中低孔隙度渗透率储层钻井液侵入规律研究

邵阳,刘俊东,席斌,孙建孟,屈翠霞,宋宏业,李衡

(1.中国石油集团测井有限公司天津分公司, 天津 300280;2.中国石油大学(华东), 山东 青岛 266580)

0 引 言

近年来,针对中低孔隙度渗透率储层的勘探开发逐年增加,这种储层孔隙度渗透率结构复杂,钻井周期长,受钻井液侵入严重,其侵入特征复杂多变。针对该类储层钻井液侵入前后测井响应特征的研究一直在进行,也形成了很多研究方法,包括实验分析法、时间推移测井法、电阻率校正法等。其中实验与实际测井相结合的实验分析法可以直观分析钻井液侵入的动态过程,对侵入特征分析有很大帮助。但以往的实验分析中,小岩样的低孔隙度渗透率岩心造成了岩心实验的局限性。为求得接近真实地层环境下的低孔隙度渗透率储层钻井液侵入规律,本文从中低孔隙度渗透率长岩心的钻井液侵入动态联测实验入手,模拟井筒环境,通过记录15块中低孔隙度渗透率岩心在2～4 MPa侵入压差、0.5～6 d侵入时间条件下,侵入过程中不同侵入深度处电阻率变化,进行侵入特征分析,形成了不同孔隙度渗透率条件下钻井液侵入规律认识。建立了不同侵入条件下钻井液侵入速率模型,与实际测井相结合,计算钻井液侵入半径,能够有效指导测井评价及下步施工措施。

1 实验思路及方法设计

中低孔隙度渗透率岩心孔隙结构复杂,非均质性强,以往针对整块岩心进行侵入过程中电阻率测量的实验方法已经不能满足研究需求,提出了钻井液侵入动态联测实验思路,并与中国石油大学(华东)合作制造了实验设备并进行了改进,获得发明专利一项。图1为仪器构造图,钻井液循环釜体中有岩心夹持器,可同时进行1～5块10 cm以下长岩心的钻井液侵入实验,根据其不同位置的电极环进行分段电阻率和顶端至某一位置的电阻率的测量,从而记录同一钻井液侵入条件下不同岩心5个径向深度电阻率随时间的变化。该实验设计尽量模拟地层条件,还原真实侵入特征,实验岩心上下釜体中放置泥岩岩心模拟盖层及隔层,并可同时进行相同侵入条件下不同流体性质2块岩心的对比实验。将岩心按照泥岩岩心与实验岩心交互放置,同时进行2块岩心的侵入实验。钻井液循环压力0～6 MPa可调,围压最高可达10 MPa。图1中红色数字表示电极环距离岩心侵入端距离。

该实验可有效模拟钻井液循环条件下,油水层的侵入机理差异、钻井液配置差异、地层水变化、物性变化、岩性变化、含油性及其分布变化等引发的岩石电阻率变化,通过实验揭示了复杂储层的成因机理,为复杂储层油水识别奠定坚实的实验基础。

图1 “5岩心”钻井液侵入动态联测实验装置原理

2 数据采集

进行了孔隙度(φ)分布范围在2.74%～15.5%之间,渗透率(K)分布范围在0.01～39.74 mD[注]非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2;1 cP=0.001 Pa·s,下同之间,2种侵入压差(Δp)、3种钻井液滤液矿化度(Cm)、2种原油黏度(η)共计15块中低孔隙度渗透率饱和油岩样的钻井液侵入动态联测实验。并完成了数据采集,计算了能反映孔隙结构的孔隙度渗透率比参数(φ/K),在0.39～685.11之间分布。图2为采集到的钻井液侵入电阻率动态变化图。其中F为孔隙度与渗透率比值,K为岩心渗透率,Cw为饱和水矿化度,Cm为钻井液滤液矿化度,p为侵入压差,η为岩心饱和油黏度,Ri为不同电极环处分段电阻率,i=1,2,3,4,5。

图2 钻井液侵入电阻率动态变化图

3 基于实验数据的钻井液侵入规律分析

3.1 原油黏度的影响

通过对饱和油岩样盐水钻井液侵入前、后电阻率变化对比,可得到在盐水钻井液滤液侵入情况下,饱和油岩样呈现明显低侵入特征。但实验岩心饱和油黏度的差异会造成钻井液侵入特征差异。随着原油黏度的增加,钻井液侵入需要克服的阻力越大,钻井液侵入速度越慢,岩心电阻率达到侵入平衡的时间越长。

图4 饱和油岩样在不同压差下侵入时间与侵入深度关系图

3.2 物性的影响

图2展示了不同物性饱和油岩样钻井液侵入电性变化动态对比图。由对比分析可知,咸水钻井液侵入环境下,好物性油层电阻率侵入初期下降速度快,而后下降速度减缓,最后达到侵入平衡时间短;差物性油层从钻井液开始侵入其电阻率就呈现较为平缓的下降趋势,直至达到平衡,且达到平衡时间较好物性油层慢。

图3为饱和油岩心不同径向探测深度处侵入速率(侵入整段岩心距离与侵入时间比值)与物性参数φ/K(孔隙度与渗透率比值)关系图。不同形状点子,代表不同径向探测深度处侵入速率。由图3可见,不同孔隙度渗透率比范围钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比的关系不同;φ/K<10,随着孔隙度渗透率比增加,R1(距侵入端1.0 cm处)和R2(距侵入端2.5 cm处)处侵入速率降低,R3(距侵入端4.5 cm处)处变化不明显,R4(距侵入端7.0 cm处)和R5(实验岩心尾部)处侵入速率增加;φ/K在10～150之间,随着φ/K增加,钻井液侵入速率迅速降低;φ/K>150,钻井液侵入速率变化规律复杂,现仪器难以准确模拟该部分物性储层钻井液侵入变化规律。

