鉆井液液壓作用下裂縫性定容封閉體地層壓力的變化規律

趙向陽 孟英峰 楊順輝 魏 納 李 皋 何青水

1.中國石化石油工程技術研究院 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室?西南石油大學

0 引言

裂縫性地層在鉆進過程中經常出現漏噴同存的情況，造成井控困難、井下復雜情況和儲層傷害，人們通過實踐總結也形成了漏噴同存的處理技術[1-4]。但是，漏噴同存的機理目前還處于經驗描述階段，缺少基礎理論研究和模型描述。

在伊朗雅達油氣田的Kazhdumi地層HOS2-ST井鉆遇活躍瀝青體，而與之相距僅1.5 km的F7井卻未鉆遇瀝青；F21井鉆遇到了活躍瀝青體，而在原井位側鉆400 m后卻未鉆遇瀝青。這些特征均反映了瀝青體分布離散，且連通性差，同時單個瀝青體存在著明顯的邊界，說明了單一的瀝青體分布范圍及大小是有限的，這比常規圈閉油氣藏的壓力系統更加復雜。定容封閉體是雅達油氣田活躍瀝青體的明顯特征，也是開展物理模擬和數值模擬的地質基礎。筆者依據上述鉆井及測試數據，基于真實裂縫空間的可視化井筒—地層耦合流動試驗裝置，通過室內液—液定容置換實驗和CFD仿真驗證，分別對鉆井液密度、井口回壓、裂縫寬度等參數對地層壓力的影響規律進行了分析，以期為鉆井處理定容封閉體壓井作業提供理論依據[5-8]。

1 定容封閉體地層壓力現場表現

雅達油氣田非均質活躍瀝青層地層壓力差異大，因而每口井求壓結果都不同，S03井4次關井求壓數值差異較大，而且出現鉆井液密度越高，所求地層壓力值越大的趨勢，WD-2井DST測試結果出現兩次關井地層壓力數值不一樣的結果。而且瀝青層鉆進中鉆井液進出口始終存在密度差，停泵后，井筒內始終存在受污染瀝青段塞。

1.1 實鉆鉆井液密度

對于鉆遇固態瀝青或未鉆遇瀝青井，實鉆中完鉆井液密度最低為1.38 g/cm3（F14井、F15井），中完作業過程中未發現瀝青返出；對于活躍瀝青輕度污染井，中完鉆井液密度范圍介于1.38 g/cm3（F18井）～1.59 g/cm3（WD2井，圖1），中完過程中仍有瀝青返出；對于活躍瀝青嚴重污染井，實鉆中完鉆井液密度介于1.50 g/cm3（HOS2-ST井）～1.90 g/cm3（S03井），中完過程中仍有瀝青返出。

1.2 壓井過程中關井求壓情況

圖1 WD2井鉆井和測試階段采用的鉆井液密度圖

F13、APP2、F21、S03井在鉆遇 Kazhdumi瀝青層時遇到了嚴重瀝青污染情況，關井所求取的地層孔隙壓力差異較大，求取的地層壓力當量密度介于1.48～1.77 g/cm3。S03井在鉆進Kazhdumi地層時，在不同時段進行了4次關井求壓，求取的地層壓力介于1.77～1.88 g/cm3。地層壓力隨著所采用的鉆井液密度的增加而增加。

1.3 DST測試情況

為了求取瀝青層真實的地層壓力，在WD2井Kazhdumi地層進行了DST測試，兩次關井地層壓力恢復結果存在差異（圖2）。測試得到的地層壓力上升的主要原因是DST測試射孔后的井筒壓力傳導給了瀝青層，使其壓力上升至井筒壓力（DST測試時使用鉆井液密度為1.65 g/cm3）。二次開井產液15.6 m3后，地層壓力下降到51.13 MPa，折算壓力當量密度為1.41 g/cm3，隨地層流體排出，地層孔隙壓力快速下降，驗證了定容封閉活躍瀝青體的存在。

