地層—井筒耦合條件下的壓力控制實驗裝置研究

唐 貴, 鄧 虎, 舒 梅

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

隨著油氣勘探開發逐漸向深層、超深層、海相地層轉移，鉆井深度的不斷增加，鉆井難、鉆井慢、井控風險高等問題日益突出[1- 2]。深部海相地層裂縫發育，存在多壓力系統，地層流體流動規律復雜，鉆井過程中井漏、溢流頻發，壓力控制難度大，尤其是在同一裸眼井段的溢漏同存，復雜程度將進一步加劇，井控風險更高。并且深部海相地層一般含有硫化氫等酸性氣體，壓力控制不到位，對鉆井設備及人員將造成不可逆轉的傷害[3- 7]。

為此，近年來控壓鉆井技術得到了廣泛的應用，并為掌握控壓鉆井過程中井筒流體流動規律，不少研究人員對控壓鉆井井筒流體流動規律進行了較多研究，探討了裂縫地層漏噴同存發生的轉換機制和發生條件，為了工藝控制和參數優化提供了一些基礎。

舒剛等[8]對裂縫內發生重力置換的條件及氣液流動規律進行了研究，分別建立了氣相模型和液相模型；劉繪新等[9]針對裂縫性儲層的特點構建了對應的井筒物理模型，提出了裂縫性儲層井控原理及井控技術；賈紅軍等[10]通過實驗研究了垂直井鉆遇水平縫時的氣液重力置換規律；孔祥偉[11]考慮重力置換的恒定性、氣侵的可變性，提出了重力置換與溢流氣侵的判斷三準則；李軍等[12]開展了氣液重力置換模擬實驗并提出了相關的預防措施。周劉杰[13]利用氣液重力置換實驗裝置觀察裂縫中存在明顯氣液分界面，建立了鉆遇裂縫時的置換窗口；Xiao等[14]建立了氣液重力置換的數學模型并通過實驗進行了驗證，針對現場應用提出了一種實用的解決方法；李軍等開展了氣液重力置換模擬實驗并提出了相關的預防措施；戴成等[15]根據實驗數據得到了鉆井過程中的漏失、溢流以及發生置換的空間；Li等[16]研究了水平井與垂直裂縫相交時發生的氣液重力置換現象。但是前期的研究工作大部分基于井筒單相或氣液兩相流動，對地層裂縫與井筒間復雜的耦合流動規律，尤其是不穩定流動的研究較少，且集中于理論認知。

基于地層—井筒多相流壓力的計算的復雜性，本文設計建立了一套地層—井筒耦合條件下壓力控制的實驗裝置，對流體流動規律進行實驗研究，為進一步分析控壓鉆井過程中的流動規律、深入揭示控制壓力過程中的地層—井筒流體壓力變化特征等提供實驗條件，為裂縫性地層安全鉆井提供保障。

1 模擬實驗裝置

1.1 模擬實驗裝置的研究意義

在鉆井過程中，由于地層壓力與井底壓力的差可能形成溢流或者漏失，如圖1所示。對于裂縫性地層或者多壓力系統層系，經常引發漏失與溢流共存的現象，壓力變化難以預測，壓力平衡難以調整，井下復雜事故頻發，嚴重制約勘探開發進度。為了對這一現象的機理進行深入探討，筆者建立了一套模擬實驗裝置，如圖2所示，能夠完成單純溢流、單純漏失和溢漏同存的定量化分析和理論研究驗證。本裝置實現了地層—井筒—井口一體化分析，突破以前只能夠實驗和監測單一流動區域的限制，滿足關鍵節點單元的協同調整和優化分析，形成了基于井筒多相管流的綜合壓力控制實驗平臺，同時實驗裝置具有可視化特征，能夠進一步開展巖屑運移和封堵防漏等多種實驗，具有一定的擴展性。

