鉆遇多壓力系統氣層溢漏同存規律研究

賈紅軍，孟英峰，李皋，舒剛，趙向陽，魏納，宋巍

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統氣層溢漏同存規律研究

賈紅軍1，孟英峰1，李皋1，舒剛1，趙向陽2，魏納1，宋巍1

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統氣層，多個不同地層壓力系數的漏層、噴層常同存于一個裸眼中，鉆進過程極易發生溢漏同存的復雜情況。目前國內外對多壓力系統氣層溢漏同存的研究，往往局限于現場堵漏壓井處理工藝技術。文中闡述了多壓力系統氣層溢漏同存時的物理規律，并根據井筒環空多相流的理論建立了數學模型，系統總結了氣液兩相流型轉換準則和不同流型的壓降計算公式，得出了不同工況下多壓力系統氣層溢漏同存時的井筒環空壓力曲線，以及氣液兩相流型沿井深的分布。計算結果表明：溢漏同存時井筒環空壓力迅速下降，溢流態勢更加嚴重；井筒環空的液體流量急劇減少，氣體迅速向上滑脫和運移，導致氣液兩相流型分布變化較大，模擬結果對現場溢漏同存處理技術具有重要的指導意義。

多壓力系統；漏失；溢流；氣層；兩相流

多壓力系統氣層溢漏同存是指同一裸眼井段存在多個壓力系統，氣層壓力變化不規則，高低壓層交替，受井身結構的限制，不可能把各個過渡帶分隔開來，井深且裸眼段較長，鉆進過程中經常發生漏失與溢流共存的井下復雜情況。鉆遇多壓力系統氣層，壓力平衡極難調整，溢漏同存等惡性事故頻發，嚴重影響鉆井周期，制約勘探開發速度［1］。研究多壓力系統氣層溢漏同存規律，以有效解決漏失與溢流共存的復雜問題，對優質高效鉆井和現場溢漏同存的處理技術具有重要的指導意義。

1 多壓力系統氣層溢漏同存現狀

我國鄂西渝東及川東北探區、渤海遼東灣探區、塔河油田奧陶系地層等存在較多多壓力層系的井，這些區域構造陡、地層破碎、斷層多、裂縫和孔洞發育，同一長裸眼井段上、下地層壓力系數相差懸殊，多套壓力系統共存，常規鉆井方式鉆進極易發生溢漏同存的復雜情況［2-3］。

1.1 典型事例

川東地區碳酸鹽巖地層壓力系數不均，常有異常低壓帶和高壓帶同存于一個裸眼中，有時造成噴漏相通，上噴下漏、下噴上漏或先漏后噴，噴漏同層又漏又噴，因此漏噴同存的情況時有發生。據不完全統計，在川東已鉆過的構造中漏噴同存的發生率為30%左右。受漏失與溢流困擾較為典型的華西2井，鉆至井深1 569 m發生井漏，經邊鉆進邊堵漏，用密度1.24 g/cm3鉆井液鉆至2 352 m，發生溢流，處理過程中漏失鉆井液1 663 m3，溢流40 m3。云安4-1井用密度為1.41 g/ cm3鉆井液鉆至4 393 m發生氣侵，循環加重至1.45 g/ cm3發生井漏，漏速25 m3/h，井內H2S含量較高使得井內鉆具斷成多節，處理長達半年多。

1.2 研究現狀

多壓力系統氣層溢漏同存處理難度、風險大，工藝技術復雜，稍有不慎就會引發破壞性甚至災難性的事故，所以預防和處理溢漏同存的堵漏壓井技術成為多年來主攻的技術難點之一。目前國內外對溢漏同存的堵漏壓井處理工藝技術進行了廣泛研究，通過實驗和實踐也建立了許多單一漏失模型和公式，但對溢漏同存的基礎理論研究很少［4-5］。本文建立了多壓力系統溢漏同存發生時井筒環空多相流的理論模型，并通過模型計算得出了溢漏同存的井筒環空壓力以及氣液流型與井深的關系，對現場漏噴同存處理技術具有重要的指導意義。

2 多壓力系統溢漏同存模型

2.1 物理模型

鉆遇多壓力系統氣層時，由于同一裸眼井段存在多個壓力系統，氣層壓力變化不規則，高低壓層交替，難以建立井筒與地層的壓力平衡。鉆進高壓氣層時，采用高密度鉆井液平衡氣層鉆進，如遇到發生漏失的地層，漏失造成鉆井液液面下降，使井筒中的液柱壓力低于氣層的壓力，導致高壓層氣體侵入井筒（見圖1，其中pA，pC，pB分別為漏失層A，C和溢流層B的地層壓力，pME為井筒環空壓力），井筒環空由單相液體流動變為氣液兩相流動，地層氣和鉆井液沿環空向上流動過程中，由于壓力、溫度等參數的變化，氣液兩相流動的形態將發生變化。氣體隨鉆井液到達井口，由于作用在氣體上的壓力逐漸降低，使得氣體體積急劇膨脹，一旦關井將使井口具有較高的壓力，從而造成極高的壓力施加在井底，此時若井筒壓力高于高壓氣層的壓力，溢漏發生轉換。由于氣井的漏失和溢流發生迅速且易燃易爆，所以給壓井堵漏作業帶來了直接困難。

