基于井筒-地層定壓實驗的重力置換窗口研究

陶振宇, 樊洪海*, 羅勝, 劉玉含, 鄧嵩, 葉宇光

(1.中國石油大學石油工程學院, 北京 102249; 2.中國石油華北油田巴彥勘探開發分公司, 巴彥淖爾 015000;3.中國石油集團工程技術研究院有限公司, 北京 102206; 4.常州大學石油工程學院, 常州 213164)

近幾年中國石油工程逐漸向深井、超深井、特深井等深層區域發展,在這些深層區域中,由于地層壓力大,地質環境復雜,裂縫、溶洞等發育較多,導致溢流、井涌、井漏等事故頻發,嚴重影響了鉆井的進展[1-3]。溢流根據發生原因通常分為負壓差溢流、重力置換溢流、對流溢流、擴散溢流以及巖屑附著溢流。地層重力置換是指在裂縫性地層中,地層與井筒壓力近平衡的情況下,由于密度差異,鉆井液與地層流體發生置換,地層流體進入井筒,鉆井液進入地層,溢流和漏失同時發生[4-6]。國內地層重力置換發生的典型區域塔中地區位于新疆塔里木盆地,是中石化重要的油氣接替區,該地區屬于碳酸鹽巖斷溶體油氣藏,擁有優越的油氣成藏條件。其地層多發育裂縫-溶洞,形成縫洞型儲層,多存在地層重力置換引起的溢漏同存現象,嚴重制約了該地區的油氣勘探開發。如果處理不當可能會加重溢流事故,導致鉆井作業風險大,造成巨大災難。2003年羅家16井,鉆遇裂縫-孔隙地層,井底發生重力置換溢流,由于當時對重力置換機理認識不清,采取了不恰當的處理手段,造成了重大的井噴事故[7]。所以需要對重力置換機理進行研究,掌握規律,了解重力置換發生的條件,分析地層重力置換窗口,判斷井下是否發生重力置換,采取相應的控制方法,抑制重力置換的危害[8-12]。

目前,國內學者對地層重力置換做了大量研究。舒剛[4]基于氣液兩相流建立了氣-液重力置換溢漏同存模型;張興全等[13]根據氣液兩相流理論建立了井筒氣侵計算模型;楊順輝[14]研制了液液可視化重力置換模擬裝置;唐文泉等[15]基于實驗研究了瀝青與鉆井液置換的規律,并提出了相應的解決方法;趙向陽等[16]研究了瀝青稠油與鉆井液重力置換的規律,并提出了針對性的解決手段;侯緒田等[17]基于真實裂縫實驗進行液液重力置換實驗研究;李軍等[18]通過碳酸鹽巖裂縫性地層氣液重力置換實驗,分析了氣液重力置換的影響因素;戴成[6]通過簡單的地層重力置換實驗與計算機仿真計算得到了地層重力置換簡化模型;楊順輝等[19]基于真實裂縫研制了井筒-地層耦合流動裝置,可以模擬流體在裂縫中流動狀態;路保平等[20]建立地層瀝青與井筒鉆井液置換性雙向流動的機制模型并通過實驗分析瀝青與鉆井液置換機理;Xiao等[21-22]建立了氣液和液液重力置換數學模型,通過重力置換實驗驗證其正確性;王存新等[23]建立了重力置換數學模型,形成了重力置換漏噴函數。目前,現有的實驗設備承壓能力低,壓力不足會產生實驗誤差;井筒裂縫連接由幾根管子組成,對流動有一定影響;流量及壓力的測量不夠精準,不能同時完成氣-液與液-液置換實驗;不能自動控制及采集實驗參數,還需改進,且現有的研究并未對地層重力置換窗口進行理論分析及定量計算。

綜上所述,在前人研究的基礎上,本課題組研制了一種井筒-地層重力置換裝置。該實驗裝置與前人相比,承壓能力強,更容易保持定壓工況,減小了壓力不足的誤差,數據測量更加精準;采用自主設計的一體式連通閥減小了連接管道對流動的影響,實驗結果更貼近現場實際;增加了自動加溫裝置以及自主開發的實驗操作系統,可以模擬多種工況下重力置換流動實驗。基于該裝置,現開展氣液、液液定壓重力置換實驗,通過可視化窗口觀察地層重力置換現象,基于實驗數據分析地層重力置換發生條件,定量計算重力置換窗口,以滿足工程精度需求,為現場控制重力置換的發生及抑制重力置換的危害提供指導。

