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(zhì)及開發(fā)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(shù)研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)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(zhì)及開發(fā)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(shù)研究院，北京 100101）

鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層，多個不同地層壓力系數(shù)的漏層、噴層常同存于一個裸眼中，鉆進過程極易發(fā)生溢漏同存的復雜情況。目前國內(nèi)外對多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存的研究，往往局限于現(xiàn)場堵漏壓井處理工藝技術(shù)。文中闡述了多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時的物理規(guī)律，并根據(jù)井筒環(huán)空多相流的理論建立了數(shù)學模型，系統(tǒng)總結(jié)了氣液兩相流型轉(zhuǎn)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(tǒng)氣層溢漏同存時的井筒環(huán)空壓力曲線，以及氣液兩相流型沿井深的分布。計算結(jié)果表明：溢漏同存時井筒環(huán)空壓力迅速下降，溢流態(tài)勢更加嚴重；井筒環(huán)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(jié)果對現(xiàn)場溢漏同存處理技術(shù)具有重要的指導意義。

多壓力系統(tǒng)；漏失；溢流；氣層；兩相流

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［1］。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)生溢漏同存的復雜情況［2-3］。

1.1 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%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(fā)生井漏，經(jīng)邊鉆進邊堵漏，用密度1.24 g/cm3鉆井液鉆至2 352 m，發(fā)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(fā)生氣侵，循環(huán)加重至1.45 g/ cm3發(fā)生井漏，漏速25 m3/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。

1.2 研究現(xiàn)狀

多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存處理難度、風險大，工藝技術(shù)復雜，稍有不慎就會引發(fā)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(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)具有重要的指導意義。

2 多壓力系統(tǒng)溢漏同存模型

2.1 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(huán)空壓力），井筒環(huán)空由單相液體流動變?yōu)闅庖簝上嗔鲃樱貙託夂豌@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。

圖1 多壓力系統(tǒng)溢漏同存物理模型

2.2 溢漏模型

當?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：△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(shù)，與壓差無關(guān)；ql為漏失速率，m3/s；n為漏失指數(shù)。

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(nèi)流體進入地層會將可擴散的氣體從地層中置換出來。

根據(jù)氣體穩(wěn)定滲流產(chǎn)量公式得：

式中：qsc為標準狀況下的產(chǎn)氣量，m3/d；K為地層滲透率，10-3μm2；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為地層溫度為平均氣體黏度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。

2.3 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，且兩相間無化學反應；環(huán)空內(nèi)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(xù)方程、液相連續(xù)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(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(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0.90～2.29，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和漏失層在不同工況下的下漏上噴規(guī)律［3］。假設(shè)溢流層地層壓力系數(shù)為1.25，漏失層地層壓力系數(shù)分別以1.15，1.08，1.00，0.90計算，其他基本參數(shù)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(jié)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(fā)生時的井筒環(huán)空壓力，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，尤其當漏失層壓力系數(shù)為0.90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(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)狀流的攜巖效果較差，實際鉆井過程中可通過適當調(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，尤其當漏失層壓力系數(shù)為0.90時，漏失與溢流同時發(fā)生時泡狀流的井段只有546 m，且不存在段塞流，環(huán)狀流和攪動流的井段卻長達4 450 m。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。

圖2 不同工況下井筒環(huán)空壓力與井深關(guān)系曲線

表1 不同工況下不同井深的流型分布

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)氣層溢漏同存時的井筒環(huán)空壓力，判別環(huán)空氣液兩相流流型。

2）多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時，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，導致井筒環(huán)空壓力迅速降低，溢流態(tài)勢更加嚴重。

3）多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存時井筒環(huán)空的氣液兩相流動流型與僅溢流發(fā)生時變化較大；漏失層壓力系數(shù)越低，環(huán)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(huán)狀流占據(jù)的井段越長。

［1］張蔚，廖禮.氣井噴漏同存堵漏壓井技術(shù)的探討［J］.新疆石油天然氣，2009，5（4）：85-87. Zhang Wei，Liao Li.The discussion about technology of plugging and pressing well as coexistence of blow out and leaking［J］.Xinjiang Oil& Gas，2009，5（4）：85-87.

［2］胥永杰.高陡復雜構(gòu)造地應力提取方法與井漏機理研究［D］.成都：西南石油學院，2005. Xu Yongjie.Study on the formation stress calculation method and well leak mechanism for aloft-steep and complex structure［D］.Chengdu：Southwest Petroleum Institute，2005.

［3］張敬榮.噴漏共存的堵漏壓井技術(shù)［J］.鉆采工藝，2008，31（5）：30-33. Zhang Jingrong.Well killing technology for wells with blowout and lost circulation coexisting［J］.Drilling&Production Technology，2008，31（5）：30-33.

［4］黎永.鉆井中漏涌伴生復雜情況的處理探討［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（4）：66-67. Li Yong.A treatment of complex situations of well kick accompanied with lost circulation in drilling operations［J］.Petroleum Drilling Techniques，2005，33（4）：66-67.

［5］舒剛，孟英峰，李皋，等.重力置換式漏噴同存機理研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（1）：6-11. Shu Gang，Meng Yingfeng，Li Gao，et al.Mechanism of mud loss and well kick due to gravity displacement［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（1）：6-11.

［6］李相方，剛濤，隋秀香，等.欠平衡鉆井期間地層流體流入規(guī)律研究［J］.石油學報，2002，23（2）：48-52. Li Xiangfang，Gang Tao，Sui Xiuxiang，et al.The research of feature formation fluid influx during under balanced drilling［J］.Acta Petrolei Sinica，2002，23（2）：48-52.

［7］趙向陽，孟英峰，李皋，等.充氣空壓鉆井氣液兩相流流型研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：6-10. Zhao Xiangyang，Meng Yingfeng，Li Gao，et al.Research on aerated MPD gas and liquid two phase flow pattern［J］.Oil Drilling& Production Technology，2010，32（2）：6-10.

［8］Taitel Y，Barnea D，Duckler A E.Modeling flow pattern transitions for steady state upward gas-liquid flow in vertical tubes［J］.AIChE Journal，1980，26（3）：345-354.

［9］Lage Antonio C V M，Time Rune W.Mechanistic model for upward two-phase flow in annuli［A］.SPE 63127，2000.

［10］Hasan A Rashid，Kabir C Shah.A study of multiphase flow behavior in vertical wells［J］.SPE Production Engineering，1988，3（2）：263-272.

［11］宋榮榮，孫寶江，劉曉蘭，等.井筒氣侵后井底壓力變化的計算分析［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：486-488. Song Rongrong，Sun Baojiang，Liu Xiaolan，et al.Calculation and analysis of bottomhole pressure in wellbore after gas invasion［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（4）：486-488.

［12］付在國，孫應紅，李勇.充氣鉆井井筒壓力分布規(guī)律研究［J］.斷塊油氣田，2008，15（1）：90-92．Fu Zaiguo，Sun Yinghong，Li Yong．Study on wellbore pressure distribution rule in aeration drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2008，15（1）：90-92．

（編輯 趙衛(wèi)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(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目“深井復雜地層鉆井壓力系統(tǒng)模型與規(guī)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(guān)鍵技術(shù)”（2008ZX05022-005）聯(lián)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(yè)于西南石油大學石油工程專業(yè)，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(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)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.