两级固结堵漏井筒压力的变化规律_彭力.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：彭力，史野，王韧，等 两级固结堵漏井筒压力的变化规律 科学技术与工程，（）：.，（）：.两级固结堵漏井筒压力的变化规律彭力，史野，王韧，龙一夫，蔺艺莹，杨贺卫，郭明红，张现斌，（.天津市复杂条件钻井液企业重点实验室，天津；.渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司，天津；.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京）摘 要 常规固结堵漏浆体驻留性差、井筒留塞难。现场采用两级固结堵漏工艺，在固结堵漏浆体前向漏失层注入高黏稠浆体，以提高浆体驻留性。但对堵漏作业过程中井筒压力变化规律认识不清，井筒压力精细控制不足，工艺参数如排量、浆体体积等的确定缺乏理论指导，这些仍然是固结堵漏工艺优化面临的关键问题之一。基于浆体在裂缝中一维径向流动模型，建立了多级固结堵漏动力学模型，提出临界压差和压差比两个参数表征浆体的驻留性。以高黏稠凝胶浆 水泥浆两级固结堵漏工艺为例，分析裂缝宽度、排量、浆体体积及比例对井筒压力的影响，厘清堵漏过程中与环空液面高度变化与井筒压力的关系。研究表明：裂缝宽度越小，堵漏过程中井筒与地层压差、临界压差越大，浆体更容易驻留。增加浆体体积和高黏稠浆体比例，有助于浆体驻留，但实际堵漏应综合考虑浆体驻留、漏层裂缝封固以及成本等多因素。浆体排量越大，压差比越大，不利于浆体驻留。环空液面高度变化可以判断漏失地层井筒压力变化，现场应加强环空液面高度的监测。关键词 钻井液漏失；两级；固结堵漏；井筒压力中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：天津市科技项目（）；中国石油天然气集团公司前瞻性基础性攻关项目（）第一作者：彭力（），男，汉族，湖北仙桃人，博士，工程师。研究方向：油气井防漏堵漏技术。：。，（.，；.，；.，），；井漏是指钻探过程中大量钻井液向地层流失的现象，一直是油气田勘探开发提质、增效、降成本最大障碍之一，也是悬而未决的重大理论和技术难题。水泥浆固结堵漏，成本低、适用性广、施工投稿网址：材料装备齐全，常用于钻井液恶性漏失、失返性漏失的治理。业界普遍认为水泥浆固结堵漏浆体驻留性差、井筒留塞难，是导致堵漏成功率低的主要原因之一。为提高水泥浆在地层裂缝内的驻留能力技术人员从两方面进行了优化，一是优化堵漏浆体流动性能，如向水泥浆中混入桥堵材料、纤维材料、高稠度的膨润土浆以及触变剂等添加剂以增加在裂缝中的流动阻力；二是优化堵漏工艺，如采用高稠凝胶浆或聚合物浆作为隔离液，以增加流动阻力或者减少堵漏水泥浆体污染和稀释。现场形成一套实用的两级固结堵漏工艺，即先向漏层注入高黏稠浆体再注入固结堵漏浆体的工艺，即两级固结堵漏工艺。如陈曾伟等在塔河油田 井奥陶系漏层采用 化学凝胶浆 化学固结堵漏浆的两级固结堵漏，现场一次堵漏成功。对两级固结堵漏作业过程中井筒压力变化规律认识不清，井筒压力精细控制不足，工艺参数如排量、浆体体积等的确定缺乏科学指导，这些仍然是固结堵漏工艺优化面临的关键问题之一。基于浆体在裂缝中一维径流动模型，现建立多级固结堵漏动力学模型，提出堵漏浆在裂缝中驻留性的评价参数临界压力和压差比。以高黏稠凝胶浆 水泥浆两级固结堵漏工艺为例，分析裂缝宽度、排量、浆体体积及比例对井筒压力的影响，厘清堵漏过程中与环空液面高度变化与井筒压力的关系。多级固结堵漏模型一维径向模型是研究裂缝地层钻井液漏失问题常用的数学模型，参考一维径模型，建立多级固结堵漏的动力学模型，即堵漏作业时向裂缝性漏层中依次注入性能各异的多种堵漏浆体的模型。模型假设：井眼附近存在一条径向裂缝，裂缝壁无滤失；堵漏浆体均视为不可压缩流体，不考虑浆体在井筒和裂缝中混合对浆体性能的影响；浆体流动为层流流动；堵漏浆体凝固时间足够长，研究时间尺度不考虑浆体流变性随时间的变化。