钻井液液压作用下裂缝性定容封闭体地层压力的变化规律

赵向阳 孟英峰 杨顺辉 魏 纳 李 皋 何青水

1.中国石化石油工程技术研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室•西南石油大学

0 引言

裂缝性地层在钻进过程中经常出现漏喷同存的情况，造成井控困难、井下复杂情况和储层伤害，人们通过实践总结也形成了漏喷同存的处理技术[1-4]。但是，漏喷同存的机理目前还处于经验描述阶段，缺少基础理论研究和模型描述。

在伊朗雅达油气田的Kazhdumi地层HOS2-ST井钻遇活跃沥青体，而与之相距仅1.5 km的F7井却未钻遇沥青；F21井钻遇到了活跃沥青体，而在原井位侧钻400 m后却未钻遇沥青。这些特征均反映了沥青体分布离散，且连通性差，同时单个沥青体存在着明显的边界，说明了单一的沥青体分布范围及大小是有限的，这比常规圈闭油气藏的压力系统更加复杂。定容封闭体是雅达油气田活跃沥青体的明显特征，也是开展物理模拟和数值模拟的地质基础。笔者依据上述钻井及测试数据，基于真实裂缝空间的可视化井筒—地层耦合流动试验装置，通过室内液—液定容置换实验和CFD仿真验证，分别对钻井液密度、井口回压、裂缝宽度等参数对地层压力的影响规律进行了分析，以期为钻井处理定容封闭体压井作业提供理论依据[5-8]。

1 定容封闭体地层压力现场表现

雅达油气田非均质活跃沥青层地层压力差异大，因而每口井求压结果都不同，S03井4次关井求压数值差异较大，而且出现钻井液密度越高，所求地层压力值越大的趋势，WD-2井DST测试结果出现两次关井地层压力数值不一样的结果。而且沥青层钻进中钻井液进出口始终存在密度差，停泵后，井筒内始终存在受污染沥青段塞。

1.1 实钻钻井液密度

对于钻遇固态沥青或未钻遇沥青井，实钻中完钻井液密度最低为1.38 g/cm3（F14井、F15井），中完作业过程中未发现沥青返出；对于活跃沥青轻度污染井，中完钻井液密度范围介于1.38 g/cm3（F18井）～1.59 g/cm3（WD2井，图1），中完过程中仍有沥青返出；对于活跃沥青严重污染井，实钻中完钻井液密度介于1.50 g/cm3（HOS2-ST井）～1.90 g/cm3（S03井），中完过程中仍有沥青返出。

1.2 压井过程中关井求压情况

图1 WD2井钻井和测试阶段采用的钻井液密度图

F13、APP2、F21、S03井在钻遇 Kazhdumi沥青层时遇到了严重沥青污染情况，关井所求取的地层孔隙压力差异较大，求取的地层压力当量密度介于1.48～1.77 g/cm3。S03井在钻进Kazhdumi地层时，在不同时段进行了4次关井求压，求取的地层压力介于1.77～1.88 g/cm3。地层压力随着所采用的钻井液密度的增加而增加。

1.3 DST测试情况

为了求取沥青层真实的地层压力，在WD2井Kazhdumi地层进行了DST测试，两次关井地层压力恢复结果存在差异（图2）。测试得到的地层压力上升的主要原因是DST测试射孔后的井筒压力传导给了沥青层，使其压力上升至井筒压力（DST测试时使用钻井液密度为1.65 g/cm3）。二次开井产液15.6 m3后，地层压力下降到51.13 MPa，折算压力当量密度为1.41 g/cm3，随地层流体排出，地层孔隙压力快速下降，验证了定容封闭活跃沥青体的存在。

