第４５卷 Ｖ０１．４５ 中国井矿盐 ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＬ ＡＮＤ ＲＯＣＫ ＳＡＬＴ 利用钻井液漏失资料预测裂缝宽度 刘加杰．钟颖ｌＩ ．。张浩 （１．四川盐业地质钻井大队，四川自贡６４３０００；２．成都理工大学能源学院，四川成都６１００００） 摘要：漏失在裂缝性地层钻井过程中是最易发生也是最严重的事故之一，原因主要是多种因素导致井筒内 压力增加．造成天然裂缝宽度增加引发井漏。漏失发生后需要对裂缝进行精确预测，据此选配合理堵漏材料进行 堵漏。本文通过建立漏失过程中数学物理模型，模拟单一裂缝工作液漏失过程，并结合Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ公式推导出漏失 体积、时间与裂缝宽度的关系，据此结合现场漏失情况精确预测裂缝宽度，指导堵漏工作顺利进行，降低矿山建设 成本。 关键词：井漏；裂缝宽度；矿山建设 中图分类号：ＴＳ３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０３３５（２０１４）０３—００２０—０３ Ｆｏｒｅｃａｓｔ Ｃｒａｃｋ Ｗｉｄｔｈ ｗｉｔｈ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｆｌｕｉｄ Ｌｅａｋａｇｅ Ｄａｔａ Ｌｉｕ Ｊｉａｊｉｅ’Ｚｈｏｎｇ Ｙｉｎ’ Ｚｈａｎｇ Ｈａｏ ＿（１Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓａｌｔ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗｅｌｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｂｒｉｇａｄｅ Ｚｉｇｏｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６４３０００；２ Ｔｈｅ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｅｈｕａｎ，６１００００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｏｃｃｕｒ ａｎｄ ｉｓ ａｌｓｏ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｅｒｉｏｕｓ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｉｓ ｗｅ１］ｂｏｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄ ｔｏ ｎａｔｕｒａｌ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｌｅａｋａｇｅ ｏｃｃｕｒｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｏｃｃｕｒｒｅｄ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｐｒｏｐｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ ｐｌｕｇ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｉｎｇｌｅ ｃｒａｃｋ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｌｏｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｔｏ ｄｅｒｉｖｅ ｌｅａｋａｇｅ ｌｏｓｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ，ｔｉｍｅ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ．Ｂａｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｄａｔａ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｉｔｅ ｗｅ ｃａｎ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｌｕｇｇｉｎｇ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｉｎ ｔｈａｔ ｃａｓｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｌ ｌｅａｋａｇｅ，ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ，ｍｉｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ １ 前言 在裂缝性地层的钻探过程中常出现井漏。严重 新井，提高老矿山资源回采率意义重大。本文利用 有限元技术对裂缝参数进行模拟计算闭．并研究裂 缝宽度随有效应力变化规律，为钻井施工中的堵漏 技术提供依据。 ２模型假设 井漏事故都是由裂缝性储层的强漏失特征引起的【”。 在我国四川、重庆、云南等一些西南地区钻井施工 过程中，钻遇裂缝性地层的机遇较多，井漏一旦发 生不仅大量的钻井液漏失，还会导致液柱压力不能 平衡地层压力引发井壁垮塌．造成钻井施工难度的 增大、钻井成本的大幅增加，同时也将延误矿山建 钻井液是一种非牛顿流体，在其堵塞过程中和 裂缝一起形成的系统是具有不规则和非对称几何 形态的特点。所以钻井液封堵裂缝的实时物理过程 设速度、增加矿山的建设成本。上世纪后期，群井压 力技术的广泛应用．造成一些老矿山大面积裂缝连 通，为了提高老矿山的资源回采率，业主方往往希 望在矿区范围内增打一些补充井、更新井，大量压 裂裂缝的存在致使老矿山范围内施工补充井、更新 井的施工难度非常大。因此，利用钻井液漏失资料 预测裂缝宽度技术研究，对安全顺利钻井施工和优 是极其复杂的．其详细的堵塞机理目前也尚未完全 弄明白。因此在模型建立之前有必要对模型进行必 要的简单假设【３Ｊ，总结如下：（１）每次循环钻井液漏 失都只与钻头打开的单条可导性裂缝相关；（２）裂 缝面是平面且具有规则的宽度。因此，它在裸眼井 一内壁的形状呈一圆形（当裂缝面垂直于井轴时）或 椭圆形（当裂缝面与井轴斜交时）；（３）钻井液的 快盐矿山建设方面意义重大，尤其对老矿山补充更 封堵过程是径向对称的。在裂缝面与井眼斜交时可 作者简介：刘加杰（１９７９一），男，工程师，硕士学历，长期从事生产技术管理工作，现任四川盐业地质钻井大队总工程师。 Ｉ ！ ： 刘加杰等：利用钻井液漏失资料预测裂缝宽度 考虑为等效半径；（４）相对于裂缝的高渗透性来说， 基块的渗透性可忽略；（５）在漏失的开始阶段可忽 略钻井液滤失造成的裂缝堵塞效应；（６）钻井液假 缝倾角和裸眼井半径Ｒ 来表示。 设为牛顿流体；（７）钻井液呈层流流动；（８）Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ 定理是有效的，所以裂缝的水力学宽度与渗透率间 的关系可通过下述方程联系起来。 ２ ｌ Ｒｗ ｛ ｃ０ｓ （１－４） Ｉｂ＝Ｒｗ 钻头下裂缝轮廓的长度取决于钻头本身的形 ｌ＇ｄ —— 状。本文中假设它等于已打开的椭圆弧上对称两点 的距离Ｄ（ｘ 是描述裂缝位置的横坐标）： Ｌｋ＝ （１一１） ｌ 式中，ｋ一裂缝渗透率，ｈ一裂缝宽度。 有了这些假设，就可建立泥浆径向扩散模型， 并根据模型求出裂缝宽度的解析解。 ３模型推导 ３．１公式的引入 单一裂缝中钻井液挤入过程可通过下面的圆 柱坐标扩散公式来表示（如图ｌ所示）。 ２＋ ０ １ 一 ｌ： １． （１—２）＼ －／ Ｏｒ ｒ ｏＩ。 Ｋ ｏ【 式中，Ｐ一裂缝中的钻井液压力，一质点到井筒 中心的距离， 一钻井液的塑性粘度，丁 一一 Ｖ卜 一地层孔隙 度，ａｔ一总压缩系数。 与井眼斜交的裂缝在井壁上呈椭圆形状。然 而，为适用于上面的公式，假设裂缝与井眼垂直相 交作为等效的几何形状（即在井壁上呈一标准的 圆）。两个系统中具有相同裂缝轮廓的长度，而该长 度就是裸眼井的等效半径。 钻头移动方向 ● － ｉｊＩ ‘ｌ ｊ．Ｄ 曲 － 二ｘ，一一，ｉｐ ，／ ｒ ＰＰＰ害ｌ Ｐ＝上 图１ 被钻头交切的裂缝轮廓几何描述参数 ３．２等效半径的计算 被倾斜裂缝相交的椭圆形公式可由下述的标 准形式写出（图１）。 ＋ ＝ｌ （１—３） 这里ａ为椭圆长半轴，ｂ为椭圆短轴，可用是裂 Ｄ＝２ｂｘ （１－５） 图中的０可由Ｄ和Ｘ 的反三角函数来表示。 ｆ Ｄ １ 。＝ａｒｃｓｉｎｔ ２＂ ｝ ‘ 一６ 把式（１—４）写成以０角为参数的方程。 ｛ｙ＝ｂｘｓｉｎ０（１－７） 写成弧微分的形式为： ｄｓ＝＼／（斋）＋（等）ｘｄ０＝Ｘ／—ａＺｓｉｎ２０＋ｂ—２ｃｏｓ＝０￣ｄＯ （１－８） 因此，被钻头打开的裂缝弧长（Ｌ）分为两种情 况来表述： 当ｘｂ＞Ｏ时，Ｌ＝２［Ｅ（￣ｒ／２）一Ｅ（Ｏ）］ （１－９） 当Ｘｂ≤０时，Ｌ＝２［Ｅ＠／２）一Ｅ（ｅ）】 （１一ｌ０） １ｒ ２ 其中，弧长Ｅ＝２×ｆ、／ａ ｓｉｎ ＋ｂ ｃｏｓ ×ｄ（ｂ。 ５ 已打开的裂缝总长度为Ｌ＋Ｄ，所以，裸眼井的 等效半径计算为： ２们 ＝Ｌ＋Ｄ （１－１１） 所以 （１－１２） ３．３扩散公式特殊解 把运移速度和定量压差作为边界条件时。可解 出扩散方程。在这种情形下，不能得到解析解，一些 文献中提到根据无因次时间（ｔＤ）和流体侵入量（Ｖ。） 可得到精简的形式［４５１。 ｔＤ＝ （１－１３ａ） ｃｔｒｅｑ ｖＤ＝—早２￣ｒ￣ｃｔｒ ｈＡＰ （１－１３ｂ） ２０１４－ｆ－５月第３期２１ ｌ 刘加杰等：利用钻井液漏失资料预测裂缝宽度 根据Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ公式司知渗透率是宽度的函数。 ．的致密基块进行人工造缝，并在裂缝面间夹带不同 宽度的不锈钢丝，钢丝的直径即为裂缝宽度，用胶 带缠紧后抽真空饱和地层水，浸泡待用；（３）在 ＣＷＣＴＡｃｉｄ—Ｉ型仪器上以正压差３．５ＭＰａ进行泥浆 漏失实验，准确记录漏失时间和漏失量，选择泥浆 ２ ｋ＝昔 因此无因次时间可写为： ｔＤ＝— 下 １２＠１．ＬＣｔｒｅｑ （１＿１４） （１一ｌ５） 精确解可由下面的解析函数内插得到（常数Ｃ 由后面进行的室内漏失实验确定）： ＶＤ＝Ｃ （１－１６） 初始漏失得到的数据作为计算依据，因为此时泥浆 的暂堵效应最小，更适用于模型假设（表３—５）；（４） 将岩样直径（２．５４ｃｍ）转化为等效半径，线性拟合时 间（ｔｎ／ｌｎｔＤ）和无因次流体侵入量（ＶＤ），得到常数Ｃ。 ５结论 最后．可得到下面的方程： ｈ２ｔ ＇ ５．１裂缝宽度的精确预测是确定堵漏措施的重要 依据，利用有限元技术对裂缝参数进行模拟计算， 并研究裂缝宽度随有效应力变化规律，为堵漏方案 一 一 ｃ—————————— 一．ｎ／Ｉ１２ ｈ Ｚｔ毛Ｊ／ ２Ｖ ￣（Ｉ）ｃｔ‘ｈ△Ｐ ＝０ （１－１７） 引入常数Ｏｔ、１３可将上式进行简化，得到下面的 方程： ｃ 丽ｈ２一 ｈ＝０式中： ————Ｔ ｅｑ （１－１８） １２￣Ｉ．Ｌｃｔ ｒ（１一ｌ９） 提供科学依据。 ５．２通过建立漏失过程中数学物理模型。模拟单一裂 缝工作液漏失过程，并结合Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ公式推导出漏 失体积、时间与裂缝宽度的关系。从而可根据现场漏 失情况精确预测裂缝宽度。指导堵漏工作顺利进行。 ５．３裂缝宽度的准确预测 了技术依据，为优快盐矿山建设意义重大，尤其对老矿 充麟井来提高老矿山资源回采率意义重大。 参考文献 ｐ：— ２－ｒｒ￣ｃ ｒ即ｈ△Ｐ 从公式（１—１８）可以看出，公式中各基本参数可 ［１］Ｔ．Ｄ．范．高尔夫～拉特．裂缝性油藏工程基础［Ｍ］．北 京：石油工业出版社，１９８９． 根据地质资料求得，其中只需知道参数Ｃ就可以根 据漏失体积时间的关系精确预测裂缝宽度。 ４参数ｃ的确定 ［２］练章华，康毅力．裂缝宽度预测的有限元数值模拟［Ｊ］． ２００１：（２１）３：４７Ｎ５０． ［３］蒋海军，邹捷年．储层裂缝有效宽度模型探讨［Ｊ］．钻井 液与完井液．２０００年１７卷２期：１ ２～１５． 参数Ｃ的确定可利用高温高压酸溶解堵仪 （ＣＷＣＴＡｃｉｄ—Ｉ型）进行钻井液漏失实验，针对不同 储层物性，测定不同裂缝宽度的漏失参数，记录漏 失体积时间关系．并结合地质资料参数线性拟合得 到参数Ｃ。因此，针对不同储层参数ｅ的确定可精确 预测漏失裂缝宽度，有效指导堵漏工作，保护储层。 下面详细介绍参数ｃ确定的整个过程［６１。 （１）实验流体准备，将现场井浆搅拌均匀，并配 制地层水；（２）岩心准备，将气测渗透率小于０．０１ｍ ［４］李治平主编．油气层渗流力学［Ｍ］，西南石油学院， ２０００．１２７—１２８． ［５］Ｅ．Ｈ．Ｔ１ｍｍｅｒｍａｎ著，武若霞，崔耀南，周成勋译， 陈元千较．实用油藏工程（第二卷），利用方程式与计算机 分析结果的方法［Ｍ］．石油工业出版社，ｌ９９２． ［６］兰林．裂缝性砂岩油藏应力敏感性和裂缝宽度研究 ［Ｍ］．西南石油大学．；１Ｎ５． （收稿日期：２０１４—０３—０５） （编辑／孔志远） ｆ 兰 ：