宾汉流体在裂缝内一维径向流动的压力梯度可以表述为（）式（）中：、和 分别为压力、塑性黏度、动切力、裂缝宽度、径向流速和半径。根据浆体连续性，距离井筒中心 处径向流速可以表述为（）式（）中：为浆体排量。将式（）代入式（）得（）由式（）积分可得（）（）式（）中：为漏失层井筒与底层压力差；为井眼半径。连续注入多级堵漏浆体，计第 级堵漏浆注入体积为，从第 级堵漏浆进入裂缝开始计时，时刻第 级（，）堵漏浆侵入前沿半径为 为 ，|（）联立式（）和式（），则注入第 级堵漏浆井筒与地层压力差 为 （）（）式（）中：、分别为第 级堵漏浆塑性黏度和动切力，当 时 。根据式（）可知，当 时，（），表明存在一个与浆体排量无关的参数临界压差 （），当漏层井筒与地层压差大于临界压差，裂缝中堵漏浆体才能流动。对于 级堵漏浆，临界压差 可以表述为（）（）可以用临界压差 和压差比 两个参数表征堵漏浆体的在裂缝中的驻留性。是裂缝宽度、堵漏浆动切 以及浆体影响半径 的函数，它反映裂缝中堵漏浆体固化前抵抗井下压力扰动的能力。对于天然裂缝地层引发的失返性漏失，堵漏作业前井筒压力与裂缝中的地层压力保持平衡，堵漏时漏层井筒压力可以近似等于（堵漏作业时环空液面未出井眼），当停止向地层注入浆体后井筒压力逐渐向 靠近，因此压差比 反映堵漏作业时井筒压力接近稳定状态的程度，即停泵后裂缝中浆体达到静止状态的程度。临界压差 越大且 越接近，表示堵漏浆在裂缝中驻留性越好。多级固结堵漏模型如图 所示。堵漏浆体性能测试高黏稠凝胶浆体流变参数可以测试不同流速科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 多级固结堵漏模型.下的流动压耗，进而计算得出。测试装置如图 所示，装置主要由高压气源、高压腔、支座、球阀、直管道、压力传感器、压力传感器 和回收容器组成。试验时待测浆体装入高压腔内，气源提供浆体流动动力，测试一段时间内浆体流经直管道两端的压力和回收容器内浆体体积差，直管道长度和内径已知，可以获得浆体流经直管道单位长度压耗与流速。通过宾汉流体圆管层流压耗与流速 的关系式确定浆体的流变参数，表达式为 （）式（）中：、分别为单位长度压耗和圆管内径。实验测得某凝胶浆体在内径 直管道内不同流速条件下的单位长度压耗，如图 所示。与 线性相关度高，凝胶浆体符合宾汉流体的流动规律，其塑性黏度和动切力分别为.和.。采用六速旋转黏度计测得水灰比 的 级油 井 水 泥 浆 的 塑 性 黏 度 和 动 切 力 分 别 为.和.。图 实验仪器示意图.图 凝胶浆体流动压耗与流速关系.井筒压力变化规律基于上述所建模型和实验测试塑性黏度、动切力数据，以高黏稠凝胶浆 水泥浆两级固结堵漏工艺为例，分析裂缝宽度、堵漏作业排量、堵漏浆体积及比例等对两级固结堵漏过程中井筒压力变化规律，堵漏作业时依次向漏层注入高黏稠凝胶浆和水泥浆，分析从第 级凝胶浆体进入漏层到第 级水泥浆出钻具过程中漏层井筒压力变化规律。分析某一特定参数对井筒压力的影响时，其他参数为定值。模型基本参数：井筒半径为.、裂缝宽度、堵漏浆注入排量 、注入裂缝中堵漏浆总体积，凝胶浆体积与水泥浆体积比，即 。.裂缝宽度的影响根据式（）和式（）堵漏浆体注入时漏层井筒与地层压差 、临界压差 与裂缝宽度 负相关。其他条件相同情况下，裂缝宽度越小，压差 和 越大，表明裂缝宽度越小，裂缝中浆体抵抗压，（）彭力，等：两级固结堵漏井筒压力的变化规律投稿网址：力扰动的能力越强，浆体越容易驻留。这与现场漏速较小（漏失通道尺寸较小）的漏失治理时，更易起压（立管压力增加）现象相符。图 给出两级固结堵漏过程中，不同裂缝宽度下压差和压差比变化曲线。由图 可知，其他条件相同情况下，裂缝宽度越小，压差比 越大。随着第 级堵漏浆注入地层裂缝，即泵入浆体体积从 增加至，井筒与地层压差逐渐增加，而压差比逐渐减小；随着第 级堵漏浆注入地层裂缝，即泵入浆体体积从 增加至 ，井筒与地层压差明显减小，而压差比整体上先减小然后逐渐缓慢增加。导致第 级浆体注入过程中压差显著减小原因有两个，一是第 级堵漏浆的塑性黏度 和动切力 明显小于第 级；二是第 级在裂缝中影响半径 快速减小。