摘要
裂缝性地层钻进时，由于井筒压力波动导致的地层呼吸效应易被误判为溢流而采取不必要的压井措施，严重影响钻井安全。为此，研制了可用于模拟裂缝性地层呼吸效应的实验装置，探索了钻井液循环压力、裂缝张开压力和岩石类型对钻井液漏失与返排特征的影响。研究表明，裂缝性地层呼吸效应是一种可逆性漏失，其发生过程为漏失-拟稳态-返排。随着钻井液循环压力的增加，钻井液最大漏失量和返排量均增加；随着裂缝张开压力的增加，钻井液最大漏失量增加，而返排量减少；相对于砂岩和灰岩，特低孔低渗的花岗岩的漏失量更大，而返排量更小。研究结果为分析深部裂缝性地层呼吸效应特征、区别其他工况而采用正确措施等提供了理论基础。
在钻遇裂缝地层时，由于井筒压力波动而导致的钻井液漏失与返排被称为裂缝性地层呼吸效应（以下简称为“裂缝性呼吸效应”）。在钻井液正常循环时，井筒压力大于裂缝张开压力，钻井液沿着裂缝发生漏失；当停泵等导致井底压力突然降低，裂缝缝宽变小甚至闭合，钻井液沿着裂缝返排回井筒
关于裂缝性呼吸效应的研究，主要集中在数值模拟方面。Helstrup
通过实验研究裂缝性呼吸效应则相对较少。目前为止，只有Ozdemirtas
因此，为了进一步了解裂缝性地层呼吸效应，基于裂缝性地层裂缝张开和闭合的特征，研制了裂缝性地层呼吸效应实验模拟装置，更加真实地模拟地层和井筒环境。在实验过程中，严格监测和记录整个过程，实现对裂缝性呼吸效应全过程的模拟，并获得了裂缝性呼吸效应发生时井筒流体漏失-保持-返排全过程的典型特征。进一步分析岩石类型、裂缝张开压力和钻井液循环压力对裂缝性呼吸效应特征的影响。
该装置设计工作压力为0.1~20 MPa，工作温度为25~100 ℃，可以用来模拟不同压力条件、不同类型岩石、不同形式裂缝和不同性质流体等多种因素下的裂缝性呼吸效应。裂缝性呼吸效应实验装置原理示意与实物如
图1 裂缝性呼吸效应实验装置原理示意
Fig.1 Schematic diagram of the experimental device for fractured breathing effect
图2 裂缝性呼吸效应实验装置实物
Fig.2 Physical image of the experimental device for fractured breathing effect
| 序号 | 部件名称 | 性能参数 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 1 | 主体框架 | 4080钢材 | 1套 |
| 2 | 地层围压泵 | 双柱塞，泵压20 MPa，排量16 L/h | 1台 |
| 3 | 钻井液泵 | 双柱塞，泵压32 MPa，排量8 L/h | 1台 |
| 4 | 三轴岩心夹持单元 | 4080钢材，承压10 MPa | 1套 |
| 5 | 实验岩心 | 整体Ø240 mm×100 mm，通孔Ø10 mm | 8块 |
| 6 | 背压控制器 | 25 MPa | 2台 |
| 7 | 压力传感器 | 精度0.25%F.S，量程25 MPa | 2台 |
| 8 | 高精度电子天平 | 精度0.01 g，最大量程5 kg | 2台 |
| 9 | 数据实时采集系统 | 7017C模块、7520模块 | 1套 |
| 10 | 装置电路 | 电缆、交流接触器、按钮等 | 1套 |
| 11 | 装置管汇 | 三通、阀门、接头、管线等 | 1套 |
实验装置主要包括驱替、三轴岩心夹持、背压加载、压力计量、流量计量、数据实时采集和应用分析处理7个子单元系统，具体如下：
（1）驱替单元：由地层流体泵与钻井流体泵组成（均采用双柱塞计量泵）。其中，地层流体泵的最大泵压为20 MPa，最大排量为16 L/h；钻井流体泵的最大泵压为32 MPa，最大排量为8 L/h。地层流体泵从三轴岩心夹持单元的侧面向实验桶内注入流体，以模拟地层流体；与背压装置配合，通过注入流体向岩样施加围压。钻井流体泵将流体从三轴岩心夹持单元顶部注入实验桶中，模拟钻井液循环；通过注入流体施加钻井液循环压力。
（2）三轴岩心夹持单元：是该装置最重要的单元之一，主要由一个可放入实验岩样和注入实验流体的实验桶组成，该实验桶可模拟“裂缝性呼吸效应”发生的地层环境。实验桶的下部可以注入高压氮气以施加轴向压力，模拟裂缝张开压力。三轴岩心夹持单元可容纳两个尺寸为Ø240 mm×100 mm的岩样。同时，在实验筒体的上下端面均设有密封层，避免实验过程中压力泄漏。
（3）背压加载单元：主要由两个能够承受25 MPa压力的背压控制器组成，即地层流体背压控制器和钻井流体背压控制器。整个单元包括背压阀、管路流程、气体减压阀和压力表等共同组成。使用背压加载单元时，首先需要使用高压氮气瓶提供初始压力。背压值可以通过读取面板上的精密压力表或检查压力传感器进行设定。当需要微调时，可以通过液压泵泵送增压或放空阀排气减压来进行压力调整。
