石油与天然气化工  2023, Vol. 52 Issue (3): 92-96
引用本文
张绪亮, 周波, 梁爽, 张耀明, 罗方伟, 王鹏程, 任海帆. 激动压力引起的漏失影响因素分析[J]. 石油与天然气化工, 2023, 52(3): 92-96.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2023.03.016
激动压力引起的漏失影响因素分析
张绪亮1 , 周波1 , 梁爽2 , 张耀明1 , 罗方伟2 , 王鹏程1 , 任海帆2     
1. 中国石油塔里木油田分公司;
2. 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司
收稿日期：2022-08-03
基金项目：塔里木油田油田分公司项目“博孜区块大斜度井目的层溢流机理研究及应用”
作者简介：张绪亮, 1989年生, 大学本科, 工程师, 主要从事钻井工艺研究工作。E-mail: 821070764@qq.com.
摘要：目的 油田钻井现场重大事故事后的分析极其复杂，通过数值模拟的手段研究事故发生的关键参数及其影响规律。方法 通过边界条件假设和试算的方式解决边界条件模糊的问题，利用井漏计算模型和现场数据反演井漏过程，确定井涌模拟所需的前置参数，对不同情况下的漏失影响开展研究。结果 该井落井钻柱长4 500 m，产生20 MPa以上的激动压力，7~8 min累计漏失量可达20 m3以上，对现场作业影响较大，响应时间较短；短钻杆的落井产生的激动压力较小，风险较低；在大裂缝(10 mm以上)情况下，大激动压力可在瞬间产生几十立方米以上的漏失量，无法控制；在窄裂缝(1 mm)情况下，6 min累计漏失量达20 m3；在微裂缝(0.25 mm)情况下，10 h累计漏失量仅为20 m3。结论 长钻具掉落产生较大的激动压力，是产生漏失的主要敏感参数，是诱发井喷的主要原因，应第一时间采取关井措施。
关键词：钻具落井    激动压力    漏失速率    缝宽    
Analysis on influence factors of leakage caused by surge pressure
Zhang Xuliang1 , Zhou Bo1 , Liang Shuang2 , Zhang Yaoming1 , Luo Fangwei2 , Wang Pengcheng1 , Ren Haifan2     
1. PetroChina Tarim Oilfield Company, Kuerle, Xinjiang, China;
2. CNPC Research Institute of Safety & Environment Technology, Beijing, China
Abstract: Objective The post-accident analysis of major hazards is a very complicated research work in oil field drilling site. The key parameters of the accident and its influence rule are studied by numerical simulation. Methods The fuzzy boundary condition is solved by the boundary condition hypothesis and trial calculation method on the premise that the specific parameters cannot be obtained. This paper mainly uses the well loss calculation model and field data to invert the well loss process to determine the leading parameters required for kick simulation, and studies the change law of bottom hole pressure when the string is falling. Results The downhole drilling string of a certain well is 4 500 meters long, generating more than 20 MPa surge pressure, and the cumulative loss for 7-8 minutes can reach more than 20 m3, which has a great impact on field operations and a short response time. The falling of short drill pipe produces less surge pressure and lower risk. The Results show that under the condition of large fracture (more than 10 mm), the large surge pressure can instantly produce more than tens of cubic meters of leakage, which can not be controlled. In the case of narrow fracture (1 mm), the accumulated leakage amount reaches 20 m3 in about 6 minutes. In the case of micro-fracture (0.25 mm), the accumulated loss in 10 hours is only 20 m3. Conclusions The long drill string drop produces a larger surge pressure, which is the main sensitive parameter of loss and the main reason of blowout. The well shut-in measures should be taken as soon as possible.
Key words: drilling tool falling    surge pressure    loss rate    fracture width    

钻具落井是引发井下漏失事故的原因之一，在钻具下落过程中，由于钻井液的静切力和黏滞力产生的激动压力打破了井底压力与地层压力之间原有的平衡，若地层本身就存在漏失通道或由于大激动压力产生了诱导性裂缝[1]，钻具落井可能引发非常恶性的钻井事故。

激动压力与钻井液黏度、密度、环空间隙等因素有关[2]，同时也与流体流动状态为层流或湍流有关，非牛顿流体激动压力模型多基于卡森及赫巴模式进行建立[3-11]。在激动压力的作用下井下会发生漏失，漏失模型由一维径向裂缝漏失模型[12]，逐渐发展到拟三维动态裂缝扩展模型[13-14]。通过对漏失的模拟，得到压差和裂缝法向刚度与漏失速率的关系[15]，以及裂缝性油藏多压力系统漏失与溢流转换时间等的影响因素[16]。

