鉆井液對裂縫性地層氣侵的影響模擬研究

方俊偉， 朱立鑫，羅發強，張俊，王永，黃維安，牛曉

（1. 中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，烏魯木齊 830011；2. 中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

在油氣開發鉆井過程中，鉆遇多裂縫、溶洞地層時，鉆井液會發生漏失，同時地層中氣體侵入井筒，導致井筒液柱壓力降低，進一步可引發溢流甚至井噴事故[1]。塔中北坡順南區塊奧陶系碳酸鹽巖地層地質條件復雜，裂縫發育，主要為0.1～2 mm微裂縫，并發育寬度大于2 mm的大裂縫，頻發置換性氣侵，常伴隨溢漏同存的現象，對井控是非常大的挑戰。現場常用超細碳酸鈣、海泡石礦物短纖維、果殼類纖維素、納米二氧化硅材料等常規封堵材料進行封堵[2]。為了提高封堵效率，及時封縫堵氣，需要對置換氣侵發生過程及其影響進行分析。國內外關于鉆遇裂縫重力置換氣侵對裂縫穩定性的影響研究較少[3-5]，在實驗室內難以直接觀測重力置換氣侵對裂縫開口的影響，因此采用ANSYS Fluent軟件模擬氣侵過程[6-7]。氣侵時裂縫內到井筒由鉆井液的單相流變為氣液兩相流，氣侵過程遵循氣液兩相流流動規律。可根據連續性方程與動量方程進行求解[8-11]，分析不同條件下的侵入速度以及裂縫開口的動壓力。

1 建立裂縫地層氣體進入井筒模型

采用ANSYS Fluent流體力學軟件，建立多相流模型，模擬該置換過程，分析氣侵的速度與裂縫開口處的動壓。井筒直徑162 mm，鉆柱直徑138 mm，高1000 mm，裂縫長寬高分別為1000 mm、2 mm、600 mm，裂縫形態為垂直平板狀。采用VOF模型進行模擬分析，氣侵時地層氣體進入井筒，井內循環流體由鉆井液的單相流動變為鉆井液與氣體混相的氣液兩相流動，此時環空流體的熱傳遞系數將會隨氣液兩相流流型的不同而發生變化。

在VOF模型中，針對多相流體積分數的質量方程的求解可以對相間界面進行定位。對于第q相，體積分數表達式見式（1）。

式中，Vq為第q相的速度，αq為第q相的體積分數，Saq為q相的源相，mpq為p相到q相的質量傳遞，mqp為q相到p相的質量傳遞。應注意的是，上述方程不是主相的求解，主相體積分數的求解如式（2）。

屬性是由流場中不同控制體內的分相確定的。在兩相體系中，若使用下標a和b表示，并且第二相的體積分數被定位跟蹤，則每一單元中的密度表達式為式（3）。

一般對n相系統，體積分數的平均密度為式（4）。

氣侵時，裂縫與井筒相連處的流體流動由單相流轉變為氣液兩相流，過程遵循氣液連續相方程和動量方程。液相連續性方程見式（5）。

對于非產氣層段，氣體連續性方程見式（6）。

氣液兩相動量方程見式（8）。

式中，ρm為鉆井液密度，kg/m3；νm為鉆井液速度，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；νg為氣體真實速度，m/s；λ為含氣率，無量綱；Qsg為井底進氣速度，m3/s；p為節點壓力，MPa，τ0為流體與管壁之間的剪切力，N/m2。

2 不同鉆井液條件下的置換氣侵模擬

2.1 氣侵模擬的具體工況

模擬某井的實際工況：井深約7000 m，地層溫度為180 ℃，壓力約為105 MPa。在鉆井作業過程中，鉆遇地層深處的裂縫帶，假設裂縫發育較為均勻，呈長平板狀。裂縫內存在大量超臨界氣體，其主要成分為甲烷。在裂縫中的高溫高壓（180 ℃，105 MPa）環境下，甲烷的基本物性參數如下，密度為266.9 kg/m3，黏度為0.0361 mPa·s。