（4）压力计量单元：由两个测量范围为0.1~25 MPa、精度为0.25%F.S的压力传感器组成，可测量三轴岩心夹持单元上下游的压力变化。
（5）流量计量单元：由一个高精度电子天平组成，该天平与计算机端口之间串行进行通信。可实时监测实验过程中钻井液的泵送量和排放量，以实现对裂缝性呼吸效应引起的液体进出量更准确地记录。
（6）数据实时采集系统：包括7017C和7520两个模块，分别用于压力、流量、温度等信号的采集和传送，使计算机应用分析判断实现自动控制。
（7）应用分析处理软件：可以实时监测压力动态，绘制压力曲线和流量曲线。当设备出现超压和泄漏事件时，软件会立即报警并显示下一步操作提示。同时，计算机将自动切断温度和压力源，以保证操作人员和设备的安全。
实验选用了3种常见的岩石类型，分别为砂岩、灰岩和花岗岩，这是由于在钻井作业中，这3种类型的地层中含有较多的天然裂缝或/和诱发裂缝。为了更为真实地模拟地层裂缝性呼吸效应现象，我们将实验所用的单块岩心尺度设置为直径240 mm，高度100 mm的圆柱体，并且在每块岩样中心的圆心位置钻取一个直径为10 mm的通孔，用以模拟真实作业情况下钻开的井筒（如
图3 实验岩样
Fig.3 Experimental rock sample
| 岩型 | 密度/（g·c | 孔隙度/% | 渗透率/（μ |
|---|---|---|---|
| 砂岩 | 2.31 | 29 |
450×1 |
| 灰岩 | 2.45 | 25 |
380×1 |
| 花岗岩 | 2.80 | 0.50 |
2.82×1 |
如
图4 裂缝模拟原理
Fig.4 Fracture simulation principle
为了更真实地模拟实际情况，实验中用于浸泡、饱和岩样的流体为水，在钻井液循环开始前，充满三轴岩心加持单元。实验用循环钻井液是按照Ozdemirtas
| 流体种类 | n | K |
|---|---|---|
| 水 | 1 | 1 |
| 钻井液 | 0.53 | 0.45 |
为了模拟裂缝性呼吸效应的全过程，以及钻井液循环压力、裂缝张开压力和岩石类型对裂缝性呼吸效应特征的影响，将钻井液循环压力分别设置为3、4和5 MPa，而裂缝张开压力则分别设置为1、2和3 MPa。采用交叉测试的方式开展室内实验，共计27组。实验中通过调整轴向压力改变裂缝张开压力，通过调整钻井流体注入压力模拟钻井液循环压力。待岩样饱和后，将实验桶内压力归零至初始状态，即可开始实验。具体实验步骤如下：
（1）打开总电源开关。
（2）打开天平开关和采集开关，调整钻井流体泵和地层流体泵的泵速至50%。
（3）打开氮气瓶，对实验筒供气施加恒定轴向压力6 MPa，模拟裂缝张开压力。
（4）打开地层流体泵和地层回压阀，往实验筒内泵注地层流体，观察到地层流体回压阀出口处出现地层流体后，施加6 MPa地层回压，继续泵注地层流体3 h确保实验筒及岩石充分饱和。
（5）将氮气瓶压力设置成所需的模拟的裂缝张开压力。
（6）关闭地层流体泵，打开地层回压阀进行泄压，直至地层回压阀出口处连续30 min无流体渗出，关闭地层回压阀。
（7）记录高精度天平Ⅰ读数X，初始读数为X1。
（8）设置钻井液回压阀初值（钻井液循环压力），打开钻井流体泵泵注钻井液，直至高精度天平Ⅰ读数连续1 min不变。
（9）关闭钻井流体泵，记录高精度天平Ⅰ读数X2。
（10）记录高精度天平Ⅱ读数Y，初始读数为Y1。
（11）打开回压阀进行泄压，观察钻井流体回压阀出口处流体流出情况，直至连续5 min无流体流出，记录高精度天平Ⅱ读数Y2。
（12）放空氮气，关闭气瓶，关闭天平开关，关闭采集开关，关闭总电源，实验结束。
其中，步骤（7）~（8）模拟的是钻进工况，井筒压力大于地层压力，其压差为钻井液循环压力（此时地层压力为零）；步骤（9）~（11）模拟的是停泵工况。
钻井液注入量为X1-X2、钻井液返排量为Y2-Y1、钻井液残留量为X1-X2-Y2+Y1。其中，钻井液的注入量表示的是钻井液漏失量。绘制步骤（7）~（12）期间钻井液循环压力（压力表Ⅰ）、轴向压力（压力表Ⅱ）和钻井液漏失和返排量随时间的变化曲线，分析其变化规律。
图5 裂缝性呼吸效应模拟结果
Fig.5 Simulation results of fractured breathing effect
