基于井筒-地層定壓實(shí)驗(yàn)的重力置換窗口研究

陶振宇, 樊洪海*, 羅勝, 劉玉含, 鄧嵩, 葉宇光

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院, 北京 102249; 2.中國(guó)石油華北油田巴彥勘探開(kāi)發(fā)分公司, 巴彥淖爾 015000;3.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司, 北京 102206; 4.常州大學(xué)石油工程學(xué)院, 常州 213164)

近幾年中國(guó)石油工程逐漸向深井、超深井、特深井等深層區(qū)域發(fā)展,在這些深層區(qū)域中,由于地層壓力大,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,裂縫、溶洞等發(fā)育較多,導(dǎo)致溢流、井涌、井漏等事故頻發(fā),嚴(yán)重影響了鉆井的進(jìn)展[1-3]。溢流根據(jù)發(fā)生原因通常分為負(fù)壓差溢流、重力置換溢流、對(duì)流溢流、擴(kuò)散溢流以及巖屑附著溢流。地層重力置換是指在裂縫性地層中,地層與井筒壓力近平衡的情況下,由于密度差異,鉆井液與地層流體發(fā)生置換,地層流體進(jìn)入井筒,鉆井液進(jìn)入地層,溢流和漏失同時(shí)發(fā)生[4-6]。國(guó)內(nèi)地層重力置換發(fā)生的典型區(qū)域塔中地區(qū)位于新疆塔里木盆地,是中石化重要的油氣接替區(qū),該地區(qū)屬于碳酸鹽巖斷溶體油氣藏,擁有優(yōu)越的油氣成藏條件。其地層多發(fā)育裂縫-溶洞,形成縫洞型儲(chǔ)層,多存在地層重力置換引起的溢漏同存現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了該地區(qū)的油氣勘探開(kāi)發(fā)。如果處理不當(dāng)可能會(huì)加重溢流事故,導(dǎo)致鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大,造成巨大災(zāi)難。2003年羅家16井,鉆遇裂縫-孔隙地層,井底發(fā)生重力置換溢流,由于當(dāng)時(shí)對(duì)重力置換機(jī)理認(rèn)識(shí)不清,采取了不恰當(dāng)?shù)奶幚硎侄?造成了重大的井噴事故[7]。所以需要對(duì)重力置換機(jī)理進(jìn)行研究,掌握規(guī)律,了解重力置換發(fā)生的條件,分析地層重力置換窗口,判斷井下是否發(fā)生重力置換,采取相應(yīng)的控制方法,抑制重力置換的危害[8-12]。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地層重力置換做了大量研究。舒剛[4]基于氣液兩相流建立了氣-液重力置換溢漏同存模型;張興全等[13]根據(jù)氣液兩相流理論建立了井筒氣侵計(jì)算模型;楊順輝[14]研制了液液可視化重力置換模擬裝置;唐文泉等[15]基于實(shí)驗(yàn)研究了瀝青與鉆井液置換的規(guī)律,并提出了相應(yīng)的解決方法;趙向陽(yáng)等[16]研究了瀝青稠油與鉆井液重力置換的規(guī)律,并提出了針對(duì)性的解決手段;侯緒田等[17]基于真實(shí)裂縫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行液液重力置換實(shí)驗(yàn)研究;李軍等[18]通過(guò)碳酸鹽巖裂縫性地層氣液重力置換實(shí)驗(yàn),分析了氣液重力置換的影響因素;戴成[6]通過(guò)簡(jiǎn)單的地層重力置換實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算得到了地層重力置換簡(jiǎn)化模型;楊順輝等[19]基于真實(shí)裂縫研制了井筒-地層耦合流動(dòng)裝置,可以模擬流體在裂縫中流動(dòng)狀態(tài);路保平等[20]建立地層瀝青與井筒鉆井液置換性雙向流動(dòng)的機(jī)制模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析瀝青與鉆井液置換機(jī)理;Xiao等[21-22]建立了氣液和液液重力置換數(shù)學(xué)模型,通過(guò)重力置換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性;王存新等[23]建立了重力置換數(shù)學(xué)模型,形成了重力置換漏噴函數(shù)。目前,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備承壓能力低,壓力不足會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差;井筒裂縫連接由幾根管子組成,對(duì)流動(dòng)有一定影響;流量及壓力的測(cè)量不夠精準(zhǔn),不能同時(shí)完成氣-液與液-液置換實(shí)驗(yàn);不能自動(dòng)控制及采集實(shí)驗(yàn)參數(shù),還需改進(jìn),且現(xiàn)有的研究并未對(duì)地層重力置換窗口進(jìn)行理論分析及定量計(jì)算。