圖1 溢流、漏失與溢漏同存現象示意圖

圖2 地層—井筒耦合條件下的壓力控制實驗裝置示意圖

1.2 模擬實驗裝置的系統組成

模擬實驗裝置主要由地層模擬單元、井筒模擬單元、氣體注入單元、液體注入單元、數據采集單元和井口壓力控制單元及其他配套設備組成。模擬實驗裝置的主要關鍵參數如表1所示。井筒模擬單元為外徑159 mm、壁厚5 mm、長度33 m的有機玻璃管，井筒內有一根外徑50 mm、壁厚2 mm的不銹鋼。井底有漏失出口和氣體注入口，漏失出口設有精確漏失閥，可調節井底漏失量大小，氣體注入口采用割縫管方式與注氣單元連接，通過改變割縫管泄流面積模擬裂縫地層，氣體注入口設有壓力傳感器，可測量氣體注入壓力，如圖3所示。

表1 實驗裝置關鍵參數

圖3 可視化管線圖

注氣單元包括空壓機、儲氣罐、流量計及相關管線。注氣單元設有精確調壓閥和流量計，以精確調整注氣量與模擬地層壓力，而模擬地層壓力可通過設在單向閥后的壓力傳感器獲得。為防止井筒內液體倒灌進入注氣單元，在流量計后方設有單向閥。注液單元包括高壓往復泵、液體流量計以及相關液體管線，注液單元連接模擬鉆桿，從鉆桿注入模擬鉆井液進入井筒環空，隨后從井口排出，模擬鉆井液在井筒內的流動過程，通過調節往復泵可以調節鉆井液的注入量。井口壓力控制單元包括回壓閥、節流閥，可以模擬鉆井作業時不同井口壓力控制方法。數據采集單元主要對所采集的壓力和流量信息進行處理，并自動繪制圖表。

2 實驗步驟與實驗參數設置

2.1 實驗步驟與控制原理

開展單相漏失實驗時，開啟高壓往復泵，鉆井液在高壓往復泵作用下通過注液單元注入模擬鉆桿，從井底進入井筒環空并在井口返出，模擬鉆井作業中的鉆井液循環過程。開啟漏失閥，使得部分鉆井液在井筒底部流出，模擬井漏工況。通過井口的流量計和注液單元的流量計可計算出漏失量，通過分布于井口、井筒中部以及井底的壓力傳感器測量井筒壓力分布。隨后調節井口的回壓閥或節流閥，改變井口壓力，探討不同井口壓力條件下鉆遇裂縫性地層時鉆井液漏失規律以及井筒壓力分布規律。開展氣液兩相純氣侵實驗或氣液兩相溢漏同存實驗時，開啟空壓機，將氣體從井底注入井筒，模擬氣侵工況;同時開啟漏失閥，使得部分鉆井液在井筒底部流出，則可以模擬溢漏同存工況，如圖4所示。

圖4 不同實驗的控制原理

2.2 實驗參數設計

實驗過程中通過改變實驗臺架傾角、水的密度、水的粘度、泵的排量、漏失閥開度、裂縫高度、節流閥開度從而探討井口回壓、鉆井液漏失量、注氣壓力、注氣流量、井口壓力、井中壓力、井底壓力之間的關系，詳見表2。

表2 實驗參數設計

3 模擬實驗及結果分析

3.1 不同地層壓力下的氣侵實驗

當鉆井液以排量1.11 L/s進行實驗時，以三種注氣壓力模擬不同地層壓力下的氣侵規律，結果見圖5所示。初始狀態下，井筒內為純液相，井筒壓力為0.36 MPa，在實驗的第12 min時，氣體開始侵入；分別注入壓力為0.57 MPa、0.61 MPa、0.65 MPa的氣體，即代表地層壓力，井眼被氣侵，此時，井底壓力平均0.51 MPa、0.55 MPa、平均0.59 MPa，上升幅度分別是42%、53%和63%。第20 min后，逐漸控制井口壓力，到完全控壓平衡時，三種注氣壓力下的井底壓力分別上升7.8%、7.2%和6.7%。