圖1 多壓力系統溢漏同存物理模型

2.2 溢漏模型

當地層本身存在鉆井液流動的通道，或者由于井筒內流體壓力大于地層破裂壓力而人為形成的漏失通道，且井筒流體壓力大于地層孔隙、裂縫或溶洞的流體壓力時，鉆井液將向地層漏失。研究表明，對于壓差性漏失通道，即漏失通道性質不隨井下壓力變化，漏失方程為

式中：△p為漏失壓差，MPa；pw為井底壓力，MPa；pi為地層壓力，MPa；k為漏失系數，與壓差無關；ql為漏失速率，m3/s；n為漏失指數。

當井底有效壓力小于地層流體壓力時，地層氣體會在該壓差下向井筒溢流；當井底有效壓力大于或等于地層流體壓力時，井內流體進入地層會將可擴散的氣體從地層中置換出來。

根據氣體穩定滲流產量公式得：

式中：qsc為標準狀況下的產氣量，m3/d；K為地層滲透率，10-3μm2；h為產層厚度，m；pf為地層壓力，MPa；ph為井筒環空壓力，MPa；T為地層溫度為平均氣體黏度為平均氣體偏差系數；re為供給邊界半徑，m；rw為井眼半徑，m；qg為地層氣體溢流速率，m3/s。

2.3 井筒環空氣液流動控制方程

假設液相密度為常數，忽略地層氣體在鉆井液中的溶解，且兩相間無化學反應；環空內在同一位置處氣液兩相溫度相同，無熱量交換，井筒溫度可由地溫梯度求得。

井筒氣液兩相流動方程組包含氣相連續方程、液相連續方程及氣液混合運動方程［6］，它們分別為

式中：ρg，ρl分別為氣相、液相的密度，kg/m3；vg，vl分別為氣相、液相的速度，m/s；p為壓力，MPa；α為空隙率；（?p/?z）f為摩阻壓力梯度，MPa/m；t為時間，s；z為沿流道長度，m。

流型一直是氣液兩相流研究領域的重要內容，流型判別的意義在于根據其流動特征建立適用于該流型的摩阻壓降模型。Taitel和Dukler根據流動機理確定了氣液兩相的4種流型，并得出了它們之間的轉換界限；Hasan等人在Taitel和Dukler的研究基礎上，對各流型的判別準則進行了修正和完善［7-10］。

式中：g為重力加速度，m/s2；vsg，vsl分別為氣相、液相的表觀速度，m/s；σ為表面張力，N/m。

3 模型求解與實例計算

井筒環空氣液兩相流動控制方程是由偏微分方程組成的數學模型，包含與壓力相關的流體物性、運動參數和無因次變量，而求解壓力又需要這些相關參數，故難以求得解析解。本文用Mathcad軟件編制程序，首先把求解問題在時間域和空間域內離散，時間按有限差分離散，空間沿環空分成許多有限體積單元體，然后逐時刻、逐單元地在全部時間域和空間域內計算求解［11-12］。

川東地區碳酸鹽巖地層壓力系數為0.90～2.29，漏噴同存的情況時有發生。本文模擬同一裸眼中存在一個溢流層和漏失層在不同工況下的下漏上噴規律［3］。假設溢流層地層壓力系數為1.25，漏失層地層壓力系數分別以1.15，1.08，1.00，0.90計算，其他基本參數如下：漏失氣層井深4 996 m，溢流氣層井深4 453 m，鉆井液黏度20 mPa·s，鉆井液密度1.20 g/cm3，井口壓力0.1 MPa，鉆井液排量18 L/s，井口無節流，四開鉆具組合為φ152.4 mm鉆頭+φ120 mm×（1.50～1.75°）高溫螺桿+回壓閥+φ89 mm無磁抗壓鉆桿+MWD（高溫）+φ89 mm鉆桿（18°）×500 m+φ89 mm加重鉆桿×500 m+φ89 mm鉆桿×600 m+配合接頭+φ139.7 mm鉆桿（18°）×若干+φ127 mm鉆桿×400 m。

由圖2可知，漏失與溢流同時發生時的井筒環空壓力，低于僅有漏失或僅有溢流發生時的環空壓力。因為下部地層的漏失使得井內環空中鉆井液流量下降，且溢流的地層氣體不斷將井筒環空的鉆井液置換出去，造成高壓溢流層處的地層壓力與井筒壓力的差值變大，使得上部高壓氣層的溢流更加強勢，加速了天然氣運移通道的溝通，致使溢漏同存后井內更為活躍，漏失也更加厲害。