綜上所述,在前人研究的基礎(chǔ)上,本課題組研制了一種井筒-地層重力置換裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置與前人相比,承壓能力強(qiáng),更容易保持定壓工況,減小了壓力不足的誤差,數(shù)據(jù)測(cè)量更加精準(zhǔn);采用自主設(shè)計(jì)的一體式連通閥減小了連接管道對(duì)流動(dòng)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際;增加了自動(dòng)加溫裝置以及自主開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng),可以模擬多種工況下重力置換流動(dòng)實(shí)驗(yàn)?；谠撗b置,現(xiàn)開(kāi)展氣液、液液定壓重力置換實(shí)驗(yàn),通過(guò)可視化窗口觀察地層重力置換現(xiàn)象,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析地層重力置換發(fā)生條件,定量計(jì)算重力置換窗口,以滿足工程精度需求,為現(xiàn)場(chǎng)控制重力置換的發(fā)生及抑制重力置換的危害提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

井筒-地層重力置換實(shí)驗(yàn)裝置由地層模擬部分、井筒模擬部分、裂縫模擬部分、壓力傳感器、壓差傳感器、流量表,實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)、水箱,加溫裝置以及一些配件組成,通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)可以自動(dòng)控制各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù),采集不同的數(shù)據(jù),裝置如圖1所示。

F11、F21和F31為氣體流量計(jì);F12、F22為液體流量計(jì);P為壓力傳感器;PT1～PT8為壓力傳感器;dP為壓差傳感器;DP1為壓差傳感器的編號(hào)

該裝置井筒部分設(shè)有一根不銹鋼圓管,用來(lái)模擬鉆桿,實(shí)驗(yàn)時(shí)由螺桿泵向鉆桿內(nèi)注入鉆井液,鉆井液經(jīng)鉆桿后由環(huán)空循環(huán)出井。為了保證井筒和裂縫部分能承受足夠的壓力,裝置整體除裂縫部分由加厚有機(jī)玻璃組成,其余均是由不銹鋼組成。井筒左側(cè)是氣液分離器、液液分離器和水箱,便于在氣液重力置換實(shí)驗(yàn)時(shí)分離氣液、循環(huán)流體,在液液重力置換實(shí)驗(yàn)時(shí)儲(chǔ)存液體、循環(huán)流體。裝置中間為裂縫部分,由加厚有機(jī)玻璃制作,配有板筋外殼,加強(qiáng)承壓。裂縫左側(cè)裝有自主設(shè)計(jì)的一體式連接閥,可以循環(huán)流體,模擬鉆井液進(jìn)入裂縫的流動(dòng)狀態(tài)。在裂縫的上下部分裝有壓力表、壓力傳感器以及壓差傳感器,便于直接測(cè)量出流動(dòng)過(guò)程中的壓力數(shù)據(jù),與理論分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。裝置右側(cè)為地層模擬部分,由一根不銹鋼金屬管柱構(gòu)成,上下裝有壓力表以及壓力傳感器,右側(cè)配有空壓機(jī)以及螺桿泵傳輸氣體和液體。裝置的入口及出口均配有對(duì)應(yīng)的流量計(jì),通過(guò)自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)可以直接控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化,自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]。

該實(shí)驗(yàn)裝置高2.4 m,模擬裂縫的高度為60 cm,長(zhǎng)度為80 cm,裂縫寬度可以在1～10 mm調(diào)整,裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬定容(鉆遇一定體積的裂縫或溶洞)和定壓(鉆遇無(wú)限大地層中的裂縫)工況下重力置換的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)設(shè)置不同的入口壓力分別向模擬井筒及地層泵入密度不同的流體,打開(kāi)連通閥后,由于密度差異的原因,兩種流體在裂縫中發(fā)生重力置換,導(dǎo)致裂縫中出現(xiàn)“溢漏同存”的現(xiàn)象。

