CN114817836A - 一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，属于油气藏开发技术领域，本方法包括如下步骤；收集深井超深井工程地质特征资料，建立深井超深井钻井液漏失动力学模型，具体包括诱导破裂型、裂缝扩延型和天然缝洞型三种漏失模型；求解上述深井超深井钻井液漏失动力学模型并制作漏失模型的钻井液漏失速率‑时间特征曲线作为特征版图；记录待判定深井超深井钻井液漏失发生初期钻井液漏失速率数据，绘制钻井液漏失速率‑时间关系曲线；通过将深井超深井现场钻井液漏失速率‑时间关系曲线与不同漏失类型的特征图版对比，诊断深井超深井钻井液漏失类型；本发明为钻井液漏失提供了理论判读依据，能够实现及时、有针对性、高效的漏失控制。

Description

一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法

技术领域

本发明涉及钻井液漏失控制技术领域，具体涉及一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法。

背景技术

钻井液漏失是最严重的储层损害方式，不仅降低储层生产能力，消耗大量钻井液与堵漏材料，甚至引发井下安全事故。浅井和中深井以孔隙型漏失为主，当前钻井液漏失控制技术已较好解决了孔隙型漏失，但深井超深井漏失以裂缝性为主，裂缝性漏失尚未得到解决，是困扰行业多年的难题。

裂缝的存在导致深井超深井钻进裂缝性油气层过程中钻井液漏失频发，通过在钻井液中加入固相材料，有效封堵裂缝，实现钻井液漏失控制是最常用的漏失控制方法。现有的深井超深井钻井液漏失控制方法存在的主要不足为：深井超深井钻井液漏失主要分为诱导破裂型漏失、裂缝扩延型漏失及天然缝洞型漏失(具体分类标准参考详见Lavrov A.Lostcirculation:mechanisms and solutions[M].Gulfprofessional publishing,2016，也可参见图1)，不同的漏失类型，其采取的漏失控制方法及措施也不同，现场钻井液漏失控制主要以“经验法”、“试错法”为主，缺乏科学指导依据，无法实现及时、有针对性、高效的漏失控制，消耗钻井液与堵漏材料，延长建井周期，损害油气储层，造成重大经济损失。因此建立深井超深井钻井液漏失类型诊断方法具有重要意义。

发明内容

为解决现有深井超深井钻井液漏失控制过程中，缺乏科学指导依据，无法实现及时、有针对性、高效漏失控制的问题，本发明提出了一种针对深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，本发明的技术方案如下。

一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，包括如下步骤：

S1、收集深井超深井工程地质特征资料，基于深井超深井钻井液漏失动力学理论建立深井超深井钻井液漏失动力学模型；所述深井超深井钻井液漏失动力学模型包括诱导破裂型、裂缝扩延型和天然缝洞型三种漏失模型；

作为本发明的一种具体实施方式，步骤S1包括如下步骤：

以Navier-Stokes方程为基础，建立具有H-B流变模式的微可压缩非牛顿流体在可变形裂缝中的非稳态钻井液漏失模型，如下：

式中，ρ为流体密度，g/cm³；t为时间，s；ν为微元体的体积，m³；▽为哈密顿算子，无量纲；P为单位面积力，即应力张量，Pa；f为单位质量力，N；C_L为液体的弹性压缩系数，无量纲；V_L为液体的绝对体积，m³；τ为剪切应力，Pa；γ为剪切速率，s^-1；τ_y为动切应力，Pa；n为流型指数，无量纲；K为稠度系数，Pa·sⁿ；w为动态裂缝宽度，m；w_o为裂缝法向应力为零时的裂缝宽度，m；α为biot系数，无量纲；P_f为流体压力，MPa；σ_n为裂缝面法向应力，MPa；β为经验系数，无量纲；q_l为裂缝璧面滤失量，m³；C_v为钻井液粘度控制的滤失系数，无量纲；C_C为地层流体粘度控制的滤失系数，无量纲；C_w为钻井液造壁性控制的滤失系数，无量纲。

