沿水平井钻井液渗滤研究

王昕玥 张强 崔志松 兰雪 李翠花 朱琳 王胡振

摘 要：在鉆井过程中，如果地层孔隙中流体的压力小于钻井液液柱压力，会发生地层被钻井液侵入，引起地层污染的后果。这会大大影响油气井的产能，我们只有理解和掌握钻井液渗滤的污染机理，才能有效的进行防治。在油气井投产之前，一般会采用酸化、压裂的方法解堵，为了确保解堵措施安全高效，需要精准地确定钻井液的伤害程度和侵入深度。数值模拟在研究钻井液渗滤问题上应用非常广泛。基于有限元的数值模拟的方法研究地层渗透率，泥饼渗透率和钻井时间对钻井液渗滤的影响。通过对相关算例进行分析，系统的概括出钻井液渗滤的影响因素。结果表明：地层渗透率越低，钻井液沿水平井筒渗滤越困难；泥饼渗透率越低，钻井液的侵入深度越小，钻井时间越长钻井液沿水平井筒渗滤越多，侵入的深度越大。

关 键 词：钻井液侵入；水平井；地层污染

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 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

过去的10年里水平井得到了飞速的发展，因为它可以使泄油面积大大的增加，从而使采油速度更快更有效。但是，随着水平井段的增加排水区域和井筒都将增加，这将延长钻井液的暴露时间和增加钻井液与地层的接触面积。因此，由钻井液的侵入而带来的一些污染会在很大程度上减少水平井的产量[1-3]。为了尽可能减少或避免钻井液对油气层的造成伤害，一般会在油气井投产之前采用酸化压裂等解堵措施，用來恢复并提高油气井产能。为了确保解堵措施安全高效，需要精准地确定钻井液的伤害程度和侵入深度。

在在钻井过程中，如果地层孔隙中流体的压力小于钻井液液柱压力，会发生地层被钻井液侵入，在井眼附近形成一个渗透率下降的伤害区，进而污染地层的后果。因此，我们需要更好的理解和掌握污染机理，定量评价流体侵入和井筒周围地层的污染，从而达到减小钻水平井的风险[4，5]。水平井的流体渗流侵入和污染是很困难和复杂的，因为总是有多个相互作用的参数同时存在于水平井钻进过程中。这些变化导致在水平井中流体渗流的非均质性分布和地层污染。因此，对钻井液渗滤规律的研究产生重要指导意义[6]。

1 钻井液滤液侵入机理

在钻井过程中，当地层流体压力小于钻井液的压力时，会导致渗透压差的出现，使得钻井液在井壁周围地层孔隙中发生对原生流体的驱替现象，钻井液中的原生固体颗粒会在井壁周围沉淀最终形成泥饼。由于钻井液的侵入现象会改变井筒附近岩石的电性和流体性质，将进一步导致储层的测井响应更加复杂。根据最新的试验研究结果，钻井液的侵入主要以驱替、混合与扩散三种动态过程进行。

2 钻井完井液滤液侵入模型

2.1 单向渗流模型

单向渗流模型多是基于直井相关理论进行推导的，忽略了钻井完井液中固相颗粒的侵入和储层渗透率各向异性对损害动态分布的影响。线性滤失量与时间的关系：

（1）

径向流条件下，侵入半径与时间关系的方程：

（2）

式中：A，hpm——多孔介质的面积，厚度。

2.2 两相渗流模型

一般认为水基钻井完井液滤液侵入储层是典型的水驱油过程，以油水两相渗流理论和离子扩散方程为基础，假设储层中岩石和流体均可压缩，流体渗流遵循Darcy 定律，考虑毛细管压力并忽略重力的影响，则在径向驱替过程中油水非混相驱流动方程及滤液扩散方程如下：

（3）

（4）

（5）

式中 Po 、Pw ——油相、水相毛管压力；

So 、Sw ——油、水饱和度；

3 油水两相渗流有限元方程推导

3.1 油水两相渗流方程

油相压力方程为：

水相饱和度方程为：

（7）

油相压力有限元单元平衡方程：

（8）

水相饱和度的有限元单元平衡方程：

（9）

3.2 裂缝的处理

传统的将裂缝看成一个高渗透条带的处理方法在模拟复杂裂缝时具有一定的局限性，本文利用线单元来模拟裂缝。裂缝与基质相比具有高的渗透能力，可以将裂缝叠加到基质的渗流有限元方程中去，而这一叠加只增加了有限元方程的刚度项。

3.3 井底流量的计算

在模拟计算过程中人们往往比较关心井底的流量，这就需要在模拟计算后输出井底的流量。本文利用反力算法求流量。

（1）椭圆型渗流方程的流量算法：

（2）抛物线型渗流方程的流量算法：

4 算例分析

4.1 模型介绍

本文主要研究泥饼渗透率、地层渗透率和钻井时间对钻井液沿水平井筒渗流的影响。

具体模型示意图如图1所示。地层下水平井的长度L=200m，研究的模型宽度100 m。随着钻井液的侵入，井筒周围会出现渗透率很低的泥饼，假设泥饼厚度d=2 mm，通过这个模型对钻井液沿水平井渗滤规律进行研究。

图1 模型示意图

Fig.1 Model schematic diagram

4.2 基本参数

本模型研究中涉及的各项参数见表1。

表1 模型各项参数表

Table 1 The parameter list of model

参 数 数 值 参 数 数 值

水平井长度L/m 200 束缚水饱和度Swf 0.27

模型宽度r/m 100 残余油饱和度Swr 0.32

泥饼厚度dmm 2 泥饼孔隙度 0.1

井筒半径rw/m 0.1 泥浆黏度?/ （Pa·s） 0.02

地层孔隙度Ф 0.25 正压差Δp/ MPa 3

钻井液在地层渗滤中的相渗曲线如图2所示

图2 相渗曲线

Fig.2 Relative permeability curve

4.3 泥饼渗透对侵入深度的影响

为了研究钻井液沿水平井侵入深度与泥饼渗透率之间的关系，保持地层渗透率K1=100×10-3?m2，水平井钻井时间t=5 d保持不变，改变泥饼渗透率K，得出沿水平井的钻井液渗滤图，并记录侵入深度。分三个方案研究，见下表2。

表2 三个方案中泥饼渗透率的数值表

Table 2 Numerical filter cake permeability in three program