使用Gambit軟件進行前期建模和網格劃分，建立了井筒與裂縫的三維模型。模擬井筒的井身是上下直徑相同的圓柱體，考慮到發生氣侵和漏失的深度多在五開鉆進過程，因此井筒尺寸分別為五開使用的鉆頭尺寸和鉆柱尺寸。三維模型的坐標原點和模擬井筒底部圓心重合；模擬裂縫是具有一定厚度的平板，與井筒垂直相交。鉆頭直徑為149.2 mm，鉆柱直徑為137 mm，考慮到1%～10%的井徑擴大率，取8%的井徑擴大率用于計算，井筒直徑為162 mm。本研究首先模擬了在現場工況下2 mm垂直縫的氣侵過程，現場工況的壓差為1 MPa，排量為24 L/s，鉆井液密度為1.5 g/cm3,黏度為45 mPa·s，流速為4.42 m/s。然后在此基礎上改變鉆井液的密度、黏度、排量，探究鉆井液性能變化帶來的影響。根據氣侵發生過程，截取了氣體相圖隨時間的動態圖像，直觀地表明氣體侵入井筒與鉆井液的漏失過程模擬不同條件下的氣侵規律，氣侵發生過程的相態云圖如圖1至圖9（圖中顏色表征的是裂縫中氣體的百分含量，藍色表示體積分數值0，紅色表示體積分數值為1，鉆井液與氣體體積分數總和為1，故藍色最深處的鉆井液液相含量最高）。

2.2 現場工況模擬

從圖1可以直觀地觀察到鉆井液與氣體的置換過程，在前0.5 s內速度較快，之后鉆井液的漏失較緩慢，與氣體的壓差減小，慢慢達到平衡。接近1 s時的氣侵速度趨于平緩，達到裂縫容量的一半。根據圖2和圖3，在開始瞬間至0.1 s時間內，可以看到氣體侵入井筒，破碎并運移至井筒內，且靠近井筒。0.15 s之后氣侵速度減慢，氣體進入井筒中，靠近鉆柱往上運移而非靠近井筒外壁運移。通過剖面圖可以觀察到氣體在井筒內的運移規律。

圖1 現場工況模擬下氣侵模擬的侵入云圖

圖2 現場工況模擬下氣侵模擬的氣相云圖

圖3 現場工況模擬下氣侵模擬的井筒剖面圖

圖4 模擬將鉆井液密度提高為1.7 g/cm3的氣體侵入云圖

2.3 密度的影響

根據圖4和圖5，本組模擬將鉆井液密度提高為1.7 g/cm3，與密度1.5 g/cm3的情況相比，漏失速度略快，達到裂縫一半容量的時間為0.8 s。提高鉆井液密度，在同樣高度差的情況下，壓差加大，漏失較快，但氣侵的峰值流速與穩定流速變化較小。

圖5 模擬將鉆井液密度提高為1.7 g/cm3的氣相云圖

圖6 模擬鉆井液黏度調為30 mPa·s的氣體侵入云圖

2.4 黏度的影響

由圖6和圖7，鉆井液黏度為30 mPa·s，相比于45 mPa·s的情況，漏失量達到裂縫容量一半的時間僅為0.7 s，氣侵與漏失的速度較快。這是因為黏度減小，在同樣流道、壓差條件下，與壁面的黏附作用減弱，流動阻力減小，因此漏失發生的更快，但氣侵的峰值流速與穩定流速同樣變化較小。

2.5 排量的影響

由圖8和圖9，鉆井液排量為14 L/s，與現場工況的25 L/s相對比，在1.2 s時刻漏失量達到裂縫容量一半，因排量降低，鉆井液在環空中的流速下降，流場相對而言較為平緩，因此在同樣壓差的條件下，氣侵與漏失發生較為緩慢，氣侵峰值流速為現場工況的60%，但穩定流速達到了現場工況下穩定流速的2倍。

