順南區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層置換式氣侵影響因素研究

黃國平，何世明，湯 明，劉 洋，雷 鳴

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500；2.中國石化西北油田分公司企業(yè)管理處，新疆烏魯木齊 830011；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間 062465)

塔河油田順南區(qū)塊塔中北坡奧陶系鷹山組上段屬于碳酸鹽巖裂縫孔洞型儲(chǔ)層[1]，具有裂縫和孔洞發(fā)育、分布規(guī)律復(fù)雜、埋藏深和溫度高等特點(diǎn)，埋深達(dá)7 200.00 m，溫度最高達(dá)200 ℃，壓力高達(dá)180 MPa。鉆進(jìn)鷹山組上段過程中氣侵嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)常采用提高鉆井液密度和循環(huán)排氣的方式來處理氣侵，但在高密度鉆井液條件下易發(fā)生漏失，循環(huán)排氣方式處理時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致鉆井時(shí)效低，作業(yè)成本增加，其中部分井氣侵導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況處理時(shí)間接近3個(gè)月，超過全井鉆井周期的1/5，儲(chǔ)層段鉆井時(shí)效低至7.06%，嚴(yán)重制約著該區(qū)塊碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發(fā)進(jìn)程。因此，有必要深入分析順南區(qū)塊鷹山組上段的氣侵問題，以找到解決該問題的合理有效的工程技術(shù)措施。筆者結(jié)合順南區(qū)塊前期及周邊的現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料[2]，分析了測(cè)井、地質(zhì)資料，初步明確了鷹山組地層的裂縫特征及分布情況，認(rèn)為該地層以置換式氣侵為主；建立了漏失速率模型與氣液置換式氣侵模型，分析了裂縫寬度、高度、長(zhǎng)度，地層壓力、壓差及鉆井液黏度、密度對(duì)發(fā)生氣侵所需要時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱氣侵發(fā)生時(shí)間)的影響。

1 置換式氣侵模型的建立

置換式氣侵的發(fā)生主要與裂縫特征相關(guān)。從大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外研究結(jié)果可知[2_3]，所有裂縫類型中發(fā)生置換式氣侵且對(duì)鉆井安全影響較大的多為垂直裂縫，目前在鉆進(jìn)這類裂縫地層時(shí)，多采用近平衡或平衡壓力鉆井技術(shù)，當(dāng)鉆遇垂直裂縫時(shí)，由于鉆井液與氣體密度相差懸殊，鉆井液將沿裂縫下端進(jìn)入地層，發(fā)生漏失現(xiàn)象，一般漏失量較小，現(xiàn)場(chǎng)不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。為此，筆者建立了單條裂縫的漏失模型[4]，并建立了體現(xiàn)單條裂縫中鉆井液漏失速率與裂縫寬度、裂縫高度、裂縫長(zhǎng)度、鉆井液密度和黏度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；同時(shí)，基于克拉伯龍方程，考慮氣體壓力變化和侵入量等的影響，建立了壓差作用下侵入裂縫鉆井液體積的模型，迭代求解出地層置換式氣侵發(fā)生時(shí)間，以期為置換式氣侵發(fā)生時(shí)間影響因素分析提供理論基礎(chǔ)。

1.1 漏失速率模型

假設(shè)鉆遇單條垂直裂縫，鉆井液為牛頓流體，在壓差作用下鉆井液發(fā)生漏失[5]，則其幾何模型如圖1所示。

根據(jù)牛頓流體在裂縫中流動(dòng)的平板流理論，建立了體現(xiàn)單條裂縫中鉆井液漏失速率與裂縫寬度、裂縫高度、裂縫長(zhǎng)度、鉆井液密度和黏度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

(1)

