氣侵條件下裂縫性地層漏失模擬實(shí)驗(yàn)

齊 彪，方俊偉，朱立鑫，黃勝銘，張 俊，黃維安*

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石油化工股份有限公司縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，青島 266580)

裂縫性地層鉆進(jìn)過程中，常伴隨有氣侵現(xiàn)象，深部地層裂縫內(nèi)高溫高壓氣體侵入井筒的同時(shí)，鉆井液大量漏失進(jìn)入裂縫，引發(fā)嚴(yán)重的井漏及儲(chǔ)層損害問題，阻礙了裂縫性油氣藏的安全鉆探及高效開發(fā)[1-3]。順北區(qū)塊受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂特征明顯，地層孔縫發(fā)育，鉆井過程中漏溢同存現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的勘探開發(fā)進(jìn)程。隨著裂縫性油氣藏勘探開發(fā)的不斷進(jìn)行，裂縫性地層的漏失和氣侵并存現(xiàn)象以及兩者之間的相互影響研究，逐漸受到石油行業(yè)的重視[4-8]。Vavik等[9]通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，探究了溫度變化對(duì)碳酸鹽巖地層漏失與氣侵的影響。張興全等[10]基于氣液兩相流理論建立了井筒氣侵模型，分析了不同井底氣侵方式，并提出了重力置換氣侵與欠平衡氣侵的判定方法。方俊偉等[11]通過建立多相流模型，研究了不同鉆井液條件下的氣液兩相置換模擬。楊順輝等[12]研制了一套具有真實(shí)裂縫空間的可視化井筒-地層耦合流動(dòng)裝置，模擬地層定容和定壓情況下鉆井液與地層流體在真實(shí)裂縫中的耦合流動(dòng)狀態(tài)。

目前中外對(duì)漏失與氣侵同存過程中氣液置換現(xiàn)象研究較少，基本停留在置換機(jī)理的數(shù)值模擬分析，缺乏室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的定量化研究。為此，現(xiàn)針對(duì)順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層氣侵和漏失嚴(yán)重問題，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究的基礎(chǔ)上，分析氣侵條件下鉆井液在裂縫中的漏失規(guī)律，探究氣侵對(duì)裂縫性地層鉆井液漏失的影響，為后續(xù)裂縫性油氣藏開采工作提供理論借鑒。

1 順北區(qū)塊地質(zhì)及其氣侵和漏失狀況

1.1 順北區(qū)塊地質(zhì)背景

塔里木盆地順北區(qū)塊位于新疆沙雅縣境內(nèi)，其構(gòu)造位置在順托果勒低隆的北部，處于阿瓦提、滿加爾坳陷與沙雅隆起的結(jié)合部，構(gòu)造位置有利，油源充足，是油氣長(zhǎng)期運(yùn)移聚集的有利區(qū)域，如圖1所示。近年來(lái)，沙雅隆起南坡奧陶系油氣勘探不斷取得新進(jìn)展，在順北區(qū)塊的周邊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了哈拉哈塘、英買2、托甫臺(tái)、躍參、躍滿等多個(gè)海相油氣藏。其中，躍參區(qū)塊奧陶系已經(jīng)建成了20×104t的產(chǎn)能陣地。2015年以來(lái)，部署在順北區(qū)塊主干斷裂帶上的10余口井均發(fā)生鉆井液漏失，測(cè)試均獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，表明順北區(qū)塊油氣成藏條件優(yōu)越，具備良好的勘探前景，主干斷裂帶是油氣富集最有利區(qū)。綜合鉆井、巖心、成像測(cè)井等資料，順北地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層類型為沿大斷裂發(fā)育的裂縫-洞穴型儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間類型可劃分為洞穴、構(gòu)造溶蝕縫、構(gòu)造縫，基質(zhì)溶孔、晶間孔。

