碳酸鹽巖裂縫—孔隙性地層鉆井液漏失模型

許闿麟

(長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

?

碳酸鹽巖裂縫—孔隙性地層鉆井液漏失模型

許闿麟

(長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

針對(duì)碳酸鹽巖地層鉆井作業(yè)時(shí)的鉆井液漏失問題，基于雙重介質(zhì)理論，建立了適用于裂縫—孔隙性地層的二維鉆井液漏失模型?；谠撃Ｐ?，分析了裂縫開度、裂縫法向剛度、基質(zhì)孔隙度和滲透率對(duì)于鉆井液漏失速率的影響。研究結(jié)果表明：裂縫開度越大，漏失速率越大；裂縫法向剛度越小，在相同壓差下裂縫的開度越大，漏失速率越大；基質(zhì)孔隙度越大，裂縫向基質(zhì)中的竄流量越大，井筒的漏失速率下降越緩慢；基質(zhì)滲透率越大，初始階段的漏失速率越大。研究結(jié)果對(duì)于降低碳酸鹽巖裂縫—孔隙性地層鉆井液漏失有理論指導(dǎo)意義。

碳酸鹽巖；裂縫—孔隙性地層；鉆井液漏失；裂縫開度；竄流量

0 引 言

鉆井液漏失是鉆井作業(yè)時(shí)最常遇到的井下事故之一，特別是在裂縫比較發(fā)育的碳酸鹽巖地層中進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)有大量鉆井液漏失到地層中，造成鉆井成本的增加并導(dǎo)致井下事故的發(fā)生[1-3]。國內(nèi)外對(duì)鉆井液漏失已經(jīng)做了很多研究[4-18]，但都是研究鉆井液在裂縫中的漏失規(guī)律，忽略了孔隙的影響。對(duì)于裂縫—孔隙性地層，由于孔隙發(fā)育，對(duì)鉆井液的漏失速率和最終漏失量會(huì)產(chǎn)生很大影響。針對(duì)冪律模式鉆井液和裂縫—孔隙性地層，建立了一個(gè)適用于裂縫—孔隙性地層的鉆井液漏失模型。利用模型重點(diǎn)分析了在裂縫—孔隙性地層中，裂縫開度、裂縫法向剛度、基質(zhì)物性、井底壓差等因素對(duì)鉆井液漏失速率的影響。

1 鉆井液漏失模型

1.1 物理模型

假設(shè)存在一個(gè)矩形油藏，井筒位于油藏中心；在油藏的中心，有水平裂縫；鉆井液只能由井筒流入裂縫，基質(zhì)只起到儲(chǔ)存的作用，不具有導(dǎo)流能力。

1.2 鉆井液漏失控制方程

由質(zhì)量守恒定律和Reynolds方程可得到裂縫中鉆井液流動(dòng)的控制方程：

(1)

(2)

式中：vf為鉆井液在裂縫中的流速，m/s；qf為裂縫向基質(zhì)中的竄流量，m3/s；wn為裂縫開度，m；wo為初始裂縫寬度，m；pf為裂縫內(nèi)壓力，MPa；po為地層初始?jí)毫?，MPa；Kn為裂縫法向剛度，MPa/m；t為時(shí)間，s。

裂縫—孔隙性地層中的鉆井液漏失方程：

(3)

(4)

式中：n′為流性指數(shù)；qm為基質(zhì)中流量，m3/s；φ為基質(zhì)孔隙度；C為巖石壓縮系數(shù)，MPa-1；pm為基質(zhì)內(nèi)的壓力，MPa。

1.3 裂縫與基質(zhì)間的竄流量

假設(shè)裂縫與基質(zhì)之間的流動(dòng)為擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，根據(jù)雙重介質(zhì)模型中裂縫與基質(zhì)間的竄流量計(jì)算公式，得到冪律流體在裂縫與基質(zhì)間的竄流量計(jì)算公式為：

(5)

(6)

(7)

式中：a為形狀因子；Km為基質(zhì)滲透率，μm2；μeff為鉆井液有效黏度，mPa·s；dz為基質(zhì)網(wǎng)格在z軸方向的長(zhǎng)度，m。

2 初始與邊界條件

初始時(shí)刻，地層壓力為pr，井筒內(nèi)壓力恒定不變，始終為pW。

油藏邊界為封閉邊界，邊界條件為：

(8)

