2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学), 四川成都 610500
2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration(Southwest Petroleum University), Chengdu, Sichuan, 610500, China
钻进裂缝性地层时，钻井液与地层流体的置换是一个复杂的物理过程，不少学者对钻井液与地层流体置换的机理进行了分析，并进行了数值模拟：马宗金[1]认为，由于天然气的密度与钻井液相比低很多，当发现溢流关井后，天然气与钻井液将发生置换，并对发生置换后井筒内的压力变化进行了推断；张志[2]通过试验分析了重力置换溢流的机理和气侵后井筒内气体滑脱的特征，并提出了相应的井控措施；舒刚等人[3]分析了裂缝性地层发生重力置换式溢漏同存的机理，建立了相应的数学模型，并研制了一套模拟钻井液与气体置换时气液两相流的试验装置，通过模拟试验验证了数学模型的计算结果，提出气液发生置换时裂缝内的气液分层流动；贾红军[4]研究了垂直井钻遇水平缝时的气液重力置换规律；赵向阳等人[5]基于平板缝试验装置和CFD技术分析了影响稠油和钻井液重力置换的因素，并提出了控制稠油和钻井液置换的措施；路保平等人[6]分析了伊朗雅达油田沥青层的置换机制、压力波动情况和定容性油藏地层压力的变化规律。但上述研究及试验都是采用平板缝或者平板粘砂来模拟真实裂缝，不能真实反映流体在裂缝中的流动形态。为此，笔者基于真实裂缝的可视化液液置换试验装置开展了液液可视化重力置换试验，分析了液液置换发生的条件、发展规律和影响置换量的因素，可为裂缝性地层安全钻进提供理论指导。
1 裂缝性地层缝内液液重力置换机理结合现场实际情况，重力置换式溢漏同存的发生应具备3个条件：1)地层中有钻井液流入地层的裂缝通道；2)漏失量比较大时，地层中有足够大的空间容纳漏失的钻井液；3)井筒压力处于重力置换窗口。前2个条件比较容易理解，笔者结合已有文献中的试验，主要对重力置换窗口进行论证[7-11]。
图 1中ABDO代表裂缝面，根据井筒与地层的压力平衡关系，可以得到只漏失不溢流的条件为：
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| 图 1 垂直井钻遇裂缝性油藏溢漏同存示意 Fig.1 Diagram of coexistence of overflow and leakage in vertical wells drilling through fractured reservoirs |
只溢流不漏失的条件为：
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溢漏共存的条件为：
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式中：pA为裂缝顶端位置对应的井筒压力，Pa；pB为地层近井筒裂缝内压力，Pa；Δpσ为液液界面张力产生的压差，Pa；Δpffu为液液分界面上部地层流体在缝内的流动压耗，Pa；Δpffl为液液分界面下部钻井液在缝内的流动压耗，Pa；Δpfw为钻井液在井筒中的循环压耗，Pa；ρm为钻井液密度，kg/m3；ρo为地层流体密度，kg/m3；H为裂缝上端和下端的垂直距离，m。
由式(3)可以看出，重力置换窗口由井筒压力(pA)、地层压力(pB)、置换界面、钻井液与地层流体的密度差、缝内摩阻、液液界面张力、井筒循环压耗共同决定，而缝内摩阻取决于缝长、缝宽和置换流体的物性，井筒循环压耗取决于缝高、钻井液物性及井筒的返排量。
2 基于真实裂缝的液液重力置换试验方法 2.1 试验目的和试验方案液液重力置换试验的目的是证实液液重力置换现象的存在，找出发生液液重力置换的条件和影响因素，同时为CFD仿真提供边界条件，通过可视化井筒地层裂缝液液重力置换试验数据，验证地层流体与钻井液之间动态置换规律的数学模型，为井筒压力控制参数优化设计提供计算方法，为制定裂缝性地层安全钻进对策提供理论依据。
根据油田现场表现，发生液液重力置换的地层为有限圈闭体，因此将模拟地层的容器设定为一个封闭空间，进行定容液液重力置换试验，模拟正常钻进过程中地层-井筒置换的情况：钻井液从钻柱上部注入，由环空返出，观察环空中钻井液与地层流体的置换现象。
同一裂缝宽度下，通过改变回压来改变地层压力和井筒压力的压差，进而实现按照井涌→临界点→置换→临界点→井漏进行试验，考察钻井液密度、回压、钻井液黏度和地层流体黏度对置换量的影响，然后改变裂缝宽度再次进行试验，考察裂缝宽度对置换量的影响。在同一裂缝宽度下，设置采用循环低密度钻井液加回压和循环高密度钻井液的方式获得相同循环当量密度(ECD)的情况，观察2种方式下的置换量，并进行对比。
2.2 试验装置及试验材料由于目前国内外尚没有基于真实裂缝空间的耦合流动试验装置，笔者通过扫描现场实际露头裂缝，构建了真实的裂缝空间，并研制了一套基于真实裂缝空间的可视化井筒-地层耦合流动试验装置。该试验装置主要由模拟地层模块、模拟井筒模块和模拟裂缝模块组成(见图 2)。
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| 图 2 液液重力置换试验装置原理示意图 Fig.2 Diagram of apparatus for tests on liquid-liquid gravity displacement |
该试验装置中模拟井筒的高度6.0 m、直径152.4 mm，裂缝模块中模拟裂缝的高度0.5m、长度1.0m，宽度可调，工作压力大于0.5 MPa。该试验装置可以模拟定容和定压情况下钻井液-原油、钻井液-气体在真实裂缝中的耦合流动状态，还能进行裂缝内堵漏效果评价，除了可视化观测及高速摄像外，还可以测量压力、流量等数据。
