多氣壓系統(tǒng)規(guī)律研究

1、多氣壓系統(tǒng)規(guī)律研究多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存是指同一裸眼井段存在多個壓力系統(tǒng)，氣層壓力變化不規(guī)則，高低壓層交替，受井身結(jié)構(gòu)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(jīng)常發(fā)生漏失與溢流共存的井下復(fù)雜情況。鉆遇 多壓力系統(tǒng)氣層，壓力平衡極難調(diào)整，溢漏同存等惡性事故頻發(fā)，嚴重影響鉆井周 期，制約勘探開發(fā)速度。研究多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律，以有效解決漏失與溢 流共存的復(fù)雜問題，對優(yōu)質(zhì)高效鉆井和現(xiàn)場溢漏同存的處理技術(shù)具有重要的指導(dǎo) 意義。1多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存現(xiàn)狀我國鄂西渝東及川東北探區(qū)、渤海遼東 灣探區(qū)、塔河油田奧陶系地層等存在較多多壓力層系的井，這些區(qū)域構(gòu)造陡、地層破碎、斷層

2、多、裂縫和孔洞發(fā)育，同一長裸眼井段上、下地層壓力系數(shù)相差懸 殊,多套壓力系統(tǒng)共存，常規(guī)鉆井方式鉆進極易發(fā)生溢漏同存的復(fù)雜情況2-3 0典型事例川東地區(qū)碳酸鹽巖地層壓力系數(shù)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(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，在川東已鉆過的構(gòu) 造中漏噴同存的發(fā)生率為30流右。受漏失與溢流困擾較為典型的華西2井,鉆至井深1569m發(fā)生井漏,經(jīng)邊鉆進邊堵漏,用密度/cm3鉆井液鉆至2352m發(fā)生溢 流,處理過程中漏失鉆井液1663m3溢流 40m3云安4-1井用密度為/cm3鉆井液 鉆至43m發(fā)生

3、氣侵,循環(huán)加重至/cm3發(fā)生井漏,漏速25m3/h,井內(nèi)H2S含量較高使 得井內(nèi)鉆具斷成多節(jié)，處理長達半年多。研究現(xiàn)狀多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存處理難度、風(fēng)險大 ，工藝技術(shù)復(fù)雜，稍 有不慎就會引發(fā)破壞性甚至災(zāi)難性的事故，所以預(yù)防和處理溢漏同存的堵漏壓井 技術(shù)成為多年來主攻的技術(shù)難點之一。目前國內(nèi)外對溢漏同存的堵漏壓井處理工 藝技術(shù)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(chǔ)理論研究很少4-5。本文建立了多壓力系統(tǒng)溢漏同存發(fā)生時 井筒環(huán)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(huán)空壓力以 及氣液流型與井深的關(guān)系，對現(xiàn)場漏噴同存處理技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意

4、義。2多壓力系統(tǒng)溢漏同存模型物理模型鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層時，由于同一裸眼井段存在多個壓力系統(tǒng)， 氣層壓力變化不規(guī)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(fā)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(dǎo)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,p為井筒環(huán)空壓力）, 井筒環(huán)空由單相液體流動變?yōu)闅庖簝上嗔鲃?，地層氣和鉆井液沿環(huán)空向上流動過 程中，由于壓力、溫度等參數(shù)的變化，氣液兩相流動的形態(tài)將發(fā)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

5、氣體體積急劇膨脹，一旦 關(guān)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(fā)生轉(zhuǎn)換。由于氣井的漏失和溢流發(fā)生迅速且易燃 易爆,所以給壓井堵漏作業(yè)帶來了直接困難。溢漏模型當(dāng)?shù)貙颖旧泶嬖阢@井液流動的通道，或者由于井筒內(nèi)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(zhì)不隨井下壓力變化，漏失方程為式中：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(shù),與壓差無關(guān)；ql為漏失速 率,m3/s;n為漏失指數(shù)。

6、當(dāng)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(dāng)井底有效壓力大于或等于地層流體壓力時，井內(nèi)流體進入地層會將可擴散的氣體從地層中置換出來。式中:qsc為標準狀況下的產(chǎn)氣量,m3/d;K為地層滲透率,10-3卩m2;h為產(chǎn)層厚度,m;pf為地層壓力，MPa;ph為井 筒環(huán)空壓力，MPa;T為地層溫度，K;卩為平均氣體黏度，mPa?s;Z為平均氣體偏差 系數(shù);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。井筒環(huán)空氣液流動控制方程假設(shè)液相密度為常數(shù)，忽略地層氣體在鉆井 液中的溶解，且兩相間無化學(xué)反應(yīng)；環(huán)空內(nèi)在同一位置處氣液兩相溫度相同，無熱 量交換,