式中：Lx為油藏x方向長(zhǎng)度，m；Ly為油藏y方向長(zhǎng)度，m。

3 網(wǎng)格劃分與模型求解

采用塊狀中心網(wǎng)格，將研究區(qū)域剖分成小塊，然后以小塊的中點(diǎn)作為計(jì)算的節(jié)點(diǎn)，具體劃分方法參考文獻(xiàn)[19]。采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行求解。為減少運(yùn)算時(shí)間，采用全隱式格式對(duì)方程組進(jìn)行差分，形成待求解的代數(shù)方程組。由于得到的方程組為非線性方程組，采用Newton-Raphson方法進(jìn)行求解。

4 鉆井液漏失規(guī)律

表1為分析鉆井液漏失時(shí)所采用的基本參數(shù)。在分析某一參數(shù)對(duì)鉆井液漏失速率的影響時(shí)，假設(shè)其他參數(shù)不變。

表1 鉆井液漏失計(jì)算基本數(shù)據(jù)

4.1 裂縫幾何參數(shù)對(duì)鉆井液漏失的影響

圖1為裂縫開度對(duì)鉆井液漏失速率的影響。由圖1可知：裂縫開度對(duì)鉆井液的漏失速率具有較大影響，表現(xiàn)為裂縫開度越大，初始漏失速率越大。這是因?yàn)樵诼┦Оl(fā)生的初期，裂縫是主要的流動(dòng)通道，鉆井液主要是在裂縫中流動(dòng)，此時(shí)，裂縫的開度越大，鉆井液的漏失速率越大。在定邊界條件下，即裂縫長(zhǎng)度為定長(zhǎng)的條件下，當(dāng)鉆井液流到邊界以后，由于井底壓力仍然大于地層壓力，鉆井液會(huì)繼續(xù)往裂縫中流動(dòng)，導(dǎo)致裂縫內(nèi)的凈壓力增大，裂縫開度變大，裂縫中可以存儲(chǔ)的壓裂液體積增大。

圖1 裂縫開度對(duì)鉆井液漏失速率的影響

圖2為裂縫法向剛度對(duì)鉆井液漏失速率的影響。由圖2可知：裂縫法向剛度越小，鉆井液漏失速率下降得越快。這是因?yàn)榱芽p法向剛度是影響裂縫開度變化的一個(gè)主要物性參數(shù)，地層中裂縫的法向剛度越大，裂縫張開單位寬度所需要的凈壓力越大。在鉆井液漏失過程中，當(dāng)鉆井液已經(jīng)充滿裂縫，而且裂縫內(nèi)凈壓力開始升高時(shí)，裂縫法向剛度是影響鉆井液漏失速率和最終漏失量的重要因素。

圖2 裂縫法向剛度對(duì)鉆井液漏失速率的影響

4.2 基質(zhì)物性對(duì)鉆井液漏失的影響

圖3為基質(zhì)孔隙度對(duì)漏失速率的影響。由圖3可知：在基質(zhì)滲透率一定的條件下，基質(zhì)的孔隙度越大，鉆井液漏失速率的下降速度越慢。在鉆井液漏失過程中，雖然裂縫是漏失的主要通道，但是裂縫儲(chǔ)存鉆井液的體積是有限的，鉆井液主要是通過裂縫壁面流入基質(zhì)中?；|(zhì)孔隙度越大，基質(zhì)壓力上升越緩慢，由裂縫向基質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的鉆井液量越大，裂縫內(nèi)的壓力增長(zhǎng)越慢，漏失速率下降越緩慢，最終的漏失量越大。

圖3 基質(zhì)孔隙度對(duì)鉆井液漏失速率的影響

圖4為基質(zhì)滲透率對(duì)漏失速率的影響。由圖4可知：基質(zhì)滲透率越大，裂縫向基質(zhì)中的漏失速率越大，裂縫中壓力增加越緩慢，前期漏失速率下降也越緩慢?；|(zhì)滲透率的大小主要對(duì)鉆井液的后期漏失速率產(chǎn)生影響。當(dāng)基質(zhì)滲透率比較大時(shí)，鉆井液會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一個(gè)相對(duì)較高的漏失速率。

通過上面的分析可知，裂縫幾何參數(shù)和基質(zhì)物性會(huì)對(duì)鉆井液的漏失速率產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生漏失事故時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆井液漏失速率隨時(shí)間的變化規(guī)律來判斷裂縫的大小。如果前期鉆井液漏失速率非?？?，但是一段時(shí)間后漏失速率下降快，說明裂縫開度很大；如果一段時(shí)間內(nèi)鉆井液漏失速率都保持一定，說明裂縫的開度不大，但是由于基質(zhì)的滲透率比較大，導(dǎo)致鉆井液持續(xù)漏失。

