欠平衡鉆井技術(shù)及應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　欠平衡鉆井技術(shù)及應(yīng)用</p><p>　　摘 要：欠平衡鉆井是國際上90年代初再次興起的提高勘探開發(fā)效益的鉆井新技術(shù)。近幾年我國來在油、氣田勘探開發(fā)方面已進(jìn)行了大量技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗，并取得了顯著的成果。欠平衡鉆井的相關(guān)理論和技術(shù)研究已經(jīng)成為鉆井工作者的一個研究熱點(diǎn)。 </p><p>　　本文介紹了欠平衡鉆井技術(shù)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，實施欠平衡鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)。分析和總結(jié)了

2、欠平衡鉆井相關(guān)理論研究成果，為技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵技術(shù)從三個方面入手：在考慮了影響負(fù)壓值各方面的因素后，提出了合理的設(shè)計程序；通過計算出的鉆井液密度選擇適應(yīng)于實際條件的最優(yōu)鉆井液類型；分析了井底壓力波動和氣侵后的環(huán)空壓力變化，給出了一些井底壓力控制措施。最后介紹了欠平衡鉆井的信息采集處理系統(tǒng)，通過全過程的監(jiān)測和指導(dǎo)保證欠平衡鉆井的安全進(jìn)行。</p><p>　　關(guān)鍵詞：欠平衡；鉆井液；信息采集</p

3、><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 欠平衡鉆井優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)3</p><

4、p>　　1.4 本文主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 欠平衡鉆井相關(guān)理論4</p><p>　　2.1 油氣藏篩選理論4</p><p>　　2.1.1 適合欠平衡鉆井的油氣藏4</p><p>　　2.1.2 不適合欠平衡鉆井的地層5</p><p>　　2.1.3 油氣藏篩選程序

5、6</p><p>　　2.2 欠平衡鉆井地層穩(wěn)定性理論6</p><p>　　2.2.1 井壁失穩(wěn)機(jī)理6</p><p>　　2.2.2 非泥頁巖地層的穩(wěn)定性7</p><p>　　2.2.3 泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性7</p><p>　　2.3 欠平衡鉆井兩相流理論8</p>&l

6、t;p>　　2.3.1 環(huán)空兩相流流態(tài)分類及其判別方法9</p><p>　　2.3.2 欠平衡鉆井氣液兩相流數(shù)學(xué)模型建立10</p><p>　　2.3.3 三相攜屑研究12</p><p>　　2.4 欠平衡鉆井井下爆燃基礎(chǔ)理論13</p><p>　　2.5 裂縫性儲層欠平衡鉆井流動規(guī)律16</p>

7、<p>　　2.5.1 嚴(yán)重裂縫性儲層的最大問題是井漏16</p><p>　　2.5.2 漏層漏失的原因分析16</p><p>　　2.5.3 漏層的漏失規(guī)律與地質(zhì)特征16</p><p>　　2.5.4 裂縫性儲層在欠平衡條件下的流動規(guī)律17</p><p>　　2.5.4 欠平衡鉆井有助防漏治漏20&

8、lt;/p><p>　　第3章 欠平衡鉆井關(guān)鍵技術(shù)21</p><p>　　3.1 欠平衡負(fù)壓值的確定及控制21</p><p>　　3.1.1 確定井底負(fù)壓值應(yīng)考慮的因素及分析21</p><p>　　3.1.2 負(fù)壓差設(shè)計流程24</p><p>　　3.1.3 井底負(fù)壓差的控制24</p&g

9、t;<p>　　3.2 欠平衡鉆井液技術(shù)26</p><p>　　3.2.1 選擇欠平衡鉆井液體系應(yīng)考慮的問題26</p><p>　　3.2.2 欠平衡鉆井液密度的確定28</p><p>　　3.2.3 目前應(yīng)用的欠平衡鉆井液體系29</p><p>　　3.3 欠平衡鉆井井底壓力控制技術(shù)31</p

10、><p>　　3.3.1 井底壓力影響因素分析31</p><p>　　3.3.2 氣侵后環(huán)空鉆井液密度及壓力分布規(guī)律34</p><p>　　3.3.3 地層氣體侵入井內(nèi)的預(yù)測方法36</p><p>　　3.3.4 井底壓力控制措施38</p><p>　　第4章 欠平衡鉆井信息采集處理系統(tǒng)以及應(yīng)用

11、41</p><p>　　4.1 研究欠平衡鉆井參數(shù)采集與分析處理系統(tǒng)的意義41</p><p>　　4.2 方案設(shè)計41</p><p>　　4.3 系統(tǒng)軟件的主要功能42</p><p>　　4.4 系統(tǒng)軟件的應(yīng)用46</p><p>　　4.5 欠平衡鉆井技術(shù)應(yīng)用事例47</p>

12、<p>　　4.5.1 工程設(shè)計48</p><p>　　4.5.2 現(xiàn)場施工48</p><p>　　4.5.3 結(jié)論52</p><p><b>　　結(jié)論與建議53</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)55</b></p><p>&l

13、t;b>　　致 謝57</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于世界范圍內(nèi)油氣勘探開發(fā)從整裝大油田、高壓和常規(guī)壓力、中高滲均質(zhì)砂巖等良好勘探開發(fā)條件轉(zhuǎn)移到了復(fù)雜中小油田、斷塊油田、薄油層、低壓低滲低產(chǎn)能、老油田

14、改造、復(fù)雜儲層條件、非常規(guī)油氣等惡劣的開發(fā)勘探條件，這種形勢迫使勘探開發(fā)必須要有新的思路和方法，同時由于非封固完井的水平井?dāng)?shù)量增多，強(qiáng)化了對防止儲層損害的關(guān)注[1]。另外國際油價的持續(xù)走高，對世界經(jīng)濟(jì)造成了很大的影響。高油價促使世界各國進(jìn)一步增強(qiáng)了對石油資源重要性的認(rèn)識，加強(qiáng)了對自己國內(nèi)石油資源的勘探開發(fā)和利用，增加國內(nèi)石油供應(yīng)，減少對國際石油的依賴程度，其關(guān)鍵因素就是石油的勘探開發(fā)成本，因而降低石油的勘探開發(fā)成本則是目前石油工業(yè)上游領(lǐng)

15、域的重要任務(wù)之一[2]。欠平衡鉆井技術(shù)不但能有效地降低油氣田的勘探開發(fā)成本，最大限度得保護(hù)油氣層，而且能很好地克服鉆井作業(yè)過程中的難題和避免一些復(fù)雜情況的發(fā)生；有利于中小型油氣田、非常規(guī)油氣藏，低壓低滲油氣藏得勘探開發(fā)；有利于油田中后期改造挖潛。因此，欠平衡鉆井由于其先進(jìn)性為勘探、開發(fā)帶來了廣闊的前景，在油氣田開發(fā)中發(fā)揮著越來越重的作用。欠平衡鉆井技術(shù)是21世紀(jì)油氣資源開發(fā)中必不可少的</p><p>　　1.2

16、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在鉆井過程鉆井液循環(huán)體系井底壓力低于地層孔隙壓力，使地層的流體有控制的進(jìn)入井筒并將其循環(huán)到地面，這一鉆井技術(shù)稱為欠平衡鉆井。美國在1953年使用空氣作為循環(huán)介質(zhì)成功地完成了一口鉆井，此后很長一段時間內(nèi)由于設(shè)備和技術(shù)的限制因素欠平衡鉆井技術(shù)并沒有得到很好的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年，欠平衡鉆井技術(shù)迅速發(fā)展。欠平衡鉆井技術(shù)在北美地區(qū)（如美國、加拿大、墨西哥灣）得到了較為廣泛的應(yīng)用