隨著漏失層地層壓力系數的降低，漏噴同存時的井筒環空壓力降低。這是由于井筒與低壓地層的漏失壓差增大，地層的漏失通道變得更寬，連通性更好，同等密度的鉆井液向低壓地層的漏失更嚴重，尤其當漏失層壓力系數為0.90時，幾乎接近失返性漏失的臨界狀態，很難再建立井筒與地層的壓力平衡，高壓層氣體向井筒溢流已經無法得到有效控制，氣體向井口運移的同時也把井底的高壓帶到了井口，此時井控問題將變得相當棘手。

表1說明了漏失與溢流同時發生和僅有溢流發生時，環狀流、攪動流、段塞流、泡狀流沿井深的分布情況。在溢流層附近氣液混合物中含氣率較低，混合物的平均流速較低，氣體以分散的氣泡形式且高于鉆井液的流速向上滑脫；當氣液混合物繼續向上流動時，壓力不斷降低，氣體不斷膨脹，含氣率增加，氣相與液相以混雜的、振蕩式的形式運動，在井口附近氣液兩相流型變為環狀流；漏失與溢流同時發生時，漏失使得井筒環空鉆井液液柱壓力降低，氣體溢流量和能量較僅有溢流發生時大，氣液兩相流型在較深井段便發生轉化。值得說明的是，井口環狀流的攜巖效果較差，實際鉆井過程中可通過適當調節鉆井參數（增加回壓等）避免出現環狀流。

隨著漏失層壓力系數的降低，鉆井液不斷向地層漏失，造成環空氣液兩相的持液率降低，氣體滑脫和膨脹運移越迅速。因此，泡狀流的范圍逐漸降低，攪動流和環狀流的范圍增加，尤其當漏失層壓力系數為0.90時，漏失與溢流同時發生時泡狀流的井段只有546 m，且不存在段塞流，環狀流和攪動流的井段卻長達4 450 m。這與僅有溢流發生時氣液兩相流態分布的區別很大，因為此時井筒環空中地層溢流氣體流量較高，氣體逐漸成為連續相不斷攜帶液體向上運動。

圖2 不同工況下井筒環空壓力與井深關系曲線

表1 不同工況下不同井深的流型分布

4 結論

1）鉆遇多壓力系統氣層，壓力平衡極難調整，溢漏同存等惡性事故頻發。建立的模型可計算多壓力系統氣層溢漏同存時的井筒環空壓力，判別環空氣液兩相流流型。

2）多壓力系統氣層溢漏同存時，環空中鉆井液流量下降，且溢流的地層氣體不斷將井筒環空的鉆井液置換出去，導致井筒環空壓力迅速降低，溢流態勢更加嚴重。

3）多壓力系統氣層溢漏同存時井筒環空的氣液兩相流動流型與僅溢流發生時變化較大；漏失層壓力系數越低，環空氣液兩相的持液率越低，氣體滑脫和膨脹運移越迅速，因此環狀流占據的井段越長。

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（編輯 趙衛紅）

Research on well kick accompanied with lost circulation during drilling of gas formation with multi-pressure system

Jia Hongjun1,Meng Yingfeng1,Li Gao1,Shu Gang1,Zhao Xiangyang2,Wei Na1,Song Wei1
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,610500, China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The complex situation of well kick accompanied with lost circulation is very prone to happen during drilling the gas formation with multi-pressure system because many leakage zones and overflow zones with different formation pressure coefficient are always in a bare hole.The domestic and overseas researches on well kick accompanied with lost circulation are often confined to the treatment technologies of sealing and killing well at present.This paper elaborates the physical law and establishes the mathematical model of well kick accompanied with lost circulation on the basis of the annulus multi-phase flow.The transition criteria and pressure drop model of gas-liquid flow are systematically summarized and then the annulus pressure curves and the pattern distribution of gas-liquid flow along the well depth are obtained.Calculation result indicates that wellbore annulus pressure drops quickly and well kick is more serious.Annulus liquid flow rates reduce sharply and gases slip and migrate upward rapidly, resulting in the large transform of distribution pattern of gas-liquid flow.Simulation results have important guiding significance to field treatment technologies of well kick accompanied with lost circulation during drilling the gas formation with multi-pressure system.

multi-pressure system;lost circulation;well kick;gas formation;two phase flow

國家重點基礎研究發展計劃（973）項目“深井復雜地層鉆井壓力系統模型與規律”（2010CB226704）、國家科技重大專項“低滲氣藏特殊復雜地層高效鉆井關鍵技術”（2008ZX05022-005）聯合資助

TE21

：A

1005-8907（2012）03-0359-05

2011-10-01；改回日期：2012-02-13。

賈紅軍，男，1988年生，在讀碩士研究生，2010年畢業于西南石油大學石油工程專業，主要從事氣體鉆井、欠平衡鉆井多相流的研究。E-mail：hongjunjia@yeah.net。

賈紅軍，孟英峰，李皋，等.鉆遇多壓力系統氣層溢漏同存規律研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：359-363. Jia Hongjun，Meng Yingfeng，Li Gao，et al.Research on well kick accompanied with lost circulation during drilling of gas formation with multipressure system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：359-363.