应用数值模拟软件探究动滤失影响因素

孙玉学，李城里，白相双，张立春，赵景原，郭春萍

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163000；2.吉林油田钻井工艺研究院，吉林松原 138000）

钻井液是最先与地层接触的外来流体，在钻井过程中，为保证安全钻进，钻井液的液柱压力常常要大于地层压力。当储层被钻开时，钻井液中的固相颗粒、处理剂和滤液在压差的作用下进入地层中，导致地层液体饱和度的变化，滤液与孔隙中矿物及基质之间会发生物理化学反应，会导致油气层受损，近井地带渗透率下降，使原油流向井筒的流动阻力增加，给油气井产能带来一定的影响[1-2]。在整个钻进过程中，动滤失过程的持续时间最长，滤失量所占比重最大，约占总滤失量的80%～90%[3]。通过研究动滤失的影响因素，可指导钻井液优化配方，从而优化相关参数，减少钻井液滤失，达到保护油气层的目的。在对钻井液进行动滤失评价时，国内多数是在实验室条件下进行单向滤失，做出室内评价[4-6]，而在实际钻井过程中，动滤失是一个径向滤失过程，实验室条件下做出的评价与实际情况存在一定的偏差。在利用软件模拟钻井液侵入方面，国外已经做了相关的研究[7-10]，国内在这方面尚属空白。利用数值模拟软件，对建立的单向滤失模型进行了实验验证，并对单向滤失模型进行拓展，考虑了岩石及流体的压缩性，模拟在地层条件下钻井液做径向动滤失的过程，研究了动滤失的影响因素。

1 单向滤失模型及室内验证

本文主要是探究在地层条件下，钻井液径向滤失的影响因素，但为了验证该模型的准确性，建立了单向滤失模型，并与室内实验结果进行了对比。

高温高压动滤失仪可模拟不同温度压力下钻井液的滤失情况。进行实验时，将滤失温度设置为50 ℃，压差设置为2 MPa。将岩心放至岩心夹持器中，滤失一段时间，待滤失速率稳定后（确保其已经达到了动滤失的状态），测定一定时间内的滤失量。对5 块人造岩心进行了滤失实验，实验结果如表1 所示。

表1 实验结果及相关参数

建立的单向滤失模型见图1，外泥饼为最左侧第一个网格，将岩心划分为20 个网格，考虑到实验所测外泥饼渗透率极低，内泥饼对滤失过程影响较小，因此在单向滤失模型中忽略了内泥饼的影响。在单向滤失模型中，输入的所有参数均与实验条件下保持一致。对5 块岩心模拟结果与实验结果的对比见表2。由表2 可知，有4组的相对误差在5%以内，另一组为5.5%，模拟结果与实验结果的相对误差不大，这说明该线性模型的正确性。对线性模型进行拓展，用同样的方法，建立地层条件下的径向模型，探究在地层条件下动滤失的影响因素。

图1 单向滤失模型网格剖分图

表2 模拟结果与实验结果对比

2 外泥饼渗透率对动滤失量的影响

钻井液滤液主要侵入近井地带，为了得到近井地带压力及含水饱和度详细分布情况，采用径向网格并对近井区域进行网格加密，加密后的网格划分如图2 所示（黑色区域为加密的网格线）。

图2 网格划分示意图

假定地层渗透率Kf为100 mD，外泥饼厚度为2 mm，内泥饼厚度为5 cm，内泥饼渗透率Kic为10 mD，原始地层压力Pf为10 MPa，钻井液液柱压力Ph为12 MPa，地层原油黏度μo为5 mPa·s，钻井液滤液黏度μf为1.5 mPa·s，井眼半径为0.1 m，圆形地层，边界半径100 m，边界条件为封闭边界，地层厚度为1 m。分别探讨了不同外泥饼渗透率Kec对侵入量的影响。在动滤失条件下滤失50 h 后含水饱和度分布情况见图3，滤失量见表3。

从图3 及表3 可知，随着外泥饼渗透率的增加，滤失量逐渐增加。在外泥饼渗透率从0.001 mD 增至0.01 mD，增加10 倍时，滤失量也增加了接近10 倍，当泥饼渗透率从0.01 mD 增至0.1 mD 时，滤失量仅增加了约6 倍。通过分析近井地带的压力分布可以解释这一现象。50 h 后近井地带的压力分布见图4。不同外泥饼渗透率下，外泥饼消耗压差的百分比见表4。

表3 不同外泥饼渗透率下的滤失量

图3 在动滤失条件下滤失50 h 后近井地带含水饱和度分布图

图4 在动滤失条件下滤失50 h 后近井地带压力（p，kPa）分布图

表4 不同外泥饼渗透率下外泥饼消耗的压差

由表4 可知，在地层渗透率不变的情况下，随着泥饼渗透率的提高，外泥饼消耗的压差所占比例降低，因此，在总压差不变的情况下，滤失量与泥饼渗透率并不呈线性关系。

3 压差对侵入量的影响

从上面的模拟结果可知，当外泥饼渗透率为0.01 mD 时，外泥饼消耗的压力占总压差的90%以上，而当外泥饼渗透率小于0.1 mD 时，外泥饼消耗的压力小于总压差的55%。保持其他条件不变，改变外泥饼渗透率及压差，模拟在外泥饼渗透率为0.01 mD 及0.1 mD 情况下，压差ΔP 为1、2、3、4 MPa 时的情况。滤失50 h 后含水饱和度分布情况见图5 及图6，相应的滤失情况见图7。

