高壓鹽水層控壓放水模擬計算研究

張朝舉，李 軍，楊宏偉，柳貢慧，劉金璐，鄧昌松

1中國石化西南石油工程有限公司2中國石油大學石油工程學院（北京）3中國石油塔里木油田公司

0 引言

鉆遇高壓鹽水層是鹽膏層鉆進過程中的一種特殊情況。目前國內處理高壓鹽水層的方法和措施主要有提密度壓井和控壓鉆井兩種［1-3］，但這些方法往往不能滿足安全鉆進的要求。一方面是由于高的地層壓力使安全密度窗口變得非常窄，壓井或控壓時常常會發(fā)生壓漏地層的情況；另一方面是提高鉆井液密度只能平衡地層高壓，而不能減少地層壓力，這對后續(xù)固井過程中套管的抗外擠強度提出了很高的要求［4］。

控壓放水技術可以有效的解決上述問題?？貕悍潘夹g通過釋放地層流體減小地層壓力，從而擴寬鉆井液密度“操作窗口”，達到安全鉆進的要求。但是，由于學者們對該技術的研究較少，許多理論還不完善，該技術目前僅在塔里木油田的一些井中得到了應用［5-6］。筆者基于地層鹽水流動機理，利用井筒多相流動理論、地層滲流方程模擬了控壓放水全過程，并進行了定量分析，以便該技術得到更好的推廣和應用。

1 模型的建立及求解

1.1 井筒多相流動及滲流模型

如圖1所示，在地層流體進入井筒后，井筒環(huán)空中既存在鉆井液和巖屑，也存在與鉆井液理化性質不同的高壓地層鹽水，還可能含有少量的原油。由于地層流體的進入，井筒的溫度場及壓力場會發(fā)生相應的改變，而溫度和壓力場的改變也會對井筒流動產生影響。因此在控壓放水過程中，井筒環(huán)空流動為多相多組分多因素影響下的流動過程。

圖1 井筒流動及地層滲流機理圖

1.1.1 質量守恒方程

鉆井液相：

式中：A—環(huán)空流道面積，m2；

ρl、ρs、ρw、ρo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相的密度，kg/m3；

αl、αs、αw、αo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相體積分數，無量綱；

vl、vs、vw、vo—分別為鉆井液相、巖屑相、水相、油相的實際流速，m/s。

1.1.2 動量方程

式中：p—壓力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

θ—井筒與水平方向的夾角，°；

pf—沿程壓耗，Pa。

1.1.3 地層滲流方程

如圖2所示，隨著地層流體流出，近井筒的地層壓力開始下降，壓力波向遠離井筒方向傳播，該過程為滲流過程。

圖2 滲流階段地層壓力變化示意圖

地層鹽水滲流方程為：

式中：p—地層壓力，MPa；

μ—鹽水黏度，mPa·s；

K—高壓鹽水層滲透率，μm2；

Φ—高壓鹽水層孔隙度；

ct—綜合壓縮系數，MPa-3；

r—徑向距離，m；

t—時間，s。

1.2 模型的離散和求解

使用有限差分法進行迭代求解。為保證計算的收斂性和提高計算速度，采用無條件穩(wěn)定的Crank-Nicolson隱式格式對上述方程進行離散化處理。同時進行等間距空間網格劃分，網格間距為20 m。

通過以上步驟，可以計算n+1時刻各節(jié)點的物理參數，因此從初始邊界開始計算，則可以確定后續(xù)時刻各節(jié)點的物理參數。

2 實例計算與分析

2.1 基礎參數

KS-X井鉆至7 229 m時發(fā)生嚴重的井漏，常規(guī)堵漏方法效果不佳，決定采用控壓放水技術來降低高壓鹽水層圈閉壓力。KS-X井的基礎參數見表1。

表1 KS-X井的基礎參數

2.2 模擬計算及結果分析

基于上述模型和X井的參數，模擬了前6次放水過程中各參數的變化趨勢，如圖3所示。由圖3可知，經過5次降密度6次放水，鉆井液密度由2.58 g/cm3降低至2.45 g/cm3；每次放水過程中，隨著低密度鹽水進入井筒，液柱壓力降低，關井套壓升高，為了防止套壓超過極限，需要控量、控壓、多次放水；放水過程中立壓的變化與地層壓力的變化趨勢一致，所以可以使用立壓來判定地層壓力的變化規(guī)律；關井、循環(huán)排污和循環(huán)降低鉆井液密度的時間占整個放水時間的90%。

選取第1次放水過程中排水量和地層壓力的變化曲線來詳細分析放水過程中排水量和地層壓力的變化規(guī)律，圖4為第1次放水中累積排水量和套壓隨時間的變化曲線。由圖4可知，由于單次放水過程中低密度鹽水不斷進入井筒，使得靜液柱壓力逐漸降低，井底負壓差增大，所以放水速率逐漸增加；井口設備的承壓能力是限制每次放水量的主要因素，使用高承壓能力的節(jié)流管匯系統(tǒng)能夠增加單次放水量，有效地縮短放水時間。

圖4 第1次放水過程中排水量和套壓隨時間的變化曲線

圖5為第1次放水過程中井筒周圍地層壓力和套壓隨時間的變化曲線。由圖5可知，循環(huán)降密度及排污完成關井后，第1次開井時地層壓力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次開井后的地層壓力降低速率和降低量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。這是由于隨著放水量的增加，地層壓力漏斗曲線向遠處傳播，鹽水在孔隙中流動的摩阻增加，所以導致地層壓力降低速率越來越小。

圖5 第1次放水過程中地層壓力和套壓隨時間的變化曲線

圖6為整個放水過程中，地層壓力當量密度的現(xiàn)場實測數據和計算數據曲線。

圖6 整個放水過程中地層壓力當量密度隨放水量的變化曲線

地層壓力當量密度實測數據可由現(xiàn)場套壓與鉆井液密度值計算得到。在井底井壁處，井筒流壓與地層壓力相等，且測量過程在地層鹽水停止流入井底后進行，因此地層壓力當量密度實測數據可反映井筒周圍的地層壓力。由圖6可得，地層壓力當量密度由2.58 g/cm3降低至2.40 g/cm3，計算數據與實測數據具有很好的吻合度。隨著放水量的增加，在彈性驅動階段地層壓力的初始降低速率較快，然后逐漸趨于穩(wěn)定。當地層壓力漏斗曲線傳播至含水透鏡體邊界時，地層壓力又開始呈近似線性降低。

3 結論

（1）控壓放水是一個多過程結合的技術，本文基于井筒多相流動理論和地層鹽水的滲流理論，建立了相應的數學模型來準確地預測地層壓力、排水量、立壓和套壓的變化。

（2）單次放水過程中，隨著低密度鹽水進入井筒，靜液柱壓力降低，關井套壓升高，為了防止套壓超過極限，需要控量、控壓、多次放水；且井口節(jié)流管匯系統(tǒng)的承壓極限是影響單次放水量的主要因素。

（3）單次放水過程中，第一次開井時地層壓力下降的速率最快，且降低量也最大，此后每次開井后的地層壓力降低速率和降低量逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

（4）隨著放水量的增加，在彈性驅動階段地層壓力的初始降低速率較快，然后逐漸趨于穩(wěn)定；當地層壓力漏斗曲線傳播至含水透鏡體邊界時，地層壓力又開始呈近似線性降低。