1 實驗裝置介紹

井筒-地層重力置換實驗裝置由地層模擬部分、井筒模擬部分、裂縫模擬部分、壓力傳感器、壓差傳感器、流量表,實驗操作系統、水箱,加溫裝置以及一些配件組成,通過自主開發的實驗操作系統可以自動控制各個實驗參數,采集不同的數據,裝置如圖1所示。

F11、F21和F31為氣體流量計;F12、F22為液體流量計;P為壓力傳感器;PT1～PT8為壓力傳感器;dP為壓差傳感器;DP1為壓差傳感器的編號

該裝置井筒部分設有一根不銹鋼圓管,用來模擬鉆桿,實驗時由螺桿泵向鉆桿內注入鉆井液,鉆井液經鉆桿后由環空循環出井。為了保證井筒和裂縫部分能承受足夠的壓力,裝置整體除裂縫部分由加厚有機玻璃組成,其余均是由不銹鋼組成。井筒左側是氣液分離器、液液分離器和水箱,便于在氣液重力置換實驗時分離氣液、循環流體,在液液重力置換實驗時儲存液體、循環流體。裝置中間為裂縫部分,由加厚有機玻璃制作,配有板筋外殼,加強承壓。裂縫左側裝有自主設計的一體式連接閥,可以循環流體,模擬鉆井液進入裂縫的流動狀態。在裂縫的上下部分裝有壓力表、壓力傳感器以及壓差傳感器,便于直接測量出流動過程中的壓力數據,與理論分析進行對比驗證。裝置右側為地層模擬部分,由一根不銹鋼金屬管柱構成,上下裝有壓力表以及壓力傳感器,右側配有空壓機以及螺桿泵傳輸氣體和液體。裝置的入口及出口均配有對應的流量計,通過自主研發的實驗操作系統可以直接控制實驗參數的變化,自動采集實驗數據[14]。

該實驗裝置高2.4 m,模擬裂縫的高度為60 cm,長度為80 cm,裂縫寬度可以在1～10 mm調整,裝置設計圖如圖2所示。該實驗裝置可以模擬定容(鉆遇一定體積的裂縫或溶洞)和定壓(鉆遇無限大地層中的裂縫)工況下重力置換的流動狀態。實驗時通過設置不同的入口壓力分別向模擬井筒及地層泵入密度不同的流體,打開連通閥后,由于密度差異的原因,兩種流體在裂縫中發生重力置換,導致裂縫中出現“溢漏同存”的現象。

圖2 井筒-地層重力置換裝置設計圖Fig.2 Gravity displacement device design drawing

圖3 地層重力置換實驗操作系統Fig.3 Experimental operating system

圖4 地層重力置換可視化窗口Fig.4 Gravity displacement visualization window

與前人相比,該實驗裝置的特點如下。

(1)承壓能力強,整體最大可承壓為2 MPa,便于保持長時間定壓,減小實驗誤差。

(2)安裝多個壓力傳感器、壓差傳感器以及氣液流量計進行數據對比,降低壓力測量誤差。

(3)井筒與裂縫連接部分采用自主設計的一體式連通閥,如圖5所示。該連通閥縮短了井筒與裂縫的連接部分,可以實現一體式開關裂縫。與前人使用管道連接相比,更貼近井下實際情況,大大降低了管道對連接處流動的影響,減少實驗過程的誤差。

圖5 自主研制的一體式連通閥Fig.5 Independent-developed integrated connected valve

(4)使用自主開發的實驗操作系統,使用方便,可以直接控制各個實驗參數,自動采集實驗數據,減少實驗操作以及數據采集的誤差,如圖3所示。

(5)該裝置配有自動加溫裝置,可以模擬不同溫度進行實驗,探究溫度對重力置換的影響。

(6)通過對裝置結構的改造,可以清楚地觀察氣-液和液-液重力置換的現象,定量測量重力置換過程中壓力、壓差以及流量,為后續研究提供實驗參數,可視化裂縫部分如圖4所示。