圖2 井筒-地層重力置換裝置設(shè)計(jì)圖Fig.2 Gravity displacement device design drawing

圖3 地層重力置換實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)Fig.3 Experimental operating system

圖4 地層重力置換可視化窗口Fig.4 Gravity displacement visualization window

與前人相比,該實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)如下。

(1)承壓能力強(qiáng),整體最大可承壓為2 MPa,便于保持長(zhǎng)時(shí)間定壓,減小實(shí)驗(yàn)誤差。

(2)安裝多個(gè)壓力傳感器、壓差傳感器以及氣液流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,降低壓力測(cè)量誤差。

(3)井筒與裂縫連接部分采用自主設(shè)計(jì)的一體式連通閥,如圖5所示。該連通閥縮短了井筒與裂縫的連接部分,可以實(shí)現(xiàn)一體式開(kāi)關(guān)裂縫。與前人使用管道連接相比,更貼近井下實(shí)際情況,大大降低了管道對(duì)連接處流動(dòng)的影響,減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程的誤差。

圖5 自主研制的一體式連通閥Fig.5 Independent-developed integrated connected valve

(4)使用自主開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng),使用方便,可以直接控制各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù),自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),減少實(shí)驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)采集的誤差,如圖3所示。

(5)該裝置配有自動(dòng)加溫裝置,可以模擬不同溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探究溫度對(duì)重力置換的影響。

(6)通過(guò)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)的改造,可以清楚地觀察氣-液和液-液重力置換的現(xiàn)象,定量測(cè)量重力置換過(guò)程中壓力、壓差以及流量,為后續(xù)研究提供實(shí)驗(yàn)參數(shù),可視化裂縫部分如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 地層重力置換機(jī)理分析

地層重力置換模型如圖6所示,發(fā)生重力置換需滿足幾個(gè)條件,裂縫連通性較好,鉆井液和地層流體可以在裂縫中流動(dòng),井筒壓力需略大于地層壓力,使鉆井液進(jìn)入裂縫,之后由于密度差的原因在裂縫中發(fā)生置換,使地層流體進(jìn)入井筒[4-6]。

P1為裂縫左上端壓力,MPa;P2為裂縫左下端壓力,MPa;P3為裂縫右上端壓力,MPa;P4為裂縫右下端壓力,MPa;h為裂縫高度,m

P2=P1+ρlgh

(1)

P4=P3+ρggh

(2)

ΔP=P1-P2

(3)

式中:ρl為鉆井液密度,g/cm3;ρg為地層流體密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2;ΔP為裂縫兩端壓差,MPa。

假設(shè)氣液界面張力為Pz,流體在裂縫中的流動(dòng)阻力為Pr,當(dāng)只發(fā)生漏失時(shí),鉆井液進(jìn)入裂縫,地層流體不進(jìn)入井筒,所以裂縫兩端應(yīng)存在正壓差,即P1>P2+Pz+Pr,P3>P4+Pz+Pr,由式(1)～式(3)得,ΔP>Pz+Pr,此為重力置換窗口的上臨界點(diǎn)。

同理,只發(fā)生溢流時(shí),ΔP<-Δρgh-Pz-Pr,此為重力置換窗口的下臨界點(diǎn)。

則重力置換窗口為

-Δρgh-Pr-Pz<ΔP

(4)

綜上,重力置換窗口與流動(dòng)阻力、氣液張力、流體密度、裂縫高度有關(guān)。由于裂縫的流動(dòng)阻力和氣液張力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算,且相比于密度差引起的力影響較小,所以地層重力置換窗口主要與密度差和裂縫高度有關(guān)。在同一裂縫內(nèi),流動(dòng)阻力、氣液張力和裂縫高度可視為常數(shù),所以地層重力置換窗口的大小主要與流體密度差有關(guān)。為了分析地層重力置換發(fā)生的窗口區(qū)間,定量計(jì)算重力置換窗口,驗(yàn)證理論分析的正確性,本文研究設(shè)計(jì)了氣液、液液定壓置換實(shí)驗(yàn)。改變裂縫兩端壓力,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,采集壓力數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)方案如下。

