气体钻井地层出水量与钻具黏卡风险预测模型

陈烨，闫铁，孙晓峰，王克林，张亚东

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆163318；2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000；3.中国石化中原石油工程有限公司技术公司，河南 濮阳 457001）

0 引言

气体钻井是一种欠平衡钻井技术，能够显著提高机械钻速，缩短钻井周期[1]，但气体钻井也存在井眼清洁、井眼稳定等一系列问题，其中地层出水是气体钻井最难解决的问题。地层出水将改变环空的流动型态，开始聚并、黏结，进而泥包钻头，堵塞井眼，这一过程随着地层水侵入量的变化而逐渐变化。因此，有必要在钻前进行地层出水量的预测[2-4]，对不同出水量情况下的岩屑与地层水的相互作用情况进行合理描述，预测钻具黏卡的可能性，这对气体钻井的顺利施工具有重要意义。对上述相关问题的研究，李祖光等[5]根据渗流力学基本原理，建立了4种情况下的地层出水量的理论预测模型。Y.F.Jiang等[6-7]建立了无界地层定井筒压力为内边界的不稳定渗流出水量的计算方法。唐贵等[8-9]利用微分的思想建立了欠平衡钻井过程中储层流体动态渗流模型。贾红军等[10]建立了气体钻井过程中非均质圆形封闭地层瞬态产液理论模型。

文章采用W.C.Lyons等[11]的环空压力计算模型，通过分层迭代计算得出较为准确的环空井底压力，而后根据渗流力学中平面径向流模型结合气体钻井过程中井底压力公式建立地层出水量预测模型，并进一步分析不同出水量情况下环空内各个阶段的地层水与岩屑的相互作用情况及流型分布，结合出水量计算模型以及工程岩土学中稠度的概念，建立了地层出水后钻具黏卡定量风险模型。

1 地层水与岩屑相互作用物理描述

不同出水量情况下，地层水与岩屑相互作用及运移情况见图1。

图1 不同出水量情况下地层水与岩屑相互作用情况示意

图1a是未钻遇水层时环空的岩屑的运移状况。气体钻井过程主要依靠气体的冲击压力及钻头破碎岩石，当井底产生的岩屑非常小时，高速气体能够将其直接带至环空，而后被环空中的高速上升气流带至井口；对于中等粒径的岩屑，可能在运移过程中由于与管柱或其他岩屑碰撞而破碎成更小的颗粒，从而被高速气流带出井口；对于大颗粒岩屑，由于岩屑太大，气体动能不能直接克服岩屑重力和摩擦阻力将其带出井口，只能将其向上携带一定距离，而后又会落回井底，被冲击气流和钻头重复破碎，变成中等粒径或者更小粒径的岩屑颗粒，直到尺寸足够小至能被高速上升气流带出井口。

图1b是刚进入水层时环空内岩屑与小液滴的运移状况。当钻遇水层时，地层水会在压差的驱动下侵入井筒，当地层流体侵入井眼并与高速气体混合后，就会在井筒内产生气液固三相流。地层水进入井底后，立即被高速气流分成许多离散的小液滴，小液滴随着高速气体向井口方向运移，这时，通常大部分地层水都以小液滴的形式被携带于中央气流中，呈现雾状流特征，很少或者基本没有岩屑被润湿。

图1c是小水侵量下地层水与岩屑的相互作用及运移状况。随着钻头的继续钻进，打开水层的范围增大，地层水的侵入量也随之增大。此时，由于地层水和钻井用的气体之间的密度差异，依据重力分离原理，地层水随气体滑脱上升现象将变得明显，高速气体已经不能将进入井筒的气体全部割散成小液滴并及时带走，而是聚并成稍大的液滴，这些稍大的液滴会有一部分润湿岩屑，另一部分还是以液滴的形态缓慢随着高速气流向井口运移，但润湿的岩屑尚未发生黏结。

图1d是中水侵量下地层水与岩屑的相互作用及运移状况。地层出水量随着钻头的继续钻进而进一步增加，液滴变得更大，岩屑几乎全部被润湿，岩屑间发生明显的黏结，聚集成团，有部分润湿的岩屑甚至开始在钻柱和井壁上形成泥包，气体只能将聚集成团的岩屑向上带一段距离，大尺寸岩屑团会沉降，落到井底，这部分被润湿的岩屑和井底新产生的岩屑将有部分黏附到钻头上，钻头开始出现部分泥包。此时，井眼清洁已经变得极为困难，钻速下降明显，气体钻井已经无法正常实现。

图1e是大水侵量下地层水与岩屑的相互作用及运移状况。随着水侵量的继续增加，岩屑间的黏结现象变得更为严重，岩屑团变得越来越大；而另一方面，由于岩屑黏附在钻柱上和井壁泥包，井眼环空不断减小，加上大尺寸岩屑团的继续沉降，岩屑团不断聚集膨胀，井眼被堵卡，钻头几乎被全包，此时钻速基本为0，很可能发生严重的井下事故。