图 裂缝宽度对压差和压差比的影响.由图 可知，其他条件相同情况下，裂缝宽度越小，压差比 越大。随着第 级堵漏浆注入地层裂缝，即泵入浆体体积从 增加至 ，井筒与地层压差逐渐增加，而压差比逐渐减小；随着第 级堵漏浆注入地层裂缝，即泵入浆体体积从 增加至 ，井筒与地层压差明显减小，而压差比整体上先减小然后逐渐缓慢增加。导致第 级浆体注入过程中压差显著减小原因有两个，一是第 级堵漏浆的塑性黏度 和动切力 明显小于第 级；二是第 级在裂缝中影响半径 快速减小。.堵漏浆排量的影响固结堵漏作业中浆体排量是关键工艺参数之一。依次向裂缝地层注入第 级和第 级各 后，停止注堵漏浆时井筒与地层压差和压差比随浆体排量变化规律如图 所示。其他条件相同情况下，排量与压差 、压差比 线性正相关，即浆体排量越大，压差和压差比越大。根据式（），其他条件相同情况下，临界压差的大小与排量无关。压差比 恒大于，其值越接近，堵漏浆体泵入作业结束后井筒浆体流动的驱动力越小，为了提高堵漏浆体在裂缝驻留概率，应当减小作业排量；但排量越小施工时间越长，井下安全风险越大。因此现场作业应当综合考虑井下安全和驻留性，进而确定作业排量。图 浆体排量对压差和压差比的影响.其他条件相同情况下，排量与压差 、压差比 线性正相关，即浆体排量越大，压差和压差比越大。根据式（），在其他条件相同情况下，临界压差的大小与排量无关。压差比 恒大于，其值越接近，堵漏浆体泵入作业结束后井筒浆体流动的驱动力越小，为了提高堵漏浆体在裂缝驻留概率，应当减小作业排量；但排量越小施工时间越长，井下安全风险越大。因此现场作业应当综合考虑井下安全和驻留性，进而确定作业排量。.浆体体积及比例的影响用最少、成本最低的浆体达到最优的堵漏效果一直是堵漏作业追求的经济、技术目的，研究浆体体积对固结堵漏效果的影响至关重要。图 为压科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：差、临界压差和压差比与浆体体积的关系。相同体积比例条件下，注入裂缝中的堵漏浆体总体积越大，压差和临界压差越大，而压差比越小。相同体积条件下，第 级高黏稠浆占比越大，压差和临界压差也越大，而压差比也越小。从浆体驻留性角度，增加堵漏浆的体积，提高第 级高黏稠浆的占比，都有利于浆体的驻留。但从封固漏层裂缝的角度，需要足够长的固结层封堵裂缝以承担后期钻进、固井等作业时钻井液、固井水泥浆与地层的压力差，第 级固结堵漏浆体积不宜过少。从浆体使用成本角度，如图（）中临界压力体积曲线的斜率随着浆体体积增加逐渐减小，表明随着浆体体积增加，单位体积浆体增加的驻留性效果减弱，堵漏作业时应当控制浆体的用量。环空液面变化规律采用两级固结堵漏治理失返性漏失时，堵漏浆注入裂缝过程引起井筒压力的变化，同时部分堵漏浆体也会进入环空，使得井筒液面高度发生变化。环空液面高度变化，与漏失层井筒压力、漏失层位置、井身结构和浆体密度等因素密切相关。以上述两级固结堵漏为例，分析从第 级堵漏浆开始进入漏层裂缝到第 级顶出钻杆后井筒液体压力恢复平衡过程中环空液面高度变化规律。第 级堵漏浆刚开始进入漏失层裂缝，井筒内液体高度状态如图（）所示，漏层堵井筒与地层压差为零如图（）中的 点。第 级堵漏浆全部注入漏层时，漏失层井筒与地层压差增加至图（）中 点，压差增加量为，井筒内液体高度状态如图（）所示。根据压力平衡，环空液面增加量为与 关系可以表述为 （）（）式（）中：为重力加速度；为堵漏时钻杆底部距离漏失层的距离；为第 级堵漏浆的密度；为第 级堵漏浆的密度；为套管环空截面积；为裸眼段环空截面积。当 时，第 级堵漏浆注入裂缝过程中环空液面升高，反之环空液面高度则降低。第 级堵漏浆刚推出钻具，漏失层井筒与地层压差从图（）中 点降低至 点，减小量为，井筒内液体高度状态如图（）所示。由于，环空液面降低量为 （）对于堵漏过程中环空液体尚未返出井口，停泵后地层裂缝中堵漏浆体流速快速降低，由于漏层井图 压差、临界压差和压差比与浆体体积的关系.，筒压力大于裂缝浆体压力，浆体从井筒会缓慢流入漏层。漏层井筒与地层压差沿图（）中 路径变化，直线 表示漏层液柱