裂缝性地层井漏溢流转换时间研究

本研究基于一维径向裂缝中钻井液的流动模型，建立了一个新的模型，旨在研究裂缝储层中多压力系统井漏溢流转换时间的影响因素。并通过求解数学模型，得出了计算井漏溢流转换时间的方程。通过再现四川油田的现场数据和参考文献的模拟结果，对模型进行了验证。并分析了稠度系数、流性指数、动态剪切力、钻井液密度、钻井液侵入深度、漏失层压力、裂缝宽度、环空液面下降高度、高压层压力等因素的影响。结果表明，随着稠度系数、流性指数、动态剪切力、钻井液密度、钻井液侵入深度、漏失层压力的增加，井漏溢流转换时间随之增加。而随着裂缝宽度增加、环空液面高度下降及高压层压力增加，井漏溢流转换时间会缩短。“吊灌”作业的时间间隔应适当小于井漏溢流转换时间。在保证井筒安全的前提下，适当提高钻井液的稠度系数、流性指数和动态剪切力，可以有效延长裂缝性地层的井漏溢流转换时间。

关键词

裂缝性地层；溢流转换时间；井失；溢流

随着深层油藏的勘探和开发，出现裂缝性储层的可能性也迅速增加。裂缝性地层中经常出现多压力系统，从而导致井漏频发。当钻井液的环空液面因井漏而降低时，钻井液柱的压力也随之降低，可能发生井喷事故。这种现象在川东北油气田经常发生，称为“漏溢同存”, “吊灌技术”是指在固定时间内向井筒注入钻井液，以平衡井筒压力，从而防止井喷的技术。因此, “吊灌技术”的时间间隔是平衡井筒压力的关键因素。该技术用于防止井喷, 广泛用于国内外众多领域。然而，有关“吊灌技术”时间间隔的研究却不多。“吊灌技术”的时间间隔往往由经验决定，且存在较大误差。井漏溢流转换时间是指从液面下降到钻井液开始溢出的时间。“吊灌技术”只控制油井的漏失阶段，防止井漏与溢流之间发生转换，避免造成井下事故。因此，“吊灌技术”的时间间隔必须小于井漏和溢流之间转换的时间。总之，井漏溢流转换时间是控制油井发生漏失的关键因素。

过去几十年里，大量研究都聚焦于井漏事故上。Zhao指出，钻井液漏失有两种类型：裂缝性漏失和渗透性漏失。Yuan和Wang建立了油井漏失模型，并推断地质因素是油井漏失的最大影响因素。Wang和Pu分析了裂缝性地层的漏失问题，提出了钻井液水力相的观点。Jiang分析了地层裂缝压力与漏失压力之间的关系，并指出前者不能代替后者。Verga 提出了一种检测天然裂缝的新方法，并指出单一天然裂缝与网状结构天然裂缝在漏失特点上有所不同。Lietard根据非牛顿流体的流变模式，建立了寻找地层裂缝宽度的预测模型。Majidi在该领域进行了广泛的研究，推动了对漏失机理的研究，为完善漏失预防和处理奠定了理论基础。Hettma分析了Statfjord 和 Veslefrikk 油田因钻井穿过冷却地层而造成的井漏事故。Liu根据钻井过程中的漏溢同存，提出了一种新的裂缝性地层井眼压力控制系统，并系统地总结了该技术的应用。Jia 等人分析了多压力系统裂缝地层漏溢同存的问题，建立了多压力系统裂缝地层的物理模型。Shu等人建立了气液界面耦合模型，研究了单一裂缝垂直井中重力位移引起的井漏和井涌问题，指出影响漏失率和气体流动的主要因素是裂缝宽度，其次是压差和钻井液的流变性能。Yan等人利用精确MPD技术成功避免了四川GS19井的井涌和井漏事故，为攻克类似的裂缝性地层提供了参考。尽管有以上种种研究，但关于井漏溢流转换时间的研究仍然很少，尤其是针对裂缝性地层。

本研究旨在研究井喷—井漏共存地层中井漏溢流的转换时间。首先，通过立管压力变化确定漏失层位置。同时，基于钻井液在一维径向裂缝中的流动模型，建立了新的模型，旨在研究裂缝性地层中多压力系统井漏溢流转换时间的影响因素。通过求解数学模型，得到了井漏溢流转换时间的方程。并通过重现四川油田的现场数据和参考文献的模拟结果，对模型进行了验证。本研究还分析了稠度系数、流性指数、动态剪切力、钻井液密度、裂缝宽度、环空液面下降高度、漏失层压力、高压层压力和钻井液侵入深度等因素对井漏溢流转换时间的影响。

计  

Fig. 1. Physical model of the coexistence of lost circulation and overflow: a) is the model that the lost circulation layer and high-pressure layer are in the same layer; b) is the model that the lost circulation layer and high-pressure layer are in the different layer

图 1.漏溢共存物理模型：a) 漏失层和高压层位于同一层的模型；b) 漏失层和高压层位于不同层的模型

Fig. 2. Flow model of the drilling fluid in one-dimensional radial fracture

图 2.一维径向裂缝中的钻井液流动模型

 Fig. 3. Comparison results of loss speed between this model, Wang’ model and Shahri’s model

图 3. 该模型、与Wang等人的模型以及Shahri模型漏失速度的对比结果

Fig. 4. Conversion time between lost circulation and overflow with the consistency index from 0.15 Pa·Sⁿ to 0.50 Pa·Sⁿ

图 4.稠度系数为 0.15 Pa·Sⁿ至0.50 Pa·Sⁿ时的井漏溢流转换时间

Fig. 5. Conversion time between lost circulation and overflow with the liquidity index from 0.70 to 0.90

图 5.流性指数从为0.70 至0.90 时的井漏溢流转换时间

Fig. 6. Conversion time between lost circulation and overflow with the dynamic shear from 6 Pa to 20 Pa

图 6.动态剪切力为 6 Pa 到20 Pa时的井漏溢流转换时间

Fig. 7. Conversion time between lost circulation and overflow with the drilling fluid density from 1.34 g/cm³ to 0.50 g/cm³

图 7.钻井液密度为1.34 g/cm³至0.50 g/cm³时的井漏溢流转换时间

 Fig. 8. Conversion time between lost circulation and overflow with the crack width from 1.0 mm to 2.0 mm

图 8.裂缝宽度为1.0毫米至2.0毫米时的井漏溢流转换时间

 Fig. 9. Conversion time between lost circulation and overflow with the de creased height of the annular liquid level from 0 m to 70 m

图 9.环空液面高度为0米至70米时的井漏溢流转换时间

 Fig. 10. Conversion time between lost circulation and overflow with the pressure of lost circulation layer from 36 MPa to 40 MPa

图 10.漏失层的压力为36兆帕至40兆帕时的井漏溢流转换时间

Fig. 11. Conversion time between lost circulation and overflow with the pressure of high-pressure layer from 40 MPa to 43 MPa

图 11.高压层压力为40兆帕至43兆帕时的井漏溢流转换时间

Fig. 12. Conversion time between lost circulation and overflow with the drilling fluid intrusion depth from 0.15 m to 0.5m

图 12.钻井液侵入深度为0.15米至0.5米时的井漏溢流转换时间

Table 1. Basic parameters of the well to calculate the conversion time between lost circulation and overflow

表 1.用于计算井漏溢流转换时间的油井基本参数

Table 2. Basic parameters of the well for#1, #2, #3 in Sichuan oil field

表 2.四川油田#1、#2、#3井的基本参数

Table 3. Conversion time between lost circulation and overflow of other wells

表 3.其他油井的井漏溢流转换时间