順南區塊裂縫性儲層置換式氣侵影響因素研究

黃國平，何世明，湯 明，劉 洋，雷 鳴

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500；2.中國石化西北油田分公司企業管理處，新疆烏魯木齊 830011；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間 062465)

塔河油田順南區塊塔中北坡奧陶系鷹山組上段屬于碳酸鹽巖裂縫孔洞型儲層[1]，具有裂縫和孔洞發育、分布規律復雜、埋藏深和溫度高等特點，埋深達7 200.00 m，溫度最高達200 ℃，壓力高達180 MPa。鉆進鷹山組上段過程中氣侵嚴重，現場常采用提高鉆井液密度和循環排氣的方式來處理氣侵，但在高密度鉆井液條件下易發生漏失，循環排氣方式處理時間較長，導致鉆井時效低，作業成本增加，其中部分井氣侵導致的井下復雜情況處理時間接近3個月，超過全井鉆井周期的1/5，儲層段鉆井時效低至7.06%，嚴重制約著該區塊碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發進程。因此，有必要深入分析順南區塊鷹山組上段的氣侵問題，以找到解決該問題的合理有效的工程技術措施。筆者結合順南區塊前期及周邊的現場鉆井資料[2]，分析了測井、地質資料，初步明確了鷹山組地層的裂縫特征及分布情況，認為該地層以置換式氣侵為主；建立了漏失速率模型與氣液置換式氣侵模型，分析了裂縫寬度、高度、長度，地層壓力、壓差及鉆井液黏度、密度對發生氣侵所需要時間(以下簡稱氣侵發生時間)的影響。

1 置換式氣侵模型的建立

置換式氣侵的發生主要與裂縫特征相關。從大量現場數據以及國內外研究結果可知[2_3]，所有裂縫類型中發生置換式氣侵且對鉆井安全影響較大的多為垂直裂縫，目前在鉆進這類裂縫地層時，多采用近平衡或平衡壓力鉆井技術，當鉆遇垂直裂縫時，由于鉆井液與氣體密度相差懸殊，鉆井液將沿裂縫下端進入地層，發生漏失現象，一般漏失量較小，現場不容易及時發現。為此，筆者建立了單條裂縫的漏失模型[4]，并建立了體現單條裂縫中鉆井液漏失速率與裂縫寬度、裂縫高度、裂縫長度、鉆井液密度和黏度之間關系的數學模型；同時，基于克拉伯龍方程，考慮氣體壓力變化和侵入量等的影響，建立了壓差作用下侵入裂縫鉆井液體積的模型，迭代求解出地層置換式氣侵發生時間，以期為置換式氣侵發生時間影響因素分析提供理論基礎。

1.1 漏失速率模型

假設鉆遇單條垂直裂縫，鉆井液為牛頓流體，在壓差作用下鉆井液發生漏失[5]，則其幾何模型如圖1所示。

根據牛頓流體在裂縫中流動的平板流理論，建立了體現單條裂縫中鉆井液漏失速率與裂縫寬度、裂縫高度、裂縫長度、鉆井液密度和黏度之間關系的數學模型：

(1)

圖1 單條裂縫漏失幾何模型Fig.1 Geometric model of single fracture leakage

式中：Q為單條裂縫中鉆井液的漏失速率，m3/s；H為裂縫垂直高度，m；w為裂縫寬度，m；μ為鉆井液表觀黏度，Pa·s；pw為鉆井液有效液柱壓力，MPa；p1為裂縫中氣體被壓縮后的壓力，MPa；L為裂縫長度，m；ρ為鉆井液密度，kg/m3。

1.2 氣液置換式氣侵模型

鉆井液侵入前，裂縫中的氣體(天然氣)具有可壓縮性，其壓力、溫度、體積參數滿足理想氣體狀態方程：

pV=nRT

(2)

式中：p為理想氣體的壓力，MPa；V為理想氣體的體積，m3；n為理想氣體物質的量，mol；R為理想氣體常數，m3·Pa/(mol·K)；T為理想氣體的熱力學溫度，K。

結合實際，井深一定時，地層溫度在裂縫中氣體被壓縮前后的變化非常小，可以近似認為是不變的，因此有：

p0V0=p1V1

(3)

式中：p0為裂縫中氣體受到的原始壓力，MPa；V0為裂縫中氣體的原始體積，m3；V1為裂縫中氣體壓縮后的體積，m3。

在實際鉆井中，當鉆遇裂縫時，由于正壓差作用，鉆井液進入裂縫，占據了裂縫空間，壓縮了地層氣體，引起裂縫內壓力變化，因此有：

V1=V0-Vf

(4)

式中:Vf為在壓差作用下ts時刻鉆井液侵入裂縫的體積，m3。

Vf可以表示為：

(5)

式中：ts為鉆井液漏失時間，s。

將式(1)代入式(5)，可得：

(6)

再由式(3)、式(4)可得：

(7)

由式(7)可知，鉆井過程中只要鉆井液侵入裂縫地層，必然會導致裂縫地層中氣體壓力上升，裂縫空間越小，對鉆井液侵入越敏感，裂縫中氣體壓力變化幅度越大；如果裂縫空間體積較大，則對鉆井液侵入的敏感度較低，在鉆井液侵入量少的情況下，裂縫中氣體的壓力不會顯著升高。