圖1 塔里木盆地順北區(qū)塊地理位置

1.2 順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層氣侵狀況

順北區(qū)塊諸多井位在鉆進(jìn)過程中，發(fā)生了氣侵，造成了井下復(fù)雜情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，通過立壓和套壓的變化、入口及出口鉆井液密度的變化、井口發(fā)生溢流現(xiàn)象，分析氣侵的相關(guān)參數(shù)。氣侵的速度很難得到，只能通過溢流速度間接推得氣侵的大概范圍。通過已鉆井資料得到氣侵溢流的速度范圍為0.1～2 m3/h，套壓的增量為2～5 MPa。實(shí)際氣體進(jìn)入井筒后除與鉆井液混相外，還存在氣體溶解等現(xiàn)象，因此溢流的流速小于實(shí)際發(fā)生氣侵的氣體侵入速度。不同井位不同深度的氣侵狀況并不一樣，情況較為復(fù)雜，且氣侵導(dǎo)致的溢流等復(fù)雜現(xiàn)象存在滯后性，需要以發(fā)生溢流的時(shí)間和井深向前推移?？紤]井下不同層位的地質(zhì)構(gòu)造中壓力分布不均，順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層中的氣侵主要包含有重力置換氣侵和負(fù)壓氣侵。

1.3 順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失分析

順北區(qū)塊受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂特征明顯，海西期斷裂活動(dòng)較強(qiáng)，造成地層破碎、縫網(wǎng)發(fā)育，鉆井液漏失嚴(yán)重。順北區(qū)塊5號(hào)斷裂帶地層具有裸眼段長(zhǎng)、漏失情況復(fù)雜等特征，現(xiàn)有堵漏施工有橋堵、水泥、化學(xué)固結(jié)、高失水堵漏、凝膠堵漏，但堵漏成功率參差不齊。沿5號(hào)斷裂帶南北分布的井基本上為評(píng)價(jià)井和開發(fā)井，均有不同程度的漏失發(fā)生，如表1所示。其中，漏失嚴(yán)重的井主要為順北5-5H、順北5-6井、順北5-7井、順北5-8井、順北5-10井和順北52X井，漏失次數(shù)均達(dá)10次以上，復(fù)雜時(shí)率基本在10%以上(平均12.43%)，尤其順北52X井復(fù)雜時(shí)率高達(dá)57%，井漏頻發(fā)且復(fù)漏嚴(yán)重，損失時(shí)間長(zhǎng)。順北52X井進(jìn)行了中外6種堵漏技術(shù)，堵漏不成功無(wú)法安全鉆進(jìn)，被迫移井位，耗時(shí)134 d。油氣井鉆井實(shí)踐證明，井下噴漏同存的復(fù)雜情況，經(jīng)過多次堵漏和壓井無(wú)果后，往往因無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的鉆井作業(yè)而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

表1 順北區(qū)塊井漏情況分析表

1.3.1 裂縫性儲(chǔ)層漏失分布

順北區(qū)塊奧陶系地層碳酸鹽巖溶蝕孔洞、裂縫發(fā)育，易出現(xiàn)放空、井漏、井涌等現(xiàn)象。順北區(qū)塊主要漏失層位分布如圖2所示，順北區(qū)塊漏失井深范圍廣，漏失層位多，從二疊系到奧陶系的底部目的層一間房組和鷹山組均有分布，表現(xiàn)出隨機(jī)性、多漏點(diǎn)特征。順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失頻發(fā)，漏點(diǎn)主要集中在一間房組和鷹山組地層，在統(tǒng)計(jì)的各地層漏失次數(shù)中，一間房組地層漏失10次，鷹山組地層漏失15次，漏失占比分別為7.8%、和11.7%，鷹山組漏失程度稍高于一間房組。順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層縱向漏失分布如圖3所示，奧陶系地層中的一間房組和鷹山組漏失多發(fā)，漏失井深范圍為7 350～8 150 m，漏失在地層深度7 400～7 650 m最為集中。

圖2 順北區(qū)塊主要漏失層位分布統(tǒng)計(jì)圖

O3q為恰爾巴克組；O2yj為一間房組；O1-2j為鷹山組

1.3.2 裂縫性儲(chǔ)層漏失速度

順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失速度總體分布情況如圖4所示，漏速小于10 m3/h的微漏占51.72%；漏速在10～20 m3/h的小漏占24.14%；漏速在20～50 m3/h的中漏占6.9%，漏速大于50 m3/h的占3.45%；鉆井液失返、不能建立循環(huán)的惡性井漏占13.79%。順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失井平均漏失速度2.25～12.0 m3/h均有，整體上裂縫性儲(chǔ)層的平均漏失速度在5～10 m3/h。表明順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層的井漏主要是微漏和小漏。

