沿著水平井鉆井液侵入對儲層污染評價

左美玲, 郭立輝, 何金寶, 張 強, 崔志松, 蘭 雪

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油 新疆油田公司 實驗檢測研究院, 新疆 克拉瑪依 834000；3. 遼河油田 鉆采工藝研究院， 遼寧 盤錦 124010； 4. 中國石油 新疆油田公司 勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5. 吉林油田勘探開發研究院，吉林 松原138000）

沿著水平井鉆井液侵入對儲層污染評價

左美玲1, 郭立輝2, 何金寶3, 張 強4, 崔志松4, 蘭 雪5

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油 新疆油田公司 實驗檢測研究院, 新疆 克拉瑪依 834000；3. 遼河油田 鉆采工藝研究院， 遼寧 盤錦 124010； 4. 中國石油 新疆油田公司 勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5. 吉林油田勘探開發研究院，吉林 松原138000）

鉆井液侵入會對油層造成不同程度的污染，一方面使油層孔隙堵塞，另一方面鉆井液侵入后由于流體的飽和度發生變化后導致相對滲透率下降，都將導致油井產量降低。因此，必須對水平井井筒周圍的污染區進行污染評價。運用有限元數值模擬方法計算兩相滲流中沿水平井鉆井液的侵入深度，將污染區含水飽和度和相對滲透率曲線相結合，計算出污染區平均滲透率及表皮系數。通過單因素分析的方法研究鉆井液侵入對水平井近井筒油層的污染程度與泥漿粘度、正壓差的關系。泥漿粘度和污染程度關系的研究表明，四個泥漿粘度方案中，隨著泥漿粘度的增加，污染程度變弱。方案一較方案二的表皮系數高 50.7%，方案二較方案三高48.2%，方案三較方案四高 36.5%。正壓差和污染程度關系的研究表明，隨著正壓差的增加，污染程度變強。正壓差1 、3 MPa對應的表皮系數分別為0.039、2.003，正壓差3 MPa較正壓差1 MPa表皮系數增加顯著。

水平井；鉆井液侵入；污染區平均滲透率；泥餅

鉆井液侵入會對油層造成不同程度的污染，一方面使油層孔隙堵塞[1]，另一方面鉆井液侵入后由于流體的飽和度發生變化后導致相對滲透率下降[2]，都將導致油井產量降低。因此，定量評價水平井鉆井過程中近井筒的污染情況是非常重要的[3]。對于油層鉆井液污染評價，2005年，Supalak Parn-anurak和Thomas W. Engler，通過建立鉆井液滲流模型，由鉆井液侵入的平衡方程以及達西方程，推導出鉆井液污染帶滲透率的平均值及表皮系數的求解方程，通過計算出的數據做出相關曲線圖，進而對鉆井液污染區進行評估[4]。2006年范翔宇，夏宏泉，陳平等根據物質平衡理論，在對鉆井液固相侵入微觀物理模型分析的基礎上，綜合利用鉆井參數、地層物性參數、測井參數和鉆井液浸泡時間等多參數實現了鉆井液濾液侵入深度的計算。2008年，高春華，巢貴業利用美國STIM-LAB巖心流動儀對復式大型低空、低滲，致密砂巖氣藏進行全過程動、靜態模擬試驗[5]。本文應用油藏數值模擬方法，首先模擬計算鉆井液沿水平井侵入深度，根據侵入深度及飽和度分布，利用污染區相對滲透率計算表皮系數，進而來評價鉆井液對地層造成的污染。

1 利用滲透率的降低評估地層污染

冪律函數在1994年被Brooks和Corey修正后可以應用得到鉆井液的飽和度與相對滲透率的關系[6]。

油相：

水相：

式中：K —滲透率，10-3μm2;