本研究针对某井由于钻具掉落产生的激动压力诱发的井喷事故，基于层流模式下的赫-巴激动压力模型和一维径向井漏模型，模拟钻具落井过程并对所产生的激动压力造成漏失的事故进行反演，同时也考虑了裂缝宽度对漏失的影响，并对钻具掉落产生的风险进行评估，对激动压力引起的漏失进行敏感性分析研究。

1 激动压力引起的漏失模型
1.1 激动压力模型

当井底压力与地层压力平衡时漏失不会发生，而当发生人为因素的干预打破平衡则可能会发生漏失，如钻具落井过程中产生激动压力，即出现漏失压差。激动压力主要由下落钻具与环空中的钻井液之间的相对运动产生，钻具壁面的切应力使井底出现压力升高。激动压力的大小与钻具长度和钻井液性能有关，漏失压差关系式见式(1)。

$ \Delta p=p_{\mathrm{E}}-p_{\mathrm{L}} $ (1)

式中：Δp为漏失压差，Pa；pE为钻井液有效液柱压力，Pa；pL为漏失压力，Pa。

钻具下落过程中，将环空流动近似看作二平行板间的窄槽流动[17]，由钻具排带的钻井液沿管柱壁上返流态为层流流态，赫-巴模式的环空层流激动压力计算公式见式(2)。

$ \Delta p=4 K L\left(\frac{8 n+4}{n}\right)^n \frac{v^n}{(D-d)^{n+1}}+\frac{8 n+4}{n+1}\left(\frac{\tau_{\mathrm{y}}}{(D-d)}\right) $ (2)

式中: K为稠度系数，Pa·sn；L为钻杆长度，m；n为流变指数，无因次；v为环空流速，m/s；D、d分别为环空内外直径，m；τy为动切力，Pa。

1.2 井筒漏失模型

井漏过程模拟采用宾汉流体在单条无限长裂缝中的平面径向钻井液流动模型[12]，通过设置不同的初始和边界条件，调整漏失压差和裂缝宽度，研究影响漏失的敏感参数。该漏失模型的几何特性为一维圆盘无限长裂缝长度，无倾角水平裂缝；流动特征为宾汉流体瞬态；不考虑压缩性漏失；不考虑裂缝变形、裂缝壁面滤失等因素。径向泥浆漏失侵入裂缝的瞬态方程见式(3)。

$ \mathrm{d} p / \mathrm{d} r=12 \mu_{\mathrm{p}} \bar{v}(r, t) / w^2+3 \tau_{\mathrm{y}} / w $ (3)

式中：p为流体压力，Pa；r为径向距离，m；μp为钻井液塑性黏度，Pa·s；v为裂缝内局部瞬时流速，m/s；t为时间，s；w为缝宽，m。

局部瞬时速度v(r, t)可表达为钻井液瞬时漏失流量和累计漏失量的函数，见式(4)。

$ \bar{v}(r, t)=Q(t) / 2 \pi r w=(\mathrm{d} V / \mathrm{d} t) / 2 \pi r w $ (4)

式中: Q为瞬时漏失流量，m3/s；V为累计漏失量，m3。

钻杆掉落过程中，激动压力为井底过平衡压差，压差与漏失量的关系见式(5)和式(6)。

$ \Delta p=\int_{r_{\mathrm{w}}}^{r(t)}\left[6 \mu_{\mathrm{p}}(\mathrm{d} V / \mathrm{d} t) / \pi r w^3+3 \tau_{\mathrm{y}} / w\right] \mathrm{d} r $ (5)
$ V(t)=\pi w\left[r^2(t)-r_{\mathrm{w}}^2\right] $ (6)

式中：Δp为漏失压差，Pa；r(t)为t时刻钻井液的侵入半径, m；rw为井筒半径，m。

由式(5)和式(6)可得激动压力与钻井液侵入半径之间的关系，见式(7)。

$ \begin{aligned} \Delta p= & \left(12 \mu_{\mathrm{p}} / w^2\right) r(t) \ln \left[r(t) / r_{\mathrm{w}}\right](\mathrm{d} r / \mathrm{d} t)+ \\ & \left(3 \tau_{\mathrm{y}} / w\right)\left[r(t)-r_{\mathrm{w}}\right] \end{aligned} $ (7)
1.3 初始条件与边界条件