圖4 順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失速度分布圖

1.3.3 裂縫性儲(chǔ)層漏失密度

奧陶系溶洞裂縫發(fā)育，存在漏失和溢流風(fēng)險(xiǎn)，要做到“壓而不死，活而不噴”，目的層鉆井液密度的控制至關(guān)重要。如圖5所示，對(duì)裂縫性儲(chǔ)層漏失時(shí)鉆井液密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失密度集中在1.25～1.29 g/cm3，裂縫性儲(chǔ)層漏失壓力普遍較低。為有效保護(hù)儲(chǔ)層，避免鉆井完井液濾液和固相通過孔隙和裂縫進(jìn)入儲(chǔ)層，一般控制鉆井液密度與地層壓力之間為近平衡狀態(tài)，鉆井液密度使用不高。一旦鉆井液密度使用偏高或下鉆過快產(chǎn)生激動(dòng)壓力，容易壓漏承壓能力低的地層，產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫漏失。

圖5 順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層漏失密度分布

1.4 氣侵與漏失漏溢同層模式

漏失和氣侵(溢流)是順北區(qū)塊井下復(fù)雜的主要原因之一，損失時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響正常鉆進(jìn)。漏失和氣侵“同層”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，當(dāng)鉆進(jìn)至地層裂縫帶時(shí)，鉆井液會(huì)漏失進(jìn)入開啟裂縫中造成井筒內(nèi)靜液柱壓力明顯降低，地層內(nèi)氣體壓力超過井內(nèi)壓力時(shí)，便會(huì)引起氣侵，為“先漏失后氣侵”；而在高孔隙、高滲透性地層，鉆井過程中“先氣侵后漏失”最為常見。合理鉆井液密度鉆進(jìn)至高壓地層或鄰井壓裂地層，發(fā)生溢流，現(xiàn)場(chǎng)采用提密度抑制溢流，鉆井液往往會(huì)漏失進(jìn)入承壓能力薄弱的裂縫或孔隙中，造成漏溢同層，在順北區(qū)塊水平鉆井中尤為常見。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要采用鉆井液動(dòng)濾失與長(zhǎng)裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示，該裝置可模擬深部地層高溫高溫條件下不同形態(tài)裂縫的漏失情況。高溫高壓釜體可模擬井下鉆井液環(huán)境，釜體采用活塞加壓來(lái)模擬鉆井液注入壓力，高溫環(huán)境通過釜體外部安裝的柔性加熱套實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部裝配有溫度傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量釜體內(nèi)部實(shí)驗(yàn)溫度，且釜體可翻轉(zhuǎn)180°，并與水平方向夾角實(shí)現(xiàn)30°、45°、60°、90°定位，可模擬定向井或水平井鉆井液堵漏作業(yè)工況；實(shí)驗(yàn)中，用不同開度楔形長(zhǎng)裂縫模擬地層裂縫形態(tài)，可打開不銹鋼制縫板觀察裂縫封堵層真實(shí)情況；為測(cè)試氣侵條件下裂縫性地層漏失情況，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器基礎(chǔ)上，專門在裝置尾部增加了反向承壓裝置，為實(shí)現(xiàn)模擬氣侵提供了氣體流通通道，以及測(cè)量氣侵流速、壓力值的瞬時(shí)流量計(jì)和數(shù)顯精密壓力表。

圖6 氣侵條件下裂縫性地層漏失模擬裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

封堵裂縫性地層常用的橋接堵漏材料，按其不規(guī)則的形貌可分為硬質(zhì)顆粒材料、易彎曲片狀材料和柔性強(qiáng)的纖維材料三類，按不同配方和比例復(fù)配而成的橋漿可有效封堵儲(chǔ)層的孔隙或裂縫，保護(hù)儲(chǔ)層不受外來(lái)液的侵害。結(jié)合Kaeuffer[13]和Sudduth[14]兩位學(xué)者提出的1/2理想填充理論以及張金波等[15]的D90填充理論，實(shí)驗(yàn)中采用油田現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工較為常見的橋接堵漏材料，在井漿基礎(chǔ)上，加入核桃殼、云母片、方解石顆粒、超細(xì)碳酸鈣、聚丙烯纖維素、果殼粉等，配制堵漏漿，使其在不同的裂縫傾角、不同正壓差、不同裂縫寬度的條件下，封堵成功，形成封堵層結(jié)構(gòu)，堵漏材料如表2所示。

