應(yīng)用數(shù)值模擬軟件探究動(dòng)濾失影響因素

孫玉學(xué)，李城里，白相雙，張立春，趙景原，郭春萍

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163000；2.吉林油田鉆井工藝研究院，吉林松原 138000）

鉆井液是最先與地層接觸的外來流體，在鉆井過程中，為保證安全鉆進(jìn)，鉆井液的液柱壓力常常要大于地層壓力。當(dāng)儲(chǔ)層被鉆開時(shí)，鉆井液中的固相顆粒、處理劑和濾液在壓差的作用下進(jìn)入地層中，導(dǎo)致地層液體飽和度的變化，濾液與孔隙中礦物及基質(zhì)之間會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致油氣層受損，近井地帶滲透率下降，使原油流向井筒的流動(dòng)阻力增加，給油氣井產(chǎn)能帶來一定的影響[1-2]。在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，動(dòng)濾失過程的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，濾失量所占比重最大，約占總濾失量的80%～90%[3]。通過研究動(dòng)濾失的影響因素，可指導(dǎo)鉆井液優(yōu)化配方，從而優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，減少鉆井液濾失，達(dá)到保護(hù)油氣層的目的。在對(duì)鉆井液進(jìn)行動(dòng)濾失評(píng)價(jià)時(shí)，國內(nèi)多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行單向?yàn)V失，做出室內(nèi)評(píng)價(jià)[4-6]，而在實(shí)際鉆井過程中，動(dòng)濾失是一個(gè)徑向?yàn)V失過程，實(shí)驗(yàn)室條件下做出的評(píng)價(jià)與實(shí)際情況存在一定的偏差。在利用軟件模擬鉆井液侵入方面，國外已經(jīng)做了相關(guān)的研究[7-10]，國內(nèi)在這方面尚屬空白。利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)建立的單向?yàn)V失模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)單向?yàn)V失模型進(jìn)行拓展，考慮了巖石及流體的壓縮性，模擬在地層條件下鉆井液做徑向動(dòng)濾失的過程，研究了動(dòng)濾失的影響因素。

1 單向?yàn)V失模型及室內(nèi)驗(yàn)證

本文主要是探究在地層條件下，鉆井液徑向?yàn)V失的影響因素，但為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，建立了單向?yàn)V失模型，并與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

高溫高壓動(dòng)濾失儀可模擬不同溫度壓力下鉆井液的濾失情況。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將濾失溫度設(shè)置為50 ℃，壓差設(shè)置為2 MPa。將巖心放至巖心夾持器中，濾失一段時(shí)間，待濾失速率穩(wěn)定后（確保其已經(jīng)達(dá)到了動(dòng)濾失的狀態(tài)），測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)的濾失量。對(duì)5 塊人造巖心進(jìn)行了濾失實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)參數(shù)

建立的單向?yàn)V失模型見圖1，外泥餅為最左側(cè)第一個(gè)網(wǎng)格，將巖心劃分為20 個(gè)網(wǎng)格，考慮到實(shí)驗(yàn)所測(cè)外泥餅滲透率極低，內(nèi)泥餅對(duì)濾失過程影響較小，因此在單向?yàn)V失模型中忽略了內(nèi)泥餅的影響。在單向?yàn)V失模型中，輸入的所有參數(shù)均與實(shí)驗(yàn)條件下保持一致。對(duì)5 塊巖心模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表2。由表2 可知，有4組的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，另一組為5.5%，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差不大，這說明該線性模型的正確性。對(duì)線性模型進(jìn)行拓展，用同樣的方法，建立地層條件下的徑向模型，探究在地層條件下動(dòng)濾失的影響因素。

圖1 單向?yàn)V失模型網(wǎng)格剖分圖

表2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 外泥餅滲透率對(duì)動(dòng)濾失量的影響

鉆井液濾液主要侵入近井地帶，為了得到近井地帶壓力及含水飽和度詳細(xì)分布情況，采用徑向網(wǎng)格并對(duì)近井區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密后的網(wǎng)格劃分如圖2 所示（黑色區(qū)域?yàn)榧用艿木W(wǎng)格線）。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

