氣侵條件下裂縫性地層漏失模擬實驗

齊 彪，方俊偉，朱立鑫，黃勝銘，張 俊，黃維安*

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術研究院，烏魯木齊 830011；2.中國石油化工股份有限公司縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.中國石油大學(華東)石油工程學院，青島 266580)

裂縫性地層鉆進過程中，常伴隨有氣侵現象，深部地層裂縫內高溫高壓氣體侵入井筒的同時，鉆井液大量漏失進入裂縫，引發嚴重的井漏及儲層損害問題，阻礙了裂縫性油氣藏的安全鉆探及高效開發[1-3]。順北區塊受構造運動影響，斷裂特征明顯，地層孔縫發育，鉆井過程中漏溢同存現象頻發，嚴重制約了該地區的勘探開發進程。隨著裂縫性油氣藏勘探開發的不斷進行，裂縫性地層的漏失和氣侵并存現象以及兩者之間的相互影響研究，逐漸受到石油行業的重視[4-8]。Vavik等[9]通過計算機仿真模擬，探究了溫度變化對碳酸鹽巖地層漏失與氣侵的影響。張興全等[10]基于氣液兩相流理論建立了井筒氣侵模型，分析了不同井底氣侵方式，并提出了重力置換氣侵與欠平衡氣侵的判定方法。方俊偉等[11]通過建立多相流模型，研究了不同鉆井液條件下的氣液兩相置換模擬。楊順輝等[12]研制了一套具有真實裂縫空間的可視化井筒-地層耦合流動裝置，模擬地層定容和定壓情況下鉆井液與地層流體在真實裂縫中的耦合流動狀態。

目前中外對漏失與氣侵同存過程中氣液置換現象研究較少，基本停留在置換機理的數值模擬分析，缺乏室內實驗模擬的定量化研究。為此，現針對順北區塊裂縫性儲層氣侵和漏失嚴重問題，在實驗模擬研究的基礎上，分析氣侵條件下鉆井液在裂縫中的漏失規律，探究氣侵對裂縫性地層鉆井液漏失的影響，為后續裂縫性油氣藏開采工作提供理論借鑒。

1 順北區塊地質及其氣侵和漏失狀況

1.1 順北區塊地質背景

塔里木盆地順北區塊位于新疆沙雅縣境內，其構造位置在順托果勒低隆的北部，處于阿瓦提、滿加爾坳陷與沙雅隆起的結合部，構造位置有利，油源充足，是油氣長期運移聚集的有利區域，如圖1所示。近年來，沙雅隆起南坡奧陶系油氣勘探不斷取得新進展，在順北區塊的周邊已經發現了哈拉哈塘、英買2、托甫臺、躍參、躍滿等多個海相油氣藏。其中，躍參區塊奧陶系已經建成了20×104t的產能陣地。2015年以來，部署在順北區塊主干斷裂帶上的10余口井均發生鉆井液漏失，測試均獲得高產工業油氣流，表明順北區塊油氣成藏條件優越，具備良好的勘探前景，主干斷裂帶是油氣富集最有利區。綜合鉆井、巖心、成像測井等資料，順北地區奧陶系儲層類型為沿大斷裂發育的裂縫-洞穴型儲層，儲集空間類型可劃分為洞穴、構造溶蝕縫、構造縫，基質溶孔、晶間孔。

圖1 塔里木盆地順北區塊地理位置

1.2 順北區塊裂縫性儲層氣侵狀況

順北區塊諸多井位在鉆進過程中，發生了氣侵，造成了井下復雜情況。根據現場資料，通過立壓和套壓的變化、入口及出口鉆井液密度的變化、井口發生溢流現象，分析氣侵的相關參數。氣侵的速度很難得到，只能通過溢流速度間接推得氣侵的大概范圍。通過已鉆井資料得到氣侵溢流的速度范圍為0.1～2 m3/h，套壓的增量為2～5 MPa。實際氣體進入井筒后除與鉆井液混相外，還存在氣體溶解等現象，因此溢流的流速小于實際發生氣侵的氣體侵入速度。不同井位不同深度的氣侵狀況并不一樣，情況較為復雜，且氣侵導致的溢流等復雜現象存在滯后性，需要以發生溢流的時間和井深向前推移。考慮井下不同層位的地質構造中壓力分布不均，順北區塊裂縫性儲層中的氣侵主要包含有重力置換氣侵和負壓氣侵。