表2 橋接堵漏材料

2.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法

通過自制的鉆井液動(dòng)濾失與長(zhǎng)裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬氣侵條件下鉆遇裂縫時(shí)的井下漏失狀況，記錄不同條件下的氣侵速度，觀察鉆井液漏失情況，研究裂縫性地層漏失的一般性規(guī)律。模擬實(shí)驗(yàn)裝置中長(zhǎng)裂縫巖心夾持器配套不同長(zhǎng)度的楔形長(zhǎng)裂縫模型，具體尺寸如下：長(zhǎng)度1 000 mm楔形長(zhǎng)裂縫模型1套，裂縫開度1 mm×0.5 mm、3 mm×2 mm、5 mm×4 mm；基于順北區(qū)塊裂縫性地層的裂縫寬度和走向等發(fā)育情況，如表3所示，選擇寬度與井下實(shí)際相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)裂縫模型，在不同傾角和壓差等條件下分別進(jìn)行氣侵模擬實(shí)驗(yàn)。

表3 順北區(qū)塊某漏失井裂縫特征參數(shù)

通過順北區(qū)塊某井儲(chǔ)層裂縫特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知，在6 000～7 000 m井段，三開/四開鉆進(jìn)過程中裂縫存在較多，導(dǎo)致了諸多井下復(fù)雜情況；井下存在2 mm以上的大縫，以及0.1～2 mm的微小裂縫，相對(duì)而言，中小裂縫較多；裂縫產(chǎn)狀較為復(fù)雜，存在垂直縫、斜縫、水平縫等多種。通過以上裂縫形態(tài)數(shù)據(jù)及分析，裂縫形態(tài)擬以2 mm為基本縫寬，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了1、3、5 mm 3種縫寬，同時(shí)添加了0°、45°、90°共3種傾角來(lái)模擬不同形態(tài)裂縫。

以不同裂縫寬度為例，氣侵條件下裂縫性地層漏失情況模擬實(shí)驗(yàn)方法如下：①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井使用的鉆井液配制實(shí)驗(yàn)用膨潤(rùn)土基漿，加入堵漏材料后，經(jīng)高速攪拌機(jī)攪勻后，灌入泥漿罐(高溫高壓釜體)；②根據(jù)情況控制好裂縫模塊的裂縫寬度，使其固定連接在泥漿樣品罐上，保持近罐端裂縫模板的裂縫開度大，預(yù)設(shè)縫寬分別為1、3、5 mm；③緩慢加壓推動(dòng)活塞，使得鉆井液漏失進(jìn)入裂縫并形成一定封堵層；④保持正向壓力不變，打開反向氣壓(預(yù)設(shè)好)閥門，記錄氣侵流速、壓力值；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，退活塞，取出裂縫模塊拍照，觀察裂縫模塊內(nèi)漏失情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同傾角氣侵條件下漏失模擬

實(shí)驗(yàn)中控制鉆井液正壓差為0.5 MPa，氣侵壓差為0.5 MPa，縫寬為2 mm，改變裂縫傾角分別為0°、45°、90°，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同傾角的氣侵情形如圖7所示。

不同傾角縫板內(nèi)漏失深度如圖8所示，漏失深度與裂縫傾角的擬合表達(dá)式為y=27.93e0.003 5x，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示裂縫傾角(°)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是氣侵和漏失發(fā)生后的現(xiàn)象，改變裂縫的傾角，使裂縫分別處于90°、45°、0°的形態(tài)。發(fā)現(xiàn)由于傾角變化，裂縫垂直方向的高差逐漸減小，使得裂縫在垂直方向上的壓差降低，漏失程度減弱。隨后通過增加裂縫尾端的氣壓，直至突破封堵層，測(cè)試所形成的封堵層承壓能力?？煽吹搅芽p內(nèi)的封堵層被氣體突破“吹出”后留在裂縫口的團(tuán)狀封堵結(jié)構(gòu)。垂直縫漏失量最大，形成的封堵層最長(zhǎng)，被“吹出”封堵層也最多且致密。

圖8 不同裂縫傾角縫板內(nèi)漏失情況

當(dāng)壓力分別達(dá)到0.35、0.26、0.28 MPa時(shí)，形成的封堵層被突破，氣侵速度迅速增加，分別達(dá)到0.38、0.31、0.21 L/min，經(jīng)過5～10 s后，氣侵通道進(jìn)一步打開，達(dá)到0.6 L/min左右，后期氣侵速度緩慢增加到1.35、1.12、1.02 L/min，壓力經(jīng)過短暫的波動(dòng)，基本不變，維持在0.6～0.7 MPa。垂直裂縫的反向承壓能力相對(duì)最高，這說明當(dāng)鉆井液沒過裂縫一段時(shí)間后，漏失作用有利于在裂縫內(nèi)部形成較厚的堵漏帶，氣侵不容易突破密封性好的封堵層。

