裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律

裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律

李建军,段金龙,姚敏哲  ,李东 ,张双强

中石化西南石油工程有限公司钻井一分公司  四川 成都 610000

摘要：裂缝性地层中经常出现钻井液漏入裂缝的现象，这不仅增加了采油成本，也为其他井下事故埋下了安全隐患。这一缺陷一直困扰着矿工，并日益成为制约中国石油工业持续进步的关键因素。影响钻井液泄漏的常见原因包括裂缝表面的粗糙度和裂缝表面本身的高渗透性。有关专家指出，钻井液在裂缝性地层中的泄漏有一定的规律。因此，采用相关模型，在考虑相关因素的前提下，全面分析该模型中影响泄漏规律的因素，应该是一项具有普遍现实意义的工作。

关键词：裂缝性；地层钻井液；漏失模型；漏失规律；

随着我国经济的不断发展以及科技水平的显著提高，石油开采等工作取得了显著的进步。但是在开采的过程中经常会出现钻井液泄露的问题，这一问题的出现不仅降低了石油开采的效率，而且加大了一些安全隐患出现的几率。因此从科技的角度对裂缝性地层钻井液的漏失模型进行设计，然后在此基础上对漏失规律进行全面的分析与探讨应该是一项重要的工作。

一、探究裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律的必要性

目前我国石油行业通常采用分形手段建立裂缝性地层钻井液漏失模型，以此将其表层的粗糙程度更加直观的表示出来。在进行分析的过程中要通过相应方程式的计算确保各项参数的准确性。在应用控制方程进行计算之前一定要确认裂缝的开度满足变形规律需求，从而对裂缝地层的表面粗糙程度是否会对漏失规律产生影响而做出合理判断。但是在技术人员通过平板模型对钻井液漏失规律展开实际研究时，所得出的结果往往都会产生一定的误差现象，最终使整个分析结果失去准确性。在这种情况下，技术人员需要采取有效措施对误差现象进行控制，针对不同的裂缝开度给与相应的定义，将所得的准确参数作为裂缝性地层钻井液漏失建模的重要依据，继而将裂缝表层粗糙度对钻井液缝内流体流动的规律全面体现出来。

二、当前裂缝性地层钻井液漏失建模的主要手段

当工作人员在地层环境中进行钻井作业时，出现一条处于任意倾角状态的矩形裂缝，并且该裂缝的表层表现出明显的渗透性特点该模型的建立是沿着裂缝表层先创建一个直角坐标系，其中的x轴代表水平方向，而此裂缝的走向也与x轴的方向相一致。其中的y轴代表顺着裂缝倾角的方向。此裂缝结构的夹角为琢。途中的Lx及Ly表示顺着x、y轴方向的裂缝长度，其值即为裂缝面形状的表征。在着手建模操作的时候，应在钻进部分尚未到达裂缝地层之前先将其中初始压力值视为Pi，同时将裂缝结构中钻井液的性质和流变性视为相同状态，在这种情况下，如果t值为0，裂缝表层与井眼就会相交，而这时候钻井液会快速流入裂缝当中，继而使裂缝结构中的压力和井体结构中的压力上升至同一水平。在研究流变部分内容的时候，工作人员需将已经流入地层中的钻井液视为无法进行压缩的非牛顿流体物质，从而赋予其剪切稀释性的特点。这时，如果钻井液属于幂律流体物质，呢么对应的方程即为：t=Kyn通过裂缝变形控制放程实施钻井液漏失建模的过程中一定要假设裂缝是以可变性的状态存在的，因此裂缝的开度就会随着结构中压力的动态变化情况而产生相应的变化。如果裂缝相交于地层钻井眼，那么钻井液必然会进入裂缝当中，继而将原本作业条件下的压力环境就会发生改变，与此同时裂缝的开度也会随之改变。通过一系列分析发现该过程中出现的变形和线性方程之间存在很大的练习，所以，可以应用以下公式将裂缝和钻井作业压力二者之间的线性关联体现出来：Wh=Wh0+（P-Pi)/Kn。

三、裂缝性地层钻井液漏失规律

基于建钻井液漏失模型，分析裂缝宽度、钻井液流变参数和裂缝粗糙度等因素对钻井液漏失规律的影响。分析某一特定参数对钻井液漏失规律的影响时，其他参数为定值。模型基本参数:井筒半径为0.03m;漏失速率为0.1 m3/s;井底压力为30 MPa。

