碳酸鹽巖儲集層鉆井井涌特征分析及風險評價

鄭 融

中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201

碳酸鹽巖儲集層分布廣泛，單井產量較高，被諸多鉆探單位關注。為了促進對碳酸鹽巖儲集層鉆井的開發(fā)，有必要對其井涌特征、風險等進行深入探究。

1 碳酸鹽巖儲集層鉆井井涌特征分析

對案例工程所在地區(qū)進行了系統(tǒng)的地質勘探和調查，發(fā)現(xiàn)其油氣藏主要集中在奧陶系碳酸鹽巖地層。根據(jù)測井資料判斷，該區(qū)孔縫洞較發(fā)育，大縫寬度多在5～8mm，中縫寬度約為1～3mm，巖體中心還分布有較多數(shù)量的小洞。這些裂縫的分布形態(tài)存在一定規(guī)律，大部分為高角度縫，還有少數(shù)為垂直裂縫。仔細觀察和分析后發(fā)現(xiàn)，其中填充有大量流體，出現(xiàn)井涌、漏失等事故的風險較大。同時，該儲層鉆進過程中，還出現(xiàn)了較為明顯的溢流現(xiàn)象。基于以上綜合表現(xiàn)，認為其井涌特征大致可以分為以下兩點：

1.1 氣體侵入井眼方式

由于該地儲集層孔縫洞較發(fā)育，鉆進過程中大致可以推斷為壓差侵入，同時考慮到鉆井液密度問題，還可能在壓力差作用下產生氣液置侵入現(xiàn)象。二者的出現(xiàn)條件互斥，當裂縫內部壓力較大，且逐漸超過井底壓力時，前者出現(xiàn)的頻率相對較高；當裂縫壓力持續(xù)降低，并小于井底壓力時，則更容易發(fā)生氣液置換侵入。表1 為該井發(fā)生的溢流記錄，可見，該地儲集層鉆進過程中，液面平穩(wěn)度幾乎是與鉆井液密度呈現(xiàn)正相關。但在最后的試驗中，火焰高度由8～10m 下降到4～5m 后，降低趨勢明顯停止。這種現(xiàn)象說明，伴隨鉆井液密度增加，井底氣體一直沒有停止侵入，只是溢流強度下降而已。分析后發(fā)現(xiàn)，這種情況的出現(xiàn)是有規(guī)律可循的，溢流初期地層壓力相對較大，井底壓力相對較低，二者之間存在明顯的氣壓差。鉆井液密度提升之后，這種壓差逐漸縮小，氣液置換侵入成為主要過程。

表1 案例地區(qū)鉆井溢流記錄

1.2 酸性氣體相變特征

對儲集層氣體進行分析后發(fā)現(xiàn)，CH4、CO2及H2S 之間存在相變關系（圖1）。在適宜的地層溫度環(huán)境下，超臨界相、混合相等時常出現(xiàn)，相變過程也從未停止。只不過是因為氣體侵入時，氣液交換體積較小，因此鉆井液池增量并不顯著。

圖1 地層氣相圖

2 碳酸鹽巖儲集層鉆井井涌模型搭建

2.1 氣體侵入量

在井涌特征分析結果的基礎上，對壓差條件下產生的氣體侵入過程，以及氣液置換條件下產生的侵入現(xiàn)象建模，影響因子主要包含負壓差、滲透率等，詳見式（1）[1]。

Z——氣體壓縮因子；

re——供給邊界；

rw——井眼半徑。

同時，該工程中碳酸鹽巖儲集層埋深較大，內部含有大量的酸性氣體，整體壓力較大，僅憑現(xiàn)場鉆井參數(shù)分析，很難準確定位井涌類型。因此，引入井口回壓判定方式，使井底壓力狀態(tài)發(fā)生改變，逐漸進入過平衡情況，此時觀察鉆井液池變化，如果池內液面較為平穩(wěn)則代表壓差侵入類型，若增加趨勢維持不變，則為氣液置換侵入。

