裂缝发育页岩地层水平井钻井气液重力置换规律

乐 宏 吴鹏程 梁 婕 钟成旭 张 震 李郑涛 李红涛

1. 中国石油西南油气田公司 2. 中国石油西南油气田公司页岩气研究院

3. “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

四川盆地长宁区块下志留统龙马溪组页岩气储量丰富，是国家级页岩气示范区[1-4]，其规模高效开发对于建设“西南气大庆”，实现我国“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义[5]。长宁区块龙马溪组页岩石英、长石等脆性矿物含量高，裂缝、断层发育[6-7]，水平井钻井过程中井漏事故频发[6]，特别是存在气液重力置换式漏喷同存现象，井控风险高，处理难度大，导致钻井周期延长，施工成本增加，严重制约了该区块页岩气资源的规模效益开发。

国内外学者已经对重力置换现象开展了相关研究。Bennion等[8]首次报道了欠平衡钻井的重力置换现象。舒刚等[9]开展了裂缝发育地层重力置换的平板缝可视化实验，并建立了数学模型，系统分析了置换现象的发生原因。李军等[10]和周刘杰[11]基于可视化实验研究了碳酸盐岩裂缝发育地层气液重力置换的特点，并提出了预防措施。戴成等[12]开展了真实裂缝下的气液重力置换实验，分析了其气液界面现象与常规平板缝的差异。Petersen等[13]提出了一种重力置换式漏喷同存的井控模拟器，但仅限于理论研究。张兴全等[14-15]分析了重力置换发生时井底压力、泥浆池增量等的变化，以及回压对重力置换的影响。孔祥伟等[16]提出了重力置换的判别三原则。杨顺辉等[17]研制了一套可视化的液—液重力置换实验模拟装置。侯绪田等[18]、赵向阳等[19]和Xiao等[20]开展了基于真实裂缝实验装置的液—液重力置换实验，分析了裂缝宽度、井口回压、钻井液密度、钻井液黏度和地层流体黏度对定容性地层液—液置换量的影响规律。路保平等[21]引入量纲分析理论，推导出了液—液重力置换量的准则方程。但是，液—液重力置换与气液重力置换存在本质性区别。以上研究均是针对直井钻遇垂直裂缝时的重力置换现象。贾红军[22]利用平板缝可视化实验装置开展了水平井重力置换实验，分析了液相黏度对重力置换的影响，并未考虑其他因素，且地面低压实验的温度压力等条件与真实的井下流动环境存在很大差异。目前，对于水平井钻井的气液重力置换现象研究较少，对其发生机理及参数影响规律的理解尚存在很大的不足。

笔者基于数值仿真开展井下真实温度压力等流动环境下的水平井钻井气液重力置换研究，揭示了水平井重力置换的典型特征，并探究了井底压差、裂缝宽度、钻井液密度及黏度、地层压力、裂缝倾角等参数对水平井气液重力置换的影响规律，为实现重力置换下的井筒流动安全控制，保障长宁区块页岩气水平井安全钻井高效钻井提供支撑。

1 数值仿真模型

本文利用ANSYS Fluent软件开展数值仿真来探究实际井下压力温度等特殊流动环境下水平井钻井的气液重力置换规律。考虑不同因素，基于ICEM CFD软件建立了系列数值计算网格模型，以水平井钻遇单条垂直裂缝为例进行说明，其三维网格模型如图1所示，主要尺寸参数见表1。采用结构化网格来构建数值计算网格模型，并在水平环空边界层和裂缝处进行局部网格加密，以提升计算精度及效率。仿真计算所需初始及边界条件的设置考虑钻井的实际情况，流动初始阶段水平环空为钻井液，裂缝内为高压天然气，将水平环空的趾部设置为速度入口边界，根部设置为压力出口边界，裂缝左右两侧入口设置为压力入口边界，其余部分为壁面边界。

图1 水平井钻遇单条垂直裂缝重力置换数值仿真网格图

表1 数值模型的几何参数表

根据VOF模型[23]，气液两相流动的质量、动量和能量方程可分别描述如下。

质量守恒方程为：

2 数值仿真模型验证

笔者利用文献[22]提供的气液重力置换可视化实验数据进行数值仿真模型的验证。文献[22]所述实验装置的主要参数如表2所示，分别开展了三种不同黏度流体（清水、4 mPa·s和10 mPa·s）的模拟实验，利用在清水中添加CMC来调节其黏度，最高实验压力不超过0.025 MPa，气侵速率采用转子流量计进行测量。开展同等流体及压力等条件的重力置换数值模拟，模拟得到的漏失速率和气侵速率与实验数据的对比如图2、3所示。