結合式(6)、式(7)可知，當裂縫內壓力p1大于井底壓力pw時，才會開始出現氣液置換現象，所以p1=pw是發生氣液置換現象的臨界點。由此可得開始發生置換時的漏失量為：

(8)

其中

V0=LHw

(9)

結合式(6)—式(8)，可以利用迭代法求解出地層發生置換式氣侵所需要的時間。

地層發生置換式氣侵的時間與鉆井液發生漏失的時間直接相關，氣侵發生時間的長短與裂縫的深度、寬度、高度，鉆井液密度，裂縫原始壓力以及有效液柱壓差等參數息息相關。

2 置換式氣侵發生時間影響因素分析

裂縫性地層發生氣液置換式氣侵，是由于井筒內鉆井液在正壓差作用下進入裂縫，占據裂縫空間，壓縮裂縫內氣體，使裂縫內壓力升高[6]。裂縫性地層氣液置換現象受諸多因素的影響，如鉆井液漏失速度、垂直裂縫的幾何特征和鉆井液流變性能[7]。所以，在前述數學模型的基礎上，在其他參數不變的情況下，分別分析了裂縫寬度、高度、長度,鉆井液的黏度、密度及裂縫地層壓力、壓差對置換式氣侵發生時間的影響規律。

2.1 裂縫寬度

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其高度為3.00 m，長度為5.00 m，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫寬度對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖2所示。

圖2 裂縫寬度對置換式氣侵發生時間的影響Fig.2 The effect of fracture width on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖2可以看出，裂縫寬度對置換式氣侵發生時間的影響非常明顯，裂縫越寬，越容易發生置換式氣侵，氣侵發生時間越短。

2.2 裂縫高度

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長度為5.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫高度對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖3所示。

圖3 裂縫高度對置換式氣侵發生時間的影響Fig.3 The effect of fracture height on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖3可以看出，隨著裂縫高度增大，氣侵發生時間增長幅度較小，且隨著裂縫高度的不斷增大，氣侵發生時間趨于平穩。

2.3 裂縫長度

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析裂縫長度對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖4所示。

圖4 裂縫長度對置換式氣侵發生時間的影響Fig.4 The effect of fracture length on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖4可以看出，隨著裂縫長度增大，氣侵發生時間逐漸增長，且增長幅度較大；裂縫長度越大，氣侵發生時間越長。

2.4 鉆井液黏度

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析鉆井液黏度對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖5所示。

圖5 鉆井液黏度對置換式氣侵發生時間的影響Fig.5 The effect of drilling fluid viscosity on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖5可以看出，隨著鉆井液黏度升高，氣侵發生時間呈線性增長，黏度越大，氣侵發生時間越長。

2.5 鉆井液密度

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，地層壓力為100 MPa，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析鉆井液密度對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖6所示。

圖6 鉆井液密度對置換式氣侵發生時間的影響Fig.6 The effect of drilling fluid density on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖6可以看出，隨著鉆井液密度升高，氣侵發生時間縮短；密度越高，氣侵發生時間越短，氣侵會加速。由此可知，提高鉆井液密度不但不能緩解氣侵，還會促使氣侵速度加快。

2.6 裂縫地層壓力

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，鉆井液液柱有效壓力為103 MPa，分析地層壓力對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖7所示。

圖7 地層壓力對置換式氣侵發生時間的影響Fig.7 The effect of formation pressure on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖7可以看出，隨著地層壓力升高，氣侵發生時間逐漸縮短，在壓力較高地層，氣侵相對容易發生。

2.7 壓差

假設在鉆井過程中鉆遇一條裂縫，其長度為5.00 m，高度為3.00 m，寬度為0.5 mm，鉆井液密度為1.5 kg/L，鉆井液表觀黏度為40 mPa·s，分析壓差對置換式氣侵發生時間的影響規律，結果如圖8所示。

圖8 壓差對置換式氣侵發生時間的影響Fig.8 The effect of pressure difference on gas cut time by gas-liquid displacement

從圖8可以看出，隨著壓差增大，氣侵發生時間增長?，F場鉆井作業中出現了靜止后循環全烴值高、排氣時間長的情況，充分證明減小壓差可以導致氣侵加速。

通過上述置換式氣侵發生時間影響因素分析可知：1)置換式氣侵發生時間一般較短；2)漏失速率越大，氣侵發生越快；3)所有因素中裂縫寬度因素的影響最為顯著，裂縫寬度越大氣侵越快；4)其他影響較大的因素有鉆井液黏度、鉆井液密度、地層壓力及壓差。

3 結論與建議

1) 順南區塊鉆進鷹山組上段地層時存在氣侵嚴重、高密度鉆井液易發生漏失等問題，建立了漏失速率模型與氣液置換式氣侵模型，并利用該模型分析了該區塊裂縫性儲層的置換式氣侵發生時間影響因素。

2) 裂縫性儲層置換式氣侵發生時間的影響規律為：裂縫寬度越小、高度和長度越大，鉆井液黏度越大、密度越小，地層壓力越低、壓差越大，氣侵發生時間越長。

3) 鉆井液密度和作業壓差是影響鉆進穩定性的主要因素，鉆進順南區塊鷹山組上段地層時建議采取合理控制鉆井液密度和壓差的工程技術措施，減小并控制置換式氣侵速度。