圖5 氣侵控壓時井底壓力變化圖

該實驗表明，當井底壓差越大，氣侵后井底壓力上升越多；而進行節流控制后，到完全控壓平衡過程中，井底壓力的上升幅度很小。

3.2 不同鉆井液排量下的氣侵實驗

當地層壓力與井底壓力的壓差不變時，采用3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的鉆井液排量進行實驗，并記錄井口、井底壓力與節流閥開度變化情況。圖6為當地層壓力與井底壓力的壓差不變時，采用不同鉆井液排量的井底壓力變化示意圖。如圖6中3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的鉆井液排量對應的初始井底壓力分別是0.31 MPa、0.36 MPa、0.4 MPa，為保證相同的氣侵量，即相同的地層壓力與井底壓力的壓差，對應的地層壓力分別是0.55 MPa、0.6 MPa、0.64 MPa，此時地層壓力與井底壓力的壓差均為0.24 MPa。在相同壓差下，鉆井液排量為3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h時，井底壓力上升幅度分別為58%、54%和45%左右，排量越大，氣侵后井底壓力上升得越慢。

圖6 不同排量下井底壓力變化圖

不同排量下的氣侵節流閥開度變化見圖7所示。從隨著節流閥開度的調整，一開始節流閥下降的時候并沒有引起井口壓力的變化，隨著節流閥開度下降到20%的時候，井口壓力出現明顯變化，但是針對不同的排量，節流閥開度起到明顯作用的時間并不一樣。排量越大，節流閥開度比較大的時候就能夠明顯改變井口壓力。這是因為排量越大，節流閥的節流壓差效應越明顯，能在更大的開度內改變壓力。

圖7 不同排量下的氣侵節流控壓實驗數據

3.3 井漏條件下的壓力控制實驗

為了模擬井下漏失，在環空底部設置液體出口，液體經過地層裂縫模擬單元流到儲液罐，實現液體井漏模擬。開始時，調整節流閥開度在井口施加一定回壓；實驗過程中，通過增大節流閥開度，模擬井底壓力下降；當節流閥開度增到一定開度時，井底壓力與地層壓力平衡后，實現抑制井漏。通過改變漏失量，模擬不同井漏情況下的井筒流動規律，添加堵漏材料進一步模擬堵漏效果。如圖8所示，當漏失量為0.29 m3/h、0.48 m3/h和0.65 m3/h時，漏失時井底壓力下降值分別是0.04 MPa、0.05 MPa和0.07 MPa；當井漏完全被抑制時，井底壓力下降值分別是0.156 MPa、0.166 MPa和0.174 MPa。漏失量越大，平衡時的井底壓力越小，過小的井底壓力易引起溢流，在窄密度窗口的地層中鉆井常引起噴漏同存，處理難度較大，是瓶頸問題之一。

圖8 不同漏失量下井底壓力變化圖

3.4 模型驗證

為了進一步將實驗結果與理論進行驗證分析，本文采用徐朝陽[17]等人建立的AUSMV模型對氣侵工況進行驗證，驗證的結果如圖5中的驗證計算曲線所示，實驗測試過程中數據波動較大，而理論計算模型結果較為光滑，綜合分析精度為94.3%，具有較好的精確性，說明本實驗裝置的測試數據可以為實驗模型的驗證提供基礎數據，有利于指導模型的修正和完善。

4 結論

(1)研制了一套可以完成單純氣侵、單純漏失與溢漏同存等多種工況的實驗模擬裝置，該裝置具備裂縫寬度與井口回壓可調、可視化觀察等特點，實現了流體在地層—井筒—井口一體化分析的目標。

(2)在實驗裝置中，當節流閥入口壓力保持恒定，節流閥開度與出口壓力呈正相關關系；節流閥開度下降到20%的時候，井口壓力出現明顯上升變化。排量越大，調節節流閥開度時就能夠明顯改變井口壓力。將氣侵數據與理論模型進行對比，計算精度為94.3%，具有較高的準確率。

(3)實驗裝置通過改變節流閥的開度模擬井底壓力對漏失量的影響，當漏失量越大，井底達到平衡時，井底壓力下降值越大；漏失量在總排量中占比越小，對壓力的影響就越小，漏失也越容易通過調整節流閥得到控制，與實際施工情況相符。