裂縫發育頁巖地層水平井鉆井氣液重力置換規律

樂 宏 吳鵬程 梁 婕 鐘成旭 張 震 李鄭濤 李紅濤

1. 中國石油西南油氣田公司 2. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

3. “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

四川盆地長寧區塊下志留統龍馬溪組頁巖氣儲量豐富，是國家級頁巖氣示范區[1-4]，其規模高效開發對于建設“西南氣大慶”，實現我國“碳達峰、碳中和”目標具有重要意義[5]。長寧區塊龍馬溪組頁巖石英、長石等脆性礦物含量高，裂縫、斷層發育[6-7]，水平井鉆井過程中井漏事故頻發[6]，特別是存在氣液重力置換式漏噴同存現象，井控風險高，處理難度大，導致鉆井周期延長，施工成本增加，嚴重制約了該區塊頁巖氣資源的規模效益開發。

國內外學者已經對重力置換現象開展了相關研究。Bennion等[8]首次報道了欠平衡鉆井的重力置換現象。舒剛等[9]開展了裂縫發育地層重力置換的平板縫可視化實驗，并建立了數學模型，系統分析了置換現象的發生原因。李軍等[10]和周劉杰[11]基于可視化實驗研究了碳酸鹽巖裂縫發育地層氣液重力置換的特點，并提出了預防措施。戴成等[12]開展了真實裂縫下的氣液重力置換實驗，分析了其氣液界面現象與常規平板縫的差異。Petersen等[13]提出了一種重力置換式漏噴同存的井控模擬器，但僅限于理論研究。張興全等[14-15]分析了重力置換發生時井底壓力、泥漿池增量等的變化，以及回壓對重力置換的影響。孔祥偉等[16]提出了重力置換的判別三原則。楊順輝等[17]研制了一套可視化的液—液重力置換實驗模擬裝置。侯緒田等[18]、趙向陽等[19]和Xiao等[20]開展了基于真實裂縫實驗裝置的液—液重力置換實驗，分析了裂縫寬度、井口回壓、鉆井液密度、鉆井液黏度和地層流體黏度對定容性地層液—液置換量的影響規律。路保平等[21]引入量綱分析理論，推導出了液—液重力置換量的準則方程。但是，液—液重力置換與氣液重力置換存在本質性區別。以上研究均是針對直井鉆遇垂直裂縫時的重力置換現象。賈紅軍[22]利用平板縫可視化實驗裝置開展了水平井重力置換實驗，分析了液相黏度對重力置換的影響，并未考慮其他因素，且地面低壓實驗的溫度壓力等條件與真實的井下流動環境存在很大差異。目前，對于水平井鉆井的氣液重力置換現象研究較少，對其發生機理及參數影響規律的理解尚存在很大的不足。

筆者基于數值仿真開展井下真實溫度壓力等流動環境下的水平井鉆井氣液重力置換研究，揭示了水平井重力置換的典型特征，并探究了井底壓差、裂縫寬度、鉆井液密度及黏度、地層壓力、裂縫傾角等參數對水平井氣液重力置換的影響規律，為實現重力置換下的井筒流動安全控制，保障長寧區塊頁巖氣水平井安全鉆井高效鉆井提供支撐。

1 數值仿真模型

本文利用ANSYS Fluent軟件開展數值仿真來探究實際井下壓力溫度等特殊流動環境下水平井鉆井的氣液重力置換規律。考慮不同因素，基于ICEM CFD軟件建立了系列數值計算網格模型，以水平井鉆遇單條垂直裂縫為例進行說明，其三維網格模型如圖1所示，主要尺寸參數見表1。采用結構化網格來構建數值計算網格模型，并在水平環空邊界層和裂縫處進行局部網格加密，以提升計算精度及效率。仿真計算所需初始及邊界條件的設置考慮鉆井的實際情況，流動初始階段水平環空為鉆井液，裂縫內為高壓天然氣，將水平環空的趾部設置為速度入口邊界，根部設置為壓力出口邊界，裂縫左右兩側入口設置為壓力入口邊界，其余部分為壁面邊界。

圖1 水平井鉆遇單條垂直裂縫重力置換數值仿真網格圖

表1 數值模型的幾何參數表

根據VOF模型[23]，氣液兩相流動的質量、動量和能量方程可分別描述如下。

質量守恒方程為：

2 數值仿真模型驗證

筆者利用文獻[22]提供的氣液重力置換可視化實驗數據進行數值仿真模型的驗證。文獻[22]所述實驗裝置的主要參數如表2所示，分別開展了三種不同黏度流體（清水、4 mPa·s和10 mPa·s）的模擬實驗，利用在清水中添加CMC來調節其黏度，最高實驗壓力不超過0.025 MPa，氣侵速率采用轉子流量計進行測量。開展同等流體及壓力等條件的重力置換數值模擬，模擬得到的漏失速率和氣侵速率與實驗數據的對比如圖2、3所示。

