地區(qū)井漏主要發(fā)生在鉆達(dá)高壓層后，在同一壓力系統(tǒng)下，壓力系數(shù)隨深度的增加而減少，導(dǎo)致安全密度窗口變窄，不同壓力系統(tǒng)同處一層裸眼段引起井漏。

本文以DF1井為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析。發(fā)生復(fù)雜時(shí)的層位及巖性：齊古組J3q，發(fā)生復(fù)雜時(shí)井下鉆具組合：?171.4mm鉆頭+?120.7mm鉆鋌2根+?168mm扶正器+?120.7mm鉆鋌12根+?101.6mm鉆桿+?127mm鉆桿。鉆井液性能：密度2.06g/cm3、粘度66s、失水2.0mL、泥餅0.5mm、pH值10。

分別討論壓差、流型指數(shù)、黏度、滲透率等重要因素對(duì)井漏的影響。

（1）壓差對(duì)井漏的影響。壓差不僅是造成井漏的先決條件，而且也是影響漏失速率的重要因素，在鉆井施工中，鉆井參數(shù)諸如鉆井液性能、井眼尺寸、起下鉆速度、憋泵等因素都影響著壓差的變化。因此，在鉆井中調(diào)整鉆井液性能、控制起下鉆速度，防止憋泵，做到緩慢開(kāi)泵循環(huán)等，均有利于減小壓差對(duì)漏速的影響，為此應(yīng)采取平衡鉆井，有條件還可采用欠平衡鉆井。圖3顯示在不同壓差條件下對(duì)鉆井液漏失量的影響。圖4為鉆井液漏失壓力剖面圖，從圖4能夠看出隨著時(shí)間的推移，裂縫中的壓力由于流體的不斷侵入而發(fā)生變化，壓力增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，只是隨著徑向距離的增加，壓力的增加幅度越來(lái)越小。這也是鉆井液侵入的能力在不斷降低，由于地層巖石本身就具有一定的抗壓強(qiáng)度。因此，裂縫的延伸距離一般很短。

圖3 壓差對(duì)井漏的影響圖

（2）井徑對(duì)井漏的影響。圖5為井眼大小對(duì)鉆井液漏失的關(guān)系圖。從圖1可以看出，常規(guī)井眼中，井徑對(duì)鉆井液的漏失影響并不顯著。在壓力敏感性地層中，小井眼不一定是最佳選擇，因?yàn)樾【郗h(huán)空壓耗更大，鉆柱的起下鉆速度產(chǎn)生的波動(dòng)壓力對(duì)之影響更加顯著。在這種地層，常規(guī)井眼可能能夠避免更多的井下復(fù)雜事故，反而節(jié)約了成本。

圖4 鉆井液漏失壓力剖面圖

圖5 井徑對(duì)井漏的影響圖

（3）鉆井液流變性對(duì)井漏的影響。從圖6可見(jiàn)，流型指數(shù)越小，同一時(shí)刻壓力影響距離越大。這表明鉆井液的流型指數(shù)越小漏失程度越嚴(yán)重，當(dāng)發(fā)生井漏時(shí)，應(yīng)將流型指數(shù)值盡可能調(diào)節(jié)到有利于抑制井漏的范圍。圖7顯示了鉆井液黏度對(duì)井漏的影響。從圖7可以看到，粘度越大，井漏的影響范圍越小。通常情況下，粘度較大時(shí)，對(duì)防止井漏或減輕井漏是有益的，但并非粘度越大越好，在實(shí)際鉆井過(guò)程中，過(guò)大的粘度將會(huì)使得循環(huán)壓力過(guò)高，從而使薄弱地層產(chǎn)生人為裂縫，引起更大的漏失。因此，在易漏地層，充分考慮鉆井液其他流變性質(zhì)條件下應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鉆井液的粘度值，以防止井漏的發(fā)生或加劇。

鉆井液的流變性能對(duì)于地層井漏影響甚為嚴(yán)重。尤其是壓力敏感性地層，應(yīng)該考慮鉆井液性能對(duì)地層的適應(yīng)性，這是人為因素，可以避免的。

