分析与计算地层渗透性漏失漏层深度和压力的新方法

张景富 岳宏野 张德兵 侯瑞雪 刘 凯

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

分析与计算地层渗透性漏失漏层深度和压力的新方法

张景富 岳宏野 张德兵 侯瑞雪 刘 凯

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

漏失对油气钻井及固井施工危害极大。针对利用现场常规数据无法用现有模型进行地层漏失信息计算的问题，以追溯漏失过程为出发点，利用非牛顿流体力学、渗流力学原理，研究了渗透性漏失漏层深度及压力计算模型的建立及计算问题。分析了漏失发生时间与钻井液漏失总量及钻头进尺的关系，建立了漏层深度与液体漏失总量的函数关系；依据渗透性漏失机理，建立了漏失压力、漏失流量及漏层厚度间的函数关系；提出了一种新的计算与分析漏层深度与压力的计算模型和方法，并对特定油田区块的漏失问题进行了计算与分析。该方法为准确确定地层漏失信息，合理选择与设计钻井液体系、水泥浆体系、钻井与固井施工参数提供基础。

钻井液；漏失；漏层深度；漏失压力；计算模型

有关井眼漏层深度与漏失压力的分析与计算问题，曾有大批学者及现场技术人员进行过研究，建立了相应的理论及检测技术，并针对漏层层位计算和漏层压力计算分别建立了计算模型。其中有关漏层深度计算方面，主要有正反循环流量计算法、井漏前后泵压变化计算法2种；漏失压力计算方面，主要有静液面深度计算法、井漏前后钻具悬重变化计算法和不同排量循环时压差计算法3种。上述模型的建立为分析确定漏层深度及压力等漏层信息提供了理论基础［1-5］。然而，一般现场施工及数据记录中，对于钻进中的漏失问题，往往不能及时观测到并记录下漏失前后立管压力变化、进出排量变化、大钩悬重变化等重要基础数据，一般只给出发现漏失的井深、漏失的总量及漏失的程度（部分漏失或全部漏失）等信息，导致无法采用现有模型独立实施相关地层漏失信息的计算与分析。为此，以目前钻井现场能够提供的常规数据为基础，以追溯漏失起始时间及漏失过程为出发点，利用非牛顿流体力学、渗流力学原理及力学平衡原理，针对地层渗透性漏失问题，探索建立了一种计算与分析漏层深度及压力的新方法，为准确确定地层漏失信息，合理选择与设计钻井液体系、水泥浆体系、钻井与固井施工参数提供基础。

1 漏失发生时间与漏失量及钻进进尺之间的关系

钻井液循环或固井注替流动过程中，当某井深处环空液体作用于井壁上的压力高于地层压力，并能够克服工作液在地层孔隙中流动阻力时，在地层未被压裂的情况下井眼中的工作液也会产生向地层内的漏失，这种漏失方式即为渗透性漏失。开始产生漏失的压力称为漏失压力，此时该漏失压力小于地层破裂压力。渗透性漏失多发生在粗颗粒未胶结或胶结很差的岩层中，如粗砂岩、砾岩、含砾砂岩地层中。

对于只给出某井发现井漏时钻至的井深、漏失钻井液总量及井口有无钻井液返出的钻井现场记录，仅依据正常钻进工况下的参数无法采用原有所建立的模型对漏层深度及漏失压力进行计算。此时，可根据如下思路追溯漏失发生的过程：钻进过程中钻井液漏失并非瞬时间即能完成，而应是开始发生于之前的某一时刻t1，并持续进行至发现漏失的时刻t2。若假设漏失过程持续发生的时间为Ti，对于正常钻进过程，则可通过Ti将钻井液漏失总量和钻进进尺建立联系。具体分析如下。

若某井钻至井深Di时发现井漏，已知该井段钻进速度V、钻井液排量Q及钻具组合等基本参数，漏失钻井液总量为M。显然，按照上述分析，漏失开始发生于该井钻进至Di以上的某一井深H1处，若设漏失过程内漏失平均流量为QL，则从开始发生漏失到发现漏失所用的时间（简称漏失时间）Ti可以表达为

从钻进的角度来看，该时间内钻头获得的进尺为联立上两式可以获得

式中，Di为漏失时钻进深度，m；M为钻井液漏失总量，m3；H1为漏失发生时井深，m；V为漏失井段钻井速度，m/h；Ti为漏失时间，s；QL为钻井液漏失平均流量，L/s。