井筒和储层通过裂缝连接，可以看成一个连通的压力体系。在应用漏失模型进行漏失模拟时，井底壁面为发生漏失计算域的入口，而漏失钻井液进入储层的前缘位置为计算域的另一边界，该边界随时间变化，为动边界。边界条件采用压力边条件，钻具下落产生的激动压力作用于井底，即井底过平衡压差，该压差是漏失的驱动压力。

(1) 初始条件：在t=0时，钻井液无漏失速率，储层内压力等于原始地层压力，即：

$ \begin{gathered} p=p_{\mathrm{L}}+p_{\mathrm{S}}, r=r_{\mathrm{w}} \\ p=p_{\mathrm{L}}, r>r_{\mathrm{w}} \\ v=0, r \geqslant r_{\mathrm{w}} \end{gathered} $ (8)

(2) 边界条件：

$ \begin{gathered} p=p_{\mathrm{L}}+p_{\mathrm{S}}, r=r_{\mathrm{w}} \\ \frac{\partial p}{\partial r}=0, r=r_t \end{gathered} $ (9)

式中：pL为漏失压力，Pa；pS为激动压力，Pa；rw为井筒半径，m；rt为t时刻侵入钻井液前缘位置，m。

2 漏失影响因素分析

影响井漏的因素比较复杂，可分为地质因素和工程因素。地质因素主要包括漏失层自身的性质，工程因素包括正压差和钻井液的性能等。对于诱导性裂缝漏失来说，缝宽和正压差是影响漏失的重要因素。以下以激动压力产生的压差和诱导性裂缝缝宽对漏失的影响展开分析。

2.1 实例分析参数

为明确井底压力、裂缝宽度、钻井液流变性等参数对钻井液漏失的影响，需明确钻井液流变性、落鱼引起的井底压力波动大小和漏失层裂缝宽度。为明确事故中钻具掉落过程所产生的激动压力，基于上述激动压力模型和事故井中漏失钻井液性能参数及井筒参数，进行事故现场还原，补充缺乏的事故详细数据。钻井液为事故井原钻井液(油基钻井液，油基质量分数为80%，不含堵漏材料)。现场钻井液及事故井的参数见表 1、表 2和表 3(1″=25.4 mm)。

表 1    钻井液性能

表 2    落鱼参数

表 3    套管结构

2.2 不同缝宽下漏失过程分析

由于事故井裸眼段漏失层较多，模拟中的缝宽设定为总缝宽，即裂缝条数与单裂缝平均缝宽的乘积，平均裂缝宽度取0.25 mm。依据前期建立的漏失模型和边界条件，利用事故井数据参数，在定激动压力23 MPa的条件下，研究漏失对诱导性裂缝宽度的敏感性。漏失模型所需参数见表 4。

表 4    数值模拟的基础参数

根据SY/T 5386-2010《裂缝性油(气)藏探明储量计算细则》对裂缝的分类和该区块该地层深度的平均裂缝宽度，将模拟缝宽参数分别取微缝0.000 25 m、窄缝0.001 m、中缝0.01 m和宽缝0.1 m。通过模拟计算，得到不同缝宽下的漏失体积(即钻井液侵入地层体积)曲线，模拟结果如图 1。

图 1     不同缝宽条件下漏失量随时间变化曲线

由图 1可知：随着时间的增加，钻井液漏失量逐渐增大；随着缝宽的减小，钻井液的漏失量达到100 m3对应的水平位移增大；随着缝宽的减小，钻井液漏失量的整体曲线下降。当裂缝较小时，裂缝壁面对钻井液产生的摩阻较高，加之流动通道截面积随半径增加而增大，随时间推移的侵入量增加较慢；随着缝宽的增加，钻井液在裂缝中的流动性增加，阻力减小，瞬间漏失量可达到100 m3。不同缝宽对井漏速度的影响较为敏感。在中裂缝、宽裂缝情况下(10 mm以上)，23 MPa的激动压力下可在瞬间产生几十立方米以上的漏失量，无法控制；微裂缝(0.25 mm)情况下，10 h累计漏失量仅为20 m3；窄裂缝(1 mm)情况下，6 min累计漏失量达20 m3，与现场出现的补灌泥浆无效、井口液面迅速下降、长时间失返情况较为吻合。