3.2 不同鉆井液正壓差氣侵條件下漏失模擬

實(shí)驗(yàn)中控制縫寬為2 mm，裂縫傾角為90°，氣侵壓差為0.5 MPa，改變鉆井液正壓差分別為1、2、3 MPa，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同鉆井液正壓差情況下的氣侵情形如圖9所示。

圖9 不同鉆井液正壓差裂縫入口圖

不同鉆井液正壓差下縫板內(nèi)漏失深度如圖10所示，漏失深度與正壓差的擬合表達(dá)式為y=67.25x0.539 9，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示壓差(MPa)。在不同正壓差作用下，鉆井液漏失深度逐漸增加，分別達(dá)到54.6、66.7以及100 cm以上。形成的封堵層也更為致密。正壓差越大，漏失發(fā)生越劇烈，漏失通道增加。不同正壓差作用下的封堵層致密性不同，正壓差越大，封堵層越致密。承壓能力(突破壓力)分別達(dá)到0.35、0.42、0.51 MPa，之后壓力略微減小，出現(xiàn)小范圍波動(dòng)后基本不變。氣侵速度分別維持在0.47～0.7 L/min。裂縫內(nèi)封堵層被突破后形成氣體的流通通道，使得漏失的壓力和氣侵流速逐漸穩(wěn)定。

圖10 不同鉆井液正壓差下縫板內(nèi)漏失情況

3.3 不同裂縫寬度氣侵條件下漏失模擬

實(shí)驗(yàn)中控制氣侵壓差為0.5 MPa，裂縫傾角為90°，氣侵壓差為1 MPa，改變縫寬分別為1、3、5 mm，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同裂縫寬度的氣侵情形如圖11所示。漏失深度與裂縫寬度的擬合表達(dá)式為y=65.64e0.143 3x，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示縫寬(mm)。縫寬的影響非常明顯，裂縫越寬，漏失發(fā)生越嚴(yán)重。1 mm縫的漏失深度為31.5 cm，3 mm和5 mm的裂縫漏失深度為76.1 cm和100 cm，漏失越嚴(yán)重，形成的封堵層也越致密，而且堵漏材料在裂縫內(nèi)部形成多重密封屏障，可以共同承受氣侵壓差，承壓能力有更高的提升。不同縫寬的裂縫中的封堵層突破壓力分別為0.68、0.89、1.12 MPa，突破瞬間的流速分別為0.81、1.51、1.69 L/min。隨后流速和壓力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，基本穩(wěn)定，持續(xù)到300 s時(shí)刻，流速分別為0.8、1.46和1.69 L/min。

圖11 不同裂縫寬度縫板內(nèi)漏失情況

4 結(jié)論

(1)順北區(qū)塊受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂特征明顯，海西期斷裂活動(dòng)較強(qiáng)，造成地層破碎、縫網(wǎng)發(fā)育，鉆井液漏失嚴(yán)重?，F(xiàn)有堵漏施工有橋堵、水泥、化學(xué)固結(jié)、高失水堵漏、凝膠堵漏，但堵漏成功率參差不齊。

(2)順北區(qū)塊裂縫性儲(chǔ)層奧陶系中的一間房組和鷹山組漏失多發(fā)，表現(xiàn)出隨機(jī)性、多漏點(diǎn)特征；奧陶系溶洞、裂縫發(fā)育，存在漏失和溢流風(fēng)險(xiǎn)；順北區(qū)塊在鉆進(jìn)水平井段時(shí)，一旦發(fā)生氣侵，往往會(huì)發(fā)展為井漏，漏溢同層。

(3)垂直裂縫相對(duì)于傾斜縫、水平縫形成的封堵層最致密，承壓能力較高，說明鉆井液沒過裂縫一段時(shí)間后，漏失作用有利于在裂縫內(nèi)部形成較厚的堵漏帶，氣侵不容易突破密封性好的封堵層。

(4)縫寬越大，漏失深度越大，形成的封堵層越多且致密，而且堵漏材料在裂縫內(nèi)部形成多重密封屏障，可以共同承受氣侵壓差，承壓能力有更高的提升。