2 地层出水量预测模型

模型的建立基于达西稳定渗流原理。

基本假设：1）地层物性不存在非均质性；2）将气体钻井地层出水近似看成单相流体，稳定渗流；3）可压缩气体符合气态物质的性质；4）可压缩气体和不可压缩液体的混合可以达到均质；5）大小、密度一致的岩屑能一直分布于气液流中；6）岩屑随气液流以相同的速度流动。

钻至水层时，地层水开始侵入，地层出水主要表现为渗流形式。由于气体钻井的机械钻速较高且变化不大，因此可以假设气体钻井时地层出水为单相的稳定渗流。根据渗流力学的理论，可以采用平面径向流的单井产量公式计算地层出水量，但地层出水量随井底压力的变化而变化较大，因此先给出气体钻井井底处的压力计算公式。

根据文献[11]得到气体钻井的井底压力，计算公式为设H0为出水层顶界面处深度，以钻到水层顶界面为0时刻，此时的井底流动压力为

则dt时间后的井底压力为

则当t时刻时，总的出水量为

式中：Q 为出水量，m3/s；pe为供给压力，Pa；pat为钻井作业出口处在环空顶部的压力，Pa；Tav为气体平均温度，K；K 为渗透率，μm2；ROP 为机械钻速，m/h；μ 为液体的黏度，Pa·s；re为供给半径，m；rw为油井半径，m；aa，ba为中间参数；t为进入水层的时间，h。

3 地层出水量钻具黏卡的定量风险模型

钻遇水层后，在压差的驱动作用下，地层水将侵入井筒，地层水进入井眼环空后，细小的岩屑（尤其是泥质含量较高的岩屑）遇水后就会黏结成块。随着出水量的增加，当岩屑和水的比例达到一定值时，岩屑就会黏附在钻具表面与井壁表面，形成泥饼环，使环空通道变小，使得岩屑不能被气体携带到地面，从而造成钻头泥包、甚至黏附卡钻和掩埋钻具等井下复杂情况。

工程岩土学中对黏性土不同含水量情况下的状况和性质有明确的描述[12]，随着含水量的增大，黏性土可由固态、半固态（坚硬或半坚硬状态）变为可塑状态，最后变为类似于钻井液的流动状态（见图2）。黏性土这种因含水量变化而表现出的各种不同物理状态的现象，在土壤学和工程岩土学中即称为黏性土的稠度。黏性土的稠度，实际表征着土粒间的连接强度或土粒相对活动的难易程度。随着含水量变化，黏性土逐渐由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水量，即界限含水量，也称为稠度界限。黏性土稠度状态的较为详细划分见表1。

图2 不同含水量情况下的黏土状态示意

气体钻井中，当黏土处于固态和半固态时，岩屑颗粒能够随着气体的运移而向井口方向运动。当钻遇水层，地层水将岩屑润湿后，岩屑中含水量增加，而当其含水率增大到塑限进入可塑状态时，岩屑间发生明显的黏结，聚集成团，有部分润湿的岩屑甚至开始在钻柱和井壁上形成泥包。气体只能将聚集成团的岩屑向上带一段距离，大尺寸岩屑团会沉降，落到井底，这部分被润湿的岩屑和井底新产生的岩屑将有部分黏附到钻头上，钻头开始出现部分泥包。当出水量进一步增大，达到液限时，此时实际上已经不是气体钻井，而是转变为常规的钻井液钻井，因此也具有流动性。

表1 黏性土的各种稠度状态与稠度特征

由稠度指标可知，当黏性土含水率处于塑限和液限之间时，黏性土处于可塑状态，此时具有塑性体性质，可塑成任意形状，且能黏着于其他物体上，不具有流动性，因此，可将其引用到气体钻井中，将黏着界限作为黏卡钻具的临界条件。

根据王浩[13]的计算，在井筒达到稳定之前岩屑体积分数的计算公式为

由于t0较小，当钻遇水层前，井筒一般都达到了稳态，因此这里只讨论当t≥t0情况下钻遇水层的问题。

由于达到了稳态，故每米井筒内的岩屑量为

则地层出水后的含水量为

当ω刚刚大于黏着界限ωn时，即可认为岩屑间发生明显的黏结，聚集成团，有部分润湿的岩屑甚至开始在钻柱和井壁上形成泥包。

即

则钻遇水层后，形成泥包的时间为

式中：Qs为岩屑量，m3；ωi为天然含水率；L 为井深，m；Ca为环空岩屑体积分数；t0为第一粒钻屑返到井口的时间，h；Dbit为钻头直径，m；D 为井眼直径，m；d 为钻柱直径，m。