2 實驗方案

2.1 地層重力置換機理分析

地層重力置換模型如圖6所示,發生重力置換需滿足幾個條件,裂縫連通性較好,鉆井液和地層流體可以在裂縫中流動,井筒壓力需略大于地層壓力,使鉆井液進入裂縫,之后由于密度差的原因在裂縫中發生置換,使地層流體進入井筒[4-6]。

P1為裂縫左上端壓力,MPa;P2為裂縫左下端壓力,MPa;P3為裂縫右上端壓力,MPa;P4為裂縫右下端壓力,MPa;h為裂縫高度,m

P2=P1+ρlgh

(1)

P4=P3+ρggh

(2)

ΔP=P1-P2

(3)

式中:ρl為鉆井液密度,g/cm3;ρg為地層流體密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2;ΔP為裂縫兩端壓差,MPa。

假設氣液界面張力為Pz,流體在裂縫中的流動阻力為Pr,當只發生漏失時,鉆井液進入裂縫,地層流體不進入井筒,所以裂縫兩端應存在正壓差,即P1>P2+Pz+Pr,P3>P4+Pz+Pr,由式(1)～式(3)得,ΔP>Pz+Pr,此為重力置換窗口的上臨界點。

同理,只發生溢流時,ΔP<-Δρgh-Pz-Pr,此為重力置換窗口的下臨界點。

則重力置換窗口為

-Δρgh-Pr-Pz<ΔP

(4)

綜上,重力置換窗口與流動阻力、氣液張力、流體密度、裂縫高度有關。由于裂縫的流動阻力和氣液張力無法準確計算,且相比于密度差引起的力影響較小,所以地層重力置換窗口主要與密度差和裂縫高度有關。在同一裂縫內,流動阻力、氣液張力和裂縫高度可視為常數,所以地層重力置換窗口的大小主要與流體密度差有關。為了分析地層重力置換發生的窗口區間,定量計算重力置換窗口,驗證理論分析的正確性,本文研究設計了氣液、液液定壓置換實驗。改變裂縫兩端壓力,觀察實驗現象,采集壓力數據,實驗方案如下。

2.2 氣液定壓置換實驗方案

氣液實驗裝置參數:裂縫寬度3 mm,裂縫高度60 cm,溫度為室溫,使用不同濃度的氯化鈣溶液模擬不同密度的鉆井液,使用空氣模擬地層流體。

實驗基本操作流程:①開啟螺桿泵1,使流體充滿井筒并循環一段時間,觀察流量計,使井筒流量趨于穩定;②調整節流閥和螺桿泵1使得井筒壓力達到設定數值;③開啟空壓機,準備實驗所需的壓縮氣體(空氣),讓氣體在壓力的作用下從地層流入裂縫,調整節流閥和空壓機使得地層壓力達到設定數值;④打開連通閥,模擬定壓工況進行實驗。

臨界點實驗流程:①調節井筒壓力為0.2 MPa,調節地層壓力為0.1 MPa,觀察現象,記錄液面;②繼續調整空壓機增大注入壓力,使得地層壓力緩慢增加,直到觀察到地層流體開始進入井筒,此時為上臨界點,記錄此時的壓力數據;③調節井筒壓力達到0.1 MPa,調節地層壓力達到0.2 MPa,觀察現象,記錄液面;④繼續調整節流閥和螺桿泵1增大井筒壓力,直到觀察到鉆井液恰好不進入地層,此時為下臨界點,記錄此時的壓力數據。

氣液臨界點實驗共設置13組不同的鉆井液密度,每組均進行臨界點實驗,改變鉆井液的密度區間為0.998～1.3 g/cm3,每組重復3次,如表1所示。

表1 氣液實驗參數表Table 1 Gas-liquid experiment parameter

2.3 液液定壓置換實驗方案

液液實驗裝置參數:裂縫寬度3 mm,裂縫高度60 cm,溫度為室溫,鉆井液使用氯化鈣溶液模擬,密度區間為0.998～1.3 g/cm3,地層流體使用柴油模擬,密度約為0.78 g/cm3,為了突出界面效果,用油溶性染料將地層流體染色。

實驗準備流程:①開啟螺桿泵1,使流體充滿模擬井筒并循環一段時間,觀察流量計,使井筒流量趨于穩定,調整節流閥和螺桿泵1使得井筒壓力達到設定數值;②開啟螺桿泵2,使地層流體在壓力的作用下從地層流入裂縫,調整節流閥和螺桿泵2使得地層壓力達到設定數值;③打開連通閥,模擬定壓工況進行實驗。