17、。據(jù)統(tǒng)計，近幾年來，美國全年約有四分之一的油氣井和地?zé)峋煌潭鹊氖褂昧饲菲胶忏@井技術(shù)，有些油氣田欠平衡鉆井的應(yīng)用比率高達(dá)98%。另外在墨西哥灣、加拿大北部油田、北海油田、伊朗、也門、俄羅斯及印度尼西亞、澳大利亞和歐洲等地區(qū)欠平衡鉆井已經(jīng)成為一種降低開發(fā)成本、保護(hù)油氣層必不可少的技術(shù)了。因此欠平衡鉆井技術(shù)得到迅速發(fā)展，同時配套工藝技術(shù)也日趨完善。技術(shù)方面，美國、加拿大已經(jīng)掌握了欠平衡鉆井、欠平衡完井等先進(jìn)的欠平衡鉆井工藝技術(shù)。設(shè)備方面

18、，美國已經(jīng)研制開發(fā)出了欠平衡鉆進(jìn)、欠平衡起下鉆、欠平衡完井的專用設(shè)備（或工具）。國外欠平衡鉆井主要用于裂縫性油氣藏（如美國的AUSTIN CHALK儲層）、壓力衰竭性地層（如加拿大的E</p><p>　　目前全國各大石油院校及油田都在不同程度上開展了欠平衡鉆井技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著從國外現(xiàn)代欠平衡鉆井技術(shù)的引進(jìn)，我國較大的油氣田都先后或正在進(jìn)行欠平衡鉆井試驗，根據(jù) 1999 年全國昆

19、明井控會上的介紹，我國所引進(jìn)的主要是旋轉(zhuǎn)控制頭，也有旋轉(zhuǎn)防噴器，其中 17.5MPa 旋轉(zhuǎn)控制頭已達(dá) 16 臺。新疆局還引進(jìn)了1套霧化鉆井裝置[5]。國內(nèi)新疆克拉瑪依、勝利、大港等油田已先后開展了欠平衡鉆井完井現(xiàn)場試驗。實現(xiàn)欠平衡方法基本上都是采用自然法。大港油田自 1998 年開始在古潛山構(gòu)造上開展了深層探井欠平衡鉆井完井現(xiàn)場試驗，其中板深7井、板深8井欠平衡鉆井試驗的成功，從工程上解決了多年來地質(zhì)上無法解釋的難題，而且成功地發(fā)現(xiàn)了億

20、噸級油氣田，為大港油田的可持續(xù)發(fā)展增添了新的血液。據(jù)2003年4月統(tǒng)計，我國海上、陸地油田已經(jīng)引進(jìn)各種類型旋轉(zhuǎn)型防噴器40套，包括克拉瑪依、四川、長慶、玉門、塔里木、土哈、中原、勝利、大港、遼河、大慶等油田進(jìn)行了107口欠平衡鉆井實驗。但應(yīng)該看到，國內(nèi)欠平衡鉆井技術(shù)才剛剛起步，很多技術(shù)難題還沒有解決，并且欠平衡主要設(shè)備還依賴于進(jìn)口，所有這些制約了欠</p><p>　　未來欠平衡鉆井技術(shù)將和水平井，分支井，連續(xù)管

21、鉆井一樣，成為一種趨勢，而它們之間的結(jié)合應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)新老油藏的發(fā)展方向。欠平衡技術(shù)加水平井，導(dǎo)向鉆井，用于提高勘探成功率；欠平衡技術(shù)加水平井，用于提高開發(fā)效益；欠平衡技術(shù)與連續(xù)軟管鉆機(jī)，老井加深、老井側(cè)鉆，小井眼鉆井技術(shù)，用于老油氣田改造挖潛；欠平衡技術(shù)加超常水平井、分支水平井，用于低滲，強(qiáng)水敏油氣田增產(chǎn)改造，部分代替水力壓裂。鉆井技術(shù)和井控技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使欠平衡鉆井技術(shù)成為開采油氣的一種既安全又經(jīng)濟(jì)的手段，尤其是針對油氣田開發(fā)后

22、期的低壓低滲油藏。</p><p>　　1.3 欠平衡鉆井優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)</p><p>　　欠平衡鉆井技術(shù)能夠迅速發(fā)展是因為它能很好的克服鉆井作業(yè)過程中的難題并避免一些復(fù)雜情況的發(fā)生、能有效地降低油氣田的勘探開發(fā)成本。從目前國內(nèi)外研究及應(yīng)用情況來看，其具有以下幾方面的優(yōu)缺點(diǎn)：</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：①減少對油氣層的傷害，有效保護(hù)油氣層，提高油氣井的產(chǎn)量②實時發(fā)現(xiàn)

23、地質(zhì)異常情況，及時評價低壓低滲油氣層③有效控制漏失，減少和避免壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生，減少作業(yè)和相關(guān)的費(fèi)用[6]④提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭使用壽命，縮短鉆井周期，降低鉆井成本⑤可以在鉆井過程中生產(chǎn)油氣。</p><p>　　缺點(diǎn)：①循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（壓力波動）②油層傷害（過平衡狀態(tài)，逆流自吸，地層液體配伍，出砂等）③井壁穩(wěn)定性（力學(xué)，物理，化學(xué)作用）④安全問題（井下爆炸或燃燒，井控問題，H2S腐蝕[7]）⑤經(jīng)

24、濟(jì)因素（設(shè)備，材料，環(huán)境問題）。</p><p>　　1.4 本文主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要建立在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過翻閱大量的關(guān)于欠平衡鉆井技術(shù)和各油氣田開發(fā)建設(shè)方面的文獻(xiàn)資料，結(jié)合自己所學(xué)的專業(yè)知識，研究以下內(nèi)容：</p><p>　　1、欠平衡鉆井技國內(nèi)外技術(shù)、設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀，實施欠平衡鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)；</p><p>　　

25、2、欠平衡鉆井相關(guān)理論；</p><p>　　3、欠平衡鉆井過程中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，主要是欠壓值的如何確定，欠平衡鉆井液技術(shù)和井底壓力控制技術(shù)；</p><p>　　4、欠平衡鉆井信息實時采集分析處理系統(tǒng)研究與應(yīng)用。</p><p>　　第2章 欠平衡鉆井相關(guān)理論</p><p>　　2.1 油氣藏篩選理論</p><p

26、>　　2.1.1 適合欠平衡鉆井的油氣藏</p><p>　　1、具有潛在井漏或鉆井液侵害的油氣藏</p><p>　　這些油氣藏包括晶間滲透率大于1μm2的地層；具有大的宏觀開放型裂縫的地層；具有大量連通孔洞的非均質(zhì)碳酸鹽地層；可以導(dǎo)致過平衡壓力大于6.9MPa的壓力枯竭地層。過平衡鉆井最壞的情況是高滲透性特點(diǎn)與嚴(yán)重的壓力枯竭相結(jié)合。對于上面提到的這些油氣藏來說，由于很難設(shè)計有效

27、的過平衡鉆井液體系，所以它們是欠平衡鉆井的最佳選擇對象。特別是在裂縫性或非均質(zhì)碳酸鹽油氣藏，很難形成防止鉆井液濾液和固相侵害地層的均質(zhì)穩(wěn)定濾餅，并且發(fā)生抽汲后，地層內(nèi)的流體仍舊會不受約束的流入井眼。在這種情況下形成的濾餅，經(jīng)常引起壓差卡鉆，最終導(dǎo)致毀滅性卡鉆事故。在具有宏觀滲透性特點(diǎn)的水平井中，由于重力引起的排泄，可能會發(fā)生井漏。</p><p>　　2、具有巖石-流體敏感性的地層</p><

28、p>　　相當(dāng)大的地層損害可能是由于不相溶水基濾液與地層粘土或其它活性材料的有害反應(yīng)引起的。許多地層含有水活性粘土，如蒙脫石或混層活性粘土。這些粘土與非抑止性水基鉆井液接觸會發(fā)生膨脹，并嚴(yán)重影響采收率，而且在某些情況下，會影響近井眼區(qū)域固結(jié)。有些地層可能還含有懸浮粘土和細(xì)顆?；蚩蛇\(yùn)移材料，如高嶺石粘土，碎巖屑，焦瀝青和無水石膏。這些問題中的許多情況可以通過欠平衡鉆井技術(shù)或合理的采用油基或抑制性水基鉆井液的過平衡鉆井技術(shù)來解決。<

