準南復雜構造地層漏失規律研究

王 鑫，陶思才，孫 俊，聶榮國，張 楊，郭學良，苗 娟

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041；2.塔里木石油勘探開發指揮部第二勘探公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學，四川成都610500）

準南復雜構造地層漏失規律研究

王 鑫1，陶思才2，孫 俊2，聶榮國3，張 楊3，郭學良3，苗 娟3

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041；2.塔里木石油勘探開發指揮部第二勘探公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學，四川成都610500）

準南復雜構造地質和鉆井情況非常復雜，地層破碎、傾角陡，鉆達高壓層后，在同一壓力系統情況下，壓力系數隨深度增加而減少，導致安全密度窗口變窄，不同壓力系統同處一層裸眼引起井漏，井下復雜在所難免，嚴重地制約了鉆井效率，為了實現安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關。弄清井漏機理是防治井漏的關鍵所在，對于復雜構造風險深井、超深探井漏的機理目前停留在定性半定量描述階段，需要進一步深化機理的研究。為此，以非牛頓流體力學理論為基礎，并結合鉆井工程的實際情況，建立了地層井漏的數學模型，分析了鉆井參數、鉆井液性能、地層特性等對井漏的影響，用以揭示復雜構造地層的漏失特點及規律，從而為現場防漏堵漏提供理論依據。

準南；復雜構造；井漏；研究

1 概述

準南構造地質和鉆井情況復雜，地層破碎嚴重、傾角陡，普遍存在長裸眼，多套壓力共存，一旦鉆遇惡性復雜層段，則需提前下某層套管，這就面臨能否打到地質目標的問題，也就是說沒有退路可走。特別是壓力敏感性地層井漏十分頻繁，井漏、井涌、垮塌及壓差卡鉆等井下復雜情況，井眼復雜在所難免，嚴重地制約了鉆井效率，為了實現安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關[2]。對于山前復雜構造，實鉆過程中存在井漏和溢流同時發生，壓力平衡極難調整，事故、復雜情況頻繁發生，井控風險很大，嚴重地制約了該地區的鉆井速度。為了實現安全快速鉆井，井漏是必須逾越的難關。

解決該技術的關鍵是弄清楚井漏的原因和機理，在此基礎上，通過改進鉆井、鉆井液、固井工藝技術提高地層承壓能力，拓寬鉆井液密度窗口，降低事故、復雜損失和井控風險。在所有復雜時效中，由于井漏引起的復雜損失占了相當大的比例。針對這項技術難題，目前國內外尚無成熟的技術。對于井漏機理目前停留在定性半定量描述階段，鉆井液性能、漏失通道、施工參數等對井漏的影響，缺乏較準確的定量評價模型[1-3]。弄清井漏機理是防治井漏的關鍵所在，仍需要進一步深化復雜構造井漏機理的研究和認識，建立和完善漏失理論及確定漏失規律的方法。

2 鉆井液漏失數學模型

在鉆井過程中，鉆井液漏失的模型如圖1所示。模型假設條件如下：

①單相流體，鉆井液為非牛頓流體；

②流動符合線性阻力規律；

③漏失是恒溫過程；

④鉆井液的壓縮系數很小且為常數。

將在徑向孔隙單元的單向可壓縮流體流動的連續方程與達西定律、密度與壓力關系相結合，可得到單向微可壓縮流體在孔隙介質中的流動方程：

式中：p——壓力，kPa；

K——滲透率，μm2；

φ——孔隙度；

μ——粘度，Pa·s；

C——綜合彈性系數。

進一步推導可得：

式中：B——恒定的漏失速率與地層的承受能力。這個方程揭示了冪律流體、壓力梯度與鉆井液流 變性和地層孔隙度、滲透率等之間的關系。

圖1 漏失幾何模型圖(rw為井眼半徑；re為漏失半徑；r為任一半徑)