臨界點實驗流程與氣液類似,在此就不贅述了。液液臨界點實驗共設置9組不同的密度差,通過加入不同劑量的氯化鈣改變鉆井液密度,每組均進行臨界點實驗,重復3次,如表2所示。

表2 液液實驗參數表Table 2 Liquid-liquid experiment parameter

3 實驗結果與分析

3.1 地層重力置換實驗臨界點判別方法

3.1.1 溢流-重力置換臨界點實驗

(1)氣液實驗:當井筒壓力Pw為0.1 MPa,地層壓力Pp為0.2 MPa,ΔP=Pw-Pp=-0.1 MPa,實驗現象如圖7(a)所示。觀察此時氣液分界面,地層流體通過裂縫左上方進入井筒,而鉆井液只進入裂縫,并未進入右側地層,此時表現為純溢流現象。

圖7 純溢流現象Fig.7 Overflow phenomenon

(2)液液實驗:當井筒壓力Pw為0.2 MPa,地層壓力Pp為0.4 MPa,ΔP=Pw-Pp=-0.2 MPa,通過圖7(b)可以看到此時為純溢流現象,與圖7(a)類似。

增大井筒壓力,直到鉆井液開始進入地層,如圖8所示。觀察液面分界線,此時鉆井液恰好開始從裂縫右下部分進入地層,完成純溢流到地層重力置換(溢漏同存)的轉換,此時即為溢流-重力置換臨界點,記錄此時的壓力數據。

圖8 溢流-重力置換臨界現象Fig.8 Overflow-gravity displacement critical phenomenon

繼續增大井筒壓力,液面分界線上移如圖9所示,地層流體進入井筒,鉆井液進入地層,即發生地層重力置換。

圖9 地層重力置換現象Fig.9 The phenomenon of formation gravity displacement

3.1.2 漏失-重力置換臨界點實驗

(1)氣液實驗:當井筒壓力Pw=0.4 MPa,地層壓力Pp=0.2 MPa時,ΔP=Pw-Pp=0.2 MPa,如圖10(a)所示。觀察氣液分界面,此時鉆井液由裂縫下端進入地層,地層流體只進入裂縫,并未進入井筒,此時表現為純漏失現象。

(2)液液實驗:當井筒壓力Pw=0.4 MPa,地層壓力Pp=0.2 MPa時,ΔP=Pw-Pp=0.2 MPa,如圖10(b)所示,與氣液類似,可知此時為純漏失現象。

增大地層壓力,直到地層流體開始進入井筒,如圖11所示,此時發生純漏失到地層重力置換的轉變。地層流體恰好開始通過裂縫進入井筒,此時即為漏失-重力置換臨界點,記錄此時的壓力數據。

圖11 漏失-重力置換臨界現象Fig.11 Leakage-gravity displacement critical phenomenon

至此,氣液與液液重力置換窗口的臨界點均已找到,每組實驗按實驗方案重復3次,消除實驗誤差的影響,記錄臨界點壓力數據。

3.2 實驗結果與分析

重力置換臨界點壓力與溢漏關系如圖12所示。當井底壓差處于重力置換窗口內,發生溢漏同存,井底壓差大于漏失臨界點壓力時,井筒發生漏失,井底壓差小于溢流臨界點壓力時,井筒發生溢流。

圖12 重力置換窗口示意圖Fig.12 Schematic diagram of the gravity displacement window

氣液實驗結果如圖13所示,通過實驗現象可以看出在井筒-地層定壓實驗中,改變井筒-地層壓力,裂縫中會出現溢流-地層重力置換-漏失的變化。

圖13 氣液臨界點實驗結果Fig.13 Gas-liquid critical point experiment result

因此,基于實驗結果擬合了氣液重力置換臨界點壓力與井筒-地層流體密度差之間的兩條關系曲線。式(5)為溢流-重力置換臨界點壓力變化關系曲線,式(6)為漏失-重力置換臨界點壓力變化曲線。

PO-G=5.982 3Δρ-154.21

(5)

PL-G=-0.005 3Δρ+17.293

(6)