29、;/p><p>　　3、具有液-液敏感性的地層</p><p>　　欠平衡鉆井可以防止不相溶的鉆井液濾液侵入地層，從而消除侵入濾液與地層鹽水或原油發(fā)生有害反應(yīng)。其中的一種有害反應(yīng)是高粘水包油乳化劑鉆井液被圈閉在近井眼區(qū)域。另外的有害反應(yīng)包括：由于油基鉆井液侵入油氣藏原油引起脫瀝，從而導(dǎo)致滲透率的降低；由于不相溶的水基鉆井液濾液和地層鹽水混合而導(dǎo)致地層膠合和固體物沉淀。正確的地質(zhì)化學(xué)試驗和相溶性

30、試驗可以消除大多數(shù)常規(guī)過平衡鉆井過程中遇到的這種問題。然而，在特殊情況下，應(yīng)首先采用欠平衡鉆井來避免將具有潛在有害反應(yīng)的材料引入地層。</p><p>　　4、具有潛在自吸能力的地層</p><p>　　由于有害的相對滲透率效應(yīng)，近井眼區(qū)域的水或烴形成永久性圈閉，從而導(dǎo)致地層產(chǎn)量的降低。如果使用了錯誤的鉆井液基液，欠平衡鉆井會由于自然的對流自吸效應(yīng)而使這一問題更加惡化。然而，合理設(shè)計的欠平

31、衡鉆井工藝可以成為一種減輕與鉆井液保留和圈閉效應(yīng)相關(guān)的潛在問題的有效途徑。利用一種非濕性流體作為欠平衡鉆井作業(yè)的基液，如果欠平衡鉆井條件得以維持，那么就可以防止自吸和降低相圈閉的可能性。從而可以防止鉆井液基液進(jìn)入地層而直接產(chǎn)生驅(qū)替和圈閉。</p><p>　　5、油藏性質(zhì)高度易變的地層</p><p>　　在油氣藏滲透率、孔隙度或孔隙喉道尺寸的分布上呈現(xiàn)出很大差別的高度層狀地層或大量沙巖或

32、碳酸鹽地層代表了設(shè)計有效過平衡鉆井液體系的主要挑戰(zhàn)。在這些情況下，為了獲得預(yù)期的主要產(chǎn)量，通常設(shè)計的過平衡體系用來保護(hù)質(zhì)量較好的那部分基巖。而這有可能對其它部分的潛在高產(chǎn)油氣層造成嚴(yán)重?fù)p害。在其中的某些情況下，利用欠平衡鉆井工藝可以從目標(biāo)層段獲得更加均勻的開采。</p><p>　　6、具有活躍的地下水并且對水錐進(jìn)敏感的地層</p><p>　　在這樣的地層如果采用過平衡鉆井，那么鉆井液會

33、侵入地層，引起水錐進(jìn)效應(yīng)，并且在完井后的試油作業(yè)過程很容易向水層打開通道，給今后的開采帶來麻煩。而欠平衡鉆井，由于井底壓力低于地層孔隙壓力并且不需要試油作業(yè)，所以可以降低或避免以上問題的發(fā)生。</p><p><b>　　7、低鉆速地層</b></p><p>　　對于某些硬地層來說，利用欠平衡鉆井和利用過平衡鉆井相比，機(jī)械鉆速可以提高10倍，從而減少了鉆井時間和相關(guān)

34、費(fèi)用。在有限的幾種情況下，欠平衡鉆井的主要目的是提高機(jī)械鉆速而不是避免地層損害。</p><p>　　2.1.2 不適合欠平衡鉆井的地層</p><p>　　1、高壓和高滲透率相結(jié)合地層</p><p>　　從地層損害觀點(diǎn)看，雖然埋藏較深的高壓，高滲透率地層代表了欠平衡鉆井最具可能性的地層之一，但是在地面可能出現(xiàn)安全和井控問題。井底壓力高于21.7MPa，特別是在

35、氣層中，更適合常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備和旋轉(zhuǎn)控制頭。在這種情況下，由于地面額定壓力非常大，所以采用連續(xù)柔管鉆井可能更合適。相反，如果需要的地面注入壓力較高，那么蓄積在地面連續(xù)管柱中的大量壓力流體也會帶來不安全因素。</p><p>　　2、受壓力約束的地層</p><p>　　通常,具有不同壓力的多個產(chǎn)層的油氣藏或在給定的目的層中存在明顯的壓力變化的油氣藏，是不適合采用欠平衡鉆井的。</p

36、><p><b>　　3、常規(guī)地層</b></p><p>　　大多數(shù)地層可以從完美的欠平衡鉆井設(shè)計和執(zhí)行中受益，但欠平衡鉆井比常規(guī)的過平衡鉆井昂貴得多，并且存在一定的風(fēng)險和問題。對常規(guī)地層來說，如滲透率低于0.5μm2的均勻晶間地層以及具有較低的巖石（流體和流體）流體敏感性的地層，設(shè)計合理的過平衡作業(yè)與價格昂貴、風(fēng)險較大的欠平衡作業(yè)相比，可以產(chǎn)生相當(dāng)?shù)幕蚋玫男Ч?l

37、t;/p><p>　　2.1.3 油氣藏篩選程序</p><p>　　對于直井或水平井的欠平衡鉆井來說，篩選合理的油氣藏是非常必要的。通過研究油氣藏的構(gòu)造圖以及收集和分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以描述出油氣藏為均質(zhì)油氣藏還是非均質(zhì)油氣藏。需要提供和研究的油氣藏數(shù)據(jù)參數(shù)包括油氣比原油的API密度、平均孔隙度、平均滲透率、地層體積指數(shù)、壓力、溫度和含水量。另外，油氣藏的構(gòu)造資料、注水、注氣以及原油粘度都在

38、“區(qū)分油氣藏特征”方面起著一定的作用。在油氣藏篩選問題上，應(yīng)該由一個有鉆井工程師、油藏工程師、地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家、巖石物理學(xué)家、采油工程師、欠平衡鉆井專家、安全專家、經(jīng)濟(jì)師等組成的多學(xué)科工作組來完成。多學(xué)科工作組在進(jìn)行這項工作時，必須仔細(xì)考慮一個用于單個油氣藏篩選的詳細(xì)篩選程序。這個篩選程序為[8]：</p><p>　　1、用簡單的欠平衡鉆井技術(shù)能否完成這口井；</p><p>　　

39、2、以我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)能否證明欠平衡鉆井技術(shù)在此油氣層中優(yōu)于過平衡鉆井技術(shù)；</p><p>　　3、用欠平衡鉆井技術(shù)潛在的風(fēng)險和事故；</p><p>　　4、該地層能否承受住壓力降低而不坍塌；</p><p>　　5、欠平衡鉆井技術(shù)與長期的油氣層優(yōu)選相比較費(fèi)用是否劃算；</p><p>　　6、多學(xué)科工作組是否對油氣藏已經(jīng)做了足夠的研究工作

40、；</p><p>　　7、初始油井設(shè)計是否能滿足油氣藏開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)；</p><p>　　8、現(xiàn)有的井控設(shè)備能否滿足預(yù)期的油氣層條件。</p><p>　　2.2 欠平衡鉆井地層穩(wěn)定性理論</p><p>　　2.2.1 井壁失穩(wěn)機(jī)理</p><p>　　采用欠平衡鉆井，首先要使鉆井液液柱壓力低于儲層壓力，此時鉆井液

