多气压系统规律研究

多压力系统气层溢漏同存是指同一裸眼井段存在多个压力系统，气层压力变化不规则，高低压层交替，受井身结构的限制，不可能把各个过渡带分隔开来，井深且裸眼段较长，钻进过程中经常发生漏失与溢流共存的井下复杂情况。钻遇多压力系统气层，压力平衡极难调整，溢漏同存等恶性事故频发，严重影响钻井周期，制约勘探开发速度［1］。研究多压力系统气层溢漏同存规律，以有效解决漏失与溢流共存的复杂问题，对优质高效钻井和现场溢漏同存的处理技术具有重要的指导意义。

1多压力系统气层溢漏同存现状我国鄂西渝东及川东北探区、渤海辽东湾探区、塔河油田奥陶系地层等存在较多多压力层系的井，这些区域构造陡、地层破碎、断层多、裂缝和孔洞发育，同一长裸眼井段上、下地层压力系数相差悬殊，多套压力系统共存，常规钻井方式钻进极易发生溢漏同存的复杂情况［2-3］。

1.1典型事例川东地区碳酸盐岩地层压力系数不均，常有异常低压带和高压带同存于一个裸眼中，有时造成喷漏相通，上喷下漏、下喷上漏或先漏后喷，喷漏同层又漏又喷，因此漏喷同存的情况时有发生。据不完全统计，在川东已钻过的构造中漏喷同存的发生率为30％左右。受漏失与溢流困扰较为典型的华西2井，钻至井深1569m发生井漏，经边钻进边堵漏，用密度1.24g/cm3钻井液钻至2352m，发生溢流，处理过程中漏失钻井液1663m3，溢流40m3。云安4-1井用密度为1.41g/cm3钻井液钻至4393m发生气侵，循环加重至1.45g/cm3发生井漏，漏速25m3/h，井内H2S含量较高使得井内钻具断成多节，处理长达半年多。

1.2研究现状多压力系统气层溢漏同存处理难度、风险大，工艺技术复杂，稍有不慎就会引发破坏性甚至灾难性的事故，所以预防和处理溢漏同存的堵漏压井技术成为多年来主攻的技术难点之一。目前国内外对溢漏同存的堵漏压井处理工艺技术进行了广泛研究，通过实验和实践也建立了许多单一漏失模型和公式，但对溢漏同存的基础理论研究很少［4-5］。本文建立了多压力系统溢漏同存发生时井筒环空多相流的理论模型，并通过模型计算得出了溢漏同存的井筒环空压力以及气液流型与井深的关系，对现场漏喷同存处理技术具有重要的指导意义。

2多压力系统溢漏同存模型

2.1物理模型钻遇多压力系统气层时，由于同一裸眼井段存在多个压力系统，气层压力变化不规则，高低压层交替，难以建立井筒与地层的压力平衡。钻进高压气层时，采用高密度钻井液平衡气层钻进，如遇到发生漏失的地层，漏失造成钻井液液面下降，使井筒中的液柱压力低于气层的压力，导致高压层气体侵入井筒（见图1，其中pA，pC，pB分别为漏失层A，C和溢流层B的地层压力，p为井筒环空压力），井筒环空由单相液体流动变为气液两相流动，地层气和钻井液沿环空向上流动过程中，由于压力、温度等参数的变化，气液两相流动的形态将发生变化。气体随钻井液到达井口，由于作用在气体上的压力逐渐降低，使得气体体积急剧膨胀，一旦关井将使井口具有较高的压力，从而造成极高的压力施加在井底，此时若井筒压力高于高压气层的压力，溢漏发生转换。由于气井的漏失和溢流发生迅速且易燃易爆，所以给压井堵漏作业带来了直接困难。

2.2溢漏模型当地层本身存在钻井液流动的通道，或者由于井筒内流体压力大于地层破裂压力而人为形成的漏失通道，且井筒流体压力大于地层孔隙、裂缝或溶洞的流体压力时，钻井液将向地层漏失。研究表明，对于压差性漏失通道，即漏失通道性质不随井下压力变化，漏失方程为式中：p为漏失压差，MPa；pw为井底压力，MPa；pi为地层压力，MPa；k为漏失系数，与压差无关；ql为漏失速率，m3/s；n为漏失指数。当井底有效压力小于地层流体压力时，地层气体会在该压差下向井筒溢流；当井底有效压力大于或等于地层流体压力时，井内流体进入地层会将可扩散的气体从地层中置换出来。式中：qsc为标准状况下的产气量，m3/d；K为地层渗透率，10-3μm2；h为产层厚度，m；pf为地层压力，MPa；ph为井筒环空压力，MPa；T为地层温度，K；μ为平均气体黏度，mPa•s；Z为平均气体偏差系数；re为供给边界半径，m；rw为井眼半径，m；qg为地层气体溢流速率，m3/s。