通过对上述模型进行合理简化，建立考虑不同漏失类型特征及初始边界条件的钻井液漏失动力学模型，如下：

诱导破裂型漏失动力学方程：

裂缝扩延型漏失动力学方程：

天然缝洞型漏失动力学方程：

式中：为流型指数，无因次；为稠度系数，Pa·sn；x为裂缝入口在x轴上的坐标，m；w为动态裂缝宽度，mm；为单位面积力，即应力张量，Pa；为动切应力，Pa；为时间，s；τy为动切应力，Pa；F为裂缝变形系数，无因次；为缝内压力，表示初始时刻缝长方向x位置处的缝内压力；为地层压力，MPa；为井筒液柱压力，MPa；为动态钻井液侵入深度，m；为裂缝法向应力为零时的裂缝宽度，m；为经验系数，无量纲；σn为裂缝面法向应力，MPa；Pi为动态缝内流体压力，MPa；为流体密度，g/cm3；g为重力常数，m/s2；α为裂缝倾角，°；Lx、Ly分别为裂缝扩延型漏失动力学模型缝长方向x和y边界，mm；r为裂缝径向方向距裂缝入口处的距离，mm；为钻井液通过裂缝横截面的瞬时速率，m/s；为裂缝璧面钻井液滤失系数，无量纲。

S2、求解上述深井超深井钻井液漏失动力学模型，获得三种漏失模型在不同时刻的钻井液漏失速率，制作不同漏失模型的钻井液漏失速率-时间特征曲线作为特征版图；

作为本发明的一种具体实施方式，步骤S2包括如下步骤：

S21、获取三种不同漏失类型钻井液漏失动力学偏微分方程的显式有限差分形式；诱导破裂型漏失

裂缝扩延型漏失

天然缝洞型漏失

式中：m为时间迭代次数；i为缝长步长迭代次数；△x为裂缝缝长增量，m；△y为裂缝缝宽增量，m；K_r为地层渗透率，μm²；c_f为地层流体的压缩系数，MPa^-1；c为滤液的压缩系数，MPa^-1；φ为地层孔隙度，％；μ_f为地层流体的粘度，Pa·s；K_f滤饼的渗透率，μm²；τ_i表示τ_i时刻后，压力前缘传播到裂缝中的某个位置，从τ_i开始，裂缝中的这个位置才发生滤失；β为经验系数，通过实验获取，无因此；Δr为缝长径向方向增量，m；△t为时间增量，s；

S22、对每种漏失模型进行迭代求解，具体包括如下过程：

S211、设定初始时间、时间步长值、初始裂缝长度和裂缝长度步长值；

S212、代入模型基础参数至差分方程求解缝内流体瞬时压力；

S213、判断井筒压力是否导致裂缝扩展，如果裂缝不扩展则时间增加时间步长值△t；如果裂缝扩展则增加裂缝长度增加裂缝长度步长值△L，然后根据一维线性裂缝漏失模型计算裂缝内流体瞬时压力值；

所述裂缝扩展条件为K_I≥K_IC，其中，

K_I＝K_I(σ_H)+K_I(σ_h)+K_I(p_w)+K_I(p_f)

式中，K_I为裂缝应力强度因子；K_I(σ_H)为最大水平主应力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(σ_h)为最小水平主应力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(p_w)为井筒压力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(p_f)为裂缝中流体压力作用于裂缝的应力强度因子；σ_y(x,0)为裂缝面上的应力；a＝L/2，为裂缝半长；K_IC为临界断裂强度因子；r_w为井筒半径；b＝1+a/r_w；x_b为b所对应x轴坐标，m；p_w为井筒液柱压力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；p_f为缝内流体压力，MPa。