圖1 單條裂縫漏失幾何模型Fig.1 Geometric model of single fracture leakage

式中：Q為單條裂縫中鉆井液的漏失速率，m3/s；H為裂縫垂直高度，m；w為裂縫寬度，m；μ為鉆井液表觀黏度，Pa·s；pw為鉆井液有效液柱壓力，MPa；p1為裂縫中氣體被壓縮后的壓力，MPa；L為裂縫長(zhǎng)度，m；ρ為鉆井液密度，kg/m3。

1.2 氣液置換式氣侵模型

鉆井液侵入前，裂縫中的氣體(天然氣)具有可壓縮性，其壓力、溫度、體積參數(shù)滿足理想氣體狀態(tài)方程：

pV=nRT

(2)

式中：p為理想氣體的壓力，MPa；V為理想氣體的體積，m3；n為理想氣體物質(zhì)的量，mol；R為理想氣體常數(shù)，m3·Pa/(mol·K)；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度，K。

結(jié)合實(shí)際，井深一定時(shí)，地層溫度在裂縫中氣體被壓縮前后的變化非常小，可以近似認(rèn)為是不變的，因此有：

p0V0=p1V1

(3)

式中：p0為裂縫中氣體受到的原始?jí)毫Γ琈Pa；V0為裂縫中氣體的原始體積，m3；V1為裂縫中氣體壓縮后的體積，m3。

在實(shí)際鉆井中，當(dāng)鉆遇裂縫時(shí)，由于正壓差作用，鉆井液進(jìn)入裂縫，占據(jù)了裂縫空間，壓縮了地層氣體，引起裂縫內(nèi)壓力變化，因此有：

V1=V0-Vf

(4)

式中:Vf為在壓差作用下ts時(shí)刻鉆井液侵入裂縫的體積，m3。

Vf可以表示為：

(5)

式中：ts為鉆井液漏失時(shí)間，s。

將式(1)代入式(5)，可得：

(6)

再由式(3)、式(4)可得：

(7)

由式(7)可知，鉆井過程中只要鉆井液侵入裂縫地層，必然會(huì)導(dǎo)致裂縫地層中氣體壓力上升，裂縫空間越小，對(duì)鉆井液侵入越敏感，裂縫中氣體壓力變化幅度越大；如果裂縫空間體積較大，則對(duì)鉆井液侵入的敏感度較低，在鉆井液侵入量少的情況下，裂縫中氣體的壓力不會(huì)顯著升高。

結(jié)合式(6)、式(7)可知，當(dāng)裂縫內(nèi)壓力p1大于井底壓力pw時(shí)，才會(huì)開始出現(xiàn)氣液置換現(xiàn)象，所以p1=pw是發(fā)生氣液置換現(xiàn)象的臨界點(diǎn)。由此可得開始發(fā)生置換時(shí)的漏失量為：

(8)

其中

V0=LHw

(9)

結(jié)合式(6)—式(8)，可以利用迭代法求解出地層發(fā)生置換式氣侵所需要的時(shí)間。

地層發(fā)生置換式氣侵的時(shí)間與鉆井液發(fā)生漏失的時(shí)間直接相關(guān)，氣侵發(fā)生時(shí)間的長(zhǎng)短與裂縫的深度、寬度、高度，鉆井液密度，裂縫原始?jí)毫σ约坝行б褐鶋翰畹葏?shù)息息相關(guān)。

2 置換式氣侵發(fā)生時(shí)間影響因素分析

裂縫性地層發(fā)生氣液置換式氣侵，是由于井筒內(nèi)鉆井液在正壓差作用下進(jìn)入裂縫，占據(jù)裂縫空間，壓縮裂縫內(nèi)氣體，使裂縫內(nèi)壓力升高[6]。裂縫性地層氣液置換現(xiàn)象受諸多因素的影響，如鉆井液漏失速度、垂直裂縫的幾何特征和鉆井液流變性能[7]。所以，在前述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在其他參數(shù)不變的情況下，分別分析了裂縫寬度、高度、長(zhǎng)度,鉆井液的黏度、密度及裂縫地層壓力、壓差對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律。