2.2 氣液定壓置換實(shí)驗(yàn)方案

氣液實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù):裂縫寬度3 mm,裂縫高度60 cm,溫度為室溫,使用不同濃度的氯化鈣溶液模擬不同密度的鉆井液,使用空氣模擬地層流體。

實(shí)驗(yàn)基本操作流程:①開(kāi)啟螺桿泵1,使流體充滿井筒并循環(huán)一段時(shí)間,觀察流量計(jì),使井筒流量趨于穩(wěn)定;②調(diào)整節(jié)流閥和螺桿泵1使得井筒壓力達(dá)到設(shè)定數(shù)值;③開(kāi)啟空壓機(jī),準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的壓縮氣體(空氣),讓氣體在壓力的作用下從地層流入裂縫,調(diào)整節(jié)流閥和空壓機(jī)使得地層壓力達(dá)到設(shè)定數(shù)值;④打開(kāi)連通閥,模擬定壓工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)流程:①調(diào)節(jié)井筒壓力為0.2 MPa,調(diào)節(jié)地層壓力為0.1 MPa,觀察現(xiàn)象,記錄液面;②繼續(xù)調(diào)整空壓機(jī)增大注入壓力,使得地層壓力緩慢增加,直到觀察到地層流體開(kāi)始進(jìn)入井筒,此時(shí)為上臨界點(diǎn),記錄此時(shí)的壓力數(shù)據(jù);③調(diào)節(jié)井筒壓力達(dá)到0.1 MPa,調(diào)節(jié)地層壓力達(dá)到0.2 MPa,觀察現(xiàn)象,記錄液面;④繼續(xù)調(diào)整節(jié)流閥和螺桿泵1增大井筒壓力,直到觀察到鉆井液恰好不進(jìn)入地層,此時(shí)為下臨界點(diǎn),記錄此時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。

氣液臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)共設(shè)置13組不同的鉆井液密度,每組均進(jìn)行臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn),改變鉆井液的密度區(qū)間為0.998～1.3 g/cm3,每組重復(fù)3次,如表1所示。

表1 氣液實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Gas-liquid experiment parameter

2.3 液液定壓置換實(shí)驗(yàn)方案

液液實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù):裂縫寬度3 mm,裂縫高度60 cm,溫度為室溫,鉆井液使用氯化鈣溶液模擬,密度區(qū)間為0.998～1.3 g/cm3,地層流體使用柴油模擬,密度約為0.78 g/cm3,為了突出界面效果,用油溶性染料將地層流體染色。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程:①開(kāi)啟螺桿泵1,使流體充滿模擬井筒并循環(huán)一段時(shí)間,觀察流量計(jì),使井筒流量趨于穩(wěn)定,調(diào)整節(jié)流閥和螺桿泵1使得井筒壓力達(dá)到設(shè)定數(shù)值;②開(kāi)啟螺桿泵2,使地層流體在壓力的作用下從地層流入裂縫,調(diào)整節(jié)流閥和螺桿泵2使得地層壓力達(dá)到設(shè)定數(shù)值;③打開(kāi)連通閥,模擬定壓工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)流程與氣液類似,在此就不贅述了。液液臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)共設(shè)置9組不同的密度差,通過(guò)加入不同劑量的氯化鈣改變鉆井液密度,每組均進(jìn)行臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次,如表2所示。

表2 液液實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Liquid-liquid experiment parameter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地層重力置換實(shí)驗(yàn)臨界點(diǎn)判別方法

3.1.1 溢流-重力置換臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

(1)氣液實(shí)驗(yàn):當(dāng)井筒壓力Pw為0.1 MPa,地層壓力Pp為0.2 MPa,ΔP=Pw-Pp=-0.1 MPa,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7(a)所示。觀察此時(shí)氣液分界面,地層流體通過(guò)裂縫左上方進(jìn)入井筒,而鉆井液只進(jìn)入裂縫,并未進(jìn)入右側(cè)地層,此時(shí)表現(xiàn)為純溢流現(xiàn)象。

圖7 純溢流現(xiàn)象Fig.7 Overflow phenomenon

(2)液液實(shí)驗(yàn):當(dāng)井筒壓力Pw為0.2 MPa,地層壓力Pp為0.4 MPa,ΔP=Pw-Pp=-0.2 MPa,通過(guò)圖7(b)可以看到此時(shí)為純溢流現(xiàn)象,與圖7(a)類似。

