高压盐水层控压放水模拟计算研究

张朝举，李 军，杨宏伟，柳贡慧，刘金璐，邓昌松

1中国石化西南石油工程有限公司2中国石油大学石油工程学院（北京）3中国石油塔里木油田公司

0 引言

钻遇高压盐水层是盐膏层钻进过程中的一种特殊情况。目前国内处理高压盐水层的方法和措施主要有提密度压井和控压钻井两种［1-3］，但这些方法往往不能满足安全钻进的要求。一方面是由于高的地层压力使安全密度窗口变得非常窄，压井或控压时常常会发生压漏地层的情况；另一方面是提高钻井液密度只能平衡地层高压，而不能减少地层压力，这对后续固井过程中套管的抗外挤强度提出了很高的要求［4］。

控压放水技术可以有效的解决上述问题。控压放水技术通过释放地层流体减小地层压力，从而扩宽钻井液密度“操作窗口”，达到安全钻进的要求。但是，由于学者们对该技术的研究较少，许多理论还不完善，该技术目前仅在塔里木油田的一些井中得到了应用［5-6］。笔者基于地层盐水流动机理，利用井筒多相流动理论、地层渗流方程模拟了控压放水全过程，并进行了定量分析，以便该技术得到更好的推广和应用。

1 模型的建立及求解

1.1 井筒多相流动及渗流模型

如图1所示，在地层流体进入井筒后，井筒环空中既存在钻井液和岩屑，也存在与钻井液理化性质不同的高压地层盐水，还可能含有少量的原油。由于地层流体的进入，井筒的温度场及压力场会发生相应的改变，而温度和压力场的改变也会对井筒流动产生影响。因此在控压放水过程中，井筒环空流动为多相多组分多因素影响下的流动过程。

图1 井筒流动及地层渗流机理图

1.1.1 质量守恒方程

钻井液相：

式中：A—环空流道面积，m2；

ρl、ρs、ρw、ρo—分别为钻井液相、岩屑相、水相、油相的密度，kg/m3；

αl、αs、αw、αo—分别为钻井液相、岩屑相、水相、油相体积分数，无量纲；

vl、vs、vw、vo—分别为钻井液相、岩屑相、水相、油相的实际流速，m/s。

1.1.2 动量方程

式中：p—压力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

θ—井筒与水平方向的夹角，°；

pf—沿程压耗，Pa。

1.1.3 地层渗流方程

如图2所示，随着地层流体流出，近井筒的地层压力开始下降，压力波向远离井筒方向传播，该过程为渗流过程。

图2 渗流阶段地层压力变化示意图

地层盐水渗流方程为：

式中：p—地层压力，MPa；

μ—盐水黏度，mPa·s；

K—高压盐水层渗透率，μm2；

Φ—高压盐水层孔隙度；

ct—综合压缩系数，MPa-3；

r—径向距离，m；

t—时间，s。

1.2 模型的离散和求解

使用有限差分法进行迭代求解。为保证计算的收敛性和提高计算速度，采用无条件稳定的Crank-Nicolson隐式格式对上述方程进行离散化处理。同时进行等间距空间网格划分，网格间距为20 m。

通过以上步骤，可以计算n+1时刻各节点的物理参数，因此从初始边界开始计算，则可以确定后续时刻各节点的物理参数。

2 实例计算与分析

2.1 基础参数

KS-X井钻至7 229 m时发生严重的井漏，常规堵漏方法效果不佳，决定采用控压放水技术来降低高压盐水层圈闭压力。KS-X井的基础参数见表1。

表1 KS-X井的基础参数

2.2 模拟计算及结果分析

基于上述模型和X井的参数，模拟了前6次放水过程中各参数的变化趋势，如图3所示。由图3可知，经过5次降密度6次放水，钻井液密度由2.58 g/cm3降低至2.45 g/cm3；每次放水过程中，随着低密度盐水进入井筒，液柱压力降低，关井套压升高，为了防止套压超过极限，需要控量、控压、多次放水；放水过程中立压的变化与地层压力的变化趋势一致，所以可以使用立压来判定地层压力的变化规律；关井、循环排污和循环降低钻井液密度的时间占整个放水时间的90%。

选取第1次放水过程中排水量和地层压力的变化曲线来详细分析放水过程中排水量和地层压力的变化规律，图4为第1次放水中累积排水量和套压随时间的变化曲线。由图4可知，由于单次放水过程中低密度盐水不断进入井筒，使得静液柱压力逐渐降低，井底负压差增大，所以放水速率逐渐增加；井口设备的承压能力是限制每次放水量的主要因素，使用高承压能力的节流管汇系统能够增加单次放水量，有效地缩短放水时间。

图4 第1次放水过程中排水量和套压随时间的变化曲线

图5为第1次放水过程中井筒周围地层压力和套压随时间的变化曲线。由图5可知，循环降密度及排污完成关井后，第1次开井时地层压力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次开井后的地层压力降低速率和降低量逐渐减小，最终趋于稳定。这是由于随着放水量的增加，地层压力漏斗曲线向远处传播，盐水在孔隙中流动的摩阻增加，所以导致地层压力降低速率越来越小。

图5 第1次放水过程中地层压力和套压随时间的变化曲线

图6为整个放水过程中，地层压力当量密度的现场实测数据和计算数据曲线。

图6 整个放水过程中地层压力当量密度随放水量的变化曲线

地层压力当量密度实测数据可由现场套压与钻井液密度值计算得到。在井底井壁处，井筒流压与地层压力相等，且测量过程在地层盐水停止流入井底后进行，因此地层压力当量密度实测数据可反映井筒周围的地层压力。由图6可得，地层压力当量密度由2.58 g/cm3降低至2.40 g/cm3，计算数据与实测数据具有很好的吻合度。随着放水量的增加，在弹性驱动阶段地层压力的初始降低速率较快，然后逐渐趋于稳定。当地层压力漏斗曲线传播至含水透镜体边界时，地层压力又开始呈近似线性降低。

3 结论

（1）控压放水是一个多过程结合的技术，本文基于井筒多相流动理论和地层盐水的渗流理论，建立了相应的数学模型来准确地预测地层压力、排水量、立压和套压的变化。

（2）单次放水过程中，随着低密度盐水进入井筒，静液柱压力降低，关井套压升高，为了防止套压超过极限，需要控量、控压、多次放水；且井口节流管汇系统的承压极限是影响单次放水量的主要因素。

（3）单次放水过程中，第一次开井时地层压力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次开井后的地层压力降低速率和降低量逐渐减小，最终趋于稳定。

（4）随着放水量的增加，在弹性驱动阶段地层压力的初始降低速率较快，然后逐渐趋于稳定；当地层压力漏斗曲线传播至含水透镜体边界时，地层压力又开始呈近似线性降低。