2.1 裂縫寬度

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其高度為3.00 m，長(zhǎng)度為5.00 m，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫寬度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 裂縫寬度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.2 The effect of fracture width on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖2可以看出，裂縫寬度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響非常明顯，裂縫越寬，越容易發(fā)生置換式氣侵，氣侵發(fā)生時(shí)間越短。

2.2 裂縫高度

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長(zhǎng)度為5.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫高度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 裂縫高度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.3 The effect of fracture height on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖3可以看出，隨著裂縫高度增大，氣侵發(fā)生時(shí)間增長(zhǎng)幅度較小，且隨著裂縫高度的不斷增大，氣侵發(fā)生時(shí)間趨于平穩(wěn)。

2.3 裂縫長(zhǎng)度

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫長(zhǎng)度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 裂縫長(zhǎng)度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.4 The effect of fracture length on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖4可以看出，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，氣侵發(fā)生時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)幅度較大；裂縫長(zhǎng)度越大，氣侵發(fā)生時(shí)間越長(zhǎng)。

2.4 鉆井液黏度

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長(zhǎng)度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析鉆井液黏度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 鉆井液黏度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.5 The effect of drilling fluid viscosity on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖5可以看出，隨著鉆井液黏度升高，氣侵發(fā)生時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，黏度越大，氣侵發(fā)生時(shí)間越長(zhǎng)。

2.5 鉆井液密度

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長(zhǎng)度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析鉆井液密度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆井液密度對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.6 The effect of drilling fluid density on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖6可以看出，隨著鉆井液密度升高，氣侵發(fā)生時(shí)間縮短；密度越高，氣侵發(fā)生時(shí)間越短，氣侵會(huì)加速。由此可知，提高鉆井液密度不但不能緩解氣侵，還會(huì)促使氣侵速度加快。

2.6 裂縫地層壓力

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長(zhǎng)度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析地層壓力對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。

圖7 地層壓力對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.7 The effect of formation pressure on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖7可以看出，隨著地層壓力升高，氣侵發(fā)生時(shí)間逐漸縮短，在壓力較高地層，氣侵相對(duì)容易發(fā)生。

2.7 壓差

假設(shè)在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長(zhǎng)度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，分析壓差對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

圖8 壓差對(duì)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響Fig.8 The effect of pressure difference on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖8可以看出，隨著壓差增大，氣侵發(fā)生時(shí)間增長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中出現(xiàn)了靜止后循環(huán)全烴值高、排氣時(shí)間長(zhǎng)的情況，充分證明減小壓差可以導(dǎo)致氣侵加速。

通過上述置換式氣侵發(fā)生時(shí)間影響因素分析可知：1)置換式氣侵發(fā)生時(shí)間一般較短；2)漏失速率越大，氣侵發(fā)生越快；3)所有因素中裂縫寬度因素的影響最為顯著，裂縫寬度越大氣侵越快；4)其他影響較大的因素有鉆井液黏度、鉆井液密度、地層壓力及壓差。

3 結(jié)論與建議

1) 順南區(qū)塊鉆進(jìn)鷹山組上段地層時(shí)存在氣侵嚴(yán)重、高密度鉆井液易發(fā)生漏失等問題，建立了漏失速率模型與氣液置換式氣侵模型，并利用該模型分析了該區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層的置換式氣侵發(fā)生時(shí)間影響因素。

2) 裂縫性儲(chǔ)層置換式氣侵發(fā)生時(shí)間的影響規(guī)律為：裂縫寬度越小、高度和長(zhǎng)度越大，鉆井液黏度越大、密度越小，地層壓力越低、壓差越大，氣侵發(fā)生時(shí)間越長(zhǎng)。

3) 鉆井液密度和作業(yè)壓差是影響鉆進(jìn)穩(wěn)定性的主要因素，鉆進(jìn)順南區(qū)塊鷹山組上段地層時(shí)建議采取合理控制鉆井液密度和壓差的工程技術(shù)措施，減小并控制置換式氣侵速度。