表2 文獻[22]所述實驗裝置的主要參數表

圖2 漏失速率的數值仿真與實驗對比圖

圖3 氣侵速率的數值仿真與實驗對比圖

可以看出，對于3種黏度的流體，模擬數據與實驗值在數值及其隨井底壓差的變化趨勢上均吻合很好，漏失速率模擬平均誤差9.4%，氣侵速率模擬的誤差略大，平均18.3%。圖4為數值模擬得到的氣液界面與可視化試驗現象的對比。可以看出，當重力置換現象發生時，裂縫及水平環空內均存在明顯的氣液界面，環空內氣液兩相流動表現出典型的分層流特征，仿真得到的氣液界面分布規律與實驗現象高度吻合。可見，本文建立數值仿真模型具有較高的準確度，能夠滿足工程需要。

圖4 氣液界面的數值仿真與實驗分布規律對比圖

3 氣液重力置換特征

模擬計算使用的主要參數如表3所示，數值仿真得到的井下環境下氣液重力置換現象如圖5所示。

表3 模擬計算主要參數表

由圖5可以看出，裂縫及水平環空內均存在明顯的氣液界面，與地面低壓條件下重力置換現象類似（圖4）。同時，裂縫內的氣液界面并不是平直的，而是從裂縫的兩側向中間逐漸隆起，并與水平環空相交，且環空內的氣相是以氣膜的形式分布在水平環空的高邊位置，并不存在平直的氣液界面，也即典型的水平氣液兩相分層流現象，這與地面低壓條件下的重力置換現象存在顯著差異。裂縫內氣液界面兩側存在明顯的壓差，液相在壓差的作用下逐漸驅替氣相，并向裂縫兩側流動，如圖6所示。

圖5 水平井鉆遇垂直裂縫的氣液重力置換現象圖

圖6 垂直裂縫及水平環空截面的壓力等值線圖（z=0）圖

4 氣液重力置換影響因素分析

實際鉆井中水平井氣液重力置換規律復雜，為找出影響重力置換的主要因素，明確其發生條件，分別開展了不同井底壓差、裂縫寬度、鉆井液密度及黏度、地層壓力、裂縫傾角以及鉆遇雙裂縫時的重力置換模擬仿真，分析了各參數對置換現象的影響規律。

4.1 井底壓差的影響

相關實驗和理論研究已經表明井底壓差是重力置換現象最主要的影響因素，但并沒有給出重力置換現象發生的井底壓差（Δp=水平段環空初始壓力－裂縫內初始壓力，下同）界限，且相關研究均是基于地面可視化實驗或仿真。圖7為裂縫寬度1 mm時漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的數值仿真變化曲線，模擬計算中僅改變井底壓差，其他參數保持恒定（表3）。

圖7 1 mm寬裂縫漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

由圖7可以看出，隨著井底壓差的變化，漏失速率和氣侵速率急劇變化，僅當井底壓差處于－0.01～0 MPa區間內時才會同時存在漏失和氣侵，也即是重力置換現象；當井底壓差大于0 MPa時只有井漏；而當井底壓差低于－0.01 MPa時則只會發生純氣侵。可以將上述3個井底壓差區間分別定義為“重力置換窗口”“氣侵區”和“漏失區”，如圖7所示。需要指出的是，上述“重力置換窗口”等3個特征區域是在裂縫寬度1 mm和特定的鉆井液密度、地層壓力等參數（表3）下得到的，若這些參數發生變化，3個特征區域也相應地會改變。可以看出，重力置換現象只在井底處于微欠平衡狀態時才會發生，且漏失速率和氣侵速率對于井底壓差高度敏感。鉆井施工中可通過調控井底壓力，使井底壓差處于微過的近平衡狀態來抑制重力置換現象的發生。井底處于微過平衡狀態時雖存在井漏，但是井漏速率很低，可進一步通過添加堵漏材料隨鉆封堵地層，解決井漏問題，實現安全鉆進。

4.2 裂縫寬度的影響

不同裂縫寬度條件下漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的變化如圖8～10所示，模擬計算中其他參數保持不變（表3）。

