漏失压力研究现状

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1 井漏成因
井漏的发生时必须具备一下 3 个条件:井筒中工作液的 液柱压力大于地层孔隙、裂缝或溶洞中的流体的压力;地层 中必须存在漏失通道以及较大的足够容纳液体的空间;其漏 失通道的开口要大于外来工作液的固相颗粒尺寸。只有当这 三个条件同时满足时才会发生漏失,现场发生漏失的原因可 以分为自然漏失和人为漏失。
中国西部科技 2012 年 10 月第 11 卷第 10 期总第 279 期
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漏失压力研究现状
王金刚 张 杰 段小康 陈 俊
(长江大学石油工程学院,湖北 荆州 434023)
摘 要:本文介绍了井漏、井漏的原因及现象,总结和分析了国内外对漏失压力的研究现状,并提出加大漏失压力理论研究 力度,尽快得出准确有效的漏失压力计算模型,便于更高效地指导现场防漏堵漏。 关键词:井漏;堵漏;漏失压力;计算模型 DOI:10.3969/j.issn.1671-6396.2012.10.013
(3)漏失理论研究不完善。指导现场堵漏的理论主要 是静平衡压力法,其次还有单向压力封堵和桥塞充填法等, 并且封堵的力学机理并不清楚。
(4)对于漏失压力的机理目前停留在定性描述阶段, 并没有从孔隙地层或裂缝地层的特征出发进行深入系统的 研究。钻井液性能、漏失通道、施工参数等对井漏的影响, 缺乏较准确的定量评价模型,需要进一步深化井漏机理的研 究和认识,建立和完善漏失类型的理论模型。
2 国内外对漏失压力的研究现状
2.1 国内研究现状 在国内,对于漏失压力的确定尚无成熟的理论。目前,
比较常用的主要有基于力学的漏失压力计算模型和基于统
计学的漏失压力计算模型等。
力学模型主要是从力学角度来分析,当钻井液液柱压力
增大时,井壁周围径向应力增加,周向应力降低,如果在最
大水平地应力方位,径向应力(最大主应力方位)和周向应
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开发应用
式中:Pn为岩层孔隙压力;μ为岩石波松比;S为岩层上 覆压力;St为岩石抗张强度;K为构造应力系数[6]。 2.2 国外研究现状
1967年,马修斯和凯利(Matthews,Kelly)提出了一个
预测模式:
( ) Pf = Pp + Ki S − Pp
——(式4)
式中Pf为地层破裂压力;Pp为地层孔隙压力;Ki为随井 深而变化的基岩应力系数;S为上覆岩层压力。由于马修斯
[作者简介] 李鑫(1983-),男,吉林白山籍,大学本科, 助理工程师,研究方向为地质构造与地质成矿。
5 结论与建议
(1)加大新型复合堵漏材料的研究,以提高堵漏效率。 (2)选用合理的钻井液密度和类型,实现近平衡压力 钻井;降低钻井液的环空压耗;降低开泵、下钻和下套管过 程中的激动压力等。 (3)加大漏失压力理论研究力度,尽快得出准确有效 的漏失压力计算模型,以更高效地指导现场防漏堵漏。
参考文献:
[1] 朱亮,张春阳,楼一珊,孙文化,李忠慧.两种漏失压力计算模型的比较分 析[J].天然气工业,2008.
强度来正确地界定基尔希方程中的漏失压力。然而,应力桥
显示的最大压力与颗粒的抗压强度是成正比的。换句话说,
抗压强度大的粒子可能比抗压强度小的粒子具有更高的漏
失压力。同时,裂缝入口附近应力桥的建立,能阻止流体进
一步地流动到裂缝深部,使井眼漏失压力提高。
2008 年,国外塔尔萨大学的 Majidi.R 等人提出一种新
力预测模式中应根据主地应力的影响来定。其中垂向地应力
可以认为是由上覆层重量产生的;而水平地应力系由两部分
组成:一部分是由上覆层的重力作用引起的,它是岩层波松
比的函数;另一部分是地质构造应力, 它与岩层的波松比
无关,并在两个方向上一般是不相等的。(2)地层的破裂是
由井壁上的应力状态来决定的。考虑深部地层中的水压裂主
[7] 刘招君,柳蓉.中国油页岩特征及开发利用前景分析[J].地学前缘, 2005,12(3):315-323.
