沿水平井鉆井液滲濾研究

王昕玥 張強 崔志松 蘭雪 李翠花 朱琳 王胡振

摘 要：在鉆井過程中，如果地層孔隙中流體的壓力小于鉆井液液柱壓力，會發(fā)生地層被鉆井液侵入，引起地層污染的后果。這會大大影響油氣井的產(chǎn)能，我們只有理解和掌握鉆井液滲濾的污染機理，才能有效的進行防治。在油氣井投產(chǎn)之前，一般會采用酸化、壓裂的方法解堵，為了確保解堵措施安全高效，需要精準地確定鉆井液的傷害程度和侵入深度。數(shù)值模擬在研究鉆井液滲濾問題上應用非常廣泛。基于有限元的數(shù)值模擬的方法研究地層滲透率，泥餅滲透率和鉆井時間對鉆井液滲濾的影響。通過對相關算例進行分析，系統(tǒng)的概括出鉆井液滲濾的影響因素。結(jié)果表明：地層滲透率越低，鉆井液沿水平井筒滲濾越困難；泥餅滲透率越低，鉆井液的侵入深度越小，鉆井時間越長鉆井液沿水平井筒滲濾越多，侵入的深度越大。

關 鍵 詞：鉆井液侵入；水平井；地層污染

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1515-04

Study on Drilling Fluid Percolation Along Horizontal Well

WANG Xin-yue1，2，ZHANG Qiang3，CUI Zhi-song3，LAN Xue4，LI Cui-hua5，ZHU Lin6，WANG Hu-zhen1，2

（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；

2. China Petroleum Group Company Reservoir Reconstruction Key Laboratory， Heilongjiang Daqing 163318，China

3. PetroChina Xinjiang Company Exploration and Research Institute， Xinjiang Kelamayi 834000，China

4. Jilin Oilfield Company Exploration and Research Institute， Jilin Songyuan 138000，China

5. Xinjiang Oilfield Company Baikouquan Oil Production Factory， Xinjiang Kelamayi 834000，China

6. Daqing Oilfield Company the Fourth Oil Production Factory， Heilongjiang Daqing 163511，China）

Abstract： In the process of drilling， if the formation pore fluid pressure is less than drilling fluid column pressure， formation pollution caused by drilling fluid invasion will happen. This will greatly affect the capacity of oil and gas wells， the pollution mechanism of drilling fluid percolation must be understood and mastered in order to carry out effective prevention and control. Before the oil and gas well production， blockage removal methods of acidification and fracturing are usually adopted. In order to ensure blockage removal measures to be safe and effective， the damage degree and the invasion depth of drilling fluid need be accurately determined. The numerical simulation has been widely used in research on drilling fluid percolation. In this paper， based on the finite element method of numerical simulation， effect of formation permeability， mud cake permeability and drilling time on drilling fluid percolation was studied. Through analysis of relevant examples， the influence factors of drilling fluid percolation were summed up. The results show that， the lower the formation permeability， the more difficult the drilling fluid percolation along the horizontal wellbore； The lower the mud cake permeability， the smaller the invasion depth of drilling fluid； the longer the drilling time， the more the drilling fluid percolation along the horizontal wellbore， the greater the depth of invasion.

Key words： Drilling fluid invasion； Horizontal well； Formation pollution

過去的10年里水平井得到了飛速的發(fā)展，因為它可以使泄油面積大大的增加，從而使采油速度更快更有效。但是，隨著水平井段的增加排水區(qū)域和井筒都將增加，這將延長鉆井液的暴露時間和增加鉆井液與地層的接觸面積。因此，由鉆井液的侵入而帶來的一些污染會在很大程度上減少水平井的產(chǎn)量[1-3]。為了盡可能減少或避免鉆井液對油氣層的造成傷害，一般會在油氣井投產(chǎn)之前采用酸化壓裂等解堵措施，用來恢復并提高油氣井產(chǎn)能。為了確保解堵措施安全高效，需要精準地確定鉆井液的傷害程度和侵入深度。

在在鉆井過程中，如果地層孔隙中流體的壓力小于鉆井液液柱壓力，會發(fā)生地層被鉆井液侵入，在井眼附近形成一個滲透率下降的傷害區(qū)，進而污染地層的后果。因此，我們需要更好的理解和掌握污染機理，定量評價流體侵入和井筒周圍地層的污染，從而達到減小鉆水平井的風險[4，5]。水平井的流體滲流侵入和污染是很困難和復雜的，因為總是有多個相互作用的參數(shù)同時存在于水平井鉆進過程中。這些變化導致在水平井中流體滲流的非均質(zhì)性分布和地層污染。因此，對鉆井液滲濾規(guī)律的研究產(chǎn)生重要指導意義[6]。