7、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(xù)方 程、液相連續(xù)方程及氣液混合運動方程，它們分別為f式中：P g, P l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; a為空 隙率;（墜p/墜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(lǐng)域的重要內(nèi)容，流型判別的意義在于根據(jù)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(jù)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(zhuǎn)換界限;Hasan等人在Taitel和Dukler的 研究基礎(chǔ)上，對各流型的判別

8、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; c為表面張力,N/m。3模型求解與實例計算井筒環(huán)空氣液兩相流動控制方程是由偏微分方程 組成的數(shù)學(xué)模型，包含與壓力相關(guān)的流體物性、運動參數(shù)和無因次變量，而求解壓 力又需要這些相關(guān)參數(shù)，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(nèi)離散，時間按有限差分離散，空間沿環(huán)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(nèi)計算求解 11-12。川東地區(qū)碳酸鹽巖地層壓力系數(shù)為 ,漏噴同存的情況時有發(fā)生。本文 模擬同一裸眼中存在一個溢流層

9、和漏失層在不同工況下的下漏上噴規(guī)律。假設(shè)溢流層地層壓力系數(shù)為，漏失層地層壓力系數(shù)分別以,計算,其他基本參數(shù)如下： 漏失氣層井深4996m,溢流氣層井深4453m鉆井液黏度20mPa?s鉆井液密度/cm3, 井口壓力，鉆井液排量18L/S,井口無節(jié)流，四開鉆具組合為準鉆頭+準 120m材( ° )高溫螺桿+回壓閥+準89mn無磁抗壓鉆桿+MWD高溫)+準89mn鉆桿 (18 ° ) X 500m準 89mm加重鉆桿X 500m準 89mm鉆桿X 600m配合接頭+準鉆桿 (18 ° ) X若干+準127mn鉆桿X 400m由圖2可知，漏失與溢流同時發(fā)生時的井筒 環(huán)空

10、壓力，低于僅有漏失或僅有溢流發(fā)生時的環(huán)空壓力。因為下部地層的漏失使 得井內(nèi)環(huán)空中鉆井液流量下降，且溢流的地層氣體不斷將井筒環(huán)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(nèi)更為活躍， 漏失也更加厲害。隨著漏失層地層壓力系數(shù)的降低 ，漏噴同存時的井筒環(huán)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(dāng)漏失層壓力系數(shù)為時,幾乎接近失返性漏失的臨界狀態(tài)，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(jīng)無法

11、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(dāng)棘手。表 1說明了漏失與溢流同時發(fā)生和 僅有溢流發(fā)生時，環(huán)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(dāng)氣液混合物繼續(xù)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?yōu)榄h(huán)狀流；漏失與溢流同時發(fā)生時，漏失使得井筒環(huán)空鉆井液 液柱壓力降低，氣體溢流量和能量較僅有溢流發(fā)生時大 ，氣液兩相流型在較深井 段便發(fā)生轉(zhuǎn)化。值得說明的是，井口環(huán)狀流

12、的攜巖效果較差，實際鉆井過程中可通 過適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)(增加回壓等)避免出現(xiàn)環(huán)狀流。隨著漏失層壓力系數(shù)的降低， 鉆井液不斷向地層漏失，造成環(huán)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(huán)狀流的范圍增加，尤其當(dāng)漏失 層壓力系數(shù)為時，漏失與溢流同時發(fā)生時泡狀流的井段只有546m,且不存在段塞流,環(huán)狀流和攪動流的井段卻長達 4450m這與僅有溢流發(fā)生時氣液兩相流態(tài)分 布的區(qū)別很大，因為此時井筒環(huán)空中地層溢流氣體流量較高，氣體逐漸成為連續(xù)相不斷攜帶液體向上運動。4結(jié)論1）鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層，壓力平衡極難調(diào)整，溢漏同存等惡性事故頻發(fā)。 建立的模型可計算多壓力系統(tǒng)氣層溢