1.3 順北區塊裂縫性儲層漏失分析

順北區塊受地質構造運動影響，斷裂特征明顯，海西期斷裂活動較強，造成地層破碎、縫網發育，鉆井液漏失嚴重。順北區塊5號斷裂帶地層具有裸眼段長、漏失情況復雜等特征，現有堵漏施工有橋堵、水泥、化學固結、高失水堵漏、凝膠堵漏，但堵漏成功率參差不齊。沿5號斷裂帶南北分布的井基本上為評價井和開發井，均有不同程度的漏失發生，如表1所示。其中，漏失嚴重的井主要為順北5-5H、順北5-6井、順北5-7井、順北5-8井、順北5-10井和順北52X井，漏失次數均達10次以上，復雜時率基本在10%以上(平均12.43%)，尤其順北52X井復雜時率高達57%，井漏頻發且復漏嚴重，損失時間長。順北52X井進行了中外6種堵漏技術，堵漏不成功無法安全鉆進，被迫移井位，耗時134 d。油氣井鉆井實踐證明，井下噴漏同存的復雜情況，經過多次堵漏和壓井無果后，往往因無法進行常規的鉆井作業而造成極大的經濟損失。

表1 順北區塊井漏情況分析表

1.3.1 裂縫性儲層漏失分布

順北區塊奧陶系地層碳酸鹽巖溶蝕孔洞、裂縫發育，易出現放空、井漏、井涌等現象。順北區塊主要漏失層位分布如圖2所示，順北區塊漏失井深范圍廣，漏失層位多，從二疊系到奧陶系的底部目的層一間房組和鷹山組均有分布，表現出隨機性、多漏點特征。順北區塊裂縫性儲層漏失頻發，漏點主要集中在一間房組和鷹山組地層，在統計的各地層漏失次數中，一間房組地層漏失10次，鷹山組地層漏失15次，漏失占比分別為7.8%、和11.7%，鷹山組漏失程度稍高于一間房組。順北區塊裂縫性儲層縱向漏失分布如圖3所示，奧陶系地層中的一間房組和鷹山組漏失多發，漏失井深范圍為7 350～8 150 m，漏失在地層深度7 400～7 650 m最為集中。

圖2 順北區塊主要漏失層位分布統計圖

O3q為恰爾巴克組；O2yj為一間房組；O1-2j為鷹山組

1.3.2 裂縫性儲層漏失速度

順北區塊裂縫性儲層漏失速度總體分布情況如圖4所示，漏速小于10 m3/h的微漏占51.72%；漏速在10～20 m3/h的小漏占24.14%；漏速在20～50 m3/h的中漏占6.9%，漏速大于50 m3/h的占3.45%；鉆井液失返、不能建立循環的惡性井漏占13.79%。順北區塊裂縫性儲層漏失井平均漏失速度2.25～12.0 m3/h均有，整體上裂縫性儲層的平均漏失速度在5～10 m3/h。表明順北區塊裂縫性儲層的井漏主要是微漏和小漏。

圖4 順北區塊裂縫性儲層漏失速度分布圖

1.3.3 裂縫性儲層漏失密度

奧陶系溶洞裂縫發育，存在漏失和溢流風險，要做到“壓而不死，活而不噴”，目的層鉆井液密度的控制至關重要。如圖5所示，對裂縫性儲層漏失時鉆井液密度進行統計分析表明：順北區塊裂縫性儲層漏失密度集中在1.25～1.29 g/cm3，裂縫性儲層漏失壓力普遍較低。為有效保護儲層，避免鉆井完井液濾液和固相通過孔隙和裂縫進入儲層，一般控制鉆井液密度與地層壓力之間為近平衡狀態，鉆井液密度使用不高。一旦鉆井液密度使用偏高或下鉆過快產生激動壓力，容易壓漏承壓能力低的地層，產生誘導裂縫漏失。

圖5 順北區塊裂縫性儲層漏失密度分布

1.4 氣侵與漏失漏溢同層模式

漏失和氣侵(溢流)是順北區塊井下復雜的主要原因之一，損失時間長，嚴重影響正常鉆進。漏失和氣侵“同層”現象時有發生，當鉆進至地層裂縫帶時，鉆井液會漏失進入開啟裂縫中造成井筒內靜液柱壓力明顯降低，地層內氣體壓力超過井內壓力時，便會引起氣侵，為“先漏失后氣侵”；而在高孔隙、高滲透性地層，鉆井過程中“先氣侵后漏失”最為常見。合理鉆井液密度鉆進至高壓地層或鄰井壓裂地層，發生溢流，現場采用提密度抑制溢流，鉆井液往往會漏失進入承壓能力薄弱的裂縫或孔隙中，造成漏溢同層，在順北區塊水平鉆井中尤為常見。