表2 文献[22]所述实验装置的主要参数表

图2 漏失速率的数值仿真与实验对比图

图3 气侵速率的数值仿真与实验对比图

可以看出，对于3种黏度的流体，模拟数据与实验值在数值及其随井底压差的变化趋势上均吻合很好，漏失速率模拟平均误差9.4%，气侵速率模拟的误差略大，平均18.3%。图4为数值模拟得到的气液界面与可视化试验现象的对比。可以看出，当重力置换现象发生时，裂缝及水平环空内均存在明显的气液界面，环空内气液两相流动表现出典型的分层流特征，仿真得到的气液界面分布规律与实验现象高度吻合。可见，本文建立数值仿真模型具有较高的准确度，能够满足工程需要。

图4 气液界面的数值仿真与实验分布规律对比图

3 气液重力置换特征

模拟计算使用的主要参数如表3所示，数值仿真得到的井下环境下气液重力置换现象如图5所示。

表3 模拟计算主要参数表

由图5可以看出，裂缝及水平环空内均存在明显的气液界面，与地面低压条件下重力置换现象类似（图4）。同时，裂缝内的气液界面并不是平直的，而是从裂缝的两侧向中间逐渐隆起，并与水平环空相交，且环空内的气相是以气膜的形式分布在水平环空的高边位置，并不存在平直的气液界面，也即典型的水平气液两相分层流现象，这与地面低压条件下的重力置换现象存在显著差异。裂缝内气液界面两侧存在明显的压差，液相在压差的作用下逐渐驱替气相，并向裂缝两侧流动，如图6所示。

图5 水平井钻遇垂直裂缝的气液重力置换现象图

图6 垂直裂缝及水平环空截面的压力等值线图（z=0）图

4 气液重力置换影响因素分析

实际钻井中水平井气液重力置换规律复杂，为找出影响重力置换的主要因素，明确其发生条件，分别开展了不同井底压差、裂缝宽度、钻井液密度及黏度、地层压力、裂缝倾角以及钻遇双裂缝时的重力置换模拟仿真，分析了各参数对置换现象的影响规律。

4.1 井底压差的影响

相关实验和理论研究已经表明井底压差是重力置换现象最主要的影响因素，但并没有给出重力置换现象发生的井底压差（Δp=水平段环空初始压力－裂缝内初始压力，下同）界限，且相关研究均是基于地面可视化实验或仿真。图7为裂缝宽度1 mm时漏失速率和气侵速率随井底压差的数值仿真变化曲线，模拟计算中仅改变井底压差，其他参数保持恒定（表3）。

图7 1 mm宽裂缝漏失和气侵速率随Δp的变化图

由图7可以看出，随着井底压差的变化，漏失速率和气侵速率急剧变化，仅当井底压差处于－0.01～0 MPa区间内时才会同时存在漏失和气侵，也即是重力置换现象；当井底压差大于0 MPa时只有井漏；而当井底压差低于－0.01 MPa时则只会发生纯气侵。可以将上述3个井底压差区间分别定义为“重力置换窗口”“气侵区”和“漏失区”，如图7所示。需要指出的是，上述“重力置换窗口”等3个特征区域是在裂缝宽度1 mm和特定的钻井液密度、地层压力等参数（表3）下得到的，若这些参数发生变化，3个特征区域也相应地会改变。可以看出，重力置换现象只在井底处于微欠平衡状态时才会发生，且漏失速率和气侵速率对于井底压差高度敏感。钻井施工中可通过调控井底压力，使井底压差处于微过的近平衡状态来抑制重力置换现象的发生。井底处于微过平衡状态时虽存在井漏，但是井漏速率很低，可进一步通过添加堵漏材料随钻封堵地层，解决井漏问题，实现安全钻进。