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的模型来描述钻井液以非牛顿流体的形式进入自然裂缝。该
模型的方程是基于钻井液和压力在储集层中扩散所遵循的
质量守恒定律和线性动量守恒定律来建立的。该方程能够在 一定程度上解释钻井液的流变性怎样影响漏失的。它可以在 给定的钻井液地层流体和施工参数的情况下预测漏失速率。 相反,通过连续不断地监测漏失速率可以估算漏失压力并配 制合适的钻井液来减少漏失速率。
3 目前对漏失压力问题的研究存在以下研究不足
(1)基础参数(地层岩石力学和地应力参数)不够准 确,这主要在于实验手段和测量技术的局限性,同时利用测 井资料研究漏失层的方法有待改进。
(2)现有的理论计算模型的不完善,具有一定的局限 性,缺乏对漏失控制因素、漏失影响程度及规律的描述,从 而影响到漏失压力及漏失量的准确计算和评价分析。
力(最小主应力方位)使地层造成剪切破坏,就认为地层周
围出现裂缝,地层发生漏失,则认为此时的钻井液液柱压力
即为漏失压力。用该力学模型得到的结果较实际值偏大,主
要是因为力学模型是在非渗漏条件下推导出来的,故计算结
果不符合实际。而且力学模型的适用条件还需进一步研究。
基于统计的漏失压力计算模型是从大量的现场井漏资
[5] 高明修.中国东部盆地系与美国西部盆地山脉构造对比及其成因机制. 见:朱夏主编.中国中、新生代叠加盆地构造和演化[M].北京:科学出版 社,1983:137.
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(下转第 22 页)
22
开发应用
[4] 李思田,吴冲龙.中国东北部晚中生代断陷盆地模式在松辽深部煤成 气预测中的可能应用[J].地球科学,1986,11(5):473-479.
Pf
=
Pp
+
μ 1− μ
(S

wk.baidu.com
Pp
)
——(式5)
1973年,安德森(Anderson)等探索从测井资料中获取足
以确定地层破裂压力的系数,考虑了井壁上应力集中的影响,
并根据特查希(Terzadhi)的实验结果对毕奥特(Biot)弹性
多孔介质的应力、应变关系式进行简化后导出的预测模式:
Pf
=
Pp
+
2μ 1− μ
和凯利认为上覆岩层压力梯度等于1.0磅/平方英寸*英尺,是
不随深度变化的常数,因而不符合实际情况。而且Ki值需要 大量实际压裂资料来确定,所以未得到推广应用。
1969年,伊顿(Eaton)提出上覆岩层压力梯度不是常
数而是深度的函数,可由密度测井曲线求得,并把式1中的Ki
值具体化为μ(1-μ),μ为地层的泊松比。提出的预测模式:
漏事故,包括墨西哥湾的深水诱导裂缝性储层漏失和中亚地
区的天然裂缝性储层漏失。Lavrov 等通过数值模拟对与井
筒连通的单条裂缝工作液漏失问题进行研究指出,工作液的
稠度系数越大,漏失速率越小;裂缝的长度越长、初始开度
越大,工作液的漏失速率越大;另外,工作液的漏失动力学
特性对井筒压力与地层压力的差值非常敏感,而基本上不受
料的研究结果来分析,钻井液发生漏失与钻井液密度、钻井
液黏度以及地层漏失通道特性等多因素有关。经过对某地区
多孔隙地层的漏失速率的统计分析,可以通过建立压差与漏
失速率间的关系模型来描述 ,其表达形式为:
Q=kΔPn
——(式1)
式中:Q为漏失速率;K为漏强系数;ΔP为压差;n为说
明钻井液渗漏状态的系数:n = 1时为中等孔隙度环境,n = 2
(S

Pp
)
——(式6)
安德森提出用测井资料确定砂岩泥质含量和孔隙度并
找出它们与岩层泊松比的关系后才能确定μ值,而对非砂岩
地层却无法预测[8]。
近几年,Ivan 等从现有的产品、体系和服务出发,介
绍了井漏评估和计划程序,分析和评估与工程相关的漏失问
题。该程序的独特结构使得其成功控制或减少了很多恶性井