2 實驗儀器與方法

2.1 實驗儀器

實驗儀器主要采用鉆井液動濾失與長裂縫封堵模擬實驗裝置，如圖6所示，該裝置可模擬深部地層高溫高溫條件下不同形態裂縫的漏失情況。高溫高壓釜體可模擬井下鉆井液環境，釜體采用活塞加壓來模擬鉆井液注入壓力，高溫環境通過釜體外部安裝的柔性加熱套實現，內部裝配有溫度傳感器，可實時測量釜體內部實驗溫度，且釜體可翻轉180°，并與水平方向夾角實現30°、45°、60°、90°定位，可模擬定向井或水平井鉆井液堵漏作業工況；實驗中，用不同開度楔形長裂縫模擬地層裂縫形態，可打開不銹鋼制縫板觀察裂縫封堵層真實情況；為測試氣侵條件下裂縫性地層漏失情況，在常規實驗儀器基礎上，專門在裝置尾部增加了反向承壓裝置，為實現模擬氣侵提供了氣體流通通道，以及測量氣侵流速、壓力值的瞬時流量計和數顯精密壓力表。

圖6 氣侵條件下裂縫性地層漏失模擬裝置

2.2 實驗材料

封堵裂縫性地層常用的橋接堵漏材料，按其不規則的形貌可分為硬質顆粒材料、易彎曲片狀材料和柔性強的纖維材料三類，按不同配方和比例復配而成的橋漿可有效封堵儲層的孔隙或裂縫，保護儲層不受外來液的侵害。結合Kaeuffer[13]和Sudduth[14]兩位學者提出的1/2理想填充理論以及張金波等[15]的D90填充理論，實驗中采用油田現場堵漏施工較為常見的橋接堵漏材料，在井漿基礎上，加入核桃殼、云母片、方解石顆粒、超細碳酸鈣、聚丙烯纖維素、果殼粉等，配制堵漏漿，使其在不同的裂縫傾角、不同正壓差、不同裂縫寬度的條件下，封堵成功，形成封堵層結構，堵漏材料如表2所示。

表2 橋接堵漏材料

2.3 實驗原理與方法

通過自制的鉆井液動濾失與長裂縫封堵模擬實驗裝置，模擬氣侵條件下鉆遇裂縫時的井下漏失狀況，記錄不同條件下的氣侵速度，觀察鉆井液漏失情況，研究裂縫性地層漏失的一般性規律。模擬實驗裝置中長裂縫巖心夾持器配套不同長度的楔形長裂縫模型，具體尺寸如下：長度1 000 mm楔形長裂縫模型1套，裂縫開度1 mm×0.5 mm、3 mm×2 mm、5 mm×4 mm；基于順北區塊裂縫性地層的裂縫寬度和走向等發育情況，如表3所示，選擇寬度與井下實際相對應的長裂縫模型，在不同傾角和壓差等條件下分別進行氣侵模擬實驗。

表3 順北區塊某漏失井裂縫特征參數

通過順北區塊某井儲層裂縫特征參數統計分析可知，在6 000～7 000 m井段，三開/四開鉆進過程中裂縫存在較多，導致了諸多井下復雜情況；井下存在2 mm以上的大縫，以及0.1～2 mm的微小裂縫，相對而言，中小裂縫較多；裂縫產狀較為復雜，存在垂直縫、斜縫、水平縫等多種。通過以上裂縫形態數據及分析，裂縫形態擬以2 mm為基本縫寬，在實驗中設置了1、3、5 mm 3種縫寬，同時添加了0°、45°、90°共3種傾角來模擬不同形態裂縫。

以不同裂縫寬度為例，氣侵條件下裂縫性地層漏失情況模擬實驗方法如下：①根據現場鉆井使用的鉆井液配制實驗用膨潤土基漿，加入堵漏材料后，經高速攪拌機攪勻后，灌入泥漿罐(高溫高壓釜體)；②根據情況控制好裂縫模塊的裂縫寬度，使其固定連接在泥漿樣品罐上，保持近罐端裂縫模板的裂縫開度大，預設縫寬分別為1、3、5 mm；③緩慢加壓推動活塞，使得鉆井液漏失進入裂縫并形成一定封堵層；④保持正向壓力不變，打開反向氣壓(預設好)閥門，記錄氣侵流速、壓力值；⑤實驗結束后，退活塞，取出裂縫模塊拍照，觀察裂縫模塊內漏失情況。

3 實驗結果與分析

3.1 不同傾角氣侵條件下漏失模擬

實驗中控制鉆井液正壓差為0.5 MPa，氣侵壓差為0.5 MPa，縫寬為2 mm，改變裂縫傾角分別為0°、45°、90°，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同傾角的氣侵情形如圖7所示。