2.2 井筒溫度- 壓力場

井筒溫度- 壓力場是鉆井參數(shù)設計中極為關鍵的環(huán)節(jié)，井筒多相流動模型建立時，需要結合井筒外形、流動形態(tài)等進行分析，這里引入Beggs- Brill 的多相管流計算方法[2]，見式（2）。

式中：△p——壓力間隔，計算時需要測量確定井口、井底任一點壓力，在此基礎上設定適當?shù)膲毫?，并計算求出壓力間隔；

△h——深度增量；

ρ——兩相密度；

λ——阻力系數(shù)；

vˉ——氣相、液相、混合相流速均值；

D——管道直徑。

2.3 井筒氣相體積分數(shù)

正常鉆井情況下，氣體侵入井筒并逐漸上升，氣液兩相的流型隨之發(fā)生變化，通常由泡狀流逐漸演變?yōu)槎稳?。當氣侵現(xiàn)象足夠嚴重時，流型還會進一步演變?yōu)閿噭恿鳌h(huán)狀流等。不同流型狀態(tài)下，適用的氣體漂移速度及氣相體積分數(shù)公式存在很大差異，計算時要給予充分關注。

2.4 井筒氣相體積分數(shù)密度函數(shù)

對鉆井溢流現(xiàn)象進行原因分析后發(fā)現(xiàn)，侵入氣體向上運動過程中，氣相體積分數(shù)會發(fā)生明顯變化，并由此引發(fā)井筒壓力改變，產生溢流問題。結合式（1）—（4）分析后，得到井筒氣相體積分數(shù)分布剖面。在此基礎上構建函數(shù)，對井涌風險開展定量評價，函數(shù)公式見式（5）[4]。

3 井涌風險定量評價方法探討

誘發(fā)井涌的影響因素較多，通常涉及儲集層特性、鉆井施工參數(shù)等。以前文提出的井涌分析模型為依托細化參數(shù)設置，其中井深為2543m，套管尺寸為246.1mm，鉆柱尺寸為121.6mm，鉆井速度設置為5m/ h。對現(xiàn)場參數(shù)進行實地測量，地面溫度設置為20℃，鉆井液密度為0.99g/ cm3， 原 油、 天 然 氣 的 相 對 密 度 分 別 為0.799g/ cm3、0.919g/ cm3。

3.1 基于侵入方式及氣體特性的評價

在前述的井口回壓測定法幫助下，對儲集層侵入情況進行分析，兩種條件下的井筒氣相體積分數(shù)變化見圖2。從圖中可以看到，初始狀況下不存在井口回壓，二者變化曲線并沒有太大差別。當井口回壓逐步提升時，伴隨開展模擬溢流操作，持續(xù)10min 后發(fā)現(xiàn)，壓差侵入條件下氣體侵入速度減緩并最終消失；而氣液置換侵入方式中，氣體侵入進程一直沒有停止，這說明井口回壓法確有效果。從氣液置換侵入曲線上看，相同溢流周期內，進氣量與井筒氣相體積分數(shù)基本呈正相關。當進氣量持續(xù)增大時，體積分數(shù)也明顯上漲，相應的上升速度也在增快。從氣液置換侵入曲線上看，模擬溢流10min 后，酸性氣體含量、井筒氣相體積分數(shù)基本呈負相關，同時含有H2S的氣體體積分數(shù)要低于含有CO2的體積分數(shù)。就上升速度來說，含有酸性氣體的天然氣明顯要緩慢得多，分析推測后認為，這是由于儲集層酸性氣體侵入，并與鉆井液建立相變關系，從而進入了超臨界態(tài)。因此含酸性氣體天然氣氣侵時，整體的交換體積相對較小，且上升速度也相對較慢，實踐環(huán)節(jié)并不容易被監(jiān)測到。也正因如此，基于侵入方式、氣體特性的評價可行性并不高，有必要探索尋找更加直觀、便捷的定量評估方法。