1.裂缝宽度对漏失的影响。(1)最小裂缝临界宽度。当钻井液中堵漏材料的中值粒径大于或略小于1/3的漏失通道孔径时，即可封堵裂缝。钻井液中小于44μm的固相颗粒主要是泥和黏土，约占61.5%～76.5%;大于44μm的固相颗粒主要是砂和泥，约占14.7%～45.7%。所以典型分散性水基钻井液中固相颗粒一般可以封堵住至少约150μm的裂缝。因此裂缝性地层存在一个取决于钻井液固相颗粒粒径的最小裂缝临界宽度wc1。wc1一般为150～250μm，当裂缝宽度小于此宽度时，钻井液不会产生漏失。(2)最大裂缝临界宽度。通过研究测井、岩心和室内实验数据，发现钻井液在不同宽度裂缝中漏失机制不同。当裂缝宽度小于最大裂缝临界宽度wc2时，由于钻井液的屈服流变性和钻井液内固体颗粒的封堵效应，漏失会自行停止。wc2一般为500～750μm。随着钻井液在裂缝内侵入深度的增加，钻井液前缘与地层之间的压差不断减小;随着裂缝宽度的减小，裂缝内的钻井液前缘压力下降加快，漏失量减小。因此当裂缝宽度为0.5 mm时，钻井液侵入前缘压力下降迅速，在井筒附近侵入一定深度后，流核宽度等于裂缝宽度，漏失自行停止。如果仅考虑钻井液流变性的影响时，裂缝的最大临界宽度为；

2.钻井液流变性对漏失的影响。钻井液流变参数是影响钻井液漏失的重要因素之一。稠度系数越高，钻井液塑性黏度越大，缝内钻井液流动阻力也越大;钻井液流型指数越小，钻井液的剪切稀释效应越明显，侵入前缘压力损失越小。因此稠度系数越大，流型指数越大，裂缝内的钻井液侵入前缘压力损失越大，钻井液漏失量越小。适当提高钻井液屈服应力是预防钻井液漏失的重要措施之一。钻井液屈服应力对裂缝内钻井液侵入前缘压力和漏失量的影响。初始阶段钻井液屈服应力对侵入前缘压力影响较小，随着钻井液侵入深度的增加，其对侵入前缘压力的影响逐渐增大。随着屈服应力增加，流核宽度不断增加，最大裂缝临界宽度也不断增加，漏失量减小。因此当裂缝性地层钻井液漏失时，可以适当增大钻井液的屈服流变性，达到防漏堵漏的效果。

3.裂缝粗糙度对漏失的影响。裂缝迂曲度可表征裂缝壁面粗糙度对钻井液漏失规律的影响。迂曲度越大，裂缝壁面越粗糙，钻井液在裂缝中漏失的阻力越大，侵入前缘压力下降越快，漏失量越小。

4.裂缝宽度、粗糙度和钻井液流变性对漏失的综合影响。复杂地层钻井过程中，由于单独考虑裂缝宽度、粗糙度和钻井液流变性对钻井液漏失的影响规律，制约着防漏堵漏对策的科学制定，导致一次堵漏成功率较低。因此在钻井液防漏堵漏中，应综合考虑裂缝宽度、粗糙度和钻井液流变性对漏失的影响规律，科学提高堵漏效率。无因次漏失量是漏失因子的函数，漏失因子又是裂缝宽度、粗糙度和钻井液流变性的函数。因此漏失因子可综合表征裂缝宽度、粗糙度和钻井液流变性对漏失的影响。漏失因子随裂缝宽度的增加而减小，随钻井液屈服应力的增加而增加，随裂缝粗糙度的增加而增加。整个漏失过程可分为3个阶段:漏失早期，曲线的斜率为直线，随着时间增加，漏失速率缓慢减小，漏失量迅速增加;漏失中期，曲线斜率迅速改变，随着时间增加，漏失速率迅速下降，漏失量缓慢增加;漏失晚期，漏失速率迅速下降为零，漏失停止。在一定的漏失时间，漏失因子越小，无因次漏失速率越大，无因次漏失量越大;漏失因子一定时，随着流型指数变化，最终无因次漏失量不变。

总之，裂缝性地层钻井液漏失模型的构建，需通过建立直角坐标系，来实现裂缝面形状的表征显示。事实证明，只有综合多方面因素，如参数与曲度等，才能准确判断裂缝开度变化是否对漏失速率造成影响，进而采取必要的手段进行处理。故，相关建设人员应将其作为重点控制对象，以缓解现代化经济建设背景下工程建设环境安全稳定效果的需求压力，进而提高工程项目施工建设的质量效果。

参考文献：

[1]王松.裂缝性地层钻井液漏失动力学模拟及规律.2020.

[2]高华挺.探讨裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律.2022.