高压盐水层控压放水室内实验研究

梁红军， 李 军， 李卫东， 杨宏伟， 贾红军， 黄 涛

(1中国石油塔里木油田公司 2中国石油大学石油工程学院·北京)

近年来，克拉苏构造带钻高压盐水层溢流的井数总体呈上升趋势，2009～2018年克拉苏构造带发生高压盐水溢流井29口，占钻井总数的25%以上，共漏失钻井液上万方，累计损失时间上千天，损失钻井费用超亿元[1-3]。控压放水工艺技术可以有效地解决上述问题，但目前该技术仅处于探索状态，缺乏适应性评价技术体系。田径[4]最早提出了一种放喷卸压技术，为控压放水技术的应用奠定了基础，但该技术需要采用特殊的设备，经济效益差；程天辉[5]首次详细的介绍了控压放水技术在克深905井的成功应用，但其结果缺乏理论支撑。

为了探究控压放水过程中地层压力和排水量之间的关系，以及地层渗透率、井底负压差、回压对地层压力和排水量的影响，根据盐间水层透镜体的圈闭特性，本文建立了一套控压放水室内试验装置。通过改变渗透率、井底负压差、回压等参数，实时测量地层压力和排水量的变化，分析地层压力与排水量之间的关系，以便为控压放水的方案制定和现场作业提供参考。

一、控压放水实验装置

高压盐水层透镜体通常属于小的圈闭，采用合理的防水方式可以降低盐间水层透镜体的压力系数。因此本文采用一个大型水罐来模拟含水透镜体，通过向大型水罐中注入水和高压气体来模拟高压盐水。不同地层的渗透率通过一个节流阀的不同开度来模拟，井底压差和井口回压也通过节流阀开度来施加。控压放水实验原理图如图1所示。

图1 控压放水实验原理图

V1—地层渗透率；V2—施加井筒压力；V3—施加井口回压；p1—地层压力；p2—井筒压力；p3—井口回压；Q1—排水量

控压放水实验系统中主要的实验装置有：空气压缩机、大型水罐、水罐、压力传感器、流量传感器、节流阀和采集系统。采集系统可以实时的采集放水过程中各个压力传感器和流体传感器的数据。

控压放水过程中，地层压力和排水量与地层渗透率、井底负压差和井口回压有关，这些参数在实验过程中都通过节流阀开度来控制。实验过程中，控制其中一个参数变化，其他参数不变来探究地层压力和排水量的变化。

二、实验结果与分析

1. 渗透率影响实验

在其他条件相同的情况下，设置不同的地层渗透率，放出相同水量的过程中地层压力、放水速率以及排水量与地层压力之间关系的变化曲线如图2～图4所示。

图2 不同渗透率条件下放出相同水量的过程中地层压力的变化

图3 不同渗透率条件下放出相同水量的过程中放水速率的变化

图4 不同渗透率条件下放出相同水量的过程中地层压力随排水量的变化

图2和图3的实验结果表明，随着地层渗透率的增加，地层压力降低速率和放水速率显著增加，但其对时间的敏感性逐渐降低。这主要是因为在高渗透率的地层中，地层渗流阻力小，流体流动性好，所以排水速率较高；由于地层含水量与地层压力的耦合关系，出水速率较高导致地层压力降低速率也增加。此外，由图4可知地层渗透率仅对地层压力降低速率有影响，而对地层压力降低的量影响较小，地层压力降低的幅度主要取决于排水量。

2. 井底负压差影响实验

在实验中，不同井底负压差是通过在相同的地层压力下设计不同的井筒压力来实现的。在调节井筒压力的过程中保持其他参数不变，放出相同水量的过程中地层压力、放水速率以及排水量与地层压力之间关系的变化曲线如图5～图7所示。

图5 不同井底负压差条件下放出相同水量的过程中地层压力的变化

图6 不同井底负压差条件下放出相同水量的过程中放水速率的变化

图7 不同井底负压差条件下放出相同水量的过程中地层压力随排水量的变化

图5～图7实验结果表明，井底负压差越大，排水速率越大，地层压力的下降速度和幅度都会更大。但在相同排水量的条件下，地层压力的降低幅度无法确定，还要取决于渗透率和孔隙度决定的地层渗流阻力。

3.回压影响实验

实验中井口回压的控制通过调节阀门V3实现。放出相同水量的过程中地层压力、放水速率以及排水量与地层压力之间关系的变化曲线如图8～图10所示。

图8 不同井口回压条件下放出相同水量的过程中地层压力的变化

图9 不同井口回压条件下放出相同水量的过程中放水速率的变化

实验结果表明，井口回压越小，在放水过程中排水速率越大。井口回压对地层压力变化的影响不明显，但在相同排水量的条件下，井口回压越小，压力下降幅度越大。

图10 不同井口回压条件下放出相同水量的过程中地层压力随排水量的变化

三、结论

(1)建立了控压放水室内实验装置，以此来探究排水量和地层压力变化的关系，以及地层渗透率、井底负压差和井口回压对排水量和地层压力变化的影响。

(2)地层渗透率、井底负压差对排水量和地层压力的变化速率影响较大，而对地层压力的变化量影响较小；地层压力的变化量主要取决于放水量。

(3)由于回压的调节范围有限，所以其对地层压力的降低速率和降低量影响较小，但会对放水速率有一定的影响。这也表明放水速率对压力的敏感性较高。