图5 外泥饼渗透率为0.01 mD 时不同压差下的含水饱和度分布

图6 外泥饼渗透率为0.1 mD 时不同压差下的含水饱和度分布

由模拟结果可知，外泥饼渗透率分别为0.01 mD、0.1 mD 时，随着压差的线性增加，滤失量也都呈线性增加。外泥饼渗透率为0.01 mD 时，由于泥饼渗透率低，所以滤失量增加的幅度很小。

图7 不同外泥饼渗透率及不同压差下钻井液滤失量

通过对比不同压差下，地层压力的分布，发现在外泥饼渗透率为0.1 mD，压差从1 MPa 变为4 MPa 时，外泥饼消耗的压差占总压差的百分比仅变化了0.76%；在外泥饼渗透率为0.01 mD，压差从1 MPa 变为4 MPa 时，外泥饼消耗的压差占总压差的百分比仅变化了0.49%。即随着总压差的变化，外泥饼消耗的压力占总压差的百分比变化很小，因此不同外泥饼渗透率下，滤失量都会随着压差的线性增加而线性增加。

4 钻井液滤液黏度对侵入量及侵入深度的影响

假 定ΔP为2 MPa，Kf为100 mD，Kic为10 mD，Kec为0.01 mD，改变钻井液滤液黏度，模拟不同滤液黏度下钻井液的滤失情况，50 h 后含水饱和度分布情况见图8。不同滤液黏度下的滤失量见图9。随着滤液黏度的逐渐增加，滤失量逐渐减小，且减小的速率越来越慢，滤失量与滤液黏度近似成反比关系。

图8 不同黏度下含水饱和度分布图

图9 不同滤液黏度下的滤失量

5 侵入时间对侵入量的影响

保持其他条件不变，改变外泥饼渗透率及时间，模拟在外泥饼渗透率为0.01 mD 及0.1 mD 情况下，不同时间的滤失量。将模拟的结果绘制成图10。

图10 不同滤失时间下的滤失量

由图10 可知，在外泥饼渗透率较低及较高的情况下，滤失量都随着时间的增加而线性增加。在外泥饼渗透率为0.01 mD 时，因其渗透率较低，所以滤失量增加幅度很小。不同时间压差分布情况见图11 及图12。

图11 外泥饼渗透率为0.1 mD 时地层压力（p，kPa）分布

通过对比不同时间的地层压力的分布，发现在泥饼渗透率为0.01 mD 及0.1 mD 时，压力都会在很短的时间里传递到边界。随着时间的变化，钻井液滤液不断侵入地层，地层中相同位置的地层压力逐渐增加，但增加的幅度很小。外泥饼渗透率为0.1 mD 时，泥饼两端压差在5 h 与50 h 时相差0.88%，外泥饼渗透率为0.01 mD 时，仅相差0.12%。因此，其滤失速率基本为一定值，滤失量随时间的增加而线性增加。

图12 外泥饼渗透率为0.01 mD 时地层压力（p，kPa）分布

6 内泥饼渗透率对侵入量的影响

在形成外泥饼前，钻井液中的固相颗粒会侵入储层，堵塞井眼周围地层的孔隙，导致近井地带渗透率的降低，严重情况下，内泥饼区域的渗透率可降至储层渗透率的10%。保持其他条件不变，分别模拟内泥饼渗透率为地层渗透率的10%，30%，50%，70%情况下动滤失情况，滤失时间为50 h。模拟结果见图13 及图14。相应的滤失量见表5。

表5 不同外泥饼及内泥饼渗透率下的滤失量

由模拟结果及表5 可知，随着内泥饼渗透率的增加，滤失量也在增加，但增加的速率在减小；外泥饼渗透率为0.01 mD 时，内泥饼渗透率的变化对滤失量的影响较小，而外泥饼渗透率为0.1 mD 时，内泥饼渗透率的变化对滤失量的影响较大。这是因为外泥饼渗透率较低时，外泥饼消耗的压力占总压差的90%以上，是控制滤失量的主要因素，而外泥饼渗透率较大时，其消耗的压力占总压差的比例小于55%，内泥饼消耗的压力占总压差的比例变大，此时，改变内泥饼渗透率，滤失量变化较为明显。

图13 外泥饼渗透率为0.01 mD 时不同内泥饼渗透率下的滤失情况

图14 外泥饼渗透率为0.1 mD 时不同内泥饼渗透率下的滤失情况

7 结论

1.模拟结果表明，外泥饼渗透率是控制滤失量的重要因素，较低渗透率的外泥饼消耗的压力可以占总压差的90%以上，当外泥饼渗透率较高时，内泥饼渗透率对钻井液的动滤失量也有较为明显的影响。

2.模拟结果表明，在地层条件下，钻井液径向滤失的动滤失量仍与滤失时间、压差成正比，与钻井液的滤液黏度成反比；同时，钻井液的滤失量随着外泥饼渗透率的增加而增加，但增加的幅度逐渐减小。

3.在模拟条件下，压力会很快传递到边界，地层中相同位置的地层压力随时间逐渐增加，但增加的幅度很小，滤失速率基本为一常数。