基于量綱分析的瀝青鉆井液重力置換規(guī)律研究

路保平，趙向陽，肖 東，李 皋，趙小祥

(1中國石化石油工程技術(shù)研究院 2“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))

雅達(dá)油田裂縫性地層鉆井液—瀝青置換規(guī)律涉及瀝青侵入井筒和鉆井液漏失進(jìn)入地層兩個(gè)過程，關(guān)于裂縫內(nèi)液液置換雙向流動(dòng)問題，國內(nèi)外研究的較少，發(fā)表較多的是鉆井液在裂縫內(nèi)的流動(dòng)模型、單純漏失模型和平板縫實(shí)驗(yàn)研究。但上述研究及試驗(yàn)過程中都是采用平板縫或者平板黏砂來模擬真實(shí)裂縫，當(dāng)裂縫寬度較小時(shí)，不能真實(shí)反映流體在裂縫中的流動(dòng)形態(tài)且缺乏定量描述。為此，本文基于真實(shí)裂縫的可視化液液置換試驗(yàn)裝置，基于量綱分析理論，開展了液液可視化置換試驗(yàn)，分析了置換發(fā)生的條件、發(fā)展規(guī)律、影響置換量的因素，可為裂縫性地層安全鉆井提供理論指導(dǎo)[1-3]。

一、液液置換發(fā)生的條件及影響因素

重力置換式溢漏同存與多壓力系統(tǒng)的溢漏同存不同[4-5]，其發(fā)生應(yīng)具備三個(gè)條件：地層有使鉆井液從井眼流入地層的裂縫通道；當(dāng)漏失量比較大時(shí)，地層中有足夠大的空間容納漏失的鉆井液；井筒壓力處于重力置換窗口(圖1)：

pm+p張

(1)

置換界面未穩(wěn)定前影響液液置換量的因素為：

圖1 裂縫性地層瀝青鉆井液重力置換示意圖

Q=f(Δp,Δρ,Δμ,L,b,h,ε,σ)

(2)

式中：Q—置換量，m3/s；Δp—裂縫兩端壓差，Pa；Δρ—鉆井液與瀝青的密度差，kg/m3；Δμ—鉆井液及瀝青的黏度差，Pa·s；L，b，h，ε—分別為裂縫的長、寬、高及表面粗糙度，m；σ—液液表面張力系數(shù)，N/m。

二、瀝青鉆井液重力置換實(shí)驗(yàn)的量綱分析

量綱分析[6-7]是20世紀(jì)初提出的在物理領(lǐng)域中建立數(shù)學(xué)模型的一種方法。量綱分析是對(duì)物理現(xiàn)象或問題所涉及的物理量的屬性進(jìn)行分析，根據(jù)量綱和諧性原理建立因果關(guān)系的方法。

若通過正交實(shí)驗(yàn)，通過逐個(gè)變量變動(dòng)來獲得變量的依變關(guān)系，實(shí)驗(yàn)任務(wù)十分繁重。而且，即使進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也將因變量太多，無法得到一個(gè)具有普遍意義的計(jì)算公式。但是，如果采用量綱分析法，以無量綱數(shù)群作為新的變量組織實(shí)驗(yàn)，會(huì)大大減輕實(shí)驗(yàn)工作量，所得結(jié)果可以推廣應(yīng)用到與實(shí)驗(yàn)系數(shù)相似條件下的相似物理現(xiàn)象中。

由前所述，影響液液置換量的因素可由式(2)表達(dá)。為了便于實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及加工，在裂縫的幾何尺寸中，僅改變裂縫的寬度，其長、高與表面粗糙度設(shè)為定值。此外，液液表面張力由于兩相流體性質(zhì)改變不大，其僅在極小的一個(gè)范圍內(nèi)變化，也不予考慮，因此式(2)可簡化為：

Q=f(Δp,Δρ,Δμ,b)

(3)

依據(jù)量綱分析原理，可以組成由2個(gè)無量綱數(shù)所構(gòu)成的準(zhǔn)則方程：

L3T-1=abcLd

(4)

根據(jù)量綱和諧性原理，可得：

(5)

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，有：

(6)

