侯緒田， 趙向陽，， 孟英峰， 楊順輝， 李　皋， 劉文臣

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500)

鉆進(jìn)裂縫性地層時(shí)，鉆井液與地層流體的置換是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，不少學(xué)者對鉆井液與地層流體置換的機(jī)理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了數(shù)值模擬：馬宗金[1]認(rèn)為，由于天然氣的密度與鉆井液相比低很多，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井后，天然氣與鉆井液將發(fā)生置換，并對發(fā)生置換后井筒內(nèi)的壓力變化進(jìn)行了推斷；張志[2]通過試驗(yàn)分析了重力置換溢流的機(jī)理和氣侵后井筒內(nèi)氣體滑脫的特征，并提出了相應(yīng)的井控措施；舒剛等人[3]分析了裂縫性地層發(fā)生重力置換式溢漏同存的機(jī)理，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并研制了一套模擬鉆井液與氣體置換時(shí)氣液兩相流的試驗(yàn)裝置，通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，提出氣液發(fā)生置換時(shí)裂縫內(nèi)的氣液分層流動(dòng)；賈紅軍[4]研究了垂直井鉆遇水平縫時(shí)的氣液重力置換規(guī)律；趙向陽等人[5]基于平板縫試驗(yàn)裝置和CFD技術(shù)分析了影響稠油和鉆井液重力置換的因素，并提出了控制稠油和鉆井液置換的措施；路保平等人[6]分析了伊朗雅達(dá)油田瀝青層的置換機(jī)制、壓力波動(dòng)情況和定容性油藏地層壓力的變化規(guī)律。但上述研究及試驗(yàn)都是采用平板縫或者平板粘砂來模擬真實(shí)裂縫，不能真實(shí)反映流體在裂縫中的流動(dòng)形態(tài)。為此，筆者基于真實(shí)裂縫的可視化液液置換試驗(yàn)裝置開展了液液可視化重力置換試驗(yàn)，分析了液液置換發(fā)生的條件、發(fā)展規(guī)律和影響置換量的因素，可為裂縫性地層安全鉆進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1　裂縫性地層縫內(nèi)液液重力置換機(jī)理

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，重力置換式溢漏同存的發(fā)生應(yīng)具備3個(gè)條件：1)地層中有鉆井液流入地層的裂縫通道；2)漏失量比較大時(shí)，地層中有足夠大的空間容納漏失的鉆井液；3)井筒壓力處于重力置換窗口。前2個(gè)條件比較容易理解，筆者結(jié)合已有文獻(xiàn)中的試驗(yàn)，主要對重力置換窗口進(jìn)行論證[7-11]。

圖1中ABDO代表裂縫面，根據(jù)井筒與地層的壓力平衡關(guān)系，可以得到只漏失不溢流的條件為：

圖1　垂直井鉆遇裂縫性油藏溢漏同存示意Fig.1　Diagram of coexistence of overflow and leakage in vertical wells drilling through fractured reservoirs

(1)

只溢流不漏失的條件為：

(2)

溢漏共存的條件為：

pB-Δpfw+Δpffl+Δpσ-

(ρm-ρo)gH

式中：pA為裂縫頂端位置對應(yīng)的井筒壓力，Pa；pB為地層近井筒裂縫內(nèi)壓力，Pa；Δpσ為液液界面張力產(chǎn)生的壓差，Pa；Δpffu為液液分界面上部地層流體在縫內(nèi)的流動(dòng)壓耗，Pa；Δpffl為液液分界面下部鉆井液在縫內(nèi)的流動(dòng)壓耗，Pa；Δpfw為鉆井液在井筒中的循環(huán)壓耗，Pa；ρm為鉆井液密度，kg/m3；ρo為地層流體密度，kg/m3；H為裂縫上端和下端的垂直距離，m。

由式(3)可以看出，重力置換窗口由井筒壓力(pA)、地層壓力(pB)、置換界面、鉆井液與地層流體的密度差、縫內(nèi)摩阻、液液界面張力、井筒循環(huán)壓耗共同決定，而縫內(nèi)摩阻取決于縫長、縫寬和置換流體的物性，井筒循環(huán)壓耗取決于縫高、鉆井液物性及井筒的返排量。