41、密度降低后，井壁的穩(wěn)定性是否可以保證。如果試驗和計算結(jié)果表明，欠平衡鉆井的鉆井液密度不能保證井壁穩(wěn)定，通過調(diào)整鉆井液體系和性能，增強(qiáng)井壁的穩(wěn)定性。</p><p>　　對井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，井壁失穩(wěn)的本質(zhì)是：井壁上某部分的應(yīng)力狀態(tài)超過了井壁巖體的抗破壞強(qiáng)度。這其中有兩個制約因素：材料（巖體）和應(yīng)力。</p><p>　　1、巖體：破碎巖體和含弱面的巖體；塑性巖體，如鹽膏層、軟泥巖等；泥頁

42、巖（以硬脆性為主）。</p><p>　　2、應(yīng)力：深部地層的上覆巖層壓力引起的地應(yīng)力；強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造作用引起的地質(zhì)構(gòu)造力；異常熱應(yīng)力、循環(huán)溫度應(yīng)力、流固耦合應(yīng)力。</p><p>　　破碎巖體和含弱面的巖體由于本身強(qiáng)度低而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；塑性巖體由于液柱壓力不夠時而出現(xiàn)蠕動變形；埋藏很深的地層由于巨大的上覆巖層壓力使水平應(yīng)力增大；強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用造成很大的殘余構(gòu)造力使井壁失穩(wěn)。</p

43、><p>　　2.2.2 非泥頁巖地層的穩(wěn)定性</p><p>　　對于給定段地層，在給定欠平衡鉆井的條件下，井壁是否可以保持穩(wěn)定，可按圖（2-1）所示的動作程序進(jìn)行一系列的試驗和分析，最終得到結(jié)論。由上述綜合分析所得到的結(jié)論，如果井壁能保持穩(wěn)定，則可以采用給定參數(shù)的欠平衡鉆井；如果井壁不能保持穩(wěn)定，則應(yīng)加大鉆井液密度直至井壁穩(wěn)定，必要時放棄欠平衡鉆井的方法。</p><

44、p>　　2.2.3 泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性</p><p>　　泥頁巖地層，其巖體的強(qiáng)度較低，比較容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題。泥頁巖地層的最大特點(diǎn)是存在物理化學(xué)反應(yīng)。其井壁失穩(wěn)是一個化學(xué)反應(yīng)和力學(xué)作用的耦合結(jié)果。</p><p>　　首先是物理作用。由于親水勢能和界面張力的作用，泥頁巖自發(fā)的吸水，尤其是干氣層附近的少水泥頁巖。泥頁巖具有微滲透性（滲透率在10-7~10-9μm）在壓力差作

45、用下濾液緩慢進(jìn)入泥頁巖，引起內(nèi)部孔隙壓力增高和外來自由水侵入。當(dāng)泥頁巖與礦化度較低的工作液接觸時，由于濃度差的影響，自由水會向頁巖內(nèi)部侵入。</p><p>　　其次是化學(xué)作用。自由水侵入頁巖，與粘土礦物發(fā)生水化反應(yīng)，引起泥頁巖膨脹；當(dāng)水化膨脹受空間約束時，則轉(zhuǎn)化為水化應(yīng)力。泥頁巖水化后將會使巖石強(qiáng)度大幅度降低，同時引起巖體本構(gòu)關(guān)系的改變。</p><p>　　最后是力學(xué)作用，微滲透現(xiàn)象引

46、起泥頁巖孔隙壓力增加，水化作用使地應(yīng)力增加（疊加水化應(yīng)力），水化作用使頁巖強(qiáng)度大幅度降低。這些作用的綜合導(dǎo)致了泥頁巖地層地垮塌。</p><p>　　硬脆性頁巖比較常見，這類頁巖常以高嶺石、伊利石為主，水化后既無明顯體積膨脹也沒有水化造成的開裂和剝落，人們稱其為非水膨脹型泥頁巖、非分散型泥頁巖，甚至稱為非水化型泥頁巖。硬脆性泥頁巖給我們帶來了較大的錯覺，實際上硬脆性泥頁巖水化危害很大。首先硬脆性泥頁巖有時仍有膨脹

47、，其自由體積膨脹量在20%~30%左右；在地下巖體條件下自由膨脹量可達(dá)5%~10%，這個膨脹體積已經(jīng)帶來了很大的問題，不容忽視。其次硬脆性泥頁巖水化的膨脹量不大，但膨脹壓很高，以高嶺石、伊利石為主的硬脆性泥頁巖，10h后的膨脹壓高達(dá)34.5MPa。第三硬脆性頁巖水化后有相當(dāng)明顯的強(qiáng)度降低現(xiàn)象，這種以高嶺石、伊利石為主的硬脆性泥頁巖，飽和吸水后其抗壓強(qiáng)度不到原始抗壓強(qiáng)度的三分之一。最后是硬脆性泥頁巖的微裂縫，因其性質(zhì)硬而脆，固在構(gòu)造作用中

48、易產(chǎn)生微裂縫。工作液容易沿著微裂縫進(jìn)入地層深處，造成大面積深部水化反應(yīng)，使井壁失穩(wěn)。</p><p>　　圖2-1 非泥頁巖地層穩(wěn)定性預(yù)測圖</p><p>　　可得出，泥頁巖是在原有地應(yīng)力再加水化應(yīng)力條件下，以水化后降低的泥頁巖強(qiáng)度來決定水化后是否井壁失穩(wěn)；如果井壁穩(wěn)定性不夠，則靠提高鉆井液密度予以克服。泥頁巖的水化應(yīng)力大小及水化后強(qiáng)度降低多少，是由鉆井液的體系和性質(zhì)來決定的；而井壁的

49、最終穩(wěn)定性很大程度上還取決于鉆井液密度的提高。在常規(guī)的過平衡鉆井中，人們常常是在給定鉆井液密度的前提下，調(diào)整鉆井液體系和性質(zhì)達(dá)到一個合適的狀態(tài)，使該狀態(tài)下泥頁巖水化應(yīng)力、水化下降程度在給定鉆井液密度條件下能保持井壁穩(wěn)定。顯然此時鉆井液體系和性能并沒有使泥頁巖水化影響降低到最小。因此我們完全可以通過調(diào)整鉆井液體系和性能，使泥頁巖水化影響大幅度降低（即減少水化應(yīng)力、使強(qiáng)度降低減少），到達(dá)使泥頁巖井壁穩(wěn)定強(qiáng)化的目的，在此條件下可以大幅度降低鉆

50、井液密度，實現(xiàn)欠平衡鉆井。</p><p>　　2.3 欠平衡鉆井兩相流理論</p><p>　　多相流動是幾個相處于一個系統(tǒng)內(nèi)流動的體系。這幾個相可以是同一種物質(zhì)的不同相態(tài)，也可以是不同物質(zhì)的不同相態(tài)。僅有兩種相態(tài)同處于一個體系內(nèi)的流動便稱為兩相流動，它是多相流動中最常見的一種流動組合。可以是一種物質(zhì)的兩個相態(tài)，也可以是兩種物質(zhì)的兩種相態(tài)。因此，可以分為單組分兩相流動和雙組分兩相流動。

51、單組分兩相流動是由同一種化學(xué)成分但不同的相態(tài)混合在一起的流動體系。雙組分兩相流動是指化學(xué)成分不同的兩種物質(zhì)同處于一個系統(tǒng)內(nèi)的兩相流體流動。但是，廣義來說，某些雙組分流動（主要指液體、液體流動），由彼此互不混合的一種相態(tài)構(gòu)成，也常被稱為兩相流動，例如油、水兩相流動。</p><p>　　雙組分兩相流動和單組分兩相流動定義雖有一些差異，但從流動相態(tài)的數(shù)學(xué)抽象，亦既從基本守衡方程的數(shù)學(xué)模型來看是相同的。在不涉及相變的條

52、件下，?？蓪⑺鼈円暈橥环N物理現(xiàn)象處理。</p><p>　　2.3.1 環(huán)空兩相流流態(tài)分類及其判別方法</p><p>　　在欠平衡鉆井過程中，井筒中的多相流在流動時其流態(tài)是變化的。通過大量實驗觀察研究，對氣液多相流的流態(tài)，不同的人有不同的劃分方法。根據(jù)Taitel等人的研究成果，典型的直井流態(tài)通?？煞譃榕轄盍?，段塞流，過渡流和環(huán)狀流。</p><p>　　氣液