以清水为低密度钻井液，加入CaCl2调整钻井液的密度，加入CMC调整钻井液的黏度；采用齿轮油模拟高黏的地层流体，并在钻井液中加入墨水，以增强流体对比观测效果。
2.3 液液重力置换试验步骤1) 开启螺杆泵，将适量模拟地层流体泵入模拟地层，打开真实裂缝板右侧阀门，使模拟地层流体充满裂缝，调节地层压力分别使其大于、基本等于和小于井筒压力，记录3种情况下的压力数据。开启钻井泵，使钻井液充满模拟井筒并循环一段时间，并待井筒中流体流量稳定。
2) 打开真实裂缝板左侧阀门，同时记录时间。此时，右侧压力大于左侧压力，将发生井涌，右侧压力释放，其地层压力将逐渐减小，两端压差逐渐减小，井涌量逐渐减小；当两侧压差小到一定程度，井涌的同时亦会发生井漏(即发生置换现象)，仔细观察并记录刚发生置换时的时间、压力和流量等数据，此时即为从井涌到置换的临界点。此后，地层压力将继续减小，当两侧压差小到一定程度，置换将消失，只有井漏，仔细观察并记录置换现象消失的时间、压力和流量等数据，此时即为从置换到井漏的临界点。
3) 调节井筒回压(5组，其中2组为后续试验调整钻井液密度提供依据)，重复以上试验步骤。
3 试验结果分析与讨论 3.1 置换影响因素分析为了验证液液重力置换现象的存在，找出发生置换的条件和影响置换量的因素，最终形成有效的控制方法，分别开展不同裂缝宽度、井口回压、钻井液密度、钻井液黏度、地层流体黏度等液液可视化置换试验，分析各参数对置换量的影响规律。
3.1.1 裂缝宽度以密度1.000 kg/L、黏度1.0 mPa·s的清水为钻井液，以密度0.700 kg/L、黏度1 900.0 mPa·s的原油为地层流体，分别在缝宽10.0和1.9 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持井筒、地层条件不变，观察缝板中的置换现象，同时监测不同时间下的置换量，结果见图 3。
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| 图 3 不同裂缝宽度下置换量与时间的关系 Fig.3 Relationship of displacement amount versus time under different fracture widths |
由图 3可以看出：试验过程中井筒中的钻井液与地层流体发生置换；在同一缝宽下，随时间增长，置换量增大，置换速率基本稳定；随缝宽增大，置换速率增大，置换量增大。与气液定容置换试验结果相比，缝宽对液液定容置换速率和置换量的影响程度更明显。
3.1.2 回压以密度1.000 kg/L、黏度1.0 mPa·s的清水为钻井液，以密度0.700 kg/L、黏度1 900.0 mPa·s的原油为地层流体，在缝宽10.0 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持地层条件不变，改变井筒回压，观察缝板中相同时间下的置换现象(见图 4)，同时监测不回压下相同时间下的置换量，结果见图 5。
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| 图 4 不同回压下相同时间的液液置换现象 Fig.4 Liquid-liquid displacement at the same time under different back pressures |
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| 图 5 置换量与回压的关系 Fig.5 Relationship between displacement amount and back pressure |
由图 4和图 5可以看出：井筒中的钻井液与地层中的流体发生了置换；随回压增大，钻井液与地层流体间的界面向右、向上移动，置换现象更明显，置换速率和置换量增大。
3.1.3 钻井液密度以密度1.058，1.233和1.350 kg/L，黏度2.0 mPa·s的CaCl2溶液为钻井液，以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的原油为地层流体，在缝宽10.0 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持地层条件不变，改变钻井液的密度，观察缝板中的置换现象(见图 6)，同时监测不同时间下的置换量，结果见图 7。
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| 图 6 不同钻井液密度条件下相同时间的液液置换现象 Fig.6 Liquid-liquid displacement at the same time under different densities of drilling fluid |
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| 图 7 不同钻井液密度条件下置换量与时间的关系 Fig.7 Relationship between displacement amount and time under different drilling fluid densities |
由图 6和图 7可以看出：井筒中的钻井液与地层中的流体发生了置换；随钻井液密度增大，钻井液与地层流体间的界面向右、向上移动，置换现象更明显，置换速率和置换量增大。