S214、通过压力梯度求解结果与质量守恒公式，求得该时刻的漏失速率；

裂缝钻井液漏失守恒方程：

诱导破裂型漏失及裂缝扩延型漏失：

天然缝洞型漏失：

其中，压力梯度方程为：

S215、重复迭代步骤S212、213、214得到不同时间裂缝内流体瞬时压力值、钻井液漏失速率。

S3、记录待判定深井超深井钻井液漏失发生初期钻井液漏失速率数据，绘制钻井液漏失速率-时间关系曲线。

具体的，漏失初期的时间可以根据需要选择，以取得的钻井液漏失速率-时间关系曲线能够与特征图版进行对比判断为准，具体而言，初期时间可以是8分钟，也可以是10分钟甚至更长。

S4、通过将深井超深井现场钻井液漏失速率-时间关系曲线与不同漏失类型的特征图版对比，诊断深井超深井钻井液漏失类型。

具体的，根据特征图版与实际钻井液漏失速率-时间关系曲线来判断其漏失类型的方式有很多。比如，通过两者的曲线形态判断，通过漏失速率范围，设置是通过最大漏失速率来判断，也可以结合两者的曲线形态和最大漏失速率来判断。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，能够及时诊断漏失类型，为有针对性、高效的漏失控制提供了科学指导依据。

附图说明

图1是不同漏失类型示意图，其中，a为诱导破裂型漏失，b为裂缝扩延型漏失，c为天然缝洞型漏失；

图2是本发明实施例DBXX井钻井液漏失过程缝内压力变化图；

图3是本发明实施例DBXX井诱导破裂型漏失钻井液漏失速率-时间关系图；

图4是本发明实施例DBXX井裂缝扩延型钻井液漏失速率-时间关系图；

图5是本发明实施例DBXX井天然缝洞型漏失裂缝动态变化图；

图6是本发明实施例DBXX井天然缝洞型漏失钻井液漏失速率-时间关系图；

图7是本发明实施例塔里木盆地DB2井漏失初期钻井液漏失速率-时间关系图；

图8是DB2井4149m堵漏配方效果评价图；

图9是DB2井4162m堵漏配方效果评价图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

S1、收集深井超深井塔里木盆地DBXX井的工程地质特征资料，基于深井超深井钻井液漏失动力学理论建立深井超深井钻井液漏失动力学模型；所述深井超深井钻井液漏失动力学模型包括诱导破裂型、裂缝扩延型和天然缝洞型三种漏失模型；建立的三种具体模型如下：诱导破裂型漏失动力学方程：

裂缝扩延型漏失动力学方程：

天然缝洞型漏失动力学方程：

式中：n为流型指数，无因次；K为稠度系数，Pa·sⁿ；x为裂缝入口在x轴上的坐标，m；w为动态裂缝宽度，mm；P为单位面积力，即应力张量，Pa；τ_y为动切应力，Pa；t为时间，s；τ_y为动切应力，Pa；F为裂缝变形系数，无因次；p()为缝内压力，p(0,x)表示初始时刻缝长方向x位置处的缝内压力；p₀为地层压力，MPa；p_w为井筒液柱压力，MPa；x_f为动态钻井液侵入深度，m；w_o为裂缝法向应力为零时的裂缝宽度，m；β为经验系数，无量纲；σ_n为裂缝面法向应力，MPa；P_i为动态缝内流体压力，MPa；ρ为流体密度，g/cm³；g为重力常数，m/s²；α为裂缝倾角，°；L_x、L_y分别为裂缝扩延型漏失动力学模型缝长方向x和y边界，mm；r为裂缝径向方向距裂缝入口处的距离，mm；v为钻井液通过裂缝横截面的瞬时速率，m/s；C_t为裂缝璧面钻井液滤失系数，无量纲。

S2、求解上述深井超深井钻井液漏失动力学模型，获得三种漏失模型在不同时刻的钻井液漏失速率，制作不同漏失模型的钻井液漏失速率-时间特征曲线作为特征版图；具体包括如下步骤：