3 數學模型的求解

初始條件：未發生井漏時，壓力為原始壓力，t=0，p=pi；

邊界條件：在外邊界，在離井眼很遠處，鉆井液漏失不能達到，r→∞，p=pi；在內邊界：鉆井液在地層中的流動符合達西定律。經過推導可得：

在邊界處寫成第二類邊界條件：

上式是一個變系數的線性拋物型偏微分方程（對流擴散方程），要求取解析解是非常困難的，國內外很多學者對此進行研究過，主要還是采用數值計算方法[3-4]。因此，本文采用了有限差分法求取該模型的數值解，并通過對空間的網格化，對時間的離散化來提高有限差分法的精度。利用模型的初始條件與邊界條件，采取隱式差分法得到三對角矩陣，并通過求解該矩陣，可以得出井底附近壓力在不同時間壓力變化情況。利用上面的差分格式，采用高斯—賽得爾迭代法就可以求出不同時刻不同位置的壓力值，即漏失發生后的壓力分布。根據上述方法，利用計算機語言開發了應用程序。圖2為該模型開發的應用程序界面。

4 井漏的影響因素研究

圖2 漏失壓力分布程序輸出界面圖

準南地區井漏主要發生在鉆達高壓層后，在同一壓力系統下，壓力系數隨深度的增加而減少，導致安全密度窗口變窄，不同壓力系統同處一層裸眼段引起井漏。

本文以DF1井為實例進行計算分析。發生復雜時的層位及巖性：齊古組J3q，發生復雜時井下鉆具組合：?171.4mm鉆頭+?120.7mm鉆鋌2根+?168mm扶正器+?120.7mm鉆鋌12根+?101.6mm鉆桿+?127mm鉆桿。鉆井液性能：密度2.06g/cm3、粘度66s、失水2.0mL、泥餅0.5mm、pH值10。

分別討論壓差、流型指數、黏度、滲透率等重要因素對井漏的影響。

（1）壓差對井漏的影響。壓差不僅是造成井漏的先決條件，而且也是影響漏失速率的重要因素，在鉆井施工中，鉆井參數諸如鉆井液性能、井眼尺寸、起下鉆速度、憋泵等因素都影響著壓差的變化。因此，在鉆井中調整鉆井液性能、控制起下鉆速度，防止憋泵，做到緩慢開泵循環等，均有利于減小壓差對漏速的影響，為此應采取平衡鉆井，有條件還可采用欠平衡鉆井。圖3顯示在不同壓差條件下對鉆井液漏失量的影響。圖4為鉆井液漏失壓力剖面圖，從圖4能夠看出隨著時間的推移，裂縫中的壓力由于流體的不斷侵入而發生變化，壓力增加呈現上升的趨勢，只是隨著徑向距離的增加，壓力的增加幅度越來越小。這也是鉆井液侵入的能力在不斷降低，由于地層巖石本身就具有一定的抗壓強度。因此，裂縫的延伸距離一般很短。

圖3 壓差對井漏的影響圖

（2）井徑對井漏的影響。圖5為井眼大小對鉆井液漏失的關系圖。從圖1可以看出，常規井眼中，井徑對鉆井液的漏失影響并不顯著。在壓力敏感性地層中，小井眼不一定是最佳選擇，因為小井眼環空壓耗更大，鉆柱的起下鉆速度產生的波動壓力對之影響更加顯著。在這種地層，常規井眼可能能夠避免更多的井下復雜事故，反而節約了成本。

圖4 鉆井液漏失壓力剖面圖

圖5 井徑對井漏的影響圖

（3）鉆井液流變性對井漏的影響。從圖6可見，流型指數越小，同一時刻壓力影響距離越大。這表明鉆井液的流型指數越小漏失程度越嚴重，當發生井漏時，應將流型指數值盡可能調節到有利于抑制井漏的范圍。圖7顯示了鉆井液黏度對井漏的影響。從圖7可以看到，粘度越大，井漏的影響范圍越小。通常情況下，粘度較大時，對防止井漏或減輕井漏是有益的，但并非粘度越大越好，在實際鉆井過程中，過大的粘度將會使得循環壓力過高，從而使薄弱地層產生人為裂縫，引起更大的漏失。因此，在易漏地層，充分考慮鉆井液其他流變性質條件下應適當調整鉆井液的粘度值，以防止井漏的發生或加劇。