假定地層滲透率Kf為100 mD，外泥餅厚度為2 mm，內(nèi)泥餅厚度為5 cm，內(nèi)泥餅滲透率Kic為10 mD，原始地層壓力Pf為10 MPa，鉆井液液柱壓力Ph為12 MPa，地層原油黏度μo為5 mPa·s，鉆井液濾液黏度μf為1.5 mPa·s，井眼半徑為0.1 m，圓形地層，邊界半徑100 m，邊界條件為封閉邊界，地層厚度為1 m。分別探討了不同外泥餅滲透率Kec對(duì)侵入量的影響。在動(dòng)濾失條件下濾失50 h 后含水飽和度分布情況見圖3，濾失量見表3。

從圖3 及表3 可知，隨著外泥餅滲透率的增加，濾失量逐漸增加。在外泥餅滲透率從0.001 mD 增至0.01 mD，增加10 倍時(shí)，濾失量也增加了接近10 倍，當(dāng)泥餅滲透率從0.01 mD 增至0.1 mD 時(shí)，濾失量?jī)H增加了約6 倍。通過分析近井地帶的壓力分布可以解釋這一現(xiàn)象。50 h 后近井地帶的壓力分布見圖4。不同外泥餅滲透率下，外泥餅消耗壓差的百分比見表4。

表3 不同外泥餅滲透率下的濾失量

圖3 在動(dòng)濾失條件下濾失50 h 后近井地帶含水飽和度分布圖

圖4 在動(dòng)濾失條件下濾失50 h 后近井地帶壓力（p，kPa）分布圖

表4 不同外泥餅滲透率下外泥餅消耗的壓差

由表4 可知，在地層滲透率不變的情況下，隨著泥餅滲透率的提高，外泥餅消耗的壓差所占比例降低，因此，在總壓差不變的情況下，濾失量與泥餅滲透率并不呈線性關(guān)系。

3 壓差對(duì)侵入量的影響

從上面的模擬結(jié)果可知，當(dāng)外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)，外泥餅消耗的壓力占總壓差的90%以上，而當(dāng)外泥餅滲透率小于0.1 mD 時(shí)，外泥餅消耗的壓力小于總壓差的55%。保持其他條件不變，改變外泥餅滲透率及壓差，模擬在外泥餅滲透率為0.01 mD 及0.1 mD 情況下，壓差ΔP 為1、2、3、4 MPa 時(shí)的情況。濾失50 h 后含水飽和度分布情況見圖5 及圖6，相應(yīng)的濾失情況見圖7。

圖5 外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)不同壓差下的含水飽和度分布

圖6 外泥餅滲透率為0.1 mD 時(shí)不同壓差下的含水飽和度分布

由模擬結(jié)果可知，外泥餅滲透率分別為0.01 mD、0.1 mD 時(shí)，隨著壓差的線性增加，濾失量也都呈線性增加。外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)，由于泥餅滲透率低，所以濾失量增加的幅度很小。

圖7 不同外泥餅滲透率及不同壓差下鉆井液濾失量

通過對(duì)比不同壓差下，地層壓力的分布，發(fā)現(xiàn)在外泥餅滲透率為0.1 mD，壓差從1 MPa 變?yōu)? MPa 時(shí)，外泥餅消耗的壓差占總壓差的百分比僅變化了0.76%；在外泥餅滲透率為0.01 mD，壓差從1 MPa 變?yōu)? MPa 時(shí)，外泥餅消耗的壓差占總壓差的百分比僅變化了0.49%。即隨著總壓差的變化，外泥餅消耗的壓力占總壓差的百分比變化很小，因此不同外泥餅滲透率下，濾失量都會(huì)隨著壓差的線性增加而線性增加。

4 鉆井液濾液黏度對(duì)侵入量及侵入深度的影響

假 定ΔP為2 MPa，Kf為100 mD，Kic為10 mD，Kec為0.01 mD，改變鉆井液濾液黏度，模擬不同濾液黏度下鉆井液的濾失情況，50 h 后含水飽和度分布情況見圖8。不同濾液黏度下的濾失量見圖9。隨著濾液黏度的逐漸增加，濾失量逐漸減小，且減小的速率越來越慢，濾失量與濾液黏度近似成反比關(guān)系。