①获取三种类型漏失动力学偏微分方程显式有限差分形式：

诱导破裂型漏失

裂缝扩延型漏失

天然缝洞型漏失

②对每种漏失模型进行迭代求解，具体包括如下过程：

S211、设定初始时间、时间步长值、初始裂缝长度和裂缝长度步长值；

S212、代入模型基础参数至差分方程求解缝内流体瞬时压力；

S213、判断井筒压力是否导致裂缝扩展，如果裂缝不扩展则时间增加时间步长值△t；如果裂缝扩展则增加裂缝长度增加裂缝长度步长值△x，计算裂缝内流体瞬时压力值；

S214、通过压力梯度求解结果与质量守恒公式，求得该时刻的漏失速率；

S215、重复迭代步骤S212、213、214得到不同时间裂缝内流体瞬时压力值、钻井液漏失速率，如图所示。

③根据三种漏失模型在不同时刻的钻井液漏失速率，制作不同漏失模型的钻井液漏失速率-时间特征曲线作为特征图版，详见图3-图6。

表1塔里木盆地DBXX井地质特征资料

S3、以临近井塔里木盆地DB2井为例，记录待判定深井超深井钻井液漏失发生初期钻井液漏失速率数据，绘制钻井液漏失速率-时间关系曲线，见图7。

S4、通过将深井超深井现场钻井液漏失速率-时间关系曲线与不同漏失类型的特征图版对比，诊断深井超深井钻井液漏失类型。

DB2井(井深4149m处)钻井液漏失速率-时间曲线呈波浪式前进，波动幅度较小，证明裂缝宽度方向存在动态变化且裂缝无扩展趋势，其漏失初期漏失速率小于0.1m3/min，符合诱导破裂型漏失特征。

DB2井(井深4162m处)钻井液漏失速率-时间曲线在漏失发生时迅速达到峰值，漏失速率大于0.4m³/min(大于裂缝扩延型漏失峰值范围且小于天然缝洞型漏失峰值范围)，证明地层存在一条开度较小，延伸较短的致漏裂缝，漏失速率达到峰值后迅速下降且呈波浪式，波动幅度较大，说明随着钻井液漏失进行，裂缝宽度方向存在动态变化且在缝长方向有延伸趋势，符合天然缝洞型漏失且伴随裂缝扩展延伸趋势，导致恶性漏失发生。

S5、根据不同漏失类型诊断结果，针对DB2井井深4149m与4162m处两个漏点，形成以下堵漏配方；

表2DB2井4149m及4162m井漏控制配方

采用形成的配方对塔里木盆地DB2井4149m与4162m两个漏点进行堵漏施工，循环验堵后，正常钻进排量循环无漏失，满足下步施工要求，现场钻井液漏失得到有效控制，说明按照本实施例判定的漏失类型准确。

本发明在上文已优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描述本发明，而不应理解为限制本发明的范围。在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的进一步改进也应视为在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、收集深井超深井工程地质特征资料，建立深井超深井钻井液漏失动力学模型；所述深井超深井钻井液漏失动力学模型包括诱导破裂型、裂缝扩延型和天然缝洞型三种漏失模型；

S2、求解上述深井超深井钻井液漏失动力学模型，获得三种漏失模型在不同时刻的钻井液漏失速率，制作不同漏失模型的钻井液漏失速率-时间特征曲线作为特征版图；

S3、记录待判定深井超深井钻井液漏失发生初期钻井液漏失速率数据，绘制钻井液漏失速率-时间关系曲线；

S4、通过将深井超深井现场钻井液漏失速率-时间关系曲线与不同漏失类型的特征图版对比，诊断深井超深井钻井液漏失类型。

2.根据权利要求1所述的一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中诱导破裂型、裂缝扩延型和天然缝洞型三种漏失模型如下；