4.2 裂缝宽度的影响

不同裂缝宽度条件下漏失速率和气侵速率随井底压差的变化如图8～10所示，模拟计算中其他参数保持不变（表3）。

图8 不同宽度裂缝漏失和气侵速率随Δp的变化图

由图8可以看出，重力置换对于裂缝宽度高度敏感，随着裂缝宽度的增加，漏失速率和气侵速率均大幅增加，且置换窗口急剧拓宽。同时，由图9可以看出，当裂缝宽度为0.05 mm时不会发生重力置换，在“气侵区”和“漏失区”之间的井底压差区间内，既不存在气侵，也不存在漏失，此区间也即是“溢漏安全窗口”。

图9 0.05 mm宽裂缝时漏失和气侵速率随Δp的变化图

此外，由图10可以看出，当裂缝宽度为5 mm时，只要井底压力处于欠平衡状态，就一定会发生重力置换，不会出现纯气侵的情况。可见，裂缝宽度是重力置换现象发生的决定性因素，其直接关系着是否会存在重力置换及置换量的大小，存在一个重力置换发生的临界裂缝宽度，只有钻遇大于临界宽度的裂缝时才可能发生重力置换，在本例中其介于0.05～0.50 mm。钻井施工中，当水平井钻遇微裂缝发生重力置换时，可通过将井底压差控制在微过平衡状态来抑制气侵，也可适当地增加欠压值将重力置换转换为纯气侵，实现可控欠平衡钻井，有效发现和保护储层；但当钻遇大裂缝或断层时，只能通过将井底压差控制在微过平衡状态的方式来抑制重力置换，将其转换为纯漏失的状态，且需严格控制井底压差，尽可能减少漏失速率，并立即开展堵漏作业，以保证钻井安全。

图10 5 mm宽裂缝漏失和气侵速率随Δp的变化图

4.3 钻井液密度的影响

图11为不同钻井液密度下漏失速率和气侵速率随井底压差的数值仿真变化曲线，模拟计算中其他参数保持不变（表3）。

图11 不同钻井液密度下漏失和气侵速率随Δp的变化图

由图11可以看出，随着钻井液密度的增加，气侵速率几乎不变，而漏失速率则显著上升，置换发生的临界井底压差下限明显左移，置换窗口变宽。在地层压力恒定的条件下，裂缝内的气相密度恒定，钻井液密度增加，钻井液与地层气相的密度差也相应地增加，二者的重力势能相差也越大，因此置换现象加剧。理论上，降低钻井液密度可抑制重力置换，但因其与地层气相的密度差较大，且实际钻井中钻井液密度降低的空间有限，因此不推荐通过降低钻井液密度来抑制置换。此外，由于重力置换主要发生在井底处于欠平衡状态时，降低钻井液密度会增大欠压差，可能造成气侵速率过大，井控风险增加。

4.4 钻井液黏度的影响

不同钻井液黏度条件下井底漏失速率与气侵速率随井底压差的变化曲线如图12所示，模拟计算中其他参数保持恒定（表3）。

图12 不同钻井液黏度下漏失和气侵速率随Δp的变化图

由图12可以看出，随着钻井液黏度的增加，漏失速率和气侵速率均显著降低，且重力置换现象发生的临界井底压差上限左移，置换窗口明显收窄。钻井液黏度的增加，显著增强了气液两相相间及钻井液与裂缝壁面的流动摩擦阻力，是造成这一变化的主要原因。增大钻井液黏度对于重力置换现象具有一定的抑制作用，但钻井施工中钻井液的黏度极少超过100 mPa·s，改变黏度的作用有限，且增加钻井液黏度也会导致环空压耗的增加，因此不应将其作为抑制重力置换的主要手段。

4.5 地层压力对气液置换的影响

图13为不同地层压力条件下漏失速率和气侵速率随井底压差的数值仿真变化曲线，模拟计算中其他参数保持恒定（表3）。

由图13可知，随着地层压力的增加，漏失速率显著降低，而气侵速率则呈现出相反的变化，重力置换发生的临界井底压差下限右移，置换窗口变小。地层压力的增加，增大了裂缝内气相的密度，在钻井液密度恒定的条件下，地层压力越大，钻井液与地层流体的密度差越小，二者的重力势能也越接近，因此重力置换也就越弱。对于深部高压地层，在裂缝尺度等参数相同的前提下，虽然重力置换窗口相较于浅部低压地层有所收窄，但一旦发生置换其气侵速率也更大，井控风险也更高，更需注意抑制重力置换。