式中:PO-G為溢流-重力置換臨界點壓力,Pa;PL-G為漏失-重力置換臨界點壓力,Pa;Δρ為井筒-地層流體密度差,kg/m3。

液液實驗結果如圖14所示。

圖14 液液臨界點實驗結果Fig.14 Liquid-liquid critical point experiment result

式(7)為溢流-重力置換臨界點壓力變化關系曲線,式(8)為漏失-重力置換臨界點壓力變化曲線。

PO-G=5.694 3Δρ-16.291

(7)

PL-G=0.000 6Δρ+15.109

(8)

式中:PO-G為溢流-重力置換臨界點壓力,Pa;PL-G為漏失-重力置換臨界點壓力,Pa;Δρ為井筒-地層流體密度差,kg/m3。

當鉆井液密度為0.998 g/cm3時,氣液重力置換的窗口為-5 800～10.6 Pa,液液地層重力置換的窗口為-1 192～16.6 Pa。觀察實驗結果,可以看到溢流-重力置換臨界點壓力與流體密度差基本呈正比關系,隨流體密度差增大,漏失-重力置換臨界點壓力基本保持不變。實驗結果與理論分析基本相符,氣液與液液擬合曲線不同主要是由于氣體與液體界面張力以及流動阻力不同。在圖13和圖14中繪制擬合曲線10%誤差線,可以看到實測值基本在誤差線之內,滿足工程精度需要,擬合曲線可以反映重力置換臨界點壓力與流體密度差的關系。

在該實驗裝置條件下,井筒壓力與地層壓力為2 MPa以下,地層重力置換窗口為數千帕。但實際上現場井底壓力與地層壓力約為幾十兆帕,且在鉆遇多層大量裂縫地帶時,裂縫有效高度可能高達幾十米,地層重力置換窗口也隨之增長幾十倍,所以在控壓鉆井時必須考慮地層重力置換窗口的影響,本文的擬合公式對現場控壓鉆井具有指導意義。

井下發生重力置換時,短時難以通過環空返出判斷,所以準確計算地層重力置換窗口可以在鉆遇縫洞型地層時,判斷井下溢流和漏失的情況,及時進行對溢流、漏失事故的預處理,避免重力置換帶來的危害。當判斷井下為重力置換式溢漏同存時,可以考慮采用堵漏壓井的方法處理,也可以控制井底壓力維持純溢流,進行欠平衡鉆井技術,由于流動阻力對重力置換有一定的影響,所以通過提高鉆井液黏度,增加裂縫的流動阻力也是一種可以采用的解決方法。

通過實驗和理論分析可以看出,鉆遇碳酸鹽巖縫洞型儲層時,重力置換的發生難以避免。此時可以考慮通過精細控壓鉆井控制井底壓力,抑制地層重力置換,避免地層重力置換帶來的危害;也可以在鉆井作業前,通過鉆井工程設計盡量避免鉆遇縫洞型地層,或是通過一些堵漏材料將裂縫封死,從而避免重力置換的危害[18]。

4 結論

(1)研制了一種井筒-地層重力置換裝置,可承壓高;使用自主開發的實驗操作系統,可以直接控制各個實驗參數,自動采集壓力、流量等實驗數據;使用自主設計的一體式連通閥,降低連通管道對流動的影響,實驗結果更貼近現場實際情況。

(2)通過地層重力置換實驗及理論分析得到,在該實驗條件下,當鉆井液密度為0.998 g/cm3時,氣液重力置換窗口為-5 800～10.6 Pa,液液地層重力置換的窗口為-1 192～16.6 Pa。現場實際井底與地層壓力大,鉆遇多層大量裂縫帶時,重力置換窗口隨之增長幾十倍,所以在控壓鉆井時需要考慮重力置換窗口的影響。

(3)通過實驗分析回歸了重力置換臨界點壓力與井筒-地層流體密度差曲線,得到重力置換窗口的定量計算方法,實測值與擬合曲線誤差均在10%以內,擬合公式基本可以反映重力置換臨界點壓力與流體密度差之間的關系。

(4)基于重力置換窗口實驗研究,提出了對應的解決方法。通過實驗與理論分析得到的地層重力置換窗口可以為現場控壓鉆井抑制重力置換式溢流的發生及避免地層重力置換帶來的危害提供指導,也可以為后續的科研提供實驗參數。