圖2 WD2井測試壓力計記錄壓力圖

綜上所述，該層表現出無外部壓力補給，原始地層壓力能量具有局限性，鉆井時定容封閉體被揭開，如果鉆井液密度無法平衡原始地層壓力，活躍瀝青便會侵入井筒，定容封閉體原始地層壓力即隨著地層流體的釋放而發生變化；同時由于液體的不可壓縮性和定容封閉體容積相對固定，活躍瀝青侵入到井筒后，其原在定容封閉內占據的儲存空間為鉆井液流入定容封閉提供條件，如定容封閉與井筒間形成了足夠的連通通道（即活躍瀝青進入井筒和鉆井液進入定容封閉體具有各自的流動通道），且定容封閉體壓力與井內液柱壓力仍未建立平衡時，井下便會發生持續的“鉆井液進入地層—活躍瀝青侵入井筒”雙向流動，密度差導致的置換性雙向流動在井筒附近的近井地帶會形成一個勢壓力空間。勢壓力空間壓力與所用鉆井液密度和回壓正相關，采用高密度鉆井液壓井，勢壓力空間壓力隨之升高。定容封閉體與常規圈閉油氣藏的差異對比如表1所示[1-4]。

表1 定容封閉體與常規圈閉油氣藏的差異表

2 定容封閉體地層壓力變化室內實驗

2.1 可視化地層—井筒耦合流動實驗裝置的研制

活躍地層流體進入井筒發生置換的過程中，涉及地層裂縫與流體流固耦合、地層流體與井筒流體動態耦合兩個復雜的耦合過程，流體流動環境復雜，流體狀態處于動態變化過程。平板縫黏砂相應結論不能真實反映實際裂縫情況的置換性雙向流動，國內外沒有類似裝置報道。為了通過室內試驗驗證定容封閉瀝青體地層壓力的變化規律，筆者研制了一套基于真實裂縫空間的可視化井筒—地層耦合流動試驗裝置，具有壓力、流量自動測量與采集、試驗現象可視化的特點?？梢暬貙印柴詈狭鲃訉嶒炑b置主要由模擬地層模塊，模擬井筒模塊，模擬裂縫模塊組成。實驗裝置有14個壓力計記錄重要壓力變化數據[9-12]。

2.2 鉆井液密度對地層壓力的影響

為了研究密度對地層壓力的影響規律，通過3次不同鉆井液的密度的液—液置換實驗地層壓力數據，分析了密度對地層壓力的影響規律，隨鉆井液密度增大，置換界面向右、向上移動，置換現象更明顯（圖3）。

圖3 典型液—液置換實驗現象圖

從圖4中可以看出，縫板閥門打開瞬間，地層壓力均迅速下降；鉆井液密度越大，置換過程中地層壓力和置換量越大；隨置換時間的推移，由于置換量較小，地層壓力基本穩定。

圖4 不同鉆井液密度對地層壓力的影響圖

2.3 液—液置換回壓對地層壓力的影響規律

為了研究回壓對地層壓力的影響規律，置換實驗過程中改變4次回壓（0 MPa、0.06 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa），然后停泵、分析不同回壓下對地層壓力的影響。從圖5中可以看出，隨著回壓的逐漸增大，井筒壓力升高，同時，地層壓力也升高；停泵時，井筒壓力下降，地層壓力下降；最后井筒回壓調整為0時，地層壓力迅速下降。

2.4 高密度鉆井液壓井過程地層壓力和置換量變化規律

圖5 不同回壓對地層壓力的影響曲線圖

實驗中，用常規鉆井液進行循環時，裂縫發生了井涌，在用高密度鉆井液壓井的過程中，高密度鉆井液逐漸替換了低密度鉆井液，高密度鉆井液侵入裂縫的區域增加，井涌逐漸停止；從圖6中可以看出，在地層和井筒壓力穩定后，打開縫板閥門，地層壓力急劇降低，隨后地層壓力出現小幅度波動，當高密度鉆井液抵達縫板后，地層壓力逐漸增加并達到最大值，隨后隨著置換的發生，地層壓力重新建立新的平衡。

3 定容封閉體地層壓力變化CFD模擬

圖6 高密度鉆井液壓井過程中地層壓力隨時間的變化

圖7 寬度為10 mm的三維單裂縫定容模型圖

為了進一步驗證定容封閉體地層壓力變化規律，裂縫置換模型基礎上建立，寬度為10 mm的三維單裂縫定容模型（圖7），開展定容封閉體地層壓力CFD研究。設置地層流體為密度0.7 g/cm3，黏度為1 990 mPa·s的液體。地層初始壓力為0.13 MPa，環空鉆井液流體返排速度為1 m/s，環空入口壓力為0.008 24 MPa。選取圖7模型右下端為定容地層的壓力取值端，并在后面取出不同時刻壓力值進行分析。工況1為清水，井口回壓為0.008 24 MPa；工況2為清水，井口回壓為0 MPa；工況3為高密度流體，井口回壓為0 MPa，進行回壓、鉆井液密度等參數對地層壓力的影響[13-19]。