图3 物性与侵入速率关系图

3.3 压差的影响

钻井液侵入动态联测装置可利用循环泵提供0～6 MPa范围可调的侵入压力,相当于井筒环境下的侵入压差。由实验数据分析可知,随着侵入压差增大,岩心侵入越彻底,钻井液侵入后岩心电阻率变化越明显,电阻率降低越多。图4为不同物性饱和油岩样在不同压差下侵入深度与侵入时间关系图,其中图4(a)侵入压差为2 MPa,图4(b)侵入压差为4 MPa,每个电极环距侵入端的距离,依次为1.0、2.5、4.5、7.0、9.5 cm,不同颜色的线为不同物性饱和油岩样。由图4可知,相同物性饱和油岩样,侵入压差越大,达到平衡所需时间越短,说明压差对储层钻井液侵入速率和侵入深度影响较大,压差越大,侵入速率越快,相同时间内压差越大,侵入深度越深。

4 中低孔隙度渗透率储层钻井液侵入模型建立

4.1 侵入模型建立

对于饱含油的储层来说,物性、侵入压差、原油黏度和侵入时间是决定地层侵入深度的主要因素。通过前面的分析,建立了低孔隙度渗透率条件下钻井液侵入速率模型,利用打开地层的时间和侵入速率,计算侵入半径,判断储层污染情况。

其中钻井压差

Δp=ρd×g×h

(1)

不同饱和油黏度η情况下钻井液滤液侵入速率vi是岩心孔隙度渗透率比φ/K、和侵入压差Δp的函数

(2)

利用侵入速率vi和侵入时间Δt计算钻井液滤液的侵入半径Di,侵入时间Δt表示从地层被钻开到测井这段时间

Di=vi×Δt=f(φ/K,η,Δp)×Δt

(3)

由孔隙度渗透率比和平均侵入速率交会图可以看出,随孔隙度渗透率比增加,钻井液侵入速率呈指数降低(见图5)。

图5 孔隙度渗透率比和平均侵入速率交会图

建立了所有岩心钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式

R2=0.570

(4)

并建立了不同侵入条件下钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式。

黏度为22.1 mPa·s下岩心钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式

R2=0.5581

(5)

黏度为1.5 mPa·s下岩心钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式

R2=0.4965

(6)

4 MPa压差下岩心钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式

R2=0.5791

(7)

2 MPa压差下岩心钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比关系式

R2=0.7903

(8)

在其他压差下,通过公式系数插值,建立钻井液侵入速率与孔隙度渗透率比的关系式。

也尝试了利用孔隙度与侵入速率建立关系式,在无法得到较准确渗透率的情况下可以进行侵入半径的计算。

侵入速率与孔隙度关系式

v=0.002e0.427φ

R2=0.41

(9)

4.2 参数校正

由于测井过程中,不同地区、不同仪器等环境差异,会造成井间资料误差,影响储层参数的计算,使得测井计算孔隙度渗透率比存在差异。要提高侵入深度的计算精度,就需要对测井资料进行校正,以求获得更准确的孔隙度渗透率比数据。本文的校正方法是利用研究区取心分析资料中的孔隙度、渗透率与测井计算孔隙度与渗透率建立关系,得到校正系数,进行参数的校正,提高侵入深度的计算精度。

5 应用效果分析

埕海地区CHxx井Es2下,邻井岩心分析孔隙度4%～14%,渗透率0.002～8 mD,属于低孔隙度低渗透率储层。18 ℃钻井液滤液电阻率0.27 Ω·m,地层水电阻率0.36 Ω·m,侵入时间10 d。通过计算,其侵入深度如图6所示。可以看出该段孔隙较高的储层部分侵入较为明显,集中在1～50 cm段,物性较差的差油层侵入较浅,而干层处基本无侵入。测井解释过程中,结合侵入深度与电阻率变化,综合解释储层流体性质,并有效指导了射孔方案设计。该井成功试油,73-77号层(3 792.1～3 812.1 m段),压后,油管8 mm油嘴放喷,日产/累产油53.12/188.12 t,日产/累产气6 467/25 820 m3,84号层的3 854 m处MDT测试以水为主。证明了解释的准确性及射孔施工的有效性。

图6 CHxx井应用效果分析

6 结 论

(1)钻井液侵入动态联测实验装置能够有效模拟地层侵入条件下中低孔隙度渗透率储层钻井液侵入过程,采集不同侵入时间5个径向深度岩心电阻率变化情况。

(2)通过侵入实验数据,认识到储层孔隙度渗透率比小于10,钻井液侵入速度呈现先快后慢的趋势,岩心电阻率表现为先快速下降,然后缓慢下降直至平衡的特点。孔隙度渗透率比介于10～150之间时,钻井液侵入速度比较稳定,岩心电阻率呈现比较平缓的下降趋势直至达到平衡。孔隙度渗透率比大于150的储层其侵入规律有待于继续探索。

(3)建立了中低孔隙度渗透率储层不同孔隙度渗透率比条件下钻井液侵入速率模型,应用于生产,计算储层钻井液侵入深度。

(4)研究区应用10口井/85层,应用效果较好。在分析中低孔隙度渗透率储层受钻井液影响程度方面具有很强的指导意义,为处理井的储层解释及射孔施工设计提供了技术支撑。