（4）地層因素對(duì)井漏的影響。在鉆井過(guò)程中，地層孔隙度、滲透率都是客觀存在的地層因素，雖然不易改變，但他們對(duì)井漏也具有重要的影響。圖8為地層滲透率對(duì)井漏的影響。在其他條件一定的情況下，滲透率越大，地層的漏失更加嚴(yán)重；孔隙度卻與之相反，通常，孔隙度越小，一旦發(fā)生漏失，其程度反而越嚴(yán)重，這一點(diǎn)可以從圖9的2條曲線可以看出。

圖6 流型指數(shù)對(duì)井漏的影響圖

圖7 粘度對(duì)井漏的影響圖

圖8 滲透率對(duì)井漏的影響圖

圖9 孔隙度對(duì)井漏的影響圖

（5）漏失速率對(duì)井漏的影響。鉆井液一旦發(fā)生了漏失，漏失速率反映了漏失嚴(yán)重程度。一般來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生了井漏，漏速越大，漏失越嚴(yán)重。圖10說(shuō)明了漏速大小對(duì)漏失徑向長(zhǎng)度的影響并不是很?chē)?yán)重，它往往加劇了裂縫的寬度，使得漏失在縱向上漏失更加嚴(yán)重，使漏失縱向范圍擴(kuò)大，鉆井液的漏速越大，當(dāng)?shù)貙訅毫υ黾釉娇?，漏失寬度增大的可能性越大，井漏?yán)重度隨之增加。這也就是裂縫寬度作為評(píng)價(jià)漏層性質(zhì)和判斷井漏嚴(yán)重程度的一個(gè)主要參數(shù)的主要原因。因此，堵漏就應(yīng)當(dāng)從裂縫開(kāi)口處著手。

圖10 漏速對(duì)井漏的影響圖

5 結(jié)論

（1）準(zhǔn)南復(fù)雜構(gòu)造地層破碎、傾角大，具有高滲透性漏失特征，地層特性、鉆井液性能、鉆井施工參數(shù)對(duì)漏失嚴(yán)重程度具有明顯影響。研究表明，壓差起著決定性作用，其次是鉆井液的性能，井眼大小次之。地層因素對(duì)井漏的影響不可忽視。

（2）加強(qiáng)壓力控制，降低液柱壓力，有助于控制井漏。通過(guò)降低循環(huán)壓耗（降排量、降泵壓）對(duì)山前破碎性、高滲透性地層漏失的預(yù)防的明顯效果；鉆進(jìn)時(shí)近平衡，起鉆計(jì)算平衡點(diǎn)，吊罐或控制溢漏，對(duì)窄壓力窗口壓力敏感性地層井漏有一定的效果。

（3）對(duì)于準(zhǔn)南復(fù)雜構(gòu)造地層的井漏可采取提高地層破裂壓力的技術(shù)措施。山前構(gòu)造當(dāng)井眼附近的裂縫被(橋堵、水泥、聚合物等)封堵后，張力轉(zhuǎn)換成了壓縮力，井眼整體承壓能力提高了，即提高了地層破裂壓裂梯度，可以使用更大范圍的鉆井液密度，即擴(kuò)寬了鉆井液密度窗口，有利于防漏堵漏。

[1]胥永杰.四川盆地高陡構(gòu)造碳酸鹽巖鉆井技術(shù)發(fā)展方向[J].天然氣工業(yè)，2000,20(3).

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表1 熱洗前后參數(shù)對(duì)比表

（1）自噴井常采用機(jī)械清蠟技術(shù)，日常做好壓力、溫度和產(chǎn)量的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)結(jié)蠟及時(shí)采取措施，在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，要保持一定的油流速度，避免清除的蠟堵塞地層。

（2）熱洗是抽油機(jī)井最直接、最有效的清蠟手段，但熱洗有效期較短，對(duì)含水影響較大，因此配合使用化學(xué)清蠟藥劑效果更好。

（3）各種清蠟技術(shù)存在優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)油井的含水、結(jié)蠟等情況選擇適當(dāng)?shù)那逑灱夹g(shù)，這樣才能對(duì)清蠟達(dá)到經(jīng)濟(jì)滿意的效果。

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TE254

A

1004-5716(2015)08-0069-05

2014-09-05

王鑫（1989-），男（漢族），四川仁壽人，助理工程師，現(xiàn)從事石油工程領(lǐng)域工作。