不同傾角縫板內漏失深度如圖8所示，漏失深度與裂縫傾角的擬合表達式為y=27.93e0.003 5x，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示裂縫傾角(°)。本實驗模擬的是氣侵和漏失發生后的現象，改變裂縫的傾角，使裂縫分別處于90°、45°、0°的形態。發現由于傾角變化，裂縫垂直方向的高差逐漸減小，使得裂縫在垂直方向上的壓差降低，漏失程度減弱。隨后通過增加裂縫尾端的氣壓，直至突破封堵層，測試所形成的封堵層承壓能力。可看到裂縫內的封堵層被氣體突破“吹出”后留在裂縫口的團狀封堵結構。垂直縫漏失量最大，形成的封堵層最長，被“吹出”封堵層也最多且致密。

圖8 不同裂縫傾角縫板內漏失情況

當壓力分別達到0.35、0.26、0.28 MPa時，形成的封堵層被突破，氣侵速度迅速增加，分別達到0.38、0.31、0.21 L/min，經過5～10 s后，氣侵通道進一步打開，達到0.6 L/min左右，后期氣侵速度緩慢增加到1.35、1.12、1.02 L/min，壓力經過短暫的波動，基本不變，維持在0.6～0.7 MPa。垂直裂縫的反向承壓能力相對最高，這說明當鉆井液沒過裂縫一段時間后，漏失作用有利于在裂縫內部形成較厚的堵漏帶，氣侵不容易突破密封性好的封堵層。

3.2 不同鉆井液正壓差氣侵條件下漏失模擬

實驗中控制縫寬為2 mm，裂縫傾角為90°，氣侵壓差為0.5 MPa，改變鉆井液正壓差分別為1、2、3 MPa，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同鉆井液正壓差情況下的氣侵情形如圖9所示。

圖9 不同鉆井液正壓差裂縫入口圖

不同鉆井液正壓差下縫板內漏失深度如圖10所示，漏失深度與正壓差的擬合表達式為y=67.25x0.539 9，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示壓差(MPa)。在不同正壓差作用下，鉆井液漏失深度逐漸增加，分別達到54.6、66.7以及100 cm以上。形成的封堵層也更為致密。正壓差越大，漏失發生越劇烈，漏失通道增加。不同正壓差作用下的封堵層致密性不同，正壓差越大，封堵層越致密。承壓能力(突破壓力)分別達到0.35、0.42、0.51 MPa，之后壓力略微減小，出現小范圍波動后基本不變。氣侵速度分別維持在0.47～0.7 L/min。裂縫內封堵層被突破后形成氣體的流通通道，使得漏失的壓力和氣侵流速逐漸穩定。

圖10 不同鉆井液正壓差下縫板內漏失情況

3.3 不同裂縫寬度氣侵條件下漏失模擬

實驗中控制氣侵壓差為0.5 MPa，裂縫傾角為90°，氣侵壓差為1 MPa，改變縫寬分別為1、3、5 mm，觀察并記錄氣侵的流速變化。不同裂縫寬度的氣侵情形如圖11所示。漏失深度與裂縫寬度的擬合表達式為y=65.64e0.143 3x，其中，y表示漏失深度(cm)，x表示縫寬(mm)。縫寬的影響非常明顯，裂縫越寬，漏失發生越嚴重。1 mm縫的漏失深度為31.5 cm，3 mm和5 mm的裂縫漏失深度為76.1 cm和100 cm，漏失越嚴重，形成的封堵層也越致密，而且堵漏材料在裂縫內部形成多重密封屏障，可以共同承受氣侵壓差，承壓能力有更高的提升。不同縫寬的裂縫中的封堵層突破壓力分別為0.68、0.89、1.12 MPa，突破瞬間的流速分別為0.81、1.51、1.69 L/min。隨后流速和壓力出現小幅波動，基本穩定，持續到300 s時刻，流速分別為0.8、1.46和1.69 L/min。

圖11 不同裂縫寬度縫板內漏失情況

4 結論

(1)順北區塊受地質構造運動影響，斷裂特征明顯，海西期斷裂活動較強，造成地層破碎、縫網發育，鉆井液漏失嚴重。現有堵漏施工有橋堵、水泥、化學固結、高失水堵漏、凝膠堵漏，但堵漏成功率參差不齊。

(2)順北區塊裂縫性儲層奧陶系中的一間房組和鷹山組漏失多發，表現出隨機性、多漏點特征；奧陶系溶洞、裂縫發育，存在漏失和溢流風險；順北區塊在鉆進水平井段時，一旦發生氣侵，往往會發展為井漏，漏溢同層。

(3)垂直裂縫相對于傾斜縫、水平縫形成的封堵層最致密，承壓能力較高，說明鉆井液沒過裂縫一段時間后，漏失作用有利于在裂縫內部形成較厚的堵漏帶，氣侵不容易突破密封性好的封堵層。

(4)縫寬越大，漏失深度越大，形成的封堵層越多且致密，而且堵漏材料在裂縫內部形成多重密封屏障，可以共同承受氣侵壓差，承壓能力有更高的提升。