地層—井筒耦合條件下的壓力控制實驗裝置研究

唐 貴, 鄧 虎, 舒 梅

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

隨著油氣勘探開發(fā)逐漸向深層、超深層、海相地層轉(zhuǎn)移，鉆井深度的不斷增加，鉆井難、鉆井慢、井控風險高等問題日益突出[1- 2]。深部海相地層裂縫發(fā)育，存在多壓力系統(tǒng)，地層流體流動規(guī)律復雜，鉆井過程中井漏、溢流頻發(fā)，壓力控制難度大，尤其是在同一裸眼井段的溢漏同存，復雜程度將進一步加劇，井控風險更高。并且深部海相地層一般含有硫化氫等酸性氣體，壓力控制不到位，對鉆井設備及人員將造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害[3- 7]。

為此，近年來控壓鉆井技術(shù)得到了廣泛的應用，并為掌握控壓鉆井過程中井筒流體流動規(guī)律，不少研究人員對控壓鉆井井筒流體流動規(guī)律進行了較多研究，探討了裂縫地層漏噴同存發(fā)生的轉(zhuǎn)換機制和發(fā)生條件，為了工藝控制和參數(shù)優(yōu)化提供了一些基礎(chǔ)。

舒剛等[8]對裂縫內(nèi)發(fā)生重力置換的條件及氣液流動規(guī)律進行了研究，分別建立了氣相模型和液相模型；劉繪新等[9]針對裂縫性儲層的特點構(gòu)建了對應的井筒物理模型，提出了裂縫性儲層井控原理及井控技術(shù)；賈紅軍等[10]通過實驗研究了垂直井鉆遇水平縫時的氣液重力置換規(guī)律；孔祥偉[11]考慮重力置換的恒定性、氣侵的可變性，提出了重力置換與溢流氣侵的判斷三準則；李軍等[12]開展了氣液重力置換模擬實驗并提出了相關(guān)的預防措施。周劉杰[13]利用氣液重力置換實驗裝置觀察裂縫中存在明顯氣液分界面，建立了鉆遇裂縫時的置換窗口；Xiao等[14]建立了氣液重力置換的數(shù)學模型并通過實驗進行了驗證，針對現(xiàn)場應用提出了一種實用的解決方法；李軍等開展了氣液重力置換模擬實驗并提出了相關(guān)的預防措施；戴成等[15]根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到了鉆井過程中的漏失、溢流以及發(fā)生置換的空間；Li等[16]研究了水平井與垂直裂縫相交時發(fā)生的氣液重力置換現(xiàn)象。但是前期的研究工作大部分基于井筒單相或氣液兩相流動，對地層裂縫與井筒間復雜的耦合流動規(guī)律，尤其是不穩(wěn)定流動的研究較少，且集中于理論認知。

基于地層—井筒多相流壓力的計算的復雜性，本文設計建立了一套地層—井筒耦合條件下壓力控制的實驗裝置，對流體流動規(guī)律進行實驗研究，為進一步分析控壓鉆井過程中的流動規(guī)律、深入揭示控制壓力過程中的地層—井筒流體壓力變化特征等提供實驗條件，為裂縫性地層安全鉆井提供保障。

1 模擬實驗裝置

1.1 模擬實驗裝置的研究意義

在鉆井過程中，由于地層壓力與井底壓力的差可能形成溢流或者漏失，如圖1所示。對于裂縫性地層或者多壓力系統(tǒng)層系，經(jīng)常引發(fā)漏失與溢流共存的現(xiàn)象，壓力變化難以預測，壓力平衡難以調(diào)整，井下復雜事故頻發(fā)，嚴重制約勘探開發(fā)進度。為了對這一現(xiàn)象的機理進行深入探討，筆者建立了一套模擬實驗裝置，如圖2所示，能夠完成單純溢流、單純漏失和溢漏同存的定量化分析和理論研究驗證。本裝置實現(xiàn)了地層—井筒—井口一體化分析，突破以前只能夠?qū)嶒灪捅O(jiān)測單一流動區(qū)域的限制，滿足關(guān)鍵節(jié)點單元的協(xié)同調(diào)整和優(yōu)化分析，形成了基于井筒多相管流的綜合壓力控制實驗平臺，同時實驗裝置具有可視化特征，能夠進一步開展巖屑運移和封堵防漏等多種實驗，具有一定的擴展性。