通过模拟计算，得到不同缝宽下的侵入半径曲线，如图 2所示。缝宽越大，钻井液在相同时间的侵入半径越大。在时间对数坐标下，漏失曲线呈现出很好的规律性。不同缝宽条件下的漏失侵入半径曲线形态相似，开始时侵入半径增速较慢，而后侵入半径的增加速率逐渐增大。整个漏失可以分为3个阶段：①漏失早期，曲线斜率基本为0，但随着时间的增加，漏失半径增长，速率增加；②漏失中期，曲线的斜率迅速改变，此阶段漏失速率迅速增加；③漏失晚期，漏失半径的增长速率开始减小。综合上述分析，现场漏失层缝宽约为0.001 m，即钻具落井过程产生的激动压力，造成裸眼段大约有4个层位发生漏失。

图 2     不同缝宽条件下侵入半径随时间变化曲线

2.3 不同压差下漏失过程分析

对于不同类型的钻具落井可能产生不同的激动压力，在相同裂缝体系下产生的漏失风险也不同。为了评价激动压力对漏失的影响，取前期实验分析结果，在定缝宽为0.001 m的条件下，利用模型试算压差分别为10 MPa、20 MPa和30 MPa时对漏失的影响进行分析，设定的基础参数见表 5。通过模拟计算，得到不同压差条件下的漏失量变化，结果见图 3。

表 5    数值模拟的基础参数

图 3     不同压差条件下漏失量随时间变化曲线

由图 3可知，压差越大，钻井液在相同时间内的漏失量越大，理想状态下侵入体积随时间呈线性增长趋势。直线的斜率即漏失速率，激动压力与漏失速率呈正相关。结合现场分析：在30 MPa的激动压力下，现场人员基本没有反应时间，在5 min左右即可漏失20 m3钻井液，静液柱降低10 MPa以上，事故危险等级较高；在20 MPa的激动压力下，7~8 min累计漏失量可达20 m3以上，对现场作业影响较大，响应时间较短；在10 MPa的激动压力下，15 min累计漏失量达到20 m3，时间窗口较长，有利于井口观察处置。激动压力与钻杆尺寸直接相关，大激动压力对应的钻杆长度较长。如果现场出现较长钻杆掉落事故，应第一时间采取立即关井措施。

通过模拟计算，得到如图 4所示的不同压差条件下的侵入半径曲线。

图 4     不同压差条件下侵入半径随时间变化曲线

漏失产生的风险与原始储层裂缝分布发育情况和漏失半径有关，漏失半径发展过快或者过大，都有可能造成连通性的增加，造成更加严重的后果。由图 4可知: 在漏失初期，钻井液侵入半径随时间的延长而增长，随着时间的进一步延长，钻井液侵入半径的变化速率逐渐减小；随着激动压力的增加，钻井液的侵入半径变化速率增大。在10 MPa的激动压力下，16 min的侵入半径仅8 m，与较远处的缝网和复杂地层连通的可能性较低，现场有充足时间制定应急方案并进行井控操作。在30 MPa和20 MPa的激动压力下，漏失半径达80 m分别用时为5 min和7 min，这种情况的漏失如果发生且没有迅速控制，其侵入深度极可能连通地层自身裂缝或溶洞地层，发生恶性漏失。

3 结论

本研究采用激动压力模型和漏失模型对漏失影响参数进行了研究，考虑了缝宽和激动压力对漏失速率的影响，评估了不同情况下现场应急响应的难易程度和最佳处置方式，得到以下结论：

(1) 漏失速率对缝宽较为敏感。在大裂缝、较宽裂缝情况下(10 mm以上)，大激动压力可在瞬间产生几十立方米以上的漏失量，无法控制；在窄裂缝(1 mm)情况下，6 min累计漏失量达20 m3；在微裂缝(0.25 mm)情况下，10 h累计漏失量仅为20 m3。对于裂缝发育较好的储层，或前期已经发生过多次漏失的井，钻具落井引发复杂情况的可能性很高。

(2) 不同类型的钻具产生不同的激动压力，造成的风险等级也不同。较短的钻柱落井产生较小的激动压力，当激动压力在10 MPa以下，漏速小于60 m3/h，即中漏，时间窗口较长，有利于井口观察处置。较长的钻柱落井将产生较大的激动压力，当激动压力大于20 MPa时，瞬间漏速可达到100 m3/h以上，即造成严重漏失，对现场作业影响较大，响应时间较短。当钻杆较长时，钻具落井后应第一时间进行关井处置。

(3) 由于激动压力对漏失速率的影响大于裂缝宽度的影响, 所以在井底原因不明的情况下，即自然影响因素无法控制的时候，现场应注意避免或减少激动压力的产生。

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