图2 WD2井测试压力计记录压力图

综上所述，该层表现出无外部压力补给，原始地层压力能量具有局限性，钻井时定容封闭体被揭开，如果钻井液密度无法平衡原始地层压力，活跃沥青便会侵入井筒，定容封闭体原始地层压力即随着地层流体的释放而发生变化；同时由于液体的不可压缩性和定容封闭体容积相对固定，活跃沥青侵入到井筒后，其原在定容封闭内占据的储存空间为钻井液流入定容封闭提供条件，如定容封闭与井筒间形成了足够的连通通道（即活跃沥青进入井筒和钻井液进入定容封闭体具有各自的流动通道），且定容封闭体压力与井内液柱压力仍未建立平衡时，井下便会发生持续的“钻井液进入地层—活跃沥青侵入井筒”双向流动，密度差导致的置换性双向流动在井筒附近的近井地带会形成一个势压力空间。势压力空间压力与所用钻井液密度和回压正相关，采用高密度钻井液压井，势压力空间压力随之升高。定容封闭体与常规圈闭油气藏的差异对比如表1所示[1-4]。

表1 定容封闭体与常规圈闭油气藏的差异表

2 定容封闭体地层压力变化室内实验

2.1 可视化地层—井筒耦合流动实验装置的研制

活跃地层流体进入井筒发生置换的过程中，涉及地层裂缝与流体流固耦合、地层流体与井筒流体动态耦合两个复杂的耦合过程，流体流动环境复杂，流体状态处于动态变化过程。平板缝黏砂相应结论不能真实反映实际裂缝情况的置换性双向流动，国内外没有类似装置报道。为了通过室内试验验证定容封闭沥青体地层压力的变化规律，笔者研制了一套基于真实裂缝空间的可视化井筒—地层耦合流动试验装置，具有压力、流量自动测量与采集、试验现象可视化的特点。可视化地层—井筒耦合流动实验装置主要由模拟地层模块，模拟井筒模块，模拟裂缝模块组成。实验装置有14个压力计记录重要压力变化数据[9-12]。

2.2 钻井液密度对地层压力的影响

为了研究密度对地层压力的影响规律，通过3次不同钻井液的密度的液—液置换实验地层压力数据，分析了密度对地层压力的影响规律，随钻井液密度增大，置换界面向右、向上移动，置换现象更明显（图3）。

图3 典型液—液置换实验现象图

从图4中可以看出，缝板阀门打开瞬间，地层压力均迅速下降；钻井液密度越大，置换过程中地层压力和置换量越大；随置换时间的推移，由于置换量较小，地层压力基本稳定。

图4 不同钻井液密度对地层压力的影响图

2.3 液—液置换回压对地层压力的影响规律

为了研究回压对地层压力的影响规律，置换实验过程中改变4次回压（0 MPa、0.06 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa），然后停泵、分析不同回压下对地层压力的影响。从图5中可以看出，随着回压的逐渐增大，井筒压力升高，同时，地层压力也升高；停泵时，井筒压力下降，地层压力下降；最后井筒回压调整为0时，地层压力迅速下降。

2.4 高密度钻井液压井过程地层压力和置换量变化规律

图5 不同回压对地层压力的影响曲线图

实验中，用常规钻井液进行循环时，裂缝发生了井涌，在用高密度钻井液压井的过程中，高密度钻井液逐渐替换了低密度钻井液，高密度钻井液侵入裂缝的区域增加，井涌逐渐停止；从图6中可以看出，在地层和井筒压力稳定后，打开缝板阀门，地层压力急剧降低，随后地层压力出现小幅度波动，当高密度钻井液抵达缝板后，地层压力逐渐增加并达到最大值，随后随着置换的发生，地层压力重新建立新的平衡。

3 定容封闭体地层压力变化CFD模拟

图6 高密度钻井液压井过程中地层压力随时间的变化

图7 宽度为10 mm的三维单裂缝定容模型图

为了进一步验证定容封闭体地层压力变化规律，裂缝置换模型基础上建立，宽度为10 mm的三维单裂缝定容模型（图7），开展定容封闭体地层压力CFD研究。设置地层流体为密度0.7 g/cm3，黏度为1 990 mPa·s的液体。地层初始压力为0.13 MPa，环空钻井液流体返排速度为1 m/s，环空入口压力为0.008 24 MPa。选取图7模型右下端为定容地层的压力取值端，并在后面取出不同时刻压力值进行分析。工况1为清水，井口回压为0.008 24 MPa；工况2为清水，井口回压为0 MPa；工况3为高密度流体，井口回压为0 MPa，进行回压、钻井液密度等参数对地层压力的影响[13-19]。