圖1 溢流、漏失與溢漏同存現(xiàn)象示意圖

圖2 地層—井筒耦合條件下的壓力控制實驗裝置示意圖

1.2 模擬實驗裝置的系統(tǒng)組成

模擬實驗裝置主要由地層模擬單元、井筒模擬單元、氣體注入單元、液體注入單元、數(shù)據(jù)采集單元和井口壓力控制單元及其他配套設備組成。模擬實驗裝置的主要關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。井筒模擬單元為外徑159 mm、壁厚5 mm、長度33 m的有機玻璃管，井筒內(nèi)有一根外徑50 mm、壁厚2 mm的不銹鋼。井底有漏失出口和氣體注入口，漏失出口設有精確漏失閥，可調(diào)節(jié)井底漏失量大小，氣體注入口采用割縫管方式與注氣單元連接，通過改變割縫管泄流面積模擬裂縫地層，氣體注入口設有壓力傳感器，可測量氣體注入壓力，如圖3所示。

表1 實驗裝置關(guān)鍵參數(shù)

圖3 可視化管線圖

注氣單元包括空壓機、儲氣罐、流量計及相關(guān)管線。注氣單元設有精確調(diào)壓閥和流量計，以精確調(diào)整注氣量與模擬地層壓力，而模擬地層壓力可通過設在單向閥后的壓力傳感器獲得。為防止井筒內(nèi)液體倒灌進入注氣單元，在流量計后方設有單向閥。注液單元包括高壓往復泵、液體流量計以及相關(guān)液體管線，注液單元連接模擬鉆桿，從鉆桿注入模擬鉆井液進入井筒環(huán)空，隨后從井口排出，模擬鉆井液在井筒內(nèi)的流動過程，通過調(diào)節(jié)往復泵可以調(diào)節(jié)鉆井液的注入量。井口壓力控制單元包括回壓閥、節(jié)流閥，可以模擬鉆井作業(yè)時不同井口壓力控制方法。數(shù)據(jù)采集單元主要對所采集的壓力和流量信息進行處理，并自動繪制圖表。

2 實驗步驟與實驗參數(shù)設置

2.1 實驗步驟與控制原理

開展單相漏失實驗時，開啟高壓往復泵，鉆井液在高壓往復泵作用下通過注液單元注入模擬鉆桿，從井底進入井筒環(huán)空并在井口返出，模擬鉆井作業(yè)中的鉆井液循環(huán)過程。開啟漏失閥，使得部分鉆井液在井筒底部流出，模擬井漏工況。通過井口的流量計和注液單元的流量計可計算出漏失量，通過分布于井口、井筒中部以及井底的壓力傳感器測量井筒壓力分布。隨后調(diào)節(jié)井口的回壓閥或節(jié)流閥，改變井口壓力，探討不同井口壓力條件下鉆遇裂縫性地層時鉆井液漏失規(guī)律以及井筒壓力分布規(guī)律。開展氣液兩相純氣侵實驗或氣液兩相溢漏同存實驗時，開啟空壓機，將氣體從井底注入井筒，模擬氣侵工況;同時開啟漏失閥，使得部分鉆井液在井筒底部流出，則可以模擬溢漏同存工況，如圖4所示。

圖4 不同實驗的控制原理

2.2 實驗參數(shù)設計

實驗過程中通過改變實驗臺架傾角、水的密度、水的粘度、泵的排量、漏失閥開度、裂縫高度、節(jié)流閥開度從而探討井口回壓、鉆井液漏失量、注氣壓力、注氣流量、井口壓力、井中壓力、井底壓力之間的關(guān)系，詳見表2。

表2 實驗參數(shù)設計

3 模擬實驗及結(jié)果分析

3.1 不同地層壓力下的氣侵實驗

當鉆井液以排量1.11 L/s進行實驗時，以三種注氣壓力模擬不同地層壓力下的氣侵規(guī)律，結(jié)果見圖5所示。初始狀態(tài)下，井筒內(nèi)為純液相，井筒壓力為0.36 MPa，在實驗的第12 min時，氣體開始侵入；分別注入壓力為0.57 MPa、0.61 MPa、0.65 MPa的氣體，即代表地層壓力，井眼被氣侵，此時，井底壓力平均0.51 MPa、0.55 MPa、平均0.59 MPa，上升幅度分別是42%、53%和63%。第20 min后，逐漸控制井口壓力，到完全控壓平衡時，三種注氣壓力下的井底壓力分別上升7.8%、7.2%和6.7%。