Kro—油相相對滲透率；

Krw—水相相對滲透率；

Smud—鉆井液的飽和度；

Swi—束縛水飽和度；

Sor—殘余油飽和度。

由于相的圈閉或者堵塞引起的滲透率變化而使孔隙度也發生改變的效應導致地層的污染，因此在污染帶的滲透率隨濾液的飽和度而變化。可以得出評估污染的方程：

式中：S —表皮系數；

Keff—污染帶滲透率，10-3μm2；

Kd,eff—污染帶有效滲透率，10-3μm2；

r —半徑，m；

rd—污染半徑，m；

rw—井底半徑，m。

滲透率的下降分布與在污染帶相對滲透率的下降和污染深度是一致的（圖1）。

滲透率的下降在數值上可以通過耦合濾失分布的模型和相對滲透率得到。在污染帶滲透率的平均值可以通過積分的形式得到：

式中：Kd—污染帶平均滲透率，10-3μm2；rd—污染半徑，m。

圖1 污染區滲透率數值Fig.1 The diagram for pollution zone permeability values

因此，表皮系數：

式中：Keff—有效滲透率，10-3μm2；

Kd,eff—污染帶有效滲透率，10-3μm2。

以上公式可以描述出由于在污染帶引起有效滲透率下降而帶來的傷害。

2 算例分析

應用油水兩相有限元法油藏數值模擬方法對沿水平井鉆井液的侵入情況進行數值模擬計算，根據計算結果進一步對儲層污染進行定量評價。計算模型示意圖如圖2所示，相滲曲線如圖3所示，計算參數見表1。

圖2 模型示意圖Fig.2 The graph for model

圖3 相滲曲線Fig.3 The curve of relative permeability

表1 計算參數Table 1 The parameters of calculation

2.1 泥漿粘度與污染程度的關系

為了研究泥漿粘度與鉆井液侵入對儲層污染程度的關系，地層滲透率取為100×10-3μm2，泥餅滲透率取為0.001×10-3μm2，正壓差2 MPa。泥漿的粘度設計了4個方案，見表2。

表2 泥漿粘度方案設計Table 2 The project design of different mud viscosity

模型網格剖分時采用結構化四邊形單元進行剖分，節點數為4 242，單元數為4 100，網格剖分圖如圖4所示。

圖4 網格剖分圖Fig.4 The graph of grid subdivision

下圖是在地層滲透率100×10-3μm2，泥餅滲透率0.001×10-3μm2，壓差2 MPa，水平井段100 m處，泥漿粘度分別為0.005，0.01，0.015，和0.02 Pa·s時，鉆井液污染區的局部侵入深度圖，如圖5中（a）-（d）所示。由每兩個相隔含水飽和度值之間的寬度，根據相滲曲線由含水飽和度算出相應油的相對滲透率k，由（4）式得出對應的染帶滲透率的平均值，將 帶入（5）得出各方案相應的表皮系數。每個方案的污染區平均相對滲透率，侵入深度及表皮系數見表 3。通過研究鉆井液在油層中的污染程度與泥漿粘度的關系，可以得出四個方案中的表皮系數分別是方案一為2.483，方案二為1.161，方案三為0.589，方案四為0.215。方案方案一較方案二表皮系數增加約50.7%方案二較方案三增加約48.2%，方案三較方案四增加約36.5%，可以看出隨著泥漿黏度增加，污染程度變弱。

圖5 不同泥漿黏度條件下侵入深度圖Fig.5 The diagram for different mud viscosity invasion depth

表3 每個方案的計算結果表Table 3 The calculation results of each solution

2.2 正壓差與污染程度的關系

為了研究正壓差與鉆井液侵入對儲層污染程度的關系，保持地層滲透率100×10-3μm2，泥餅滲透率0.001×10-3μm2，泥漿粘度取為0.01 Pa·s不變，改變正壓差，選取了2個方案，正壓差分別取為1 MPa、3 MPa。得出不同壓差條件下100 m處沿水平井鉆井液的局部侵入深度圖，如圖6所示。

根據數值模擬計算結果，得到每個算例的污染區平均相對滲透率，侵入深度及表皮系數如表4所示。

表4 方案計算結果表Table 4 The calculation result

通過研究研究鉆井液在油層中的污染程度與正壓差的關系，可以得出兩個方案中表皮系數分別是方案一為0.039，方案二為2.003，方案二較方案一表皮系數增加很大。可以看出隨著正壓差的增加，相同侵入深度的含水飽和度增大，侵入半徑增大，污染程度變強。

圖6 不同正壓差條件下侵入深度如圖Fig.6 The diagram for invasion depth at different positive differential pressure