2.3井筒环空气液流动控制方程假设液相密度为常数，忽略地层气体在钻井液中的溶解，且两相间无化学反应；环空内在同一位置处气液两相温度相同，无热量交换，井筒温度可由地温梯度求得。井筒气液两相流动方程组包含气相连续方程、液相连续方程及气液混合运动方程［6］，它们分别为f式中：ρg，ρl分别为气相、液相的密度，kg/m3；vg，vl分别为气相、液相的速度，m/s；p为压力，MPa；α为空隙率；（坠p/坠z）f为摩阻压力梯度，MPa/m；t为时间，s；z为沿流道长度，m。流型一直是气液两相流研究领域的重要内容，流型判别的意义在于根据其流动特征建立适用于该流型的摩阻压降模型。Taitel和Dukler根据流动机理确定了气液两相的4种流型，并得出了它们之间的转换界限；Hasan等人在Taitel和Dukler的研究基础上，对各流型的判别准则进行了修正和完善［7-10］。式中：g为重力加速度，m/s2；vsg，vsl分别为气相、液相的表观速度，m/s；σ为表面张力，N/m。

3模型求解与实例计算井筒环空气液两相流动控制方程是由偏微分方程组成的数学模型，包含与压力相关的流体物性、运动参数和无因次变量，而求解压力又需要这些相关参数，故难以求得解析解。本文用Mathcad软件编制程序，首先把求解问题在时间域和空间域内离散，时间按有限差分离散，空间沿环空分成许多有限体积单元体，然后逐时刻、逐单元地在全部时间域和空间域内计算求解［11-12］。川东地区碳酸盐岩地层压力系数为0.90～2.29，漏喷同存的情况时有发生。本文模拟同一裸眼中存在一个溢流层和漏失层在不同工况下的下漏上喷规律［3］。假设溢流层地层压力系数为1.25，漏失层地层压力系数分别以1.15，1.08，1.00，0.90计算，其他基本参数如下：漏失气层井深4996m，溢流气层井深4453m，钻井液黏度20mPa•s，钻井液密度1.20g/cm3，井口压力0.1MPa，钻井液排量18L/s，井口无节流，四开钻具组合为准152.4mm钻头+准120mm×（1.50～1.75°）高温螺杆+回压阀+准89mm无磁抗压钻杆+MWD（高温）+准89mm钻杆（18°）×500m+准89mm加重钻杆×500m+准89mm钻杆×600m+配合接头+准139.7mm钻杆（18°）×若干+准127mm钻杆×400m。由图2可知，漏失与溢流同时发生时的井筒环空压力，低于仅有漏失或仅有溢流发生时的环空压力。因为下部地层的漏失使得井内环空中钻井液流量下降，且溢流的地层气体不断将井筒环空的钻井液置换出去，造成高压溢流层处的地层压力与井筒压力的差值变大，使得上部高压气层的溢流更加强势，加速了天然气运移通道的沟通，致使溢漏同存后井内更为活跃，漏失也更加厉害。随着漏失层地层压力系数的降低，漏喷同存时的井筒环空压力降低。这是由于井筒与低压地层的漏失压差增大，地层的漏失通道变得更宽，连通性更好，同等密度的钻井液向低压地层的漏失更严重，尤其当漏失层压力系数为0.90时，几乎接近失返性漏失的临界状态，很难再建立井筒与地层的压力平衡，高压层气体向井筒溢流已经无法得到有效控制，气体向井口运移的同时也把井底的高压带到了井口，此时井控问题将变得相当棘手。表1说明了漏失与溢流同时发生和仅有溢流发生时，环状流、搅动流、段塞流、泡状流沿井深的分布情况。在溢流层附近气液混合物中含气率较低，混合物的平均流速较低，气体以分散的气泡形式且高于钻井液的流速向上滑脱；当气液混合物继续向上流动时，压力不断降低，气体不断膨胀，含气率增加，气相与液相以混杂的、振荡式的形式运动，在井口附近气液两相流型变为环状流；漏失与溢流同时发生时，漏失使得井筒环空钻井液液柱压力降低，气体溢流量和能量较仅有溢流发生时大，气液两相流型在较深井段便发生转化。值得说明的是，井口环状流的携岩效果较差，实际钻井过程中可通过适当调节钻井参数（增加回压等）避免出现环状流。随着漏失层压力系数的降低，钻井液不断向地层漏失，造成环空气液两相的持液率降低，气体滑脱和膨胀运移越迅速。因此，泡状流的范围逐渐降低，搅动流和环状流的范围增加，尤其当漏失层压力系数为0.90时，漏失与溢流同时发生时泡状流的井段只有546m，且不存在段塞流，环状流和搅动流的井段却长达4450m。这与仅有溢流发生时气液两相流态分布的区别很大，因为此时井筒环空中地层溢流气体流量较高，气体逐渐成为连续相不断携带液体向上运动。

4结论

1）钻遇多压力系统气层，压力平衡极难调整，溢漏同存等恶性事故频发。建立的模型可计算多压力系统气层溢漏同存时的井筒环空压力，判别环空气液两相流流型。2）多压力系统气层溢漏同存时，环空中钻井液流量下降，且溢流的地层气体不断将井筒环空的钻井液置换出去，导致井筒环空压力迅速降低，溢流态势更加严重。3）多压力系统气层溢漏同存时井筒环空的气液两相流动流型与仅溢流发生时变化较大；漏失层压力系数越低，环空气液两相的持液率越低，气体滑脱和膨胀运移越迅速，因此环状流占据的井段越长。