3.1.4 钻井液黏度以密度1.350 kg/L、黏度1.9和12.9 mPa·s的CaCl2溶液为钻井液，以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的原油为地层流体，在缝宽10.0 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持地层条件不变，改变钻井液的黏度，观察缝板中的置换现象，结果见图 8。
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| 图 8 不同钻井液黏度条件下相同时间的液液置换现象 Fig.8 Liquid-liquid displacement at the same time under different viscosities of drilling fluid |
由图 8可以看出：井筒中的钻井液与地层中的流体发生了置换；随着钻井液黏度增大，钻井液和原油间的界面向左、向下移动，置换现象减弱。
3.1.5 地层流体黏度以密度1.233 kg/L、黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液为钻井液，分别以密度0.968 kg/L、黏度2 050.0 mPa·s的稠油和密度0.780 kg/L、黏度1 495.0 mPa·s的稀油为地层流体，在缝宽10.0 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持地层条件不变，观察缝板中不同黏度地层流体与钻井液的置换现象，结果见图 9。
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| 图 9 不同地层流体黏度条件下相同时间的液液置换现象 Fig.9 Liquid-liquid displacement at the same time under different viscosities of crude oil |
由图 9可以看出：当地层流体黏度较低时，发生了置换现象，而地层流体黏度较高时，未发生置换现象。其原因是地层流体黏度较高时，其在裂缝中的流动阻力太大。
3.2 等ECD条件下置换量的对比试验对于同一井筒，获得同一ECD的方式有2种:一种是循环高密度钻井液; 另一种是循环低密度钻井液加回压。为了对比这2种方式下的置换量，为钻井过程中发生液液重力置换后，采用哪种方式提高ECD提供依据，进行了等ECD情况下的液液重力置换试验。
以密度1.058 kg/L、黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液为低密度钻井液，以密度1.35 kg/L，黏度1.0 mPa·s的CaCl2溶液为高密度钻井液，以密度0.968 kg/L，黏度2 050.0 mPa·s的原油为地层流体，在缝宽10.0 mm的缝板中进行液液重力置换试验。试验时，保持地层条件不变，通过施加回压使循环低密度钻井液时的ECD与循环高密度钻井液时相同，观察缝板中的置换现象，结果见图 10。
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| 图 10 等ECD下低密度钻井液和高密度钻井液的置换现象 Fig.10 Displacement of drilling fluids with different densities at the same ECD |
由图 10可以看出，在ECD相同的情况下，与采用低密度钻井液加回压方式相比，采用高密度钻井液时钻井液与地层流体间的界面更陡，更容易发生置换。
4 液液重力置换数学模型由上面的液液重力置换试验可知，影响液液置换量的因素为：
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(4) |
式中：Q为置换量，m3/s；Δp为裂缝两端压差，Pa；Δρ为钻井液与地层流体的密度差，kg/m3；Δμ为钻井液与地层流体的黏度差，Pa·s；L，b，h和ε分别为裂缝的长、宽、高及表面粗糙度，m；σ为液液表面张力，N/m。
根据量纲分析原理，将试验数据绘制在对数坐标系中(图 11)，进行回归拟合分析得到置换量与各影响因素的经验公式：
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(5) |
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| 图 11 液液重力置换试验数据的回归拟合分析曲线 Fig.11 Regression and fitting lines for data from liquid-liquid displacement tests |
1) 缝宽较小时，液液置换界面受裂缝内部粗糙度的影响，界面不是一条规则的曲线；缝宽较大时，液液置换界面是一条规则的曲线。
2) 钻井液黏度越高, 置换量越小，因此，建议在油层段打入一段高黏度的稠塞, 以减少置换量; 回压越大，置换量越大，因此，在进行控压钻井时，在满足井控安全的情况下不要增大回压。
3) 等ECD下液液重力置换试验表明，采用低密度钻井液加回压方式时的置换量比采用高密度钻井液时小，因此，建议采用密度与地层流体密度相近的钻井液加一定的回压进行钻进，以减少置换量。
4) 裂缝两端的压差发生液液重力置换的主要原因，钻井液与地层流体的密度差和黏度差是导致裂缝两端产生压差的主控因素。因此，建议采取采用低密度钻井液进行控压钻井、在钻井液中加入堵漏材料和提高封井液黏度的措施, 控制液液重力置换现象的发生(减少置换量)。
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