高壓鹽水層控壓放水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

梁紅軍， 李 軍， 李衛(wèi)東， 楊宏偉， 賈紅軍， 黃 濤

(1中國(guó)石油塔里木油田公司 2中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院·北京)

近年來(lái)，克拉蘇構(gòu)造帶鉆高壓鹽水層溢流的井?dāng)?shù)總體呈上升趨勢(shì)，2009～2018年克拉蘇構(gòu)造帶發(fā)生高壓鹽水溢流井29口，占鉆井總數(shù)的25%以上，共漏失鉆井液上萬(wàn)方，累計(jì)損失時(shí)間上千天，損失鉆井費(fèi)用超億元[1-3]。控壓放水工藝技術(shù)可以有效地解決上述問(wèn)題，但目前該技術(shù)僅處于探索狀態(tài)，缺乏適應(yīng)性評(píng)價(jià)技術(shù)體系。田徑[4]最早提出了一種放噴卸壓技術(shù)，為控壓放水技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但該技術(shù)需要采用特殊的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)效益差；程天輝[5]首次詳細(xì)的介紹了控壓放水技術(shù)在克深905井的成功應(yīng)用，但其結(jié)果缺乏理論支撐。

為了探究控壓放水過(guò)程中地層壓力和排水量之間的關(guān)系，以及地層滲透率、井底負(fù)壓差、回壓對(duì)地層壓力和排水量的影響，根據(jù)鹽間水層透鏡體的圈閉特性，本文建立了一套控壓放水室內(nèi)試驗(yàn)裝置。通過(guò)改變滲透率、井底負(fù)壓差、回壓等參數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量地層壓力和排水量的變化，分析地層壓力與排水量之間的關(guān)系，以便為控壓放水的方案制定和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供參考。

一、控壓放水實(shí)驗(yàn)裝置

高壓鹽水層透鏡體通常屬于小的圈閉，采用合理的防水方式可以降低鹽間水層透鏡體的壓力系數(shù)。因此本文采用一個(gè)大型水罐來(lái)模擬含水透鏡體，通過(guò)向大型水罐中注入水和高壓氣體來(lái)模擬高壓鹽水。不同地層的滲透率通過(guò)一個(gè)節(jié)流閥的不同開(kāi)度來(lái)模擬，井底壓差和井口回壓也通過(guò)節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)施加。控壓放水實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 控壓放水實(shí)驗(yàn)原理圖

V1—地層滲透率；V2—施加井筒壓力；V3—施加井口回壓；p1—地層壓力；p2—井筒壓力；p3—井口回壓；Q1—排水量

控壓放水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中主要的實(shí)驗(yàn)裝置有：空氣壓縮機(jī)、大型水罐、水罐、壓力傳感器、流量傳感器、節(jié)流閥和采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的采集放水過(guò)程中各個(gè)壓力傳感器和流體傳感器的數(shù)據(jù)。

控壓放水過(guò)程中，地層壓力和排水量與地層滲透率、井底負(fù)壓差和井口回壓有關(guān)，這些參數(shù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都通過(guò)節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制其中一個(gè)參數(shù)變化，其他參數(shù)不變來(lái)探究地層壓力和排水量的變化。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 滲透率影響實(shí)驗(yàn)

在其他條件相同的情況下，設(shè)置不同的地層滲透率，放出相同水量的過(guò)程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關(guān)系的變化曲線如圖2～圖4所示。

圖2 不同滲透率條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力的變化

圖3 不同滲透率條件下放出相同水量的過(guò)程中放水速率的變化

圖4 不同滲透率條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力隨排水量的變化

圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著地層滲透率的增加，地層壓力降低速率和放水速率顯著增加，但其對(duì)時(shí)間的敏感性逐漸降低。這主要是因?yàn)樵诟邼B透率的地層中，地層滲流阻力小，流體流動(dòng)性好，所以排水速率較高；由于地層含水量與地層壓力的耦合關(guān)系，出水速率較高導(dǎo)致地層壓力降低速率也增加。此外，由圖4可知地層滲透率僅對(duì)地層壓力降低速率有影響，而對(duì)地層壓力降低的量影響較小，地層壓力降低的幅度主要取決于排水量。

2. 井底負(fù)壓差影響實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，不同井底負(fù)壓差是通過(guò)在相同的地層壓力下設(shè)計(jì)不同的井筒壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在調(diào)節(jié)井筒壓力的過(guò)程中保持其他參數(shù)不變，放出相同水量的過(guò)程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關(guān)系的變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 不同井底負(fù)壓差條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力的變化

圖6 不同井底負(fù)壓差條件下放出相同水量的過(guò)程中放水速率的變化

圖7 不同井底負(fù)壓差條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力隨排水量的變化

圖5～圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井底負(fù)壓差越大，排水速率越大，地層壓力的下降速度和幅度都會(huì)更大。但在相同排水量的條件下，地層壓力的降低幅度無(wú)法確定，還要取決于滲透率和孔隙度決定的地層滲流阻力。

3.回壓影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中井口回壓的控制通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)V3實(shí)現(xiàn)。放出相同水量的過(guò)程中地層壓力、放水速率以及排水量與地層壓力之間關(guān)系的變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 不同井口回壓條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力的變化

圖9 不同井口回壓條件下放出相同水量的過(guò)程中放水速率的變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井口回壓越小，在放水過(guò)程中排水速率越大。井口回壓對(duì)地層壓力變化的影響不明顯，但在相同排水量的條件下，井口回壓越小，壓力下降幅度越大。

圖10 不同井口回壓條件下放出相同水量的過(guò)程中地層壓力隨排水量的變化

三、結(jié)論

(1)建立了控壓放水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，以此來(lái)探究排水量和地層壓力變化的關(guān)系，以及地層滲透率、井底負(fù)壓差和井口回壓對(duì)排水量和地層壓力變化的影響。

(2)地層滲透率、井底負(fù)壓差對(duì)排水量和地層壓力的變化速率影響較大，而對(duì)地層壓力的變化量影響較??；地層壓力的變化量主要取決于放水量。

(3)由于回壓的調(diào)節(jié)范圍有限，所以其對(duì)地層壓力的降低速率和降低量影響較小，但會(huì)對(duì)放水速率有一定的影響。這也表明放水速率對(duì)壓力的敏感性較高。