可见，通过漏失时间与钻进时间对应相等的条件，能够将漏层深度描述为当前钻进井深、漏失钻井液总量、机械钻速及漏失流量的函数。当能够通过相关分析再建立起漏失流量、漏失压力等计算公式时，便可能以方程组的形式获得漏层深度与漏失压力的计算模型。由此，本文将以漏失时间为条件所建立的漏失过程与钻进过程对应关系为基础，获得漏层深度与压力计算分析模型的方法定义为漏层深度与压力计算的漏失时间法（简称为漏失时间法）。

2 漏失压力、漏失流量及漏层厚度之间的关系

对于渗透性漏失，钻井液向地层的漏失流动可以利用渗流力学公式来描述。考虑一般井眼为圆柱状，钻井液由井眼内向周围地层的渗漏可按照径向渗流来分析。

由于钻井液一般为非牛顿流体，当采用宾汉模式来描述钻井液流变学本构关系时，钻井液渗流流动的压力与流量之间的关系可以表示为

式中，ηp为宾汉流体塑性黏度，Pa·s；τ0为宾汉流体屈服应力，Pa·s；φ为地层孔隙度；pL为钻井液漏失压力，MPa；pp为地层压力，MPa；k为地层渗透率，D；re为漏失半径，m；rh为井眼半径，m；h为漏层厚度，m。

当目前钻头所处的层位与漏失起始层位相同时，漏层厚度可表达为

当目前钻头所处的层位与开始发生漏失的层位不同时，可假定开始发生漏失的层位（H1所处的层位）的底界面深度为H1i，则漏层厚度可表示为

式中，H1i为漏失层底界面深度，i表示漏层距钻头所处层位的次序，从钻头所处层位开始计算，当漏层与钻头当前所处层位相同时，i标记为1，层位不同时依次向上标记为 2，3，…，n。

考虑到完全漏失时漏失速度一般较快，式（6）适用于部分漏失。计算时，可从井眼底部开始由下向上逐层进行试算。

3 漏层深度及压力的计算模型

井眼漏失程度可以分为完全漏失和部分漏失两种，不同的漏失状况，所对应的漏失流量、漏层深度及压力计算方法是有区别的。

3.1 完全漏失

当钻进过程中发生钻井液完全漏失时，钻井液不返出井口，全部流入地层，此时钻井液排量即为钻井液漏失流量

式中，Q为钻井液排量， L/s。

由此，联立求解式（3）、式（4）、式（5）和式（7），即可获得该种漏失状况下的漏层深度与压力。

3.2 部分漏失

当钻进过程中发生钻井液部分漏失时，钻井液部分流入地层，部分返出井口。此时钻井液排量与钻井液漏失流量和返出井口钻井液流量之间的关系为

式中，Q1为返出口钻井液流量， L/s。

环空流体作用在漏层上的压力由漏层深度以上环空流体的静液柱压力和流体从漏层深度返至地面所消耗的摩擦阻力两部分组成。设环空中漏层深度以上某井段长度为Li，井径均为dhi，钻具外径均为dpi，钻井液密度ρd，塑性黏度ηp，漏失后环空返出排量Q1，若漏层深度以上有j段这样的井段，则环空流体作用在漏层层位上的总压力p为

式中，dhi为井径，cm；dpi为钻具外径，cm；ρd为钻井液密度，g/cm3。

钻进过程中发生漏失时，钻井液向地层漏失的渗流压力与环空流体作用在该漏层处的压力应达到平衡。即

因此，由式（4）和式（9）、（10）可得

联立求解式（3）、式（4）、式（6）、式（8）和式（11），可获得该种漏失状况下的漏层深度与压力。

4 模型计算及应用

根据上述建立的模型及分析计算方法，编制了漏层深度与压力分析计算软件，实现了对油田区块漏失参数的计算，并对特定区块的地层漏失特点进行了分析。以大庆油田高165-145井为例进行计算分析。该井为直井，地层倾角6°，设计井深1 254.0 m，钻至井深745 m时发现井漏，漏失钻井液3 m3，井口有钻井液返出，此时，钻井液密度1.70 g/cm3。