诱导破裂型漏失动力学方程：

裂缝扩延型漏失动力学方程：

天然缝洞型漏失动力学方程：

式中：n为流型指数，无因次；K为稠度系数，Pa·sⁿ；x为裂缝入口在x轴上的坐标，m；w为动态裂缝宽度，mm；P为单位面积力，即应力张量，Pa；τ_y为动切应力，Pa；t为时间，s；τ_y为动切应力，Pa；F为裂缝变形系数，无因次；p()为缝内压力，p(0,x)表示初始时刻缝长方向x位置处的缝内压力；p₀为地层压力，MPa；p_w为井筒液柱压力，MPa；x_f为动态钻井液侵入深度，m；w_o为裂缝法向应力为零时的裂缝宽度，m；β为经验系数，无量纲；σ_n为裂缝面法向应力，MPa；P_i为动态缝内流体压力，MPa；ρ为流体密度，g/cm³；g为重力常数，m/s²；α为裂缝倾角，°；L_x、L_y分别为裂缝扩延型漏失动力学模型缝长方向x和y边界，mm；r为裂缝径向方向距裂缝入口处的距离，mm；v为钻井液通过裂缝横截面的瞬时速率，m/s；C_t为裂缝璧面钻井液滤失系数，无量纲。

3.根据权利要求2所述的一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤；

S21、获取三种漏失类型动力学偏微分方程的显式有限差分形式；

诱导破裂型漏失

裂缝扩延型漏失

天然缝洞型漏失

式中：m为时间迭代次数；i为缝长步长迭代次数；△x为裂缝缝长增量，m；△y为裂缝缝宽增量，m；K_r为地层渗透率，μm²；c_f为地层流体的压缩系数，MPa^-1；c为滤液的压缩系数，MPa^-1；φ为地层孔隙度，％；μ_f为地层流体的粘度，Pa·s；K_f滤饼的渗透率，μm²；τ_i表示τ_i时刻后，压力前缘传播到裂缝中的某个位置，从τ_i开始，裂缝中的这个位置才发生滤失；β为经验系数，通过实验获取，无因此；Δr为缝长径向方向增量，m；△t为时间增量，s；

S22、对每种漏失模型进行迭代求解，具体包括如下过程：

S211、设定初始时间、时间步长值、初始裂缝长度和裂缝长度步长值；

S212、代入模型基础参数至差分方程求解缝内流体瞬时压力；

S213、判断井筒压力是否导致裂缝扩展，如果裂缝不扩展则时间增加时间步长值△t；如果裂缝扩展则增加裂缝长度增加裂缝长度步长值△x，计算裂缝内流体瞬时压力值；

S214、通过压力梯度求解结果与质量守恒公式，求得该时刻的漏失速率；

S215、重复迭代步骤S212、213、214得到不同时间裂缝内流体瞬时压力值、钻井液漏失速率。

4.根据权利要求3所述的一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，其特征在于，所述步骤S213中所述裂缝扩展条件为K_I≥K_IC，其中，

K_I＝K_I(σ_H)+K_I(σ_h)+K_I(p_w)+K_I(p_f)；

式中，K_I为裂缝应力强度因子；K_I(σ_H)为最大水平主应力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(σ_h)为最小水平主应力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(p_w)为井筒压力作用于裂缝的应力强度因子；K_I(p_f)为裂缝中流体压力作用于裂缝的应力强度因子；σ_y(x,0)为裂缝面上的应力；a＝L/2，为裂缝半长；K_IC为临界断裂强度因子；r_w为井筒半径；b＝1+a/r_w；x_b为b所对应x轴坐标，m；p_w为井筒液柱压力，MPa；σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；p_f为缝内流体压力，MPa。

5.根据权利要求书3所述的一种深井超深井钻井液漏失类型诊断方法，其特征在于，所述的S214中所述求解步骤如下：

裂缝钻井液漏失守恒方程：

诱导破裂型漏失及裂缝扩延型漏失：

天然缝洞型漏失：

其中，

式中，qⁿ为漏失速率的n次方，其中，n为流型指数；h为裂缝高度。

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