人为漏失(诱导性漏失)常常发生在孔隙裂缝发育的油、 气、水层。这类地层因孔缝发育,连通性好,对压力比较敏 感。在钻井过程中,井内钻井液当量循环液柱压力大于地层 抗破坏能力(即地层压实或胶结过程中形成的强度),或大 于地层孔隙、溶洞中流体的压力且漏失通道的尺寸大于钻井 液中固相粒径,把钻井液压入了漏失通道而发生漏失。在施 工过程中由于钻井工艺措施不当,如开泵过猛、下钻过快等 而造成井下压力激动产生诱导性裂缝。一般说来,这类漏失 通道没有明显的“喉道”,桥堵浆难以“架桥”,因而这类井漏 的处理难度比较大。
4 目前研究的方向
通过调研分析认为,当钻井液产生的压力大于地层压力 时,地层将会发生钻井液漏失,漏失量与钻井液的密度、粘 度、流变性、地层温度、裂缝大小、倾角及施工参数等各种 因素有关,其中每个因素都直接或间接的影响漏失速率。故 可用控制变量法分别研究每个因素对漏失速率的定量影响 关系,然后再综合考虑,得出漏失压力的计算模型,以便指 导现场堵漏。
井筒参数的影响。
2004年,Aadnoy 和 Belayneh根据力学平衡的要求提出
的简单应力桥模型。基尔希方程能够用一种连续介质力学的
方法来描述这一阶段。假设一个简单的方案,各向异性的水
平应力作用下的直井,漏失压力是:
Pl =3δh-δH-Po+Stensile
——(式7)
该模型的创新点是能根据地应力状态和岩石单轴抗张
要是形成垂直裂缝,其起裂是由于井壁上的有效切向应力达
到或超过岩层的抗张强度而产生的。从假定井眼周围处于平
面应力状态出发,利用弹性理论中Kursh关于无限平板中的
小圆孔周围应力的解,可以导出地层破裂压力Pf的公式:
( ) Pf
= Pp
+
⎛ ⎜⎝
2μ 1− μ

K
⎞ ⎟⎠
S − Pp
+ St
——(式3)
井漏是指在钻井、固井、测试等各项作业过程中,工作 液在压差的作用下漏失到地层中的一种井下复杂情况,是钻 井工程中的技术难题之一。井漏由于地质条件及工程因素的 综合作用而表现出复杂性,给井漏复杂情况的处理带来了困 难,井漏会造成耗费钻井时间、损失钻井液和堵漏材料、甚 至导致井壁垮塌、卡钻、固井失败、井喷、井眼报废等严重 后果,造成经济、物质的巨大损失,而且还会对产层造成损 害,影响后期采油作业。漏失压力是地层发生漏失现象时的 最高承压临界值,是地层漏失性质中的一个重要组成部分。 确定地层漏失压力是提高防漏堵漏成功率的关键。
时为微孔隙环境。设漏失处的孔隙压力为Pn,则该处的漏失 压力:
Pl =Pp+ΔP
——(式2)
该模型相对于基于力学的漏失压力模型更符合实际,实
用范围比较广泛,但该模型中漏强系数K的值由多种因素影
响,故在实际应用中无法确定K值,有待进一步研究[1]。
黄荣樽教授在总结前人研究的基础上提出了黄氏模型,
他有两个条件:(1)地应力一般是不均匀的,在建立破裂压
自然漏失(也叫压差性漏失)是由于钻井液液柱压力作 用于井壁地层的动压力(即有效液柱压力)超过地层裂缝内 流体压力,并且井壁附近地层裂缝网络连通即可发生天然裂 缝性漏失。其漏失量大小主要取决于井筒动压力与地层孔隙 压力的差值、天然裂缝发育程度及连通情况、裂缝宽度、裂 缝长度、漏失通道内流体的流变特性等。一般说来,这类漏 失通道具有比较明显的“喉道”,桥接堵漏一般都能达到比较 好的效果。
若得出该计算模型,在钻井现场中将会有很大的实用 性。如钻遇漏失层时,要想安全钻进,安全密度窗口必须减 小,但这样不利于继续钻进。若想保持安全密度窗口不变, 且使漏失量稳定在一定的范围内,则可根据该模型定量地计 算出能满足需要的钻井液(通过改变钻井液粘度、流变性等 参数)。这样既能保证较小的漏失量,又能继续安全钻进。
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