圖8 不同寬度裂縫漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

由圖8可以看出，重力置換對于裂縫寬度高度敏感，隨著裂縫寬度的增加，漏失速率和氣侵速率均大幅增加，且置換窗口急劇拓寬。同時，由圖9可以看出，當裂縫寬度為0.05 mm時不會發生重力置換，在“氣侵區”和“漏失區”之間的井底壓差區間內，既不存在氣侵，也不存在漏失，此區間也即是“溢漏安全窗口”。

圖9 0.05 mm寬裂縫時漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

此外，由圖10可以看出，當裂縫寬度為5 mm時，只要井底壓力處于欠平衡狀態，就一定會發生重力置換，不會出現純氣侵的情況。可見，裂縫寬度是重力置換現象發生的決定性因素，其直接關系著是否會存在重力置換及置換量的大小，存在一個重力置換發生的臨界裂縫寬度，只有鉆遇大于臨界寬度的裂縫時才可能發生重力置換，在本例中其介于0.05～0.50 mm。鉆井施工中，當水平井鉆遇微裂縫發生重力置換時，可通過將井底壓差控制在微過平衡狀態來抑制氣侵，也可適當地增加欠壓值將重力置換轉換為純氣侵，實現可控欠平衡鉆井，有效發現和保護儲層；但當鉆遇大裂縫或斷層時，只能通過將井底壓差控制在微過平衡狀態的方式來抑制重力置換，將其轉換為純漏失的狀態，且需嚴格控制井底壓差，盡可能減少漏失速率，并立即開展堵漏作業，以保證鉆井安全。

圖10 5 mm寬裂縫漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

4.3 鉆井液密度的影響

圖11為不同鉆井液密度下漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的數值仿真變化曲線，模擬計算中其他參數保持不變（表3）。

圖11 不同鉆井液密度下漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

由圖11可以看出，隨著鉆井液密度的增加，氣侵速率幾乎不變，而漏失速率則顯著上升，置換發生的臨界井底壓差下限明顯左移，置換窗口變寬。在地層壓力恒定的條件下，裂縫內的氣相密度恒定，鉆井液密度增加，鉆井液與地層氣相的密度差也相應地增加，二者的重力勢能相差也越大，因此置換現象加劇。理論上，降低鉆井液密度可抑制重力置換，但因其與地層氣相的密度差較大，且實際鉆井中鉆井液密度降低的空間有限，因此不推薦通過降低鉆井液密度來抑制置換。此外，由于重力置換主要發生在井底處于欠平衡狀態時，降低鉆井液密度會增大欠壓差，可能造成氣侵速率過大，井控風險增加。

4.4 鉆井液黏度的影響

不同鉆井液黏度條件下井底漏失速率與氣侵速率隨井底壓差的變化曲線如圖12所示，模擬計算中其他參數保持恒定（表3）。

圖12 不同鉆井液黏度下漏失和氣侵速率隨Δp的變化圖

由圖12可以看出，隨著鉆井液黏度的增加，漏失速率和氣侵速率均顯著降低，且重力置換現象發生的臨界井底壓差上限左移，置換窗口明顯收窄。鉆井液黏度的增加，顯著增強了氣液兩相相間及鉆井液與裂縫壁面的流動摩擦阻力，是造成這一變化的主要原因。增大鉆井液黏度對于重力置換現象具有一定的抑制作用，但鉆井施工中鉆井液的黏度極少超過100 mPa·s，改變黏度的作用有限，且增加鉆井液黏度也會導致環空壓耗的增加，因此不應將其作為抑制重力置換的主要手段。

4.5 地層壓力對氣液置換的影響

圖13為不同地層壓力條件下漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的數值仿真變化曲線，模擬計算中其他參數保持恒定（表3）。

由圖13可知，隨著地層壓力的增加，漏失速率顯著降低，而氣侵速率則呈現出相反的變化，重力置換發生的臨界井底壓差下限右移，置換窗口變小。地層壓力的增加，增大了裂縫內氣相的密度，在鉆井液密度恒定的條件下，地層壓力越大，鉆井液與地層流體的密度差越小，二者的重力勢能也越接近，因此重力置換也就越弱。對于深部高壓地層，在裂縫尺度等參數相同的前提下，雖然重力置換窗口相較于淺部低壓地層有所收窄，但一旦發生置換其氣侵速率也更大，井控風險也更高，更需注意抑制重力置換。