圖5 氣侵控壓時井底壓力變化圖

該實驗表明，當井底壓差越大，氣侵后井底壓力上升越多；而進行節(jié)流控制后，到完全控壓平衡過程中，井底壓力的上升幅度很小。

3.2 不同鉆井液排量下的氣侵實驗

當?shù)貙訅毫εc井底壓力的壓差不變時，采用3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的鉆井液排量進行實驗，并記錄井口、井底壓力與節(jié)流閥開度變化情況。圖6為當?shù)貙訅毫εc井底壓力的壓差不變時，采用不同鉆井液排量的井底壓力變化示意圖。如圖6中3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的鉆井液排量對應的初始井底壓力分別是0.31 MPa、0.36 MPa、0.4 MPa，為保證相同的氣侵量，即相同的地層壓力與井底壓力的壓差，對應的地層壓力分別是0.55 MPa、0.6 MPa、0.64 MPa，此時地層壓力與井底壓力的壓差均為0.24 MPa。在相同壓差下，鉆井液排量為3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h時，井底壓力上升幅度分別為58%、54%和45%左右，排量越大，氣侵后井底壓力上升得越慢。

圖6 不同排量下井底壓力變化圖

不同排量下的氣侵節(jié)流閥開度變化見圖7所示。從隨著節(jié)流閥開度的調(diào)整，一開始節(jié)流閥下降的時候并沒有引起井口壓力的變化，隨著節(jié)流閥開度下降到20%的時候，井口壓力出現(xiàn)明顯變化，但是針對不同的排量，節(jié)流閥開度起到明顯作用的時間并不一樣。排量越大，節(jié)流閥開度比較大的時候就能夠明顯改變井口壓力。這是因為排量越大，節(jié)流閥的節(jié)流壓差效應越明顯，能在更大的開度內(nèi)改變壓力。

圖7 不同排量下的氣侵節(jié)流控壓實驗數(shù)據(jù)

3.3 井漏條件下的壓力控制實驗

為了模擬井下漏失，在環(huán)空底部設置液體出口，液體經(jīng)過地層裂縫模擬單元流到儲液罐，實現(xiàn)液體井漏模擬。開始時，調(diào)整節(jié)流閥開度在井口施加一定回壓；實驗過程中，通過增大節(jié)流閥開度，模擬井底壓力下降；當節(jié)流閥開度增到一定開度時，井底壓力與地層壓力平衡后，實現(xiàn)抑制井漏。通過改變漏失量，模擬不同井漏情況下的井筒流動規(guī)律，添加堵漏材料進一步模擬堵漏效果。如圖8所示，當漏失量為0.29 m3/h、0.48 m3/h和0.65 m3/h時，漏失時井底壓力下降值分別是0.04 MPa、0.05 MPa和0.07 MPa；當井漏完全被抑制時，井底壓力下降值分別是0.156 MPa、0.166 MPa和0.174 MPa。漏失量越大，平衡時的井底壓力越小，過小的井底壓力易引起溢流，在窄密度窗口的地層中鉆井常引起噴漏同存，處理難度較大，是瓶頸問題之一。

圖8 不同漏失量下井底壓力變化圖

3.4 模型驗證

為了進一步將實驗結(jié)果與理論進行驗證分析，本文采用徐朝陽[17]等人建立的AUSMV模型對氣侵工況進行驗證，驗證的結(jié)果如圖5中的驗證計算曲線所示，實驗測試過程中數(shù)據(jù)波動較大，而理論計算模型結(jié)果較為光滑，綜合分析精度為94.3%，具有較好的精確性，說明本實驗裝置的測試數(shù)據(jù)可以為實驗模型的驗證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于指導模型的修正和完善。

4 結(jié)論

(1)研制了一套可以完成單純氣侵、單純漏失與溢漏同存等多種工況的實驗模擬裝置，該裝置具備裂縫寬度與井口回壓可調(diào)、可視化觀察等特點，實現(xiàn)了流體在地層—井筒—井口一體化分析的目標。

(2)在實驗裝置中，當節(jié)流閥入口壓力保持恒定，節(jié)流閥開度與出口壓力呈正相關(guān)關(guān)系；節(jié)流閥開度下降到20%的時候，井口壓力出現(xiàn)明顯上升變化。排量越大，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度時就能夠明顯改變井口壓力。將氣侵數(shù)據(jù)與理論模型進行對比，計算精度為94.3%，具有較高的準確率。

(3)實驗裝置通過改變節(jié)流閥的開度模擬井底壓力對漏失量的影響，當漏失量越大，井底達到平衡時，井底壓力下降值越大；漏失量在總排量中占比越小，對壓力的影響就越小，漏失也越容易通過調(diào)整節(jié)流閥得到控制，與實際施工情況相符。