53、兩相的相態(tài)主要受各項速度、密度等參數(shù)的影響外，氣液兩相的流動的形成過程、少量雜質(zhì)的存在等可能對流態(tài)有一定的影響。然而，由于不同的流態(tài)受不同的水動力學(xué)條件的控制，所以可以利用水動力學(xué)原理通過機(jī)理分析，得到流態(tài)的判別準(zhǔn)則。</p><p><b>　　1、泡狀流</b></p><p>　　判別準(zhǔn)則1（小氣泡）：</p><p>　　和

54、 （2-1）</p><p>　　判別準(zhǔn)則2（大氣泡）：</p><p>　　和 （2-2）</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p>&

55、lt;p><b>　　式中</b></p><p>　?。汗軓剑琺m ：氣體界面張力，Pa</p><p>　?。簡蝹€氣體上升的極限速度，m/s ：泰勒氣體氣泡上升速度，m/s</p><p>　　：氣相真實密度，g/cm3 ：液相真實密度，g/cm3</p>&l

56、t;p>　?。夯旌衔镎鎸嵜芏龋琯/cm3 ：液相真實粘度，mPa /s </p><p>　　：含氣率，無因次 ：氣體表觀相速度，m/s</p><p>　?。阂后w表觀相速度，m/s ：混合物速度，m/s</p><p><b>　　2、段塞流</b></p>

57、<p>　　判別準(zhǔn)則： （2-5） </p><p><b>　　如果，則：</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　如果，則：<

58、/b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　3、過渡流</b></p><p>　　判別準(zhǔn)則： （2-8）</p><p><b>　　如果，則：</b></p>&l

59、t;p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　如果，則：</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　4、環(huán)霧流</b></p><p>　　判別準(zhǔn)則：

60、 （2-11）</p><p>　　2.3.2 欠平衡鉆井氣液兩相流數(shù)學(xué)模型建立</p><p>　　在整個欠平衡鉆井過程中，我們關(guān)注的井內(nèi)各是井底、井口及套管鞋處的壓力主要受氣體、液體的流量、分布狀態(tài)和運(yùn)動規(guī)律的影響，理論研究時排除了一些次要因素，突出主要影響因素的影響，因此先將研究對象模型化。</p><p>　　在本模型的建立中，應(yīng)用了以

61、下假設(shè)[9]：</p><p>　　1、在本文的研究中，假設(shè)井眼截面為圓形且與井內(nèi)鉆柱同心。</p><p>　　2、忽略氣體在泥漿中的溶解，且兩相間無化學(xué)反應(yīng)。</p><p>　　3、本文只討論沿流動方向的一維非定常流動問題，用截面的平均特性和分布系數(shù)修正方法來表征過流斷面的流動參數(shù)分布。</p><p>　　4、環(huán)空內(nèi)兩相段在同一位置處

62、氣液兩相溫度相同，無熱量交換。</p><p>　　兩相流體動力學(xué)研究提供了描述一元兩相流動基本方程，既保證能夠計算求解，又保證了兩相流的重要特點(diǎn)。</p><p><b>　　氣相連續(xù)方程：</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　液相連續(xù)方

63、程：</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　混合相運(yùn)動方程：</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p>&l

64、t;p><b>　　式中</b></p><p>　　：液相密度， Kg/cm3 ：氣相密度，Kg/cm3</p><p>　　：氣相速度，m/s ：液相速度 m/s</p><p>　　：壓力 Pa ：空泡率 無因次</p><p&g

65、t;　　：氣體進(jìn)入速率 Kg/cm3 ：重力加速度m/s2</p><p>　　在上面的方程組中，液相為不可壓縮的，其密度取為常量，當(dāng)?shù)販靥荻纫阎獣r，視溫度為己知量，另外還有五個未知量，他們分別是：流場中任意位置處氣相的密度、氣液兩相各自的運(yùn)動速度： 和、流動壓力及單位體積兩相流中氣相所占的體積，用空隙率表示，這樣共需五個方程才能構(gòu)成可求解的理論模型，也就是說，除了三個基本方程外，還需兩個補(bǔ)充方程才

66、能使方程組封閉。氣相狀態(tài)方程氣體的密度是壓力和溫度的函數(shù)，可以作為一個補(bǔ)充方程，即：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　物理方程三個基本方程中均含有空泡率，關(guān)于空泡率目前已提出了許多確定方法，此處采用考慮影響因素最全的模型—漂移模型來封閉方程組。具體形式為：</p><p><b>　?。?-17）

67、</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　?。簹庀嗝芏龋?Kg/cm3 ：液相密度， Kg/cm3</p><p>　?。簹庀嗨俣龋?m/s ：液相速度， m/s</p><p>　　：環(huán)空動壓力， Pa

68、 ：空泡率， 無因次</p><p>　?。簳r間變量，s ：空間變量，t</p><p>　　：氣體滑脫速度，m/s ：速度分布系數(shù)，無因次 </p><p>　　至此，五個未知數(shù)，五個方程，理論模型方程組就是封閉的方程組了。</p><p>　　2.3.3 三相攜屑

69、研究</p><p>　　井眼凈化能力是否滿足正常鉆井需要，取決于鉆井環(huán)空流體的有效上返速度，只要有效上返速度大于巖屑的沉降速度和巖屑的最低上返速度，巖屑就可以被攜帶到地面上來。</p><p>　　在鉆井過程中，隨著巖屑的不斷產(chǎn)生，要求環(huán)空中的巖屑濃度不超過某一臨界值，1993年Guo等人假設(shè)如果能避免井眼凈化問題，為了維持環(huán)空中鉆屑濃度低于該臨界值，巖屑必須向井口移動的速度與機(jī)械鉆速R

70、OP的關(guān)系為：</p><p><b>　　（2-18）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　：臨界速度，m/s ：機(jī)械鉆速，m/h ：巖屑濃度，%</p><p>　　在引力的作用下，巖屑在環(huán)空流體中的下落將加速直到顆粒上作用的拉力剛好平衡引力，此后顆粒

71、將以不變的速度下落，我們稱此常速度為巖屑的終了沉降速度。根據(jù)重力和阻力的平衡關(guān)系可以推導(dǎo)出：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　：重力加速度，32.17ft/s2 ：特征粒子直徑，ft </p><p>　?。撼?/p>

72、滑系數(shù) ：巖屑密度，lb/ft3 ：流體密度，lb/ft3</p><p>　　在欠平衡鉆井時，鉆屑一般都保持在液相中，其攜帶能力與流態(tài)緊密相關(guān)，由于流態(tài)不同，其有效攜巖的上返速度也不一樣。</p><p>　　泡狀流段有效上返速度為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　

73、段塞流段可以假設(shè)只有液體對攜巖有貢獻(xiàn)，滿足單相流攜巖規(guī)律，有效上返速度。過度流段中液體對攜巖的貢獻(xiàn)要比段塞流小的多，其有效上返速度：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　環(huán)狀流段對攜巖有貢獻(xiàn)的已不是液體，而是氣體，要達(dá)到井眼凈化需要很高的氣流量，此時應(yīng)按空氣鉆井?dāng)y巖模型來計算：</p><p><b>

74、;　　（2-22）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　?。阂合嗔黧w表觀速度，m/s ：氣相流體表觀速度，m/s </p><p>　　：液相流體真實速度，m/s ：氣相流體真實速度，m/s </p><p>　　：各流態(tài)中其相相應(yīng)的空隙率，%<

75、;/p><p>　　巖屑的滑沉系數(shù)受粒子的形狀影響，扁平粒子的滑沉系數(shù)大約為1.4，而屬于角形到次圓狀類別的滑沉系數(shù)大約為0.8。綜合這些發(fā)現(xiàn)和氣體定律，Gray推導(dǎo)出臨界速度的約等式如下：</p><p><b>　　對于扁平巖屑：</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p&