圖8 不同黏度下含水飽和度分布圖

圖9 不同濾液黏度下的濾失量

5 侵入時(shí)間對(duì)侵入量的影響

保持其他條件不變，改變外泥餅滲透率及時(shí)間，模擬在外泥餅滲透率為0.01 mD 及0.1 mD 情況下，不同時(shí)間的濾失量。將模擬的結(jié)果繪制成圖10。

圖10 不同濾失時(shí)間下的濾失量

由圖10 可知，在外泥餅滲透率較低及較高的情況下，濾失量都隨著時(shí)間的增加而線性增加。在外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)，因其滲透率較低，所以濾失量增加幅度很小。不同時(shí)間壓差分布情況見圖11 及圖12。

圖11 外泥餅滲透率為0.1 mD 時(shí)地層壓力（p，kPa）分布

通過對(duì)比不同時(shí)間的地層壓力的分布，發(fā)現(xiàn)在泥餅滲透率為0.01 mD 及0.1 mD 時(shí)，壓力都會(huì)在很短的時(shí)間里傳遞到邊界。隨著時(shí)間的變化，鉆井液濾液不斷侵入地層，地層中相同位置的地層壓力逐漸增加，但增加的幅度很小。外泥餅滲透率為0.1 mD 時(shí)，泥餅兩端壓差在5 h 與50 h 時(shí)相差0.88%，外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)，僅相差0.12%。因此，其濾失速率基本為一定值，濾失量隨時(shí)間的增加而線性增加。

圖12 外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)地層壓力（p，kPa）分布

6 內(nèi)泥餅滲透率對(duì)侵入量的影響

在形成外泥餅前，鉆井液中的固相顆粒會(huì)侵入儲(chǔ)層，堵塞井眼周圍地層的孔隙，導(dǎo)致近井地帶滲透率的降低，嚴(yán)重情況下，內(nèi)泥餅區(qū)域的滲透率可降至儲(chǔ)層滲透率的10%。保持其他條件不變，分別模擬內(nèi)泥餅滲透率為地層滲透率的10%，30%，50%，70%情況下動(dòng)濾失情況，濾失時(shí)間為50 h。模擬結(jié)果見圖13 及圖14。相應(yīng)的濾失量見表5。

表5 不同外泥餅及內(nèi)泥餅滲透率下的濾失量

由模擬結(jié)果及表5 可知，隨著內(nèi)泥餅滲透率的增加，濾失量也在增加，但增加的速率在減小；外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)，內(nèi)泥餅滲透率的變化對(duì)濾失量的影響較小，而外泥餅滲透率為0.1 mD 時(shí)，內(nèi)泥餅滲透率的變化對(duì)濾失量的影響較大。這是因?yàn)橥饽囡灊B透率較低時(shí)，外泥餅消耗的壓力占總壓差的90%以上，是控制濾失量的主要因素，而外泥餅滲透率較大時(shí)，其消耗的壓力占總壓差的比例小于55%，內(nèi)泥餅消耗的壓力占總壓差的比例變大，此時(shí)，改變內(nèi)泥餅滲透率，濾失量變化較為明顯。

圖13 外泥餅滲透率為0.01 mD 時(shí)不同內(nèi)泥餅滲透率下的濾失情況

圖14 外泥餅滲透率為0.1 mD 時(shí)不同內(nèi)泥餅滲透率下的濾失情況

7 結(jié)論

1.模擬結(jié)果表明，外泥餅滲透率是控制濾失量的重要因素，較低滲透率的外泥餅消耗的壓力可以占總壓差的90%以上，當(dāng)外泥餅滲透率較高時(shí)，內(nèi)泥餅滲透率對(duì)鉆井液的動(dòng)濾失量也有較為明顯的影響。

2.模擬結(jié)果表明，在地層條件下，鉆井液徑向?yàn)V失的動(dòng)濾失量仍與濾失時(shí)間、壓差成正比，與鉆井液的濾液黏度成反比；同時(shí)，鉆井液的濾失量隨著外泥餅滲透率的增加而增加，但增加的幅度逐漸減小。

3.在模擬條件下，壓力會(huì)很快傳遞到邊界，地層中相同位置的地層壓力隨時(shí)間逐漸增加，但增加的幅度很小，濾失速率基本為一常數(shù)。