2　基于真實(shí)裂縫的液液重力置換試驗(yàn)方法

2.1　試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方案

液液重力置換試驗(yàn)的目的是證實(shí)液液重力置換現(xiàn)象的存在，找出發(fā)生液液重力置換的條件和影響因素，同時(shí)為CFD仿真提供邊界條件，通過可視化井筒地層裂縫液液重力置換試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證地層流體與鉆井液之間動(dòng)態(tài)置換規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，為井筒壓力控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供計(jì)算方法，為制定裂縫性地層安全鉆進(jìn)對策提供理論依據(jù)。

根據(jù)油田現(xiàn)場表現(xiàn)，發(fā)生液液重力置換的地層為有限圈閉體，因此將模擬地層的容器設(shè)定為一個(gè)封閉空間，進(jìn)行定容液液重力置換試驗(yàn)，模擬正常鉆進(jìn)過程中地層-井筒置換的情況：鉆井液從鉆柱上部注入，由環(huán)空返出，觀察環(huán)空中鉆井液與地層流體的置換現(xiàn)象。

同一裂縫寬度下，通過改變回壓來改變地層壓力和井筒壓力的壓差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按照井涌→臨界點(diǎn)→置換→臨界點(diǎn)→井漏進(jìn)行試驗(yàn)，考察鉆井液密度、回壓、鉆井液黏度和地層流體黏度對置換量的影響，然后改變裂縫寬度再次進(jìn)行試驗(yàn)，考察裂縫寬度對置換量的影響。在同一裂縫寬度下，設(shè)置采用循環(huán)低密度鉆井液加回壓和循環(huán)高密度鉆井液的方式獲得相同循環(huán)當(dāng)量密度(ECD)的情況，觀察2種方式下的置換量，并進(jìn)行對比。

2.2　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料

由于目前國內(nèi)外尚沒有基于真實(shí)裂縫空間的耦合流動(dòng)試驗(yàn)裝置，筆者通過掃描現(xiàn)場實(shí)際露頭裂縫，構(gòu)建了真實(shí)的裂縫空間，并研制了一套基于真實(shí)裂縫空間的可視化井筒-地層耦合流動(dòng)試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置主要由模擬地層模塊、模擬井筒模塊和模擬裂縫模塊組成(見圖2)。

圖2　液液重力置換試驗(yàn)裝置原理示意圖Fig.2　Diagram of apparatus for tests on liquid-liquid gravity displacement

該試驗(yàn)裝置中模擬井筒的高度6.0 m、直徑152.4 mm，裂縫模塊中模擬裂縫的高度0.5m、長度1.0m，寬度可調(diào)，工作壓力大于0.5 MPa。該試驗(yàn)裝置可以模擬定容和定壓情況下鉆井液-原油、鉆井液-氣體在真實(shí)裂縫中的耦合流動(dòng)狀態(tài)，還能進(jìn)行裂縫內(nèi)堵漏效果評價(jià)，除了可視化觀測及高速攝像外，還可以測量壓力、流量等數(shù)據(jù)。

以清水為低密度鉆井液，加入CaCl2調(diào)整鉆井液的密度，加入CMC調(diào)整鉆井液的黏度；采用齒輪油模擬高黏的地層流體，并在鉆井液中加入墨水，以增強(qiáng)流體對比觀測效果。

2.3　液液重力置換試驗(yàn)步驟

1) 開啟螺桿泵，將適量模擬地層流體泵入模擬地層，打開真實(shí)裂縫板右側(cè)閥門，使模擬地層流體充滿裂縫，調(diào)節(jié)地層壓力分別使其大于、基本等于和小于井筒壓力，記錄3種情況下的壓力數(shù)據(jù)。開啟鉆井泵，使鉆井液充滿模擬井筒并循環(huán)一段時(shí)間，并待井筒中流體流量穩(wěn)定。

2) 打開真實(shí)裂縫板左側(cè)閥門，同時(shí)記錄時(shí)間。此時(shí)，右側(cè)壓力大于左側(cè)壓力，將發(fā)生井涌，右側(cè)壓力釋放，其地層壓力將逐漸減小，兩端壓差逐漸減小，井涌量逐漸減??；當(dāng)兩側(cè)壓差小到一定程度，井涌的同時(shí)亦會(huì)發(fā)生井漏(即發(fā)生置換現(xiàn)象)，仔細(xì)觀察并記錄剛發(fā)生置換時(shí)的時(shí)間、壓力和流量等數(shù)據(jù)，此時(shí)即為從井涌到置換的臨界點(diǎn)。此后，地層壓力將繼續(xù)減小，當(dāng)兩側(cè)壓差小到一定程度，置換將消失，只有井漏，仔細(xì)觀察并記錄置換現(xiàn)象消失的時(shí)間、壓力和流量等數(shù)據(jù)，此時(shí)即為從置換到井漏的臨界點(diǎn)。