4.6 裂缝倾角对气液置换的影响

长宁区块龙马溪组页岩地层垂直（75°～90°）、高角度（45°～75°）及低角度裂缝（15°～45°）均有发育，以高角度缝为主[28-30]。因此，需要考察裂缝倾角对水平井重力置换的影响。图14为不同裂缝倾角条件下漏失速率和气侵速率随井底压差的数值仿真变化曲线，模拟计算中其他参数保持恒定（表3）。

图14 不同裂缝倾角下漏失速率和气侵速率随Δp的变化图

由图14可知，随着裂缝倾角的增大，置换区内漏失速率略微有所增加，气侵速率则显著上升，重力置换发生的临界井底压差上限明显右移，置换窗口有所拓宽。可见，相较于低角度裂缝，水平井钻遇垂直及高角度裂缝时更易发生重力置换，且置换区内气侵速率更大，井控风险更高。此外，在纯漏失区内漏失速率随裂缝倾角的增加有所降低，而在纯气侵区内气侵速率的变化则正好相反，裂缝倾角越大，气侵越严重。因此，考虑到长宁区块龙马溪组页岩地层裂缝倾角大的地层特性，更需要将井底压力精细地控制在微过状态，以尽可能地消除或抑制重力置换现象和气侵问题。

4.7 钻遇双裂缝时的气液置换规律

长宁区块页岩气井平均水平段长1 500 m[31]，水平段钻井往往会钻遇多条裂缝，有必要考察此种情况下的重力置换现象。图15为钻遇单裂缝及两条不同间距的垂直裂缝时漏失速率和气侵速率随井底压差的数值仿真变化曲线。模拟计算中裂缝宽度均为1 mm，其他参数保持恒定（表3），钻遇双裂缝时的裂缝间距分别考虑2 m和5 m两种情况。

图15 单裂缝及双垂直裂缝时的重力置换特性变化图

由图15可以看出，相较于钻遇单条垂直裂缝的情况，当水平井钻遇双裂缝时漏失速率和气侵速率均大幅增加，且漏失速率增加的幅度要远大于气侵速率，重力置换现象发生的临界井底压差上限基本不变，而其下限则左移，置换窗口明显变宽。同时，也可以看出，两条垂直裂缝的间距越大，漏失速率和气侵速率越大，置换窗口也越宽。需要指出的是，图15中的漏失速率和气侵速率为两条裂缝的数据总和，此处将“一条裂缝气侵、另一条裂缝井漏”“一条裂缝气侵、另一条裂缝重力置换”和“一条裂缝重力置换、另一条裂缝井漏”的情况也归为重力置换。上述3种情况与典型的重力置换现象在工程上均表现为“溢漏同存”，难以区分，且本例中两条裂缝内的压力相等，因此可将其理解为水平井钻遇裂缝系统时发生的重力置换现象。就具体钻井而言，随着水平段的延伸，钻遇越来越多的裂缝，置换发生的概率会显著增加，置换的强度也会越来越大，这也是制约裂缝发育页岩地层水平段延伸能力的一个重要因素。

5 结论

本文基于数值仿真系统研究了裂缝发育页岩地层水平井钻井的气液重力置换现象，得到以下结论：

1）气液重力置换发生时裂缝与水平环空均存在明显的气液分界面，裂缝内的气液界面不是平直的，而是由裂缝两侧向中间隆起，并与水平环空相交，环空内的气相以气膜的形式存在，不会出现分层流现象。

2）气液重力置换现象主要受井底压差、裂缝宽度、钻井液密度及黏度、地层压力、裂缝倾角影响，井底压差和裂缝宽度的影响要远大于其他参数；只有井底压差处于置换窗口内时才会发生置换；裂缝宽度的增加将大幅拓宽置换窗口，漏失速率及气侵速率也急剧增加；对于特定的地层及井筒流动环境，存在一个置换发生的临界裂缝宽度范围。

3）水平井钻遇双裂缝时，置换窗口明显变宽，漏失速率和气侵速率均大幅增加，裂缝的间距越大，漏失速率和气侵速率越大，置换窗口也越宽。

4）可将井底压差控制在微过状态来抑制重力置换，或增加欠压值，将重力置换转换为纯气侵，控压欠平衡钻井；不过，钻遇大裂缝或断层时，只能通过井底微过平衡控压来抑制重力置换，并开展堵漏作业，以保证钻井安全；降低钻井液密度、提高钻井液黏度理论上可抑制重力置换，但效果有限。