76、gt;<b>　　對于次圓狀巖屑：</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　這里的和分別為井底溫度(K) 和壓力(psi)。綜合各種流態(tài)分析的結(jié)果，攜帶巖屑最低的環(huán)空返速為：</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>

77、;　　2.4 欠平衡鉆井井下爆燃基礎(chǔ)理論</p><p>　　根據(jù)燃燒學(xué)理論，氣體燃燒的可以分為擴(kuò)散性燃燒預(yù)混氣體燃燒兩大類。擴(kuò)散性燃燒是指燃料與空氣在著火前不互相混合，燃燒速度主要受擴(kuò)散速度控制，相對預(yù)混氣體燃燒，其燃燒速度較低。而預(yù)混氣體燃燒則是在著火前燃料與空氣已經(jīng)混合，一旦著火，其燃燒速度很快，通常表現(xiàn)為失火爆炸形式。在井下條件下，多數(shù)情況都表現(xiàn)為空氣與可燃?xì)怏w混合后失火爆炸的形式，其危害性較大，主要介

78、紹預(yù)混氣體的失火爆炸問題。</p><p>　　任何可燃混合物（燃料與空氣或其他氧化劑的混合物）的燃燒都必須著火后才能產(chǎn)生快速的燃燒爆炸。著火前可燃?xì)馓幱诰徛难趸^程，化學(xué)反應(yīng)速度很低，而一旦著火后，初期對著火點(diǎn)的燃燒使可燃混合物的溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加速。反應(yīng)的加速又近一步使反應(yīng)熱增大，使可燃混合物的溫度進(jìn)一步增高，如此反應(yīng)，在很短的時間內(nèi)致使反應(yīng)速度急劇升高，從而由緩慢的氧化過程轉(zhuǎn)化為燃燒過程直至爆炸。使可燃

79、混合物著火的方法一般有兩種：自燃與點(diǎn)燃。前者是自發(fā)的，后者是人為的，可燃混合物由于化學(xué)反應(yīng)使自身溫度升高而引起反應(yīng)速度急劇升高形成的燃爆稱為熱自燃，反之由外界加入能量。點(diǎn)燃時，由于點(diǎn)火物體的形狀與能量傳遞途徑的不同，也可以分為不同的種類。以下將介紹引起井下失火的可能方式，即熱自燃、平板點(diǎn)火、熱球點(diǎn)火、火花點(diǎn)火的燃燒分析。</p><p><b>　　1、熱自燃問題</b></p>

80、<p>　　若可燃混合物處于絕熱條件下，即不向外散熱，則氧化反應(yīng)放出的熱量總是積累在可燃混合物中，越積越多，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度上升，反應(yīng)加速；只要反應(yīng)物初始濃度足夠多，反應(yīng)速度也是增大的，最終總會著火燃燒。反應(yīng)速度極大，燃燒過程在即短的時間內(nèi)完成即產(chǎn)生爆炸。但這種完全不向外散熱條件下的燃燒問題在實際生產(chǎn)、生活中很難遇到。因為，一般情況下，由于混合物的溫度升高在其溫度高于周圍環(huán)境溫度時，就會向環(huán)境散熱。因此，通常都是在有散熱條件

81、下的燃燒問題。此時可燃混合物的燃燒與否，就取決于化學(xué)反應(yīng)的放熱速度與系統(tǒng)向外界的散熱速度的相對大小。若化學(xué)反應(yīng)的放熱速度小于系統(tǒng)向外界的散熱速度則可以緩慢氧化反應(yīng)的熱量散發(fā)給環(huán)境，使系統(tǒng)積累不起熱量，系統(tǒng)的溫度不能升高，化學(xué)反應(yīng)不能加速，所以不能形成著火燃燒；反之，化學(xué)反應(yīng)的放熱速度大于系統(tǒng)向外界的散熱速度，就使系統(tǒng)散失的熱量小于反應(yīng)放出的熱量，使系統(tǒng)積累起熱量，系統(tǒng)的溫度升高，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步加速，直到系統(tǒng)達(dá)到燃燒、爆炸。這時，我們就稱

82、這種燃燒為熱自燃形式的著火燃燒。井下的熱自燃問題主要考慮的是井下正常鉆井，停鉆時，井下無摩擦產(chǎn)生的高溫源，不考慮鉆頭鉆進(jìn)時在鉆頭部分的高溫及巖石碰</p><p>　　通過以謝苗諾夫所建立的可燃混合物的熱自燃理論為基礎(chǔ)，分析了在井下條件下，系統(tǒng)熱自燃問題。其主要結(jié)論為：</p><p>　　（1）各種可燃?xì)怏w與空氣的混合物形成的預(yù)混氣體，并不是在任何燃料濃度下均能形成熱自燃著火的。若燃料濃

83、度過小，則在預(yù)混氣中由于燃料太小，不能形成著火燃燒，而燃料濃度過大，則由于在預(yù)混氣體中的氧化劑太少，也不能形成著火燃燒。每種燃料氣體存在一個可燃的最高和最低的燃料濃度限，我們稱其為可燃上、下限。隨燃料氣體的種類不同，其對應(yīng)的上、下限濃度數(shù)值也不同，且隨著燃料碳原子數(shù)增大，可燃限的范圍變大，即C5H12可燃著火點(diǎn)范圍大，失火的可能性也就最大，CH4著火范圍最小，失火的可能性也最小。</p><p>　?。?）在井下

84、較高溫度、較大壓力下，各燃料氣體的可燃限比在常溫、常壓下的可燃限更寬，且可燃限隨溫度增高而增大的規(guī)律與隨壓力增高而增大的規(guī)律是不同的。</p><p>　　（3）井下失火最危險點(diǎn)是在井下溫度點(diǎn)或最大壓力點(diǎn)，實際上通過對井下流動系統(tǒng)分析計算表明，此兩點(diǎn)位置通常是十分接近的或是同一個位置。</p><p><b>　　2、平面點(diǎn)火問題</b></p><

85、;p>　　在井下，當(dāng)鉆具與井壁互相磨擦?xí)r，可產(chǎn)生局部高溫源段，在此熱面曲率半徑相對較大時，將它簡化為一個有限長度的平板，這個熾熱的平板與井下混合氣體相接觸時，在一定條件下可能會引燃井下可燃預(yù)混氣體。這種燃燒就不同于熱自燃問題，它是由于外界給可燃?xì)鈧魅肓藷崃慷鹂扇贾鸬?，所以其分析方法、結(jié)論與熱自燃的方法、結(jié)論不同。通過對沿板流動形成的俯面層分析，建立了俯面層內(nèi)可燃?xì)獾哪芰课⒎址匠毯蛽Q熱能量微分方程，討論其內(nèi)溫度分布、特點(diǎn)，經(jīng)分

86、析可以得到如下結(jié)論：</p><p>　?。?）同熱自燃相同，所有燃料也都存在著相應(yīng)的可燃上、下限?？傮w來說，在井下條件下可燃限比絕熱條件下的熱自燃限范圍更窄。</p><p>　?。?）可燃限同樣隨著氣體溫度、壓力變化，其變化規(guī)律與熱自然的變化規(guī)律不同。</p><p>　?。?）板面的溫度越高，板面越長，引火的可能性越大，其可燃濃度范圍也越大。這因為板面溫度越高

87、，傳給氣體的熱量越多，板長越長，板與氣體接觸的時間也越大，被點(diǎn)燃的可能性越大。</p><p><b>　　3、熱球點(diǎn)火問題</b></p><p>　　一定溫度、壓力和濃度的可燃混合氣體，當(dāng)其未達(dá)到熱自然臨界條件時，只是處于緩慢的氧化反應(yīng)過程，此時若用一熾熱的小球去接觸混合物，由于溫差、熱量從小球傳給混合物，使混合物局部溫度升高而可能引起著火燃燒，這種現(xiàn)象也可能在井