3 結 論

根據以上模擬實驗得出的數據進行計算得到了以下結論：

（1）應用油藏數值模擬方法，模擬計算鉆井液侵入深度，根據侵入深度利用相對滲透率的降低來評價鉆井液對地層造成的污染。

（2）通過實驗得出的數據進行詳細分析，表明在油層粘度、泥餅粘度、正壓差不變的前提下，隨著泥漿粘度的增加，相同侵入深度的含水飽和度逐漸減小，侵入半徑逐漸減小，污染區平均滲透率逐漸增加，表皮系數逐漸變小，污染程度變弱。

（3）通過單因素分析的方法研究鉆井液侵入對水平井近井筒油層的污染程度與泥漿粘度、正壓差的關系。泥漿粘度和污染程度關系的研究表明，四個泥漿粘度方案中，隨著泥漿粘度的增加，污染程度變弱。方案一較方案二的表皮系數高50.7%，方案二較方案三高48.2%，方案三較方案四高36.5%。正壓差和污染程度關系的研究表明，隨著正壓差的增加，污染程度變強。正壓差1、3 MPa對應的表皮系數分別為0.039、2.003，正壓差3 MPa較正壓差1 MPa表皮系數增加顯著。

［1］王松，胡三清，劉罡.水平井鉆井完井液損害油氣層的數學模型[J].學院報,2003，10(4)：26-36.

［2］胡國恒，左新玉.鉆井液侵入對儲層電性物性影響實驗研究[J].測井技術新進展,1999，23(5)：323-326.

［3］張送楊，陳玉魁.鉆井液侵入機理特性影響因素研究[J].勘探地球物理進展,2002，25(6)：23-33.

［4］汪偉英.確定鉆井液侵入油層傷害的數值模擬計算方法[J].油藏數值模擬,1994，21(3)：39-51.

［5］謝關寶，鄧少貴.儲層泥漿侵入深度預測方法研究[J].測井技術新進展,2006，30(4)：11-29.

［6］Supalak Parn-anurak, Thomas W. Engler. Modeling of fluid filtration and near-wellbore damage along a horizontal well[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2005, 12(46):149-160.

Evaluation on Pollution of the Reservoir Caused by Drilling Fluid Invasion Along the Horizontal Well

ZUO Mei-ling1, GUO Li-hui2, HE Jin-bao3, ZHANG Qiang4, CUI Zhi-song4, LAN Xue5
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Research Institute of Experiment and Detection, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China; 3. Research Institute of Drilling Technology，Liaohe Oilfield Company, Liaoning Panjin 124010, China; 4. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China; 5. Research Institute of Exploration and Development ,Jilin Oilfield Company,Jilin Songyuan 138000, China）

Horizontal well; Drilling fluid invasion; Average permeability in polluted area; The mud cake

Drilling fluid invasion will cause different degrees of pollution to the reservoir. On the one hand, it makes the reservoir pore jam;on the other hand, the relative permeability decreases due to the fluid saturation change after drilling fluid invasion, which all will lead to oil production reducing. Therefore, it’s very necessary to carry out the pollution evaluation around the horizontal well area. In this paper, drilling fluid invasion depth of two-phase flow along the horizontal well was calculated by using finite element numerical simulation method. Combined with water saturation in polluted area and relative permeability curve, average permeability and skin factor of the polluted area were calculated. The relationship between wellbore reservoir pollution level and different mud viscosity, positive pressure during drilling fluid invasion was studied by the method of single factor analysis. The research on relationship between mud viscosity and pollution degree shows that, in four mud viscosity schemes, with the increase of mud viscosity, the pollution degree decreases. The skin factor of No.1 scheme is higher than that of No.2 scheme by 50.7%, the skin factor of No.2 scheme is higher than that of No.3 scheme by 48.2%, and the skin factor of No.3 scheme is higher than that of No.4 scheme by 36.5%. The research on relationship between positive pressure and pollution degree shows that, with the increase of positive pressure difference, the pollution degree increases. The skin factors of 1 MPa pressure difference and 3 MPa pressure difference are 0.039 and 2.003, the skin factor of 3 MPa pressure difference is significantly higher than that of 1 MPa pressure difference.

2015-07-28

左美玲（1989-），女，湖北黃岡人，碩士，2013年畢業于東北石油大學石油工程專業，研究方向：從事油氣滲流理論與應用研究。E-mail：1130103629@qq.com。

TE 357

A

1671-0460（2015）08-1851-04