根据地层及岩性描述和环空流动压力与地层破裂压力对比（未发现溶洞并且地层未被压裂），本井漏失属于渗透性漏失，并且是部分漏失。

由现场资料获得渗透率k和孔隙度φ等计算基础数据，其中，地层压力梯度为1.40 MPa/100 m，漏失量3 m3，漏失时钻进深度745 m，钻铤长度Lc1=69.73 m、Lc2=34.61 m，对应的钻铤直径dc1=15.90 cm、dc2=17.80 cm，钻杆长度及直径为Lp=640.66 m，dp=12.70 cm，钻井液密度1.70 g/cm3，表观黏度50 mPa·s，塑性黏度 36 mPa·s，排量 32 L/s，机械钻速30.04 m/h，表层套管外径为273.1 mm，表层套管壁厚为8.89 mm，固表层套管时井深103 m，二开钻头直径为220 mm，三开钻头直径为215 mm，平均井径扩大率为3.26%，平均井径221.6 mm。

将以上参数输入所编软件，运算得出：漏层深度在井深737.8 m左右，漏层压力为12.471 MPa（压力梯度为1.690 4 MPa/100 m）。表1给出了该区块多口井的计算结果，与油田实际吻合。油田开发后期由于长期注水开采，地层压力等地质条件发生了变化，钻进及固井过程中存在多个层位漏失的可能性，其中，南2-1-斜P226、南2-10-斜P227井发生了完全漏失，漏层压力与地层压力接近，需经过堵漏作业方能够进行后续钻进或固井施工；S2组发生漏失的几率最大，平均漏失压力梯度约为1.605 MPa/100 m（南2-1-斜P226除外）。由此，在该区块实施油气井钻进或固井时，可参照上述确定的最易发生漏失的层位和漏失压力、地层压力梯度等限定的压力窗口，合理选择钻井液、水泥浆体系，设计钻井、固井施工参数。

表1 某区块漏失井的漏层深度与压力计算结果

5 结论

（1）依据漏失时间与钻进时间对应相等的条件，建立了漏层深度与液体漏失总量的函数关系；给出了漏失压力、漏失流量及漏层厚度间的函数关系；提出了一种新的计算与分析漏层深度与压力的模型和方法。

（2）对特定油田区块发生的漏失井进行了计算与分析，明确了该区块的漏失特点，能够为合理选择钻井液、水泥浆体系，设计钻井、固井施工参数提供基础。

（修改稿收到日期 2013-03-25）

［1］龙之辉.对深井井漏漏层位置确定方法的探讨［J］.重庆科技学院学报：自然科学版，1995，1（1）：12-14.

［2］石林，蒋宏伟，郭庆丰.易漏地层的漏失压力分析［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：40-44.

［3］朱亮，张春阳，楼一珊.两种漏失压力计算模型的比较分析［J］.天然气工业，2008，28（12）：60-64.

［4］金衍，陈勉，刘小明，等.塔中奥陶系碳酸盐岩底层漏失压力统计分析［J］.石油钻采工艺，2007，29（5）：82-84.

［5］孙明，李天健，戴达山，等.低渗透油藏渗流启动压力理论计算方法［J］.河南石油，1999，13（4）：30-31.

New analysis and calculation method for permeable leakage layer depth and pressure

ZHANG Jingfu, YUE Hongye, ZHANG Debing, HOU Ruixue, LIU Kai
（College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing163318,China）

Leakage creates extreme damage to oil and gas drilling and well cementation. Aiming at the problem that the leakage layer information cannot be fi gure out through existing calculation model with the on-site data, starting from stretching back leakage process, calculation model of permeable leakage layer depth and pressure was analyzed and established by utilizing non-Newtonian fl uid mechanic and seepage mechanics. Then we established functional relation between leakage depth and total amount of liquid leakage by analyzing the relation of leakage occurrence time, leakage amount of drilling fl uid and bits footage; and fi gure out the function relationship among leakage pressure, leakage fl ow and thickness of leakage layer according to the permeability loss mechanism. Therefore, a new computation model which calculates the leakage depth and pressure was put forward and was applied to a particular block in some oil fi eld to analyze the leakage problems. This method provides the basis not only for determining the leakage layer information accurately, but also for selecting and designing drilling fl uid system, cement slurry and parameters of drilling and cementing reasonably.

drilling fl uid; leakage; leakage layer depth; leakoff pressure; computation model

张景富，岳宏野，张德兵，等.分析与计算地层渗透性漏失漏层深度和压力的新方法 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：12-15.

TE21

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0012 – 04

大庆钻探工程公司重点攻关项目“窄压力窗口压稳与防漏固井力学分析与控制技术”（编号：2011G1X00177）。

张景富，1963年生。主要从事油气井工程理论与技术的教学和研究工作，教授。E-mail：zjf286@126.com。

〔编辑

朱 伟〕