88、下出現(xiàn)。如某顆巖屑由于磨擦溫度升高，也相當(dāng)與一個熾熱的小球；鉆頭部分由于磨檫生熱，使其相當(dāng)與一個熾熱球等等。這些都可能成為井下失火的點(diǎn)火源。通過對小球表面的溫度場和濃度場的分析計算表明，小球是否點(diǎn)火與小球直徑、表面溫度，可燃混合氣濃度、壓力、溫度、可燃?xì)獾奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，小球與可燃混合物的接觸時間等因素有關(guān)。其主要結(jié)論為：</p><p>　　（1）熾熱小球的表面溫度越高，球徑越大，可引起失火的濃度范圍越大。<

89、;/p><p>　?。?）小球與可燃?xì)獾慕佑|時間必須大于最小臨界點(diǎn)著火時間才會著火，時間值大約在毫秒級上。</p><p>　　（3）小球點(diǎn)火的可燃?xì)鉂舛认揠S著溫度、壓力變化的規(guī)律與以上討論的著火條件下的數(shù)值是不同的</p><p><b>　　4、火花點(diǎn)火問題</b></p><p>　　通過觸發(fā)設(shè)在可燃混合氣中兩極間的點(diǎn)

90、火花來引燃可燃?xì)猓屈c(diǎn)火或發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)常用的方法。而事實上由物體碰撞等因素產(chǎn)生的火花同樣能引燃可燃?xì)怏w，兩者從原理上講都是在可燃?xì)庵幸胍欢ǖ狞c(diǎn)火能量而引燃可燃?xì)怏w的著火，其實質(zhì)是相同的，其過程大體上是首先引入能量使可燃?xì)怏w局部著火，開始形成初始的火焰中心，隨后初始的火焰中心向未著火的混合氣體傳播火焰使混合氣燃燒。如果初始火焰形成，并出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑?，則點(diǎn)火成功。在鉆井過程中，當(dāng)井下鉆具與巖石間互相磨擦或巖石與巖石相互碰撞等情況下，

91、都可能產(chǎn)生火花，該火花可能點(diǎn)燃井下可燃混合氣體。通過討論流動混合氣體中點(diǎn)火成功的條件，分析其能量平衡關(guān)系，可以得到如下結(jié)論：</p><p>　?。?）各種燃料的火花點(diǎn)火可燃范圍與火花長度、火花持續(xù)時間、理論燃燒溫度等因素有關(guān)。</p><p>　?。?）各種燃料的預(yù)混氣體均存在一個最小點(diǎn)火能量，低于該最小能量的火花是不能將任何濃度的可燃預(yù)混氣體點(diǎn)燃，最小點(diǎn)燃的數(shù)值大約為毫焦級。</

92、p><p>　?。?）火花點(diǎn)火燃燒的可燃限范圍及上、下限隨著溫度和壓力影響變化的規(guī)律與其他方式不相同。</p><p>　　2.5 裂縫性儲層欠平衡鉆井流動規(guī)律</p><p>　　2.5.1 嚴(yán)重裂縫性儲層的最大問題是井漏</p><p>　　所有碳酸鹽巖儲層探區(qū)均存在不同程度的井漏問題。井漏嚴(yán)重制約著勘探開發(fā)速度和鉆井成功率。對于嚴(yán)重井漏

93、、惡性井漏和漏噴同層，不但堵漏成本與時效很高，有時無法堵漏。尤其是探井打開產(chǎn)層，產(chǎn)層同時又是漏層。產(chǎn)層漏失除了造成時效成本損失外，漏入產(chǎn)層的工作液還造成了嚴(yán)重的儲層傷害。井漏是鉆井工程中最復(fù)雜的問題之一，它不僅大大增加了鉆井液的費(fèi)用，而且還會導(dǎo)致循環(huán)喪失，施工中斷，無法進(jìn)行巖屑錄井，甚至引起井塌、井噴和卡鉆[10]等惡性事故。</p><p>　　2.5.2 漏層漏失的原因分析</p><p

94、>　　漏失性地層中鉆井液漏失一般具備以下條件：①地層中有孔隙、裂縫或溶洞；②地層孔隙中的流體壓力(通常稱之為地層壓力)小于鉆井液的液柱壓力；③地層破裂壓力小于井底壓力（包括液柱壓力、循環(huán)回壓和激動壓力），因地層破裂而發(fā)生鉆井液漏失。地層中的孔隙、裂縫或溶洞以及地層壓力和破裂壓力，是在地層沉積、構(gòu)造運(yùn)動或地下水溶蝕過程中天然形成的，因其成因不同又分為滲透性漏失和裂縫(溶洞)性漏失。滲透性漏失多發(fā)生在膠結(jié)不好的孔隙性地層，其巖性以砂、

95、礫巖為主。在鉆進(jìn)滲透率大于14μm2或砂、礫巖的平均粒徑大于鉆井液固相顆粒直徑三倍的孔隙性地層時，若井底壓力超過地層壓力就會發(fā)生滲透性漏失。在鉆進(jìn)石灰?guī)r、白云巖的裂縫、溶洞及不整和侵蝕面、斷層、地應(yīng)力破碎帶，火成巖侵入體的裂縫和孔洞時，若井底壓力大于地層壓力就會發(fā)生裂縫(溶洞)性漏失。而且漏失量大，漏失速度快。鉆井過程中發(fā)生井漏，除了地層本身存在孔隙、裂縫或溶洞，具有鉆井液通行的條件外。井底壓力大于地層壓力是導(dǎo)致鉆井液漏失的重要原因[1

96、1]。</p><p>　　2.5.3 漏層的漏失規(guī)律與地質(zhì)特征</p><p>　　對川東地區(qū)的井漏進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明：川東地區(qū)所有構(gòu)造上均發(fā)生井漏。漏失的層位則從沙溪苗到志留系，從地表到5000米以下，幾乎每個層位都發(fā)生過井漏，但不同層位其漏失的嚴(yán)重程度和普遍程度有很大差異。嘉陵江、飛仙關(guān)、茅口組三個漏層，地層裂縫非常發(fā)育，尤其是高角度大裂縫發(fā)育（常發(fā)現(xiàn)裂縫寬度大于10mm、傾角大于

97、30°、延伸很遠(yuǎn)的非填充裂縫），同時地下溶洞發(fā)育，故經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重漏失和惡性漏失。而惡性漏失有時與鉆井中的放空現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，個別情況下的某些漏失通道甚至同地表連通。雷口坡、二疊系、石炭系三個漏層，裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，也有高角度裂縫發(fā)育，但裂縫規(guī)模比嘉陵江、飛仙關(guān)、茅口組要小，溶洞不太發(fā)育。這些層位經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重井漏，但惡性井漏較為少見。須家河、自流井、沙溪苗三個層位，屬于孔隙性氣層，孔隙壓力偏低，常發(fā)生滲透性漏失。有時在強(qiáng)構(gòu)造作用下，地層

98、破碎，產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，也會發(fā)生比較嚴(yán)重井漏。</p><p>　　2.5.4 裂縫性儲層在欠平衡條件下的流動規(guī)律</p><p><b>　　1、取得的成果</b></p><p>　?。?）對于裂縫性氣藏和溶洞型氣藏的漏失問題，完成了漏失規(guī)律的機(jī)理研究，建立了全套描述此類地層漏失的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　?。?）

99、建立可常壓下模擬裂縫—溶洞形漏失的大型實驗架，可以直接觀察、記錄裂縫或溶洞型氣藏的漏失形象，并開始進(jìn)行實驗。</p><p>　?。?）根據(jù)所建立的理論體系和數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果，得到可一系列對現(xiàn)場施工有指導(dǎo)意義的新穎理論。</p><p>　　2、理論體系與數(shù)學(xué)模型簡介</p><p>　　根據(jù)研究的裂縫—溶洞型漏失理論體系，對具體漏失層位的漏失規(guī)律進(jìn)行量化研究，需