4.6 裂縫傾角對氣液置換的影響

長寧區塊龍馬溪組頁巖地層垂直（75°～90°）、高角度（45°～75°）及低角度裂縫（15°～45°）均有發育，以高角度縫為主[28-30]。因此，需要考察裂縫傾角對水平井重力置換的影響。圖14為不同裂縫傾角條件下漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的數值仿真變化曲線，模擬計算中其他參數保持恒定（表3）。

圖14 不同裂縫傾角下漏失速率和氣侵速率隨Δp的變化圖

由圖14可知，隨著裂縫傾角的增大，置換區內漏失速率略微有所增加，氣侵速率則顯著上升，重力置換發生的臨界井底壓差上限明顯右移，置換窗口有所拓寬。可見，相較于低角度裂縫，水平井鉆遇垂直及高角度裂縫時更易發生重力置換，且置換區內氣侵速率更大，井控風險更高。此外，在純漏失區內漏失速率隨裂縫傾角的增加有所降低，而在純氣侵區內氣侵速率的變化則正好相反，裂縫傾角越大，氣侵越嚴重。因此，考慮到長寧區塊龍馬溪組頁巖地層裂縫傾角大的地層特性，更需要將井底壓力精細地控制在微過狀態，以盡可能地消除或抑制重力置換現象和氣侵問題。

4.7 鉆遇雙裂縫時的氣液置換規律

長寧區塊頁巖氣井平均水平段長1 500 m[31]，水平段鉆井往往會鉆遇多條裂縫，有必要考察此種情況下的重力置換現象。圖15為鉆遇單裂縫及兩條不同間距的垂直裂縫時漏失速率和氣侵速率隨井底壓差的數值仿真變化曲線。模擬計算中裂縫寬度均為1 mm，其他參數保持恒定（表3），鉆遇雙裂縫時的裂縫間距分別考慮2 m和5 m兩種情況。

圖15 單裂縫及雙垂直裂縫時的重力置換特性變化圖

由圖15可以看出，相較于鉆遇單條垂直裂縫的情況，當水平井鉆遇雙裂縫時漏失速率和氣侵速率均大幅增加，且漏失速率增加的幅度要遠大于氣侵速率，重力置換現象發生的臨界井底壓差上限基本不變，而其下限則左移，置換窗口明顯變寬。同時，也可以看出，兩條垂直裂縫的間距越大，漏失速率和氣侵速率越大，置換窗口也越寬。需要指出的是，圖15中的漏失速率和氣侵速率為兩條裂縫的數據總和，此處將“一條裂縫氣侵、另一條裂縫井漏”“一條裂縫氣侵、另一條裂縫重力置換”和“一條裂縫重力置換、另一條裂縫井漏”的情況也歸為重力置換。上述3種情況與典型的重力置換現象在工程上均表現為“溢漏同存”，難以區分，且本例中兩條裂縫內的壓力相等，因此可將其理解為水平井鉆遇裂縫系統時發生的重力置換現象。就具體鉆井而言，隨著水平段的延伸，鉆遇越來越多的裂縫，置換發生的概率會顯著增加，置換的強度也會越來越大，這也是制約裂縫發育頁巖地層水平段延伸能力的一個重要因素。

5 結論

本文基于數值仿真系統研究了裂縫發育頁巖地層水平井鉆井的氣液重力置換現象，得到以下結論：

1）氣液重力置換發生時裂縫與水平環空均存在明顯的氣液分界面，裂縫內的氣液界面不是平直的，而是由裂縫兩側向中間隆起，并與水平環空相交，環空內的氣相以氣膜的形式存在，不會出現分層流現象。

2）氣液重力置換現象主要受井底壓差、裂縫寬度、鉆井液密度及黏度、地層壓力、裂縫傾角影響，井底壓差和裂縫寬度的影響要遠大于其他參數；只有井底壓差處于置換窗口內時才會發生置換；裂縫寬度的增加將大幅拓寬置換窗口，漏失速率及氣侵速率也急劇增加；對于特定的地層及井筒流動環境，存在一個置換發生的臨界裂縫寬度范圍。

3）水平井鉆遇雙裂縫時，置換窗口明顯變寬，漏失速率和氣侵速率均大幅增加，裂縫的間距越大，漏失速率和氣侵速率越大，置換窗口也越寬。

4）可將井底壓差控制在微過狀態來抑制重力置換，或增加欠壓值，將重力置換轉換為純氣侵，控壓欠平衡鉆井；不過，鉆遇大裂縫或斷層時，只能通過井底微過平衡控壓來抑制重力置換，并開展堵漏作業，以保證鉆井安全；降低鉆井液密度、提高鉆井液黏度理論上可抑制重力置換，但效果有限。