3.1 井口回压对地层压力影响

根据工况1与工况2的模拟结果，对比钻井液为清水，图7中地层压力取值端原始取值40 800 Pa，施加回压0.008 24 MPa（工况1）和清水不施加回压（工况2）的压力云图，如图8所示，增加至45 700 Pa，可以得到施加回压使得整个环空钻井液压力升高，导致相同高度地层压力比不施加回压时更大，说明井口施加回压会使定容封闭体地层压力升高。

3.2 钻井液密度对地层压力影响

都不施加回压的情况下，对比密度对定容封闭体地层压力的影响。采用清水（工况2）和高密度钻井液（工况3）的压力云图对比分析表明，高密度钻井液发生液—液置换后地层压力升高值大于要低密度钻井液升高值。

图8 工况1和工况2在地层压力取值端的压力对比云图

3.3 等ECD置换对地层压力影响

等ECD的情况下，采用清水+回压（工况1）和高密度钻井液（工况3）的压力云图对比分析表明，地层压力存在一定差异，差异大小与裂缝距离井底位置有关，施加回压略大于高密度钻井液工况。

3.4 模拟不同裂缝宽度井口无回压置换过程地层压力变化规律

参考工况2，减少裂缝宽度为3.5 mm，其余结构参数和设置参数不变，定义为工况4（裂缝宽度为3.5 mm，清水+无井口回压）。模拟结果与10 mm裂缝（工况2）对比，取置换时间均为25 s时刻的地层压力分析可知，工况2地层压力大于工况4，说明裂缝越宽，裂缝压耗越小，定容时地层压力升幅更高。裂缝宽度对流体置换有较大的影响，裂缝越宽地层压力变化越大，置换形态越不易受裂缝面形态影响，置换推进速度越大。

3.5 模拟压井置换过程地层压力变化规律

采用相似的方法建立压井过程置换模型，压井液密度为1.25 g/cm3，地层流体密度为0.7 g/cm3，定义为工况5。经过长时间的模拟后，取出30 s、55 s、70 s和85 s时刻压井与地层流体置换数据进行分析。从图9不同时刻钻井液体积分量云图可知，随着置换时间增加，两相流体在裂缝内形成明显的分界线，置换质量流量和体积流量先快后慢并趋于稳定。

取出不同时刻的地层压力进行分析，随着置换时间增加，地层压力在不断增加，如表2所示，但增加幅度不断减小，逐渐趋于稳定。

图9 不同时刻的钻井液体积分量图

表2 取值端地层压力随时间变化表

4 结论

1）通过大量现场实钻资料的分析，提出了定容封闭体的概念，定容封闭体存在无外部压力供给，有限大小的边界与容积，地层压力变化较大和井间同层连通性差特点。密度差导致的置换性双向流动在井筒附近的近井地带会形成一个势压力空间。

2）裂缝两端的压差仍是置换发生的主要原因，而钻井液与地层流体的密度差与黏度差是导致裂缝两端压差的主控因素，随着钻井液进入裂缝或地层流体进入井筒，定容性活跃流体地层的置换量将随时间减小，当两端压力趋于平衡时，置换停止。

3）定容性油气藏地层压力与所用钻井液密度和回压呈正相关，采用高密度钻井液压井，地层压力随之升高。因此，建议现场采用封堵和井口控压结合的方式进行钻进，采用泄压法实施压井作业。

4）从DST测试结果和实钻资料可以看出，活跃沥青层存在一定的圈闭压力，出于井控安全考虑，建议现场安装控压设备提高井控安全。

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