3.1 井口回壓對地層壓力影響

根據工況1與工況2的模擬結果，對比鉆井液為清水，圖7中地層壓力取值端原始取值40 800 Pa，施加回壓0.008 24 MPa（工況1）和清水不施加回壓（工況2）的壓力云圖，如圖8所示，增加至45 700 Pa，可以得到施加回壓使得整個環空鉆井液壓力升高，導致相同高度地層壓力比不施加回壓時更大，說明井口施加回壓會使定容封閉體地層壓力升高。

3.2 鉆井液密度對地層壓力影響

都不施加回壓的情況下，對比密度對定容封閉體地層壓力的影響。采用清水（工況2）和高密度鉆井液（工況3）的壓力云圖對比分析表明，高密度鉆井液發生液—液置換后地層壓力升高值大于要低密度鉆井液升高值。

圖8 工況1和工況2在地層壓力取值端的壓力對比云圖

3.3 等ECD置換對地層壓力影響

等ECD的情況下，采用清水+回壓（工況1）和高密度鉆井液（工況3）的壓力云圖對比分析表明，地層壓力存在一定差異，差異大小與裂縫距離井底位置有關，施加回壓略大于高密度鉆井液工況。

3.4 模擬不同裂縫寬度井口無回壓置換過程地層壓力變化規律

參考工況2，減少裂縫寬度為3.5 mm，其余結構參數和設置參數不變，定義為工況4（裂縫寬度為3.5 mm，清水+無井口回壓）。模擬結果與10 mm裂縫（工況2）對比，取置換時間均為25 s時刻的地層壓力分析可知，工況2地層壓力大于工況4，說明裂縫越寬，裂縫壓耗越小，定容時地層壓力升幅更高。裂縫寬度對流體置換有較大的影響，裂縫越寬地層壓力變化越大，置換形態越不易受裂縫面形態影響，置換推進速度越大。

3.5 模擬壓井置換過程地層壓力變化規律

采用相似的方法建立壓井過程置換模型，壓井液密度為1.25 g/cm3，地層流體密度為0.7 g/cm3，定義為工況5。經過長時間的模擬后，取出30 s、55 s、70 s和85 s時刻壓井與地層流體置換數據進行分析。從圖9不同時刻鉆井液體積分量云圖可知，隨著置換時間增加，兩相流體在裂縫內形成明顯的分界線，置換質量流量和體積流量先快后慢并趨于穩定。

取出不同時刻的地層壓力進行分析，隨著置換時間增加，地層壓力在不斷增加，如表2所示，但增加幅度不斷減小，逐漸趨于穩定。

圖9 不同時刻的鉆井液體積分量圖

表2 取值端地層壓力隨時間變化表

4 結論

1）通過大量現場實鉆資料的分析，提出了定容封閉體的概念，定容封閉體存在無外部壓力供給，有限大小的邊界與容積，地層壓力變化較大和井間同層連通性差特點。密度差導致的置換性雙向流動在井筒附近的近井地帶會形成一個勢壓力空間。

2）裂縫兩端的壓差仍是置換發生的主要原因，而鉆井液與地層流體的密度差與黏度差是導致裂縫兩端壓差的主控因素，隨著鉆井液進入裂縫或地層流體進入井筒，定容性活躍流體地層的置換量將隨時間減小，當兩端壓力趨于平衡時，置換停止。

3）定容性油氣藏地層壓力與所用鉆井液密度和回壓呈正相關，采用高密度鉆井液壓井，地層壓力隨之升高。因此，建議現場采用封堵和井口控壓結合的方式進行鉆進，采用泄壓法實施壓井作業。

4）從DST測試結果和實鉆資料可以看出，活躍瀝青層存在一定的圈閉壓力，出于井控安全考慮，建議現場安裝控壓設備提高井控安全。

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