AC阶段：井筒开泵循环后，循环压力逐渐增大，钻井液逐渐进入井筒与裂缝。其中，在AB阶段（0~61.2 s），钻井液循环压力小于裂缝张开压力，钻井液逐渐被注入井筒，井筒压力迅速上升；在BC阶段（61.2~379.8 s），钻井液循环压力超过设定的裂缝张开压力，导致裂缝开始张开，随后钻井液逐渐进入裂缝。此时轴向压力与钻井液循环压力变化基本保持一致。在C点，钻井液泵注量（漏失漏）达到了最大值。在实际钻井作业过程中，AC阶段对应钻井作业开泵后，井筒钻井液开始循环，井筒压力逐渐上升，钻井液微小而持续的漏失过
CD阶段：钻井液循环压力达到实验预定的最大值，钻井液在井筒中正常循环，不再继续进入裂缝，轴向与钻井液循环压力均保持不变。该阶段井筒-裂缝-地层处于相对平衡状态，对应实际钻井作业过程中钻井液在井筒内正常循环的过程。
DE阶段：钻井液循环压力减小，裂缝逐渐闭合，迫使前期进入裂缝的钻井液返排回井筒。该阶段钻井液循环压力迅速下降，且钻井液循环压力下降至零，而轴向压力则迅速下降至裂缝张开压力。同时，钻井液在短时间内通过井筒大量排出井眼，钻井液返排量为538.54 g。该阶段对应实际钻井作业过程中，正常循环后的停泵阶段钻井液突然溢出的过程。
值得注意的是，BC和CD阶段期间的轴向压力比钻井液循环压力要略微大一点，这是因为钻井液循环压力和岩石自重对底部氮气压缩所致。若轴向压力与钻井液循环压力相等，那么裂缝张开的程度会略微大一点。尽管理论上钻井液漏失量、返排量和残留量会增加，但增加的量不多，尤其是残留量。
总的来说，裂缝性呼吸效应属于一种可逆性的漏失，其发生的过程可以以漏失、拟稳态和返排阶段表示，分别对应AC、CD和DE阶段。值得注意的是，裂缝性呼吸效应发生后，会导致一部分钻井液残留在裂缝及岩体内。这与Gao
实验条件：砂岩，裂缝张开压力2 MPa，钻井液循环压力分别为3、4和5 MPa。从
图6 钻井液循环压力对砂岩裂缝性呼吸效应的影响
Fig.6 Effect of circulating pressure of drilling fluid on fractured breathing effect of sandstone
图7 钻井液循环压力对钻井液最大漏失量、返排量和残留量的影响
Fig.7 Influence of circulating pressure on maximum loss, return and residual amount of drilling fluid
实验条件：砂岩，钻井液循环压力4 MPa，裂缝张开压力1、2和3 MPa。裂缝张开压力越小，钻井液循环时裂缝张开程度越大，因此会产生越多的钻井液漏失，而返排的量也更多（如
图8 裂缝张开压力对对砂岩裂缝性呼吸效应的影响
Fig.8 Influence of fracture opening pressure on fractured breathing effect of sandstone
图9 裂缝张开压力对钻井液最大漏失量、返排量和残留量的影响
Fig.9 Influence of fracture opening pressure on maximum loss, return and residual amount of drilling fluid
实验条件：裂缝张开压力3 MPa，钻井液循环压力4 MPa，岩性分别为砂岩、灰岩和花岗岩。由
图10 岩石类型对裂缝性呼吸效应的影响
Fig.10 Influence of rock type on fractured breathing effect of sandstone
图11 岩石类型对钻井液最大漏失量、返排量和残留量的影响
Fig.11 Influence of rock type of drilling fluid on maximum loss, return and residual amount of drilling fluid
（1）基于井筒压力变化引起井周裂缝系统张开和闭合，诱发钻井液漏失与返排的特征，研制的裂缝性地层呼吸效应室内实验装置能有效模拟裂缝性地层呼吸效应。
（2）裂缝性地层呼吸效应发生的全过程可以划分为钻井液漏失-拟稳态-返排3个过程。
（3）钻井液循环压力和裂缝张开压力与岩性对裂缝性地层呼吸效应影响显著。随着钻井液循环压力的增加，钻井液最大漏失量和返排量均增加；随着裂缝张开压力的增加，钻井液最大漏失量增加，而返排量减少；相对于砂岩和灰岩，特低孔低渗的花岗岩的漏失量更大，而返排量更小。
（4）该实验属于相似性原理实验，而非全尺寸实验，属于定性分析，尚无法实现量化分析。且存在裂缝内压力分布情况无法监测、岩石弹性参数对裂缝性地层呼吸效应的影响无法进一步分析等缺点，后续将进一步研究改善。
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