圖4 基質(zhì)滲透率對(duì)鉆井液漏失速率的影響

5 結(jié) 論

(1) 基于雙重介質(zhì)模型，建立了碳酸鹽巖裂縫—孔隙性地層中二維單條裂縫的冪律模式鉆井液漏失模型。并利用所建立的鉆井液漏失模型，研究了不同參數(shù)對(duì)鉆井液漏失速率的影響。

(2) 裂縫開度和裂縫法向剛度對(duì)漏失速率和最終漏失量都有很大影響。裂縫開度越大，鉆井液漏失速率越大，最終漏失量越大；裂縫法向剛度越小，裂縫開度變化越大，鉆井液漏失速率越大，最終漏失量越大。

(3) 基質(zhì)孔隙度越大，基質(zhì)內(nèi)壓力增加越緩慢，由裂縫向基質(zhì)中漏失的鉆井液越多，鉆井液的漏失速率下降越緩慢；基質(zhì)滲透率越大，由裂縫向基質(zhì)中漏失的速率越大，裂縫內(nèi)壓力增加越緩慢，前期的漏失速率越大。

(4) 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生漏失時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆井液的漏失速率曲線判斷地層特性，為堵漏進(jìn)行指導(dǎo)。

[1] LIETARD O，GUILLOT D，HODDER M.Fracture width LWD and drilling mud/LCM selection guidelines in naturally fractured reservoirs[C].SPE36832，1996：1-7.

[2] 楊乾龍，黃禹忠，劉平禮，等.碳酸鹽巖超深水平井纖維分流暫堵復(fù)合酸壓技術(shù)及其應(yīng)用[J].油氣地質(zhì)與采收率，2015，22(2)：117-121.

[3] 曹立迎，孫建芳，徐婷，等.碳酸鹽巖油藏巖石潤(rùn)濕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21(4)：89-92.

[4] MAJIDI R，MISKA S Z，YU M，et al. Quantitative analysis of mud losses in naturally fractured reservoirs：the effect of rheology[J].SPE Drilling & Completion，2010，25(4)：509-517.

[5] SHAHRI M P，MEHRABI M. A new approach in modeling of fracture ballooning in naturally fractured reservoirs[C].SPE163382，2012：1-11.

[6] 李大奇.裂縫性地層鉆井液漏失動(dòng)力學(xué)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2012.

[7] 賈利春，陳勉，侯冰，等.裂縫性地層鉆井液漏失模型及漏失規(guī)律[J].石油勘探與開發(fā)，2014，41(1)：95-101.

[8] 趙海洋，張士誠. 玉北區(qū)塊裂縫型碳酸鹽巖油藏復(fù)合酸壓改造技術(shù)[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)， 2014， 33 (1)：102-105.

[9] 王宏建，李慶峰，趙杰，等.塔東古城地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2014，33 (5)：215-219.

[10] 錢志偉，吳嬌陽，李建成，等. 全油基鉆井液在油頁巖地層鉆井中的應(yīng)用[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2016，35 (1)：170-174.

[11] 葉靜，胡永全，任嵐，等.裂縫性地層水力裂縫復(fù)雜形態(tài)延伸分析[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2013，32(5)：92-97.

[12] MAJIDI R，MISKA S Z，YU M，et al. Fracture ballooning in naturally fractured formations：mechanism and controlling factors[C].SPE115526，2008：1-9.

[13] MURATA S，SATITO T.Estimation of tortuosity of fluid flow through a single fracture[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2003，42(12)：39-45.

[14] WARREN J E，ROOT R J. The behavior of naturally fractured reservoirs[C].SPE426，1963：1-10.

[15] 程林松.高等滲流力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：50-99.

[16] MURATA S，SAITO T.Estimation of tortuosity of fluid flow through a single fracture[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2003，42(12)：39-45.

[17] 周玉良.雙重介質(zhì)儲(chǔ)層過平衡水侵損害的欠平衡返排恢復(fù)評(píng)價(jià)[D].成都：西南石油大學(xué)，2012.

[18] DYKE C G，WU B，MILTON-TAYLER D. Advances in characterizing natural fracture permeability from mud-log data[J].SPE Formation Evaluation，1995，10(3)： 160-166.

[19] 劉慧卿.油藏?cái)?shù)值模擬方法專題[M].東營：石油大學(xué)出版社，2001：20-100.

編輯 孟凡勤

20160522；改回日期：20160908

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“高溫高密度鉆井液與可排放海水基鉆井液成套技術(shù)研發(fā)”(2013E-3802)

許闿麟(1990-)，男，2014年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣地質(zhì)。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.06.030

TE355.5

A

1006-6535(2016)06-0133-03