地层—井筒耦合条件下的压力控制实验装置研究

唐 贵, 邓 虎, 舒 梅

中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

随着油气勘探开发逐渐向深层、超深层、海相地层转移，钻井深度的不断增加，钻井难、钻井慢、井控风险高等问题日益突出[1- 2]。深部海相地层裂缝发育，存在多压力系统，地层流体流动规律复杂，钻井过程中井漏、溢流频发，压力控制难度大，尤其是在同一裸眼井段的溢漏同存，复杂程度将进一步加剧，井控风险更高。并且深部海相地层一般含有硫化氢等酸性气体，压力控制不到位，对钻井设备及人员将造成不可逆转的伤害[3- 7]。

为此，近年来控压钻井技术得到了广泛的应用，并为掌握控压钻井过程中井筒流体流动规律，不少研究人员对控压钻井井筒流体流动规律进行了较多研究，探讨了裂缝地层漏喷同存发生的转换机制和发生条件，为了工艺控制和参数优化提供了一些基础。

舒刚等[8]对裂缝内发生重力置换的条件及气液流动规律进行了研究，分别建立了气相模型和液相模型；刘绘新等[9]针对裂缝性储层的特点构建了对应的井筒物理模型，提出了裂缝性储层井控原理及井控技术；贾红军等[10]通过实验研究了垂直井钻遇水平缝时的气液重力置换规律；孔祥伟[11]考虑重力置换的恒定性、气侵的可变性，提出了重力置换与溢流气侵的判断三准则；李军等[12]开展了气液重力置换模拟实验并提出了相关的预防措施。周刘杰[13]利用气液重力置换实验装置观察裂缝中存在明显气液分界面，建立了钻遇裂缝时的置换窗口；Xiao等[14]建立了气液重力置换的数学模型并通过实验进行了验证，针对现场应用提出了一种实用的解决方法；李军等开展了气液重力置换模拟实验并提出了相关的预防措施；戴成等[15]根据实验数据得到了钻井过程中的漏失、溢流以及发生置换的空间；Li等[16]研究了水平井与垂直裂缝相交时发生的气液重力置换现象。但是前期的研究工作大部分基于井筒单相或气液两相流动，对地层裂缝与井筒间复杂的耦合流动规律，尤其是不稳定流动的研究较少，且集中于理论认知。

基于地层—井筒多相流压力的计算的复杂性，本文设计建立了一套地层—井筒耦合条件下压力控制的实验装置，对流体流动规律进行实验研究，为进一步分析控压钻井过程中的流动规律、深入揭示控制压力过程中的地层—井筒流体压力变化特征等提供实验条件，为裂缝性地层安全钻井提供保障。

1 模拟实验装置

1.1 模拟实验装置的研究意义

在钻井过程中，由于地层压力与井底压力的差可能形成溢流或者漏失，如图1所示。对于裂缝性地层或者多压力系统层系，经常引发漏失与溢流共存的现象，压力变化难以预测，压力平衡难以调整，井下复杂事故频发，严重制约勘探开发进度。为了对这一现象的机理进行深入探讨，笔者建立了一套模拟实验装置，如图2所示，能够完成单纯溢流、单纯漏失和溢漏同存的定量化分析和理论研究验证。本装置实现了地层—井筒—井口一体化分析，突破以前只能够实验和监测单一流动区域的限制，满足关键节点单元的协同调整和优化分析，形成了基于井筒多相管流的综合压力控制实验平台，同时实验装置具有可视化特征，能够进一步开展岩屑运移和封堵防漏等多种实验，具有一定的扩展性。

图1 溢流、漏失与溢漏同存现象示意图

图2 地层—井筒耦合条件下的压力控制实验装置示意图

1.2 模拟实验装置的系统组成

模拟实验装置主要由地层模拟单元、井筒模拟单元、气体注入单元、液体注入单元、数据采集单元和井口压力控制单元及其他配套设备组成。模拟实验装置的主要关键参数如表1所示。井筒模拟单元为外径159 mm、壁厚5 mm、长度33 m的有机玻璃管，井筒内有一根外径50 mm、壁厚2 mm的不锈钢。井底有漏失出口和气体注入口，漏失出口设有精确漏失阀，可调节井底漏失量大小，气体注入口采用割缝管方式与注气单元连接，通过改变割缝管泄流面积模拟裂缝地层，气体注入口设有压力传感器，可测量气体注入压力，如图3所示。

表1 实验装置关键参数

图3 可视化管线图

注气单元包括空压机、储气罐、流量计及相关管线。注气单元设有精确调压阀和流量计，以精确调整注气量与模拟地层压力，而模拟地层压力可通过设在单向阀后的压力传感器获得。为防止井筒内液体倒灌进入注气单元，在流量计后方设有单向阀。注液单元包括高压往复泵、液体流量计以及相关液体管线，注液单元连接模拟钻杆，从钻杆注入模拟钻井液进入井筒环空，随后从井口排出，模拟钻井液在井筒内的流动过程，通过调节往复泵可以调节钻井液的注入量。井口压力控制单元包括回压阀、节流阀，可以模拟钻井作业时不同井口压力控制方法。数据采集单元主要对所采集的压力和流量信息进行处理，并自动绘制图表。