圖2 壓差侵入與氣液置換侵入條件下井筒氣相體積分數(shù)變化示意圖

3.2 基于施工參數(shù)的評價

3.2.1 影響規(guī)律分析

施工參數(shù)是鉆井工程中極為關鍵的研究對象，與氣體特性、侵入方式等相比，其控制更容易實現(xiàn)，分析時需要率先明確施工參數(shù)、井筒氣相體積分數(shù)之間的關系。結合案例工程施工實踐，將施工參數(shù)初步定義為施工環(huán)節(jié)可調整、可把控的所有設定值，包含機械參數(shù)、井身尺寸等，鉆井液物性參數(shù)也在考慮范圍之內。在模擬分析環(huán)節(jié)，只改變其中一個變量，維持其他參數(shù)的一致性，最后計算得出溢流狀態(tài)下，井筒氣相體積分數(shù)變化規(guī)律。

考慮到施工參數(shù)類別、單位之間存在較大差異，工程限制取值范圍也各有不同，因此定量分析環(huán)節(jié)很難通過統(tǒng)一數(shù)值標準判定相關性，必須通過敏感因子計算，對不同施工參數(shù)進行權重分析。計算后發(fā)現(xiàn)，鉆井液排量敏感因子為- 0.045，機械鉆速敏感因子為- 1.1×10-5，鉆井液密度敏感因子為- 0.646，鉆井液黏度參數(shù)的敏感因子為- 0.012，井筒直徑敏感因子為- 2.179，井深敏感因子則為- 3.842。

3.2.2 風險定量描述

敏感因子描述了不同施工參數(shù)的權重占比，能夠幫助施工方更好地掌握其與井筒氣相體積分數(shù)密度之間的關系。當敏感因子絕對值越大時，相應的響應強度就越高。同時，敏感因子計算中結果基本為負數(shù)，也可說明分數(shù)密度、施工參數(shù)之間實際上是一種負相關關系。伴隨施工參數(shù)增大，相應的井涌風險會明顯下降。從絕對值大小上看，機械鉆速對風險的影響最小，實踐中基本可以忽略不計，鉆井液排量、黏度等表現(xiàn)同樣不活躍。相比之下，井筒深度、直徑的絕對值更大，對井涌風險的影響也更加顯著。基于此，在碳酸鹽巖儲集層鉆探環(huán)節(jié)，應當深入分析孔縫洞發(fā)育情況，并重點把握井筒、井深參數(shù)，搭配適宜的鉆具、鉆井液種類等，最大限度防止井涌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3 基于綜合角度的風險分級評價

受碳酸鹽巖性質、侵入氣體及地質特征等因素影響，鉆井工作中井涌風險時有發(fā)生，給鉆進工作的順利開展帶來了一定阻礙。因此，需要采取適當?shù)膲壕呗?，防止井涌范圍的擴大和程度的加深。制定應急防范時，需要結合井控操作難度等重點分析。本工程中將時間作為井控應急判別標準，井涌發(fā)生0～70min 的時間內，氣相、液相及混合相侵入物質體積相對較小，位置靠近井底，監(jiān)測難度較大但控制更加輕松；井涌發(fā)生70～80min 之內，混合相物質逐漸向上移動，井筒內部的壓力逐漸降低，且氣體持續(xù)析出，井涌擴大風險增加，可以明顯監(jiān)測到鉆井液池液面上漲現(xiàn)象，相應的應急控制難度有所增加；井涌發(fā)生80～100min 之內，井控風險大幅上漲，混合物逐漸運移至井口附近，處理不當很容易發(fā)生膨脹、井噴等危險事故。

4 結論

對碳酸鹽巖儲集層井涌特征、風險進行了分析，總結得出了氣相體積分數(shù)密度函數(shù)，并從侵入氣體、施工參數(shù)角度對風險標準確立可行性進行探討。結果發(fā)現(xiàn)，氣體類型、侵入方式等對井涌影響較大，但可控性能較差。相比之下，施工參數(shù)更加可控，實踐中要加強調查分析，嚴格把控井筒、井徑等參數(shù)，結合實際情況系統(tǒng)劃分風險等級，為鉆進、井控工作的順利開展奠定扎實基礎。