4 实例分析

基本数据和条件：井型为直井；水层顶界面4 160 m，计算井深4 160 m，计算步长60 m，地面温度15℃，井口回压200 kPa，供给压力39.975 MPa，出水层渗透率 0.158 3×10-3μm2，供给半径 1 000 m，黏土的塑限为25%，天然含水率为2%，第1粒钻屑返到井口的时间（即达到稳态的时间）为0.149 h。

地层参数：0～2 190 m为泥岩，机械钻速为14 m/h；2 190～3 200 m 为粉砂岩，机械钻速为 12 m/h；3 200～5 237 m为泥岩，机械钻速为8 m/h。地温梯度均为3℃/100 m。

井身结构参数：采用φ339.7 mm×300 m+φ244.5 mm×3 260 m+φ215.9 mm的优化井身结构，套管粗糙度均为0.003 0 mm，裸眼段粗糙度为0.020 0 mm。

钻具组合参数（3 260～5 916 m）：φ215.9 mm 钻头×0.25 m+φ214 mm稳定器×1.50 m+φ159 mm螺旋钻铤×1.38 m+φ214 mm 稳定器×1.50 m+φ178 mm 钻铤×54 m+φ214 mm 稳定器×1.50 m+φ165 mm 钻铤×54 m+φ214 mm稳定器×1.50 m+φ159 mm双向稳定器×4.10 m+φ159 mm 钻铤×54 m+φ127 mm 加重钻杆×135 m+φ127 mm钻杆。钻具粗糙度均为0.000 3 mm。

气体参数：以空气作为介质，以120 m3/min的流速注入，相对密度1.00。

通过分层迭代计算可算出水层顶界面压力为

由于钻到水层前达到了稳态，利用式（7）得出每米井筒内的岩屑量Qs为1.05×10-5m3。

则地层出水后的含水量为

当 ωn≤ω（t）时，开始泥包：

解得：

由此可知，当出水4.06 s后井下就开始泥包，速度非常快。

5 结论

1）分阶段对钻遇水层后的出水过程、地层水与岩屑相互作用情况、岩屑运移状况进行描述。地层水侵对气体钻井影响非常大，能够在极短的时间内改变原本的流型状况，润湿岩屑，从而改变岩屑的运移条件，造成岩屑运移困难，压差卡钻，堵塞井眼，危害巨大。

2）建立了基于达西稳定渗流的出水量预测模型，能够计算钻遇水层后任意时刻地层的出水量，对现场施工具有一定的指导意义，也为下一步预测钻具黏卡奠定了理论基础。另外，模型表明计算出水量的井底流压就是水层顶界面的压力，使计算简便。

3）引入工程岩土学中稠度的概念，将岩屑的黏着界限作为压差卡钻的临界条件，建立了地层出水量黏卡钻具的定量风险模型，能够预测地层出水到钻具发生黏卡的具体时间，为气体钻井施工提供重要参考。从地层出水到钻具发生黏卡时间十分短暂，基本在几秒钟之内就会发生井下事故，因此，要提前做好出水层预测和转换钻井方式的准备工作。

[1]张辉，刘功威，兰凯，等.欠平衡钻井技术在元坝121H井的应用[J].断块油气田，2014，21（4）：524-526.

[2]宋玉龙，杨雅惠，曾川，等.临界携液流量与流速沿井筒分布规律研究[J].断块油气田，2015，22（1）：90-93，97.

[3]刘刚.气井携液临界流量计算新方法[J].断块油气田，2014，21（3）：339-340，343.

[4]陈元千，张霞林，齐亚东.水平气井二项式方程的推导与应用[J].断块油气田，2014，21（5）：601-606.

[5]李祖光，蒋宏伟，翟应虎，等.气体钻井地层出水量理论模型[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009，28（增刊 1）：8-10.

[6]Jiang Y F，Liu H，Liu Z H，et al.Study and application of formation water production and borehole wall stability prediction technologies in Daqing gas/foam drilling [R].IPTC13499，2009.

[7]刘伟，刘波，李黔，等.气体钻进过程地层液体侵入量预测方法[J].钻采工艺，2010，33（1）：8-10，122.

[8]唐贵.欠平衡钻井过程中的随钻试井解释[D].成都：西南石油学院，2004.

[9]唐思洪，孟英峰，李皋，等.欠平衡钻井随钻储层评价技术方法与应用[J].新疆地质，2011，29（1）：103-105.

[10]贾红军，孟英峰，李皋，等.气体钻进过程地层液体侵入量计算及携液规律研究[J].钻采工艺，2013，36（2）：1-5，147.

[11]Lyons W C，Guo B，Seidel F A.air and gas drilling manual[M].曾一金，樊洪海，译.2版.北京：中国石化出版社，2006：131-144.

[12]长春地质学院工程地质教研室.工程岩土学[M].北京：地质出版社，1980：50-59.

[13]王浩.深水钻井岩屑浓度分布及迟到时间计算[J].科学技术与工程，2012，20（32）：8660-8662.