海相碳酸盐岩层系钻井液漏失诊断基础研究

【摘要】井漏是油气建井工程中常见的井下复杂事故。井漏不仅会增加勘探开发投入成本带来严重的储层损害,造成油气开发效率低下,而且还会诱发卡钻、井塌、井喷等重大恶性事故,造成人民生命财产损失及负面社会影响。随着常规油气资源逐渐匮乏,勘探开发逐步面向深层、超深层、深水、高温高压高含硫及多压力层系等复杂地层,井漏问题异常严峻,严重迟滞了油气勘探开发进程。国内外学者围绕井漏这一油气建井工程中研究的热点与难点,开展了大量研究工作,取得了丰富的理论认识,并形成了一系列防漏堵漏技术。然而,深层海相碳酸盐岩层系中井漏频繁发生,且难于有效控制。因此,开展钻井液漏失诊断研究,明确海相碳酸盐岩层系钻井液漏失特征及分布规律,揭示地层漏失通道变形行为及其对钻井液漏失动态的影响,量化钻井液漏失侵入范围,对认识井漏和优化防漏堵漏技术有重要意义。论文以海相碳酸盐岩层系钻井液漏失为切入点,以塔河油田及川东北地区海相碳酸盐岩层系为研究对象,从漏失层特征及类型识别、裂缝变形与钻井液漏失耦合行为及漏失侵入深度等三方面开展了钻井液漏失诊断基础理论研究工作。明确了研究区块漏失层地质特征及漏失分布规律,形成了漏失类型工程识别方法。利用测井、录井及工程参数等数据对井漏的异常响应特征,识别并预测漏失层位置。建立了基于漏失发生机理的漏失压力模型,探讨了斜井中诱导裂缝起裂、与天然裂缝连通及转向延伸过程对应的漏失压力,诊断了漏失发生机理及漏失类型。揭示了缝洞性碳酸盐岩地层多尺度裂缝的变形行为。实验研究表明,地层裂缝宽度随有效应力减小而增大,其裂缝动态宽度可扩展至其初始静态宽度的4-14倍。孔洞加剧了裂缝扩展变形程度,孔洞越发育、洞径越大,裂缝宽度扩展越大,验证了缝洞性地层比裂缝性地层具有更强的应力敏感性。刻画了大型缝洞岩体的裂缝变形行为及裂缝内流体压力分布变化。模拟研究表明,缝洞岩体的裂缝动态宽度变化可达到毫米级,且溶洞发育加剧了裂缝扩展变形程度,漏失过程中裂缝内流体压力自裂缝开口端的井筒液柱压力沿裂缝延伸方向逐渐降低至与地层孔隙压力平衡,裂缝宽度增量沿裂缝延伸方向逐渐减小。深化了裂缝中封堵层及其性质对裂缝变形行为的影响。模拟研究表明,封堵层阻止井筒液柱压力向裂缝内部传递,降低了裂缝变形程度,减小了井壁上的井周切向应力,降低了裂缝尖端应力强度因子,增强了裂缝力学稳定性。建立了一维径向裂缝和二维平面裂缝中H-B流型钻井液漏失流动模型。明确了裂缝宽度与钻井液漏失速率及累积漏失量之间的非线性关系,刻画了二维平面裂缝漏失行为及其影响因素,如二维平面裂缝宽度、裂缝纵横比(缝长／缝高)、裂缝面积、裂缝长度、裂缝法向压缩系数、裂缝面倾角、井筒与裂缝面相交位置和钻井液流变性对漏失速率及累积漏失量的影响,诊断了不同裂缝性质的钻井液漏失动态。明确了一维径向裂缝和二维平面裂缝变形行为及其对缝内流体漏失动态的影响。揭示了裂缝内流体压力分布、裂缝扩展延伸与漏失速率变化的规律,明确了裂缝内流体压力及裂缝法向刚度等因素对裂缝扩展延伸的影响。基于诱导裂缝对裂缝内流体压力的不同敏感响应,刻画了天然裂缝和裂缝扩展性漏失动态行为及特征,深化了诊断致漏裂缝性质及漏失类型。开展了验证二维平面裂缝漏失模型的钻井液漏失行为实验。利用高温高压钻井液漏失动态评价仪进行了缝宽为0.5mmm和1mm平面裂缝的钻井液漏失实验评价,实验结果表明,漏失速率随压差增大而增大,漏失速率与压差呈非线性关系。模拟预测的漏失速率与实验漏失速率数据趋势相同。模拟预测的漏失速率略大于同压差下的实验测量值,误差范围在25%以内,且误差随模拟压差增大而增大,一定程度上验证了二维平面裂缝漏失模型的合理性。建立了基于溶质运移与对流扩散理论的裂缝网络性钻井液漏失侵入深度预测模型。结合川东北资料及典型井漏失数据,利用钻井液无量纲浓度分布剖面来预测漏失侵入深度范围,明确了漏失侵入深度影响因素,通过拟合分析现场井漏实例,应用“孔隙体积法”计算得到的钻井液漏失侵入深度在模型预测范围之内,验证了预测模型的有效性。本文研究成果深化了对易变形漏失通道中钻井液漏失动态行为的认识,提出并完善了海相碳酸盐岩层系钻井液漏失诊断基础理论,为钻井工程防漏堵漏技术的理论研究与应用提供了理论依据。
【作者】李松；
【导师】康毅力；
【作者基本信息】西南石油大学，油气井工程，2014，博士
【关键词】碳酸盐岩；井漏；储层损害；漏失诊断；裂缝变形；

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