100、要進(jìn)行下列工作：</p><p>　?。?）漏層漏失通道形態(tài)的描述。漏失通道形態(tài)，即造成鉆井液漏失的裂 縫、溶洞的空間分布形態(tài)。這些形態(tài)描述可以由取心、成像測井的資料，并結(jié)合地質(zhì)分析與構(gòu)造分析得到。</p><p>　　（2）漏失通道的抽象幾何模型。裂縫性漏失通道，往往由一個多條裂縫組成的空間群組成，這些裂縫有不同的長度、寬度、走向等。實際處理中，難以對真實裂縫群進(jìn)行數(shù)

101、學(xué)描述。</p><p>　　因此，比較實際的做法是將整個空間裂縫群抽象為若干組，而每一組裂縫有相同的寬度、長度、傾角、走向。用這個有幾組相同裂縫組成的漏失通道代替原來真實的裂縫群組成的空間通道。</p><p>　　（3）單縫漏失的數(shù)學(xué)模型。縫群漏失的數(shù)學(xué)模型由單縫開始。以一條垂直縫為例，垂直井眼鉆遇一條垂直裂縫。自井壁開始，裂縫向地層內(nèi)延伸距離以及對裂縫網(wǎng)格的溝通方式無法知道。引入以下

102、假設(shè)簡化問題：假設(shè)1，裂縫自井壁開始，向地層內(nèi)延伸一定距離后，與無限大容積的氣藏相通。無限大氣藏可以容納所有漏失的液體；且在井漏發(fā)生的時間范圍內(nèi)，無限大氣藏可以以恒定壓力提供足夠的氣源。嚴(yán)格講，任何儲層的裂縫都是產(chǎn)生在孔隙性基質(zhì)巖快內(nèi)，因此裂縫流體流動既有縫內(nèi)的流動，又有孔隙介質(zhì)的滲流，流動規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜。但考慮到如下兩個基本事實：第一，與裂縫倒流能力相比，基質(zhì)滲透率都非常低，可以略去不計；第二，發(fā)生在裂縫內(nèi)的流體流動是大量而快速的，而孔

103、型基質(zhì)的滲流是少量而緩慢的。因此，引入假設(shè)2簡化計算：在建立裂縫—溶洞型井漏模型時，基質(zhì)滲透率可忽略不計。即井漏是發(fā)生在非滲透性基質(zhì)的裂縫、溶洞中的。對上述物理模型，建立其流動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，附加相應(yīng)的初始條件與邊界條件，進(jìn)行數(shù)值求解，從而使得到了在給定條件下的垂直單縫的漏失規(guī)律和氣體通入井內(nèi)的規(guī)律。類似方法，可以建立傾斜縫，水平縫以及不同溶洞的數(shù)學(xué)模型。從而可以模擬不同寬度、不同傾</p><p>　　圖2-2

104、 單縫物理模型</p><p>　?。?）真實地層的數(shù)學(xué)模型。在單縫漏失的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，考慮漏失通道裂縫群和溶洞群的抽象幾何模型，便可以得到真實地層的數(shù)學(xué)模型，由此可以模擬整個漏失性地層的漏失規(guī)律和氣侵規(guī)律。</p><p><b>　　3、幾點(diǎn)重要認(rèn)識</b></p><p>　　通過建立的理論體系的初步分析，得到如下幾點(diǎn)對治服井漏技術(shù)

105、有實際參考價值的結(jié)論。</p><p>　?。?）單條裂縫內(nèi)漏失的規(guī)律，存在著明顯的氣液界面和壓力自由面，自由面以下為漏失液體的流動，自由面以上為侵入氣體的流動，尤其是垂直縫和高角度縫，此現(xiàn)象尤為突出?？梢?，在液柱壓力和氣壓共同作用下的裂縫性井漏和井涌，已完全不符合達(dá)西滲流定律，而是有其獨(dú)特的控制規(guī)律。</p><p>　?。?）裂縫性地層的井漏與過平衡壓差有極大的關(guān)系，在孔隙性漏失層，漏

106、失量與過平衡壓差基本成正比（符合達(dá)西滲流規(guī)律），而且隨著漏失而形成的孔喉堵塞大大地緩解了漏失的嚴(yán)重程度。但在裂縫性地層，漏失量與過平衡壓差基本成1.5至1.6次方的關(guān)系，且無任何內(nèi)外泥餅作用。因此，井漏時不必要的高液柱壓力是不利的。</p><p>　　圖2-3 裂縫漏失時的自由面</p><p>　?。?）在過平衡條件下，裂縫性漏失會很嚴(yán)重，但同時仍有少量氣體侵入井內(nèi)，故表現(xiàn)為井漏的同

107、時有微弱氣侵。例如，在4000米深有4條10mm、長500mm的垂直縫，鉆井液性能為：密度1.20g/cm3，塑性粘度0.02Pa·s，動切力2Pa，表面張力102N/m。當(dāng)附加鉆井液密度為0.05g/cm3時，漏失量為14m3/h，氣侵量為26.667L/s；如果將附加鉆井液密度加大到0.20g/cm，氣侵量無明顯降低，但漏失量增大到114m3/h。過平衡條件下裂縫性漏失地層的氣侵，很大范圍上與過平衡壓差關(guān)系不大，而主要還是

108、自由面存在、壓力波動和縫尖端的影響。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致過度加重的操作。</p><p>　?。?）在欠平衡條件下，不但有大量氣體噴入井內(nèi)，同時還有部分液體漏入地層，對傷害敏感性地層，這種漏失會造成嚴(yán)重的儲層傷害。隨著欠平衡度的增大，噴入井內(nèi)的氣體量會增加，漏入地層的液體量會減少。欠平衡仍是治服井漏的有效辦法，當(dāng)儲層與液柱之間的壓力差進(jìn)入欠平衡區(qū)域后，漏失量將極大地減少。</p><p>　　

109、（5）不同縫高、不同縫寬、不同傾角的裂縫的漏失規(guī)律均可模擬。結(jié)果表明，縫高和縫寬均較大的高角度縫，漏失問題特別嚴(yán)重。</p><p>　?。?）不同液體性質(zhì)（密度、粘度、切力、張力等）對漏失的影響明顯，在井深4000m處有一條寬10mm、高500mm的垂直縫，調(diào)整鉆井液性能用于減緩井漏應(yīng)該是有效方法之一。調(diào)整鉆井液性能克服漏失，要注意問題的兩面性：提高粘切一方面增大了漏層阻力而減少漏失量，另一方面由于增大了循環(huán)磨

110、檫力而增加漏失量，因此要進(jìn)行綜合分析。淺層漏失以提高粘切為主，增大漏層阻力；深層漏失以降低粘切為主，減小循環(huán)動壓。最好是以提高粘切的同時改善鉆井液的剪砌稀釋特性，使其可以增大漏層流動阻力，又不明顯增加環(huán)空循環(huán)動壓。</p><p>　　（7）井漏規(guī)律的定量數(shù)模計算，應(yīng)該大大有助于防漏治漏技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　?。?）井內(nèi)液柱壓力與地層流體之差是影響井漏的最顯著因素。當(dāng)存在較大過平

111、衡壓差時，縫洞性漏層的漏失量會相當(dāng)大；而當(dāng)壓差為零（平衡）或為負(fù)（欠平衡）時，漏失量大大減少。這提示了用欠平衡鉆井的方法對付井漏。</p><p>　　4、井漏規(guī)律的正反認(rèn)識</p><p>　　上述認(rèn)識過程，首先要求知道井漏通道特征，在對井漏規(guī)律進(jìn)行模擬。而實際工程中常見的是上述認(rèn)識過程的反過程，即在給定的條件下，可以記錄下井漏失規(guī)律，但漏層的漏失通道特征是地下未知的。如何由已知信息分析