深水浅层地层钻井液漏失行为分析

《ACS Omega》：Analysis of Drilling Fluid Loss Behavior in Deepwater Shallow Formations

　　

深水浅层地层通常弱固结、高孔隙度、高渗透率，导致安全密度窗口狭窄，钻井液漏失对井筒压力的微小波动高度敏感。本研究利用MultiFracS软件中的有限-离散元法（FDEM）模型，研究深水浅层井筒周围从渗透性漏失向裂缝性漏失的转变。该模型耦合了三角形有限单元、零厚度内聚节理单元、达西型基质渗流、由立方定律控制的裂缝流动以及基质-裂缝流体交换。使用南海现场案例验证了预测的漏失量和回流量。模拟结果表明，渗透性漏失主要由高孔隙度基质中的压力扩散控制，且相对有限；而一旦井筒压力达到裂缝起裂条件，新连通的裂缝提供优势流动通道，累积漏失量急剧增加。反复的井筒压力波动通过促进近井地层的渐进弱化，进一步缩小了作业压力窗口。敏感性分析表明，孔隙度、渗透率、钻井液粘度、屈服应力及压力波动历史共同控制漏失和回流的幅度。研究结果阐明了浅层地层呼吸效应演变为严重裂缝性漏失的机制，并为深水浅层地层的压力管理和钻井液性能优化提供了建模基础。

深水浅层钻井液漏失行为研究解读

全球油气勘探开发日益向深水与深层推进，深水浅层地层因其弱固结、高孔隙度、高渗透率特性，导致安全密度窗口极窄，钻井液漏失对井筒压力波动极为敏感。钻探过程中常见的“呼吸效应”表现为停泵时钻井液回流、循环时漏失，易被误判为井涌。若按常规井涌处理提高钻井液密度，会进一步增大井底压力，加剧漏失，甚至诱发裂缝扩展，危及作业安全。以往研究分别关注渗透性呼吸或裂缝性呼吸，但对两者如何转化缺乏系统性认识。为此，研究人员采用有限-离散元法（FDEM）建立耦合模型，系统研究深水浅层井筒周围从渗透性漏失向裂缝性漏失转变的机制，为压力管理和钻井液优化提供建模依据。论文发表于《ACS Omega》。

研究方法方面，研究人员基于MultiFracS软件构建了二维平面应变FDEM模型。模型将地层划分为三角形有限单元，并在单元公共边界设置零厚度内聚节理单元以模拟裂缝起裂与扩展；孔隙基质采用达西型渗流，裂缝内流动服从立方定律，并考虑基质与裂缝间的流体交换。为验证模型，选取南海一口深水井（水深518 m，井段880–980 m）现场数据进行对比，模拟漏失量、回流量及总漏失量与实测误差均小于6.6%。在此基础上，模拟了循环（井底压力17.2 MPa）、停泵（16.9 MPa）、压力升高至17.6 MPa（地层破裂）以及破裂后停泵四个阶段的漏失行为。

结果分析部分，Processes ①②（渗透性漏失阶段）：在17.2 MPa下，正压差驱动钻井液向高孔隙度地层渗滤，近井孔隙压力缓慢向外扩散，有效应力升高但未超过抗拉强度，无裂缝产生。400 s内累积漏失量约0.03 m3；停泵后压力降至16.9 MPa，产生负压差，近井流体部分回流，漏失量有限且逐渐稳定。该阶段以基质压力扩散为主，符合“轻微但持续”的漏失特征。Processes ③④（裂缝性漏失阶段）：当井筒压力升至17.6 MPa时，近井节理单元达到混合模式破坏准则，约5 s时井壁附近起裂。裂缝形成后成为优势流动通道，孔隙压力分布由圆形变为不规则形态，累积漏失量在200 s内超过1.2 m3，较渗透性漏失增大近40倍。压力骤降至16.9 MPa后，裂缝内流体快速回流，但随后远井孔隙压力较低，再次形成正压差，出现“再漏失”现象。敏感性分析显示：孔隙度降低使漏失和回流减小，但衰减程度逐渐减弱；渗透率增加显著增强呼吸效应；钻井液塑性粘度和屈服应力升高可降低漏失，但过高会增加循环压耗，需与其他参数协调；压力波动造成的循环加载会渐进弱化近井地层，降低裂缝起裂压力，使安全窗口变窄，即使降低井筒压力仍可能诱发显著漏失。

讨论与结论部分指出，压力管理不应单纯依靠提高井筒压力或钻井液密度，而应控制压力波动、减少激动/抽吸压力，并改善封堵与滤饼质量。模型未考虑化学水化、各向异性、全Biot孔弹性耦合及热效应，在黏土含量高或低渗地层中需进一步扩展。主要结论如下：在弱固结深水浅层中，安全压力余量小，低压下渗透性漏失为主，一旦达到节理破坏条件，裂缝性漏失使累积漏失量急剧增加；频繁压力波动会降低地层破裂压力，需限制不必要的压力波动；低孔隙度、低渗透率、优质滤饼、高粘度及高屈服应力可减小漏失，但钻井液优化必须结合井筒水力学与控压钻井约束。