3) 調(diào)節(jié)井筒回壓(5組，其中2組為后續(xù)試驗(yàn)調(diào)整鉆井液密度提供依據(jù))，重復(fù)以上試驗(yàn)步驟。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1　置換影響因素分析

為了驗(yàn)證液液重力置換現(xiàn)象的存在，找出發(fā)生置換的條件和影響置換量的因素，最終形成有效的控制方法，分別開展不同裂縫寬度、井口回壓、鉆井液密度、鉆井液黏度、地層流體黏度等液液可視化置換試驗(yàn)，分析各參數(shù)對置換量的影響規(guī)律。

3.1.1裂縫寬度

以密度1.000 kg/L、黏度1.0 mPa·s的清水為鉆井液，以密度0.700 kg/L、黏度1 900.0 mPa·s的原油為地層流體，分別在縫寬10.0和1.9 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持井筒、地層條件不變，觀察縫板中的置換現(xiàn)象，同時(shí)監(jiān)測不同時(shí)間下的置換量，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：試驗(yàn)過程中井筒中的鉆井液與地層流體發(fā)生置換；在同一縫寬下，隨時(shí)間增長，置換量增大，置換速率基本穩(wěn)定；隨縫寬增大，置換速率增大，置換量增大。與氣液定容置換試驗(yàn)結(jié)果相比，縫寬對液液定容置換速率和置換量的影響程度更明顯。

圖3　不同裂縫寬度下置換量與時(shí)間的關(guān)系Fig.3　Relationship of displacement amount versus time under different fracture widths

3.1.2回壓

以密度1.000 kg/L、黏度1.0 mPa·s的清水為鉆井液，以密度0.700 kg/L、黏度1 900.0 mPa·s的原油為地層流體，在縫寬10.0 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持地層條件不變，改變井筒回壓，觀察縫板中相同時(shí)間下的置換現(xiàn)象(見圖4)，同時(shí)監(jiān)測不回壓下相同時(shí)間下的置換量，結(jié)果見圖5。

由圖4和圖5可以看出：井筒中的鉆井液與地層中的流體發(fā)生了置換；隨回壓增大，鉆井液與地層流體間的界面向右、向上移動(dòng)，置換現(xiàn)象更明顯，置換速率和置換量增大。

3.1.3鉆井液密度

以密度1.058，1.233和1.350 kg/L，黏度2.0 mPa·s的CaCl2溶液為鉆井液，以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的原油為地層流體，在縫寬10.0 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持地層條件不變，改變鉆井液的密度，觀察縫板中的置換現(xiàn)象(見圖6)，同時(shí)監(jiān)測不同時(shí)間下的置換量，結(jié)果見圖7。

由圖6和圖7可以看出：井筒中的鉆井液與地層中的流體發(fā)生了置換；隨鉆井液密度增大，鉆井液與地層流體間的界面向右、向上移動(dòng)，置換現(xiàn)象更明顯，置換速率和置換量增大。

3.1.4鉆井液黏度

以密度1.350 kg/L、黏度1.9和12.9 mPa·s的CaCl2溶液為鉆井液，以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的原油為地層流體，在縫寬10.0 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持地層條件不變，改變鉆井液的黏度，觀察縫板中的置換現(xiàn)象，結(jié)果見圖8。

圖4　不同回壓下相同時(shí)間的液液置換現(xiàn)象Fig.4　Liquid-liquid displacement at the same time under different back pressures

圖5　置換量與回壓的關(guān)系Fig.5　Relationship between displacement amount and back pressure

圖6　不同鉆井液密度條件下相同時(shí)間的液液置換現(xiàn)象Fig.6　Liquid-liquid displacement at the same time under different densities of drilling fluid

圖7　不同鉆井液密度條件下置換量與時(shí)間的關(guān)系Fig.7　Relationship between displacement amount and time under different drilling fluid densities

由圖8可以看出：井筒中的鉆井液與地層中的流體發(fā)生了置換；隨著鉆井液黏度增大，鉆井液和原油間的界面向左、向下移動(dòng)，置換現(xiàn)象減弱。

圖8　不同鉆井液黏度條件下相同時(shí)間的液液置換現(xiàn)象Fig.8　Liquid-liquid displacement at the same time under different viscosities of drilling fluid