增大井筒壓力,直到鉆井液開(kāi)始進(jìn)入地層,如圖8所示。觀察液面分界線,此時(shí)鉆井液恰好開(kāi)始從裂縫右下部分進(jìn)入地層,完成純溢流到地層重力置換(溢漏同存)的轉(zhuǎn)換,此時(shí)即為溢流-重力置換臨界點(diǎn),記錄此時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。

圖8 溢流-重力置換臨界現(xiàn)象Fig.8 Overflow-gravity displacement critical phenomenon

繼續(xù)增大井筒壓力,液面分界線上移如圖9所示,地層流體進(jìn)入井筒,鉆井液進(jìn)入地層,即發(fā)生地層重力置換。

圖9 地層重力置換現(xiàn)象Fig.9 The phenomenon of formation gravity displacement

3.1.2 漏失-重力置換臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

(1)氣液實(shí)驗(yàn):當(dāng)井筒壓力Pw=0.4 MPa,地層壓力Pp=0.2 MPa時(shí),ΔP=Pw-Pp=0.2 MPa,如圖10(a)所示。觀察氣液分界面,此時(shí)鉆井液由裂縫下端進(jìn)入地層,地層流體只進(jìn)入裂縫,并未進(jìn)入井筒,此時(shí)表現(xiàn)為純漏失現(xiàn)象。

(2)液液實(shí)驗(yàn):當(dāng)井筒壓力Pw=0.4 MPa,地層壓力Pp=0.2 MPa時(shí),ΔP=Pw-Pp=0.2 MPa,如圖10(b)所示,與氣液類似,可知此時(shí)為純漏失現(xiàn)象。

增大地層壓力,直到地層流體開(kāi)始進(jìn)入井筒,如圖11所示,此時(shí)發(fā)生純漏失到地層重力置換的轉(zhuǎn)變。地層流體恰好開(kāi)始通過(guò)裂縫進(jìn)入井筒,此時(shí)即為漏失-重力置換臨界點(diǎn),記錄此時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。

圖11 漏失-重力置換臨界現(xiàn)象Fig.11 Leakage-gravity displacement critical phenomenon

至此,氣液與液液重力置換窗口的臨界點(diǎn)均已找到,每組實(shí)驗(yàn)按實(shí)驗(yàn)方案重復(fù)3次,消除實(shí)驗(yàn)誤差的影響,記錄臨界點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

重力置換臨界點(diǎn)壓力與溢漏關(guān)系如圖12所示。當(dāng)井底壓差處于重力置換窗口內(nèi),發(fā)生溢漏同存,井底壓差大于漏失臨界點(diǎn)壓力時(shí),井筒發(fā)生漏失,井底壓差小于溢流臨界點(diǎn)壓力時(shí),井筒發(fā)生溢流。

圖12 重力置換窗口示意圖Fig.12 Schematic diagram of the gravity displacement window

氣液實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出在井筒-地層定壓實(shí)驗(yàn)中,改變井筒-地層壓力,裂縫中會(huì)出現(xiàn)溢流-地層重力置換-漏失的變化。

圖13 氣液臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Gas-liquid critical point experiment result

因此,基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了氣液重力置換臨界點(diǎn)壓力與井筒-地層流體密度差之間的兩條關(guān)系曲線。式(5)為溢流-重力置換臨界點(diǎn)壓力變化關(guān)系曲線,式(6)為漏失-重力置換臨界點(diǎn)壓力變化曲線。

PO-G=5.982 3Δρ-154.21

(5)

PL-G=-0.005 3Δρ+17.293

(6)

式中:PO-G為溢流-重力置換臨界點(diǎn)壓力,Pa;PL-G為漏失-重力置換臨界點(diǎn)壓力,Pa;Δρ為井筒-地層流體密度差,kg/m3。

液液實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 液液臨界點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Liquid-liquid critical point experiment result

式(7)為溢流-重力置換臨界點(diǎn)壓力變化關(guān)系曲線,式(8)為漏失-重力置換臨界點(diǎn)壓力變化曲線。

PO-G=5.694 3Δρ-16.291

(7)

PL-G=0.000 6Δρ+15.109

(8)