圖7 模擬鉆井液黏度調為30 mPa·s的氣相云圖

圖8 模擬鉆井液排量調為14 L/s的氣體侵入云圖

圖9 模擬鉆井液排量調為14 L/s的氣相云圖

3 氣侵狀況分析

3.1 流速

在裂縫出口設置一個面用于監測氣侵流速，結果如圖10。氣侵量越大，表明漏失量也越大。4種模擬情況中，模擬現場工況時，漏失量達到裂縫一半容量的時間為1 s，密度增加、黏度降低有利于鉆井液漏失，達到裂縫一半容量的時間為0.8 s和0.7 s；排量的降低不利于鉆井液的漏失，達到裂縫一半漏失容量的時間為1.2 s。模擬現場工況的氣侵峰值流速為1.0 kg/s，改變密度為1.7 g/cm3時峰值流速為1.1 kg/s，相比現場工況，峰值流速變化較小，僅在發生時間上略微提前。改變黏度為30 mPa·s時峰值流速為0.95 kg/s，與現場工況的峰值流速相比差別不大，排量降低為14 L/s的峰值流速為0.6 kg/s，相比現場工況的峰值流速差值較大。

4種條件下的模擬情況都在0.05 s至0.1 s時達到流速峰值，然后迅速降至較低值，達到穩定狀態。這是因為氣侵發生的初始短暫時間內，壓差較大，部分氣體侵入井筒后裂縫與井筒的壓差逐漸降低，因此流速降低達到近穩定的流速值。1 s后現場工況條件下與密度為1.7 g/cm3、黏度為30 mPa·s條件下的流速穩定在0.05 kg/s左右。僅排量為14 L/s的情形，穩定流速接近0.1 kg/s，比其他3種條件下的流速穩定值超出近1倍。

圖10 不同鉆井液性質條件氣侵速度-時間關系圖

3.2 壓力

為了監測裂縫開口附近的動壓，在裂縫內靠近井筒附近設置一條監測線，分別在氣侵發生最劇烈的時刻，讀取該監測線上的動壓，可反映氣侵對裂縫面的影響，動壓越大，表明該點的壓力波動越大，壁面不穩定性越強，見圖11。

圖11 不同鉆井液性質條件壓力-距離關系圖

由圖11可以看出，裂縫口附近的動壓波動明顯，不同鉆井液條件下的動壓峰值可以達到0.20～0.26 MPa。現場工況下的動壓峰值為0.26 MPa，密度與黏度改變時的動壓峰值分別為0.245 MPa、0.244 MPa，變化量小于6%，變化趨勢基本一致，可以認為密度與黏度的變化對氣侵時的動壓影響較小。排量降低時的動壓峰值為0.086 MPa，與現場工況的模擬結果相比降低明顯，減少量達到66.9%，可以認為排量的變化對氣侵時的動壓影響較大。在波動的動壓條件下，裂縫壁面受到的應力也在持續變化，首先會誘導裂縫寬度發生往復變化，使得裂縫發生擴展，進一步增加漏失。其次，裂縫靠近井筒部分，會在應力條件下破碎、坍塌，多條裂縫的共同作用可能使得井壁失穩，坍塌的碎屑會增加卡鉆的風險，井筒擴徑同樣不利于鉆井作業，增加井控風險。

觀察各個動壓圖像可知，動壓的峰值是在裂縫的兩端出現峰值，這也表明了流體（液體、氣體）是在裂縫的上下兩端進入或流出，因流速較大，表現出較大的動壓值。而在靠近裂縫中上部位置（0.1 m）出現了動壓極小值，從該位置往上下兩端動壓增加。由于該點處于壓力突變的位置，可以認為該點附近的井壁處于較不穩定狀態，易剝落。而在上下兩端動壓值較高處，裂縫寬度易增加，井壁處于較不穩定狀態。

4 結論

1．置換氣侵發生時，由于壓差較大，開始接觸的瞬間流速較大，隨后由于壓差減小，流速逐漸降低，維持在一個較為穩定的低速狀態。

2．動壓的最大值在裂縫的上下兩端，最小值在裂縫中上部，這3個位置的裂縫口縫寬容易增加，引起井壁失穩。

3．密度、黏度變化對動壓影響不明顯，對氣侵速度的穩定值影響也較小，排量減小使得動壓整體降低，氣侵速度也減慢，有利于井壁穩定。