3.1.5地層流體黏度

以密度1.233 kg/L、黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液為鉆井液，分別以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的稠油和密度0.780 kg/L、黏度1 495.0 mPa·s的稀油為地層流體，在縫寬10.0 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持地層條件不變，觀察縫板中不同黏度地層流體與鉆井液的置換現(xiàn)象，結(jié)果見圖9。

圖9　不同地層流體黏度條件下相同時(shí)間的液液置換現(xiàn)象Fig.9　Liquid-liquid displacement at the same time under different viscosities of crude oil

由圖9可以看出：當(dāng)?shù)貙恿黧w黏度較低時(shí)，發(fā)生了置換現(xiàn)象，而地層流體黏度較高時(shí)，未發(fā)生置換現(xiàn)象。其原因是地層流體黏度較高時(shí)，其在裂縫中的流動(dòng)阻力太大。

3.2　等ECD條件下置換量的對比試驗(yàn)

對于同一井筒，獲得同一ECD的方式有2種:一種是循環(huán)高密度鉆井液;另一種是循環(huán)低密度鉆井液加回壓。為了對比這2種方式下的置換量，為鉆井過程中發(fā)生液液重力置換后，采用哪種方式提高ECD提供依據(jù)，進(jìn)行了等ECD情況下的液液重力置換試驗(yàn)。

以密度1.058 kg/L、黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液為低密度鉆井液，以密度1.35 kg/L，黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液為高密度鉆井液，以密度0.968 kg/L，黏度2 050.0 mPa·s的原油為地層流體，在縫寬10.0 mm的縫板中進(jìn)行液液重力置換試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，保持地層條件不變，通過施加回壓使循環(huán)低密度鉆井液時(shí)的ECD與循環(huán)高密度鉆井液時(shí)相同，觀察縫板中的置換現(xiàn)象，結(jié)果見圖10。

圖10　等ECD下低密度鉆井液和高密度鉆井液的置換現(xiàn)象Fig.10　Displacement of drilling fluids with different densities at the same ECD

由圖10可以看出，在ECD相同的情況下，與采用低密度鉆井液加回壓方式相比，采用高密度鉆井液時(shí)鉆井液與地層流體間的界面更陡，更容易發(fā)生置換。

4　液液重力置換數(shù)學(xué)模型

由上面的液液重力置換試驗(yàn)可知，影響液液置換量的因素為：

Q=f(Δp,Δρ,Δμ,L,b,h,ε,σ)

(4)

式中：Q為置換量，m3/s；Δp為裂縫兩端壓差，Pa；Δρ為鉆井液與地層流體的密度差，kg/m3；Δμ為鉆井液與地層流體的黏度差，Pa·s；L，b，h和ε分別為裂縫的長、寬、高及表面粗糙度，m；σ為液液表面張力，N/m。

根據(jù)量綱分析原理，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制在對數(shù)坐標(biāo)系中(圖11)，進(jìn)行回歸擬合分析得到置換量與各影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

圖11　液液重力置換試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸擬合分析曲線Fig.11　Regression and fitting lines for data from liquid-liquid displacement tests

5　結(jié)論與建議

1) 縫寬較小時(shí)，液液置換界面受裂縫內(nèi)部粗糙度的影響，界面不是一條規(guī)則的曲線；縫寬較大時(shí)，液液置換界面是一條規(guī)則的曲線。

2) 鉆井液黏度越高,置換量越小，因此，建議在油層段打入一段高黏度的稠塞,以減少置換量;回壓越大，置換量越大，因此，在進(jìn)行控壓鉆井時(shí)，在滿足井控安全的情況下不要增大回壓。

3) 等ECD下液液重力置換試驗(yàn)表明，采用低密度鉆井液加回壓方式時(shí)的置換量比采用高密度鉆井液時(shí)小，因此，建議采用密度與地層流體密度相近的鉆井液加一定的回壓進(jìn)行鉆進(jìn)，以減少置換量。

4) 裂縫兩端的壓差發(fā)生液液重力置換的主要原因，鉆井液與地層流體的密度差和黏度差是導(dǎo)致裂縫兩端產(chǎn)生壓差的主控因素。因此，建議采取采用低密度鉆井液進(jìn)行控壓鉆井、在鉆井液中加入堵漏材料和提高封井液黏度的措施,控制液液重力置換現(xiàn)象的發(fā)生(減少置換量)。

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