1 鉆井液濾液侵入機理

在鉆井過程中，當?shù)貙恿黧w壓力小于鉆井液的壓力時，會導致滲透壓差的出現(xiàn)，使得鉆井液在井壁周圍地層孔隙中發(fā)生對原生流體的驅(qū)替現(xiàn)象，鉆井液中的原生固體顆粒會在井壁周圍沉淀最終形成泥餅。由于鉆井液的侵入現(xiàn)象會改變井筒附近巖石的電性和流體性質(zhì)，將進一步導致儲層的測井響應更加復雜。根據(jù)最新的試驗研究結(jié)果，鉆井液的侵入主要以驅(qū)替、混合與擴散三種動態(tài)過程進行。

2 鉆井完井液濾液侵入模型

2.1 單向滲流模型

單向滲流模型多是基于直井相關理論進行推導的，忽略了鉆井完井液中固相顆粒的侵入和儲層滲透率各向異性對損害動態(tài)分布的影響。線性濾失量與時間的關系：

（1）

徑向流條件下，侵入半徑與時間關系的方程：

（2）

式中：A，hpm——多孔介質(zhì)的面積，厚度。

2.2 兩相滲流模型

一般認為水基鉆井完井液濾液侵入儲層是典型的水驅(qū)油過程，以油水兩相滲流理論和離子擴散方程為基礎，假設儲層中巖石和流體均可壓縮，流體滲流遵循Darcy 定律，考慮毛細管壓力并忽略重力的影響，則在徑向驅(qū)替過程中油水非混相驅(qū)流動方程及濾液擴散方程如下：

（3）

（4）

（5）

式中 Po 、Pw ——油相、水相毛管壓力；

So 、Sw ——油、水飽和度；

3 油水兩相滲流有限元方程推導

3.1 油水兩相滲流方程

油相壓力方程為：

水相飽和度方程為：

（7）

油相壓力有限元單元平衡方程：

（8）

水相飽和度的有限元單元平衡方程：

（9）

3.2 裂縫的處理

傳統(tǒng)的將裂縫看成一個高滲透條帶的處理方法在模擬復雜裂縫時具有一定的局限性，本文利用線單元來模擬裂縫。裂縫與基質(zhì)相比具有高的滲透能力，可以將裂縫疊加到基質(zhì)的滲流有限元方程中去，而這一疊加只增加了有限元方程的剛度項。

3.3 井底流量的計算

在模擬計算過程中人們往往比較關心井底的流量，這就需要在模擬計算后輸出井底的流量。本文利用反力算法求流量。

（1）橢圓型滲流方程的流量算法：

（2）拋物線型滲流方程的流量算法：

4 算例分析

4.1 模型介紹

本文主要研究泥餅滲透率、地層滲透率和鉆井時間對鉆井液沿水平井筒滲流的影響。

具體模型示意圖如圖1所示。地層下水平井的長度L=200m，研究的模型寬度100 m。隨著鉆井液的侵入，井筒周圍會出現(xiàn)滲透率很低的泥餅，假設泥餅厚度d=2 mm，通過這個模型對鉆井液沿水平井滲濾規(guī)律進行研究。

圖1 模型示意圖

Fig.1 Model schematic diagram

4.2 基本參數(shù)

本模型研究中涉及的各項參數(shù)見表1。

表1 模型各項參數(shù)表

Table 1 The parameter list of model

參 數(shù) 數(shù) 值 參 數(shù) 數(shù) 值

水平井長度L/m 200 束縛水飽和度Swf 0.27

模型寬度r/m 100 殘余油飽和度Swr 0.32

泥餅厚度dmm 2 泥餅孔隙度 0.1

井筒半徑rw/m 0.1 泥漿黏度?/ （Pa·s） 0.02

地層孔隙度Ф 0.25 正壓差Δp/ MPa 3

鉆井液在地層滲濾中的相滲曲線如圖2所示

圖2 相滲曲線

Fig.2 Relative permeability curve

4.3 泥餅滲透對侵入深度的影響

為了研究鉆井液沿水平井侵入深度與泥餅滲透率之間的關系，保持地層滲透率K1=100×10-3?m2，水平井鉆井時間t=5 d保持不變，改變泥餅滲透率K，得出沿水平井的鉆井液滲濾圖，并記錄侵入深度。分三個方案研究，見下表2。

表2 三個方案中泥餅滲透率的數(shù)值表

Table 2 Numerical filter cake permeability in three program