鉆井液的流變性能對于地層井漏影響甚為嚴重。尤其是壓力敏感性地層，應該考慮鉆井液性能對地層的適應性，這是人為因素，可以避免的。

（4）地層因素對井漏的影響。在鉆井過程中，地層孔隙度、滲透率都是客觀存在的地層因素，雖然不易改變，但他們對井漏也具有重要的影響。圖8為地層滲透率對井漏的影響。在其他條件一定的情況下，滲透率越大，地層的漏失更加嚴重；孔隙度卻與之相反，通常，孔隙度越小，一旦發生漏失，其程度反而越嚴重，這一點可以從圖9的2條曲線可以看出。

圖6 流型指數對井漏的影響圖

圖7 粘度對井漏的影響圖

圖8 滲透率對井漏的影響圖

圖9 孔隙度對井漏的影響圖

（5）漏失速率對井漏的影響。鉆井液一旦發生了漏失，漏失速率反映了漏失嚴重程度。一般來說，一旦發生了井漏，漏速越大，漏失越嚴重。圖10說明了漏速大小對漏失徑向長度的影響并不是很嚴重，它往往加劇了裂縫的寬度，使得漏失在縱向上漏失更加嚴重，使漏失縱向范圍擴大，鉆井液的漏速越大，當地層壓力增加越快，漏失寬度增大的可能性越大，井漏嚴重度隨之增加。這也就是裂縫寬度作為評價漏層性質和判斷井漏嚴重程度的一個主要參數的主要原因。因此，堵漏就應當從裂縫開口處著手。

圖10 漏速對井漏的影響圖

5 結論

（1）準南復雜構造地層破碎、傾角大，具有高滲透性漏失特征，地層特性、鉆井液性能、鉆井施工參數對漏失嚴重程度具有明顯影響。研究表明，壓差起著決定性作用，其次是鉆井液的性能，井眼大小次之。地層因素對井漏的影響不可忽視。

（2）加強壓力控制，降低液柱壓力，有助于控制井漏。通過降低循環壓耗（降排量、降泵壓）對山前破碎性、高滲透性地層漏失的預防的明顯效果；鉆進時近平衡，起鉆計算平衡點，吊罐或控制溢漏，對窄壓力窗口壓力敏感性地層井漏有一定的效果。

（3）對于準南復雜構造地層的井漏可采取提高地層破裂壓力的技術措施。山前構造當井眼附近的裂縫被(橋堵、水泥、聚合物等)封堵后，張力轉換成了壓縮力，井眼整體承壓能力提高了，即提高了地層破裂壓裂梯度，可以使用更大范圍的鉆井液密度，即擴寬了鉆井液密度窗口，有利于防漏堵漏。

[1]胥永杰.四川盆地高陡構造碳酸鹽巖鉆井技術發展方向[J].天然氣工業，2000,20(3).

[2]徐同臺，劉玉杰.鉆井過程防漏堵漏技術[M].北京：石油工業出版社，1999.

[3]N.Morita，Conoco Inc.Theory of Lost Circulation Pressure[J]. SPE，2009.

[4]Van Poollen H K,et al.Steady-State and Unsteady-State Flow of Non-Newtonian Fluid Through Porous Media[J].SPE，1969：80-88.

表1 熱洗前后參數對比表

（1）自噴井常采用機械清蠟技術，日常做好壓力、溫度和產量的監控，發現結蠟及時采取措施，在現場操作時，要保持一定的油流速度，避免清除的蠟堵塞地層。

（2）熱洗是抽油機井最直接、最有效的清蠟手段，但熱洗有效期較短，對含水影響較大，因此配合使用化學清蠟藥劑效果更好。

（3）各種清蠟技術存在優缺點，要根據油井的含水、結蠟等情況選擇適當的清蠟技術，這樣才能對清蠟達到經濟滿意的效果。

參考文獻：

[1]于云琦.采油工程[M].北京：石油工業出版社，2006：241-245.

[2]李露，李藝明，林森.原油生產中的石蠟沉積及其控制[J].油氣田地面工程，2001，20(3):82-83.

[3]張惠文.抽油機井熱洗清蠟效果分析與研究[J].化學工程與裝備，2011(2)：80-82.

TE254

A

1004-5716(2015)08-0069-05

2014-09-05

王鑫（1989-），男（漢族），四川仁壽人，助理工程師，現從事石油工程領域工作。