2 实验步骤与实验参数设置

2.1 实验步骤与控制原理

开展单相漏失实验时，开启高压往复泵，钻井液在高压往复泵作用下通过注液单元注入模拟钻杆，从井底进入井筒环空并在井口返出，模拟钻井作业中的钻井液循环过程。开启漏失阀，使得部分钻井液在井筒底部流出，模拟井漏工况。通过井口的流量计和注液单元的流量计可计算出漏失量，通过分布于井口、井筒中部以及井底的压力传感器测量井筒压力分布。随后调节井口的回压阀或节流阀，改变井口压力，探讨不同井口压力条件下钻遇裂缝性地层时钻井液漏失规律以及井筒压力分布规律。开展气液两相纯气侵实验或气液两相溢漏同存实验时，开启空压机，将气体从井底注入井筒，模拟气侵工况;同时开启漏失阀，使得部分钻井液在井筒底部流出，则可以模拟溢漏同存工况，如图4所示。

图4 不同实验的控制原理

2.2 实验参数设计

实验过程中通过改变实验台架倾角、水的密度、水的粘度、泵的排量、漏失阀开度、裂缝高度、节流阀开度从而探讨井口回压、钻井液漏失量、注气压力、注气流量、井口压力、井中压力、井底压力之间的关系，详见表2。

表2 实验参数设计

3 模拟实验及结果分析

3.1 不同地层压力下的气侵实验

当钻井液以排量1.11 L/s进行实验时，以三种注气压力模拟不同地层压力下的气侵规律，结果见图5所示。初始状态下，井筒内为纯液相，井筒压力为0.36 MPa，在实验的第12 min时，气体开始侵入；分别注入压力为0.57 MPa、0.61 MPa、0.65 MPa的气体，即代表地层压力，井眼被气侵，此时，井底压力平均0.51 MPa、0.55 MPa、平均0.59 MPa，上升幅度分别是42%、53%和63%。第20 min后，逐渐控制井口压力，到完全控压平衡时，三种注气压力下的井底压力分别上升7.8%、7.2%和6.7%。

图5 气侵控压时井底压力变化图

该实验表明，当井底压差越大，气侵后井底压力上升越多；而进行节流控制后，到完全控压平衡过程中，井底压力的上升幅度很小。

3.2 不同钻井液排量下的气侵实验

当地层压力与井底压力的压差不变时，采用3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的钻井液排量进行实验，并记录井口、井底压力与节流阀开度变化情况。图6为当地层压力与井底压力的压差不变时，采用不同钻井液排量的井底压力变化示意图。如图6中3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h的钻井液排量对应的初始井底压力分别是0.31 MPa、0.36 MPa、0.4 MPa，为保证相同的气侵量，即相同的地层压力与井底压力的压差，对应的地层压力分别是0.55 MPa、0.6 MPa、0.64 MPa，此时地层压力与井底压力的压差均为0.24 MPa。在相同压差下，钻井液排量为3 m3/h、4 m3/h、5 m3/h时，井底压力上升幅度分别为58%、54%和45%左右，排量越大，气侵后井底压力上升得越慢。

图6 不同排量下井底压力变化图

不同排量下的气侵节流阀开度变化见图7所示。从随着节流阀开度的调整，一开始节流阀下降的时候并没有引起井口压力的变化，随着节流阀开度下降到20%的时候，井口压力出现明显变化，但是针对不同的排量，节流阀开度起到明显作用的时间并不一样。排量越大，节流阀开度比较大的时候就能够明显改变井口压力。这是因为排量越大，节流阀的节流压差效应越明显，能在更大的开度内改变压力。

图7 不同排量下的气侵节流控压实验数据

3.3 井漏条件下的压力控制实验

为了模拟井下漏失，在环空底部设置液体出口，液体经过地层裂缝模拟单元流到储液罐，实现液体井漏模拟。开始时，调整节流阀开度在井口施加一定回压；实验过程中，通过增大节流阀开度，模拟井底压力下降；当节流阀开度增到一定开度时，井底压力与地层压力平衡后，实现抑制井漏。通过改变漏失量，模拟不同井漏情况下的井筒流动规律，添加堵漏材料进一步模拟堵漏效果。如图8所示，当漏失量为0.29 m3/h、0.48 m3/h和0.65 m3/h时，漏失时井底压力下降值分别是0.04 MPa、0.05 MPa和0.07 MPa；当井漏完全被抑制时，井底压力下降值分别是0.156 MPa、0.166 MPa和0.174 MPa。漏失量越大，平衡时的井底压力越小，过小的井底压力易引起溢流，在窄密度窗口的地层中钻井常引起喷漏同存，处理难度较大，是瓶颈问题之一。

图8 不同漏失量下井底压力变化图

3.4 模型验证

为了进一步将实验结果与理论进行验证分析，本文采用徐朝阳[17]等人建立的AUSMV模型对气侵工况进行验证，验证的结果如图5中的验证计算曲线所示，实验测试过程中数据波动较大，而理论计算模型结果较为光滑，综合分析精度为94.3%，具有较好的精确性，说明本实验装置的测试数据可以为实验模型的验证提供基础数据，有利于指导模型的修正和完善。

4 结论

(1)研制了一套可以完成单纯气侵、单纯漏失与溢漏同存等多种工况的实验模拟装置，该装置具备裂缝宽度与井口回压可调、可视化观察等特点，实现了流体在地层—井筒—井口一体化分析的目标。

(2)在实验装置中，当节流阀入口压力保持恒定，节流阀开度与出口压力呈正相关关系；节流阀开度下降到20%的时候，井口压力出现明显上升变化。排量越大，调节节流阀开度时就能够明显改变井口压力。将气侵数据与理论模型进行对比，计算精度为94.3%，具有较高的准确率。

(3)实验装置通过改变节流阀的开度模拟井底压力对漏失量的影响，当漏失量越大，井底达到平衡时，井底压力下降值越大；漏失量在总排量中占比越小，对压力的影响就越小，漏失也越容易通过调整节流阀得到控制，与实际施工情况相符。