式中:PO-G為溢流-重力置換臨界點(diǎn)壓力,Pa;PL-G為漏失-重力置換臨界點(diǎn)壓力,Pa;Δρ為井筒-地層流體密度差,kg/m3。

當(dāng)鉆井液密度為0.998 g/cm3時(shí),氣液重力置換的窗口為-5 800～10.6 Pa,液液地層重力置換的窗口為-1 192～16.6 Pa。觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看到溢流-重力置換臨界點(diǎn)壓力與流體密度差基本呈正比關(guān)系,隨流體密度差增大,漏失-重力置換臨界點(diǎn)壓力基本保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本相符,氣液與液液擬合曲線不同主要是由于氣體與液體界面張力以及流動(dòng)阻力不同。在圖13和圖14中繪制擬合曲線10%誤差線,可以看到實(shí)測(cè)值基本在誤差線之內(nèi),滿足工程精度需要,擬合曲線可以反映重力置換臨界點(diǎn)壓力與流體密度差的關(guān)系。

在該實(shí)驗(yàn)裝置條件下,井筒壓力與地層壓力為2 MPa以下,地層重力置換窗口為數(shù)千帕。但實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)井底壓力與地層壓力約為幾十兆帕,且在鉆遇多層大量裂縫地帶時(shí),裂縫有效高度可能高達(dá)幾十米,地層重力置換窗口也隨之增長(zhǎng)幾十倍,所以在控壓鉆井時(shí)必須考慮地層重力置換窗口的影響,本文的擬合公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井具有指導(dǎo)意義。

井下發(fā)生重力置換時(shí),短時(shí)難以通過(guò)環(huán)空返出判斷,所以準(zhǔn)確計(jì)算地層重力置換窗口可以在鉆遇縫洞型地層時(shí),判斷井下溢流和漏失的情況,及時(shí)進(jìn)行對(duì)溢流、漏失事故的預(yù)處理,避免重力置換帶來(lái)的危害。當(dāng)判斷井下為重力置換式溢漏同存時(shí),可以考慮采用堵漏壓井的方法處理,也可以控制井底壓力維持純溢流,進(jìn)行欠平衡鉆井技術(shù),由于流動(dòng)阻力對(duì)重力置換有一定的影響,所以通過(guò)提高鉆井液黏度,增加裂縫的流動(dòng)阻力也是一種可以采用的解決方法。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析可以看出,鉆遇碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層時(shí),重力置換的發(fā)生難以避免。此時(shí)可以考慮通過(guò)精細(xì)控壓鉆井控制井底壓力,抑制地層重力置換,避免地層重力置換帶來(lái)的危害;也可以在鉆井作業(yè)前,通過(guò)鉆井工程設(shè)計(jì)盡量避免鉆遇縫洞型地層,或是通過(guò)一些堵漏材料將裂縫封死,從而避免重力置換的危害[18]。

4 結(jié)論

(1)研制了一種井筒-地層重力置換裝置,可承壓高;使用自主開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng),可以直接控制各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù),自動(dòng)采集壓力、流量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);使用自主設(shè)計(jì)的一體式連通閥,降低連通管道對(duì)流動(dòng)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

(2)通過(guò)地層重力置換實(shí)驗(yàn)及理論分析得到,在該實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)鉆井液密度為0.998 g/cm3時(shí),氣液重力置換窗口為-5 800～10.6 Pa,液液地層重力置換的窗口為-1 192～16.6 Pa?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井底與地層壓力大,鉆遇多層大量裂縫帶時(shí),重力置換窗口隨之增長(zhǎng)幾十倍,所以在控壓鉆井時(shí)需要考慮重力置換窗口的影響。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析回歸了重力置換臨界點(diǎn)壓力與井筒-地層流體密度差曲線,得到重力置換窗口的定量計(jì)算方法,實(shí)測(cè)值與擬合曲線誤差均在10%以內(nèi),擬合公式基本可以反映重力置換臨界點(diǎn)壓力與流體密度差之間的關(guān)系。

(4)基于重力置換窗口實(shí)驗(yàn)研究,提出了對(duì)應(yīng)的解決方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析得到的地層重力置換窗口可以為現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井抑制重力置換式溢流的發(fā)生及避免地層重力置換帶來(lái)的危害提供指導(dǎo),也可以為后續(xù)的科研提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)。