三、瀝青鉆井液重力置換實(shí)驗(yàn)

1.瀝青鉆井液重力置換實(shí)驗(yàn)裝置

基于上述量綱分析的思路，本文通過掃描現(xiàn)場實(shí)際露頭裂縫，構(gòu)建真實(shí)的裂縫空間，同時(shí)設(shè)計(jì)并建造了一套基于真實(shí)裂縫空間的可視化井筒—地層耦合流動(dòng)試驗(yàn)裝置，該裝置高6 m、直徑0.15 m，裂縫尺寸0.5 m高×1 m長，工作壓力0.5 MPa。整個(gè)裝置主要由井筒—裂縫—地層系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個(gè)部分組成。相對(duì)于前人研制的類似裝置[8]，本裝置的特點(diǎn)是裂縫模塊中安裝有真實(shí)裂縫縫板，裂縫流動(dòng)空間與真實(shí)裂縫一致，而并非采用一般的平板或平板黏砂來模擬裂縫流動(dòng)。因此通過傳感器測量和可視化觀測所得到的數(shù)據(jù)更加接近井下地層裂縫的實(shí)際情況。

2.實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行縫寬、鉆井液密度、鉆井液黏度、瀝青黏度四種不同參數(shù)變化下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，以3%膨潤土+清水為鉆井液基液，通過向基液中加入CaCl2調(diào)整鉆井液的密度，加入CMC調(diào)整鉆井液的黏度。

3.典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

裂縫內(nèi)存在兩相分界面是重力置換式溢漏同存的重要特征，在模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到了該現(xiàn)象，如圖2。不同工況下，其分界面顯著不同，監(jiān)測的壓差、置換量也顯著不同。在改變鉆井液黏度，瀝青黏度、密度及裂縫寬度等因素的條件下，兩相分界面也呈現(xiàn)出類似的狀況。

圖2 鉆井液密度為1 030 kg/m3的液液置換

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及處理

(7)

即待定指數(shù)n=1.1355，待定系數(shù)k=8.93968，即上述兩無量綱數(shù)的準(zhǔn)則方程為：

(8)

四、瀝青鉆井液重力置換規(guī)律研究

1. 裂縫寬度的影響

調(diào)整鉆井液的密度為1 040 kg/m3，瀝青的密度為840 kg/m3，即兩者的密度差為200 kg/m3；取瀝青的黏度為3.742 Pa·s，鉆井液的黏度為0.03 Pa·s，即兩者的黏度差為3.712 Pa·s；置換壓差區(qū)間為0～0.1 MPa，分別取縫寬為1 mm、2 mm、4 mm、8 mm、10 mm，置換量隨壓差的變化曲線如圖3所示。

圖3 縫寬對(duì)置換量的影響

由圖3可知，裂縫寬度對(duì)置換量的影響非常大，隨著裂縫寬度的增加，置換量不斷增加；在縫寬很小(<4 mm)時(shí)，隨裂縫兩端壓差的增大，置換量的增量很少，裂縫寬度影響有限；當(dāng)裂縫寬度達(dá)到8～10 mm時(shí)，置換量急劇增加，且隨著壓差增加，其上升的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小縫寬的情況。以上結(jié)果表明，在鉆遇大縫寬裂縫時(shí)，一方面，采用控壓鉆井，保持井筒和地層的微小壓差是減小置換量的有力措施；另一方面，通過添加堵漏劑，減小裂縫有效寬度可大大降低置換量。

圖4 密度差對(duì)置換量的影響

2. 密度差的影響

取鉆井液與瀝青的密度差分別為100 kg/m3、200 kg/m3、500 kg/m3、800 kg/m3、1 000 kg/m3，黏度差為3.742 Pa·s，置換區(qū)間壓差為0～0.1 MPa，當(dāng)鉆遇1 mm的小寬度裂縫時(shí)，置換量隨壓差的變化曲線如圖4所示。隨著鉆井液與瀝青密度差增大，其置換量將增加。當(dāng)遇到重力置換式的漏噴同存時(shí)，可通過降低鉆井液密度的方式，使兩種流體密度差減小。但采用此種方式的影響有限，尤其針對(duì)氣藏，由于兩者的密度差較大，若通過改變鉆井液密度的方式來影響置換量不會(huì)取得較好效果。

3. 黏度差的影響

調(diào)整鉆井液與瀝青的密度差為200 kg/m3，縫寬為1 mm，置換區(qū)間壓差為為0～0.1 MPa，瀝青與鉆井液的黏度差為分別取0.05 Pa·s、0.1 Pa·s、0.224 Pa·s、3.712 Pa·s及4.99 4 Pa·s。置換量隨壓差的變化曲線如圖5所示。

圖5 黏度差對(duì)置換量的影響

由圖5可知，隨著瀝青與鉆井液黏度差的增大，置換量將顯著減小，尤其從低黏度差到高黏度差，減小的幅度更大。當(dāng)黏度差大到一定程度，對(duì)置換量的影響極小，如圖5中的黏度差從3.712 Pa·s到4.994 Pa·s的兩條曲線已接近重合。以上結(jié)果表明，增大鉆井液黏度，尤其針對(duì)低黏鉆井液，可以減小置換量，但是鉆井液黏度的增加將導(dǎo)致井筒壓耗的增加，因此不建議將調(diào)節(jié)鉆井液的黏度作為減小置換量的主要手段。

五、瀝青綜合防控技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

液液置換規(guī)律表明，定容條件下裂縫寬度、鉆井液與地層流體的密度差與黏度差是影響液—液置換的主控因素，等ECD情況下，采用低密度鉆井液+回壓的方式比使用高密度鉆井液置換量小。本文創(chuàng)新提出了“以堵代壓”的瀝青侵害防控思路，見圖6。

A井采用MPD配套技術(shù)成功鉆穿瀝青層，進(jìn)尺371.5 m，相比F13井節(jié)省費(fèi)用400萬美元；實(shí)現(xiàn)了控壓鉆進(jìn)、接立柱、起下鉆、控壓堵漏、下套管、注水泥等工藝，為瀝青層安全鉆進(jìn)找到了一種有效的應(yīng)對(duì)措施。B井克服了瀝青侵入嚴(yán)重、鉆井液失返性漏失、硫化氫含量超高等困難，最后采用壓力鉆井液帽鉆井，成功鉆穿瀝青層。C井采用瀝青固化技術(shù)，瀝青損害鉆井液量顯著降低。

圖6 瀝青層安全鉆井綜合防控流程

六、結(jié)論與建議

(1)重力置換窗口由井筒壓力、地層壓力、置換界面、鉆井液與瀝青的密度差、縫內(nèi)摩阻、液液界面張力共同決定，而縫內(nèi)摩阻取決于縫長、縫寬、置換流體的物性。在地層定壓條件下，井筒和地層壓力必須處于置換區(qū)間才能發(fā)生重力置換現(xiàn)象；在液液定容條件下，由于有密度差存在，加上裂縫垂向上有一定延伸，隨著時(shí)間的增加會(huì)發(fā)生置換現(xiàn)象，且鉆井液與地層流體密度差越大，置換越明顯。

(2)通過量綱分析，結(jié)合重力置換室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了瀝青鉆井液重力置換的置換量計(jì)算的準(zhǔn)則方程，通過量綱分析理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出了液液置換的數(shù)學(xué)模型。裂縫兩端的壓差仍是置換發(fā)生的主要原因，而鉆井液與地層流體的密度差與黏度差是導(dǎo)致裂縫兩端壓差的主控因素，隨著鉆井液進(jìn)入裂縫或地層流體進(jìn)入井筒，定容性活躍流體地層的置換量將隨時(shí)間減小，當(dāng)兩端壓力趨于平衡時(shí)，置換停止。

(3)提出了“化學(xué)封堵+控壓鉆井+物理阻隔”的綜合防控技術(shù)，采用堵漏作業(yè)(改變裂縫寬度)、提高鉆井液黏度(減少黏度差)以降低置換現(xiàn)象。控壓鉆井時(shí)，在保證井控安全下，合理控制回壓；現(xiàn)場盡可能采用低密度鉆井液，減少密度差進(jìn)而減少置換，同時(shí)施加一定的回壓保證井控安全。