應用數值模擬軟件探究動濾失影響因素

孫玉學，李城里，白相雙，張立春，趙景原，郭春萍

（1.東北石油大學石油工程學院，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，鉆井液的液柱壓力常常要大于地層壓力。當儲層被鉆開時，鉆井液中的固相顆粒、處理劑和濾液在壓差的作用下進入地層中，導致地層液體飽和度的變化，濾液與孔隙中礦物及基質之間會發生物理化學反應，會導致油氣層受損，近井地帶滲透率下降，使原油流向井筒的流動阻力增加，給油氣井產能帶來一定的影響[1-2]。在整個鉆進過程中，動濾失過程的持續時間最長，濾失量所占比重最大，約占總濾失量的80%～90%[3]。通過研究動濾失的影響因素，可指導鉆井液優化配方，從而優化相關參數，減少鉆井液濾失，達到保護油氣層的目的。在對鉆井液進行動濾失評價時，國內多數是在實驗室條件下進行單向濾失，做出室內評價[4-6]，而在實際鉆井過程中，動濾失是一個徑向濾失過程，實驗室條件下做出的評價與實際情況存在一定的偏差。在利用軟件模擬鉆井液侵入方面，國外已經做了相關的研究[7-10]，國內在這方面尚屬空白。利用數值模擬軟件，對建立的單向濾失模型進行了實驗驗證，并對單向濾失模型進行拓展，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濾失的過程，研究了動濾失的影響因素。

1 單向濾失模型及室內驗證

本文主要是探究在地層條件下，鉆井液徑向濾失的影響因素，但為了驗證該模型的準確性，建立了單向濾失模型，并與室內實驗結果進行了對比。

高溫高壓動濾失儀可模擬不同溫度壓力下鉆井液的濾失情況。進行實驗時，將濾失溫度設置為50 ℃，壓差設置為2 MPa。將巖心放至巖心夾持器中，濾失一段時間，待濾失速率穩定后（確保其已經達到了動濾失的狀態），測定一定時間內的濾失量。對5 塊人造巖心進行了濾失實驗，實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果及相關參數

建立的單向濾失模型見圖1，外泥餅為最左側第一個網格，將巖心劃分為20 個網格，考慮到實驗所測外泥餅滲透率極低，內泥餅對濾失過程影響較小，因此在單向濾失模型中忽略了內泥餅的影響。在單向濾失模型中，輸入的所有參數均與實驗條件下保持一致。對5 塊巖心模擬結果與實驗結果的對比見表2。由表2 可知，有4組的相對誤差在5%以內，另一組為5.5%，模擬結果與實驗結果的相對誤差不大，這說明該線性模型的正確性。對線性模型進行拓展，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濾失的影響因素。

圖1 單向濾失模型網格剖分圖

表2 模擬結果與實驗結果對比

2 外泥餅滲透率對動濾失量的影響

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分布情況，采用徑向網格并對近井區域進行網格加密，加密后的網格劃分如圖2 所示（黑色區域為加密的網格線）。

圖2 網格劃分示意圖

假定地層滲透率Kf為100 mD，外泥餅厚度為2 mm，內泥餅厚度為5 cm，內泥餅滲透率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對侵入量的影響。在動濾失條件下濾失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，濾失量也增加了接近10 倍，當泥餅滲透率從0.01 mD 增至0.1 mD 時，濾失量僅增加了約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系。

3 壓差對侵入量的影響

從上面的模擬結果可知，當外泥餅滲透率為0.01 mD 時，外泥餅消耗的壓力占總壓差的90%以上，而當外泥餅滲透率小于0.1 mD 時，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，相應的濾失情況見圖7。

圖5 外泥餅滲透率為0.01 mD 時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 時不同壓差下的含水飽和度分布

由模擬結果可知，外泥餅滲透率分別為0.01 mD、0.1 mD 時，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，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

通過對比不同壓差下，地層壓力的分布，發現在外泥餅滲透率為0.1 mD，壓差從1 MPa 變為4 MPa 時，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 變為4 MPa 時，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，濾失量都會隨著壓差的線性增加而線性增加。

4 鉆井液濾液黏度對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 侵入時間對侵入量的影響

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

圖10 不同濾失時間下的濾失量

由圖10 可知，在外泥餅滲透率較低及較高的情況下，濾失量都隨著時間的增加而線性增加。在外泥餅滲透率為0.01 mD 時，因其滲透率較低，所以濾失量增加幅度很小。不同時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 時地層壓力（p，kPa）分布

通過對比不同時間的地層壓力的分布，發現在泥餅滲透率為0.01 mD 及0.1 mD 時，壓力都會在很短的時間里傳遞到邊界。隨著時間的變化，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，泥餅兩端壓差在5 h 與50 h 時相差0.88%，外泥餅滲透率為0.01 mD 時，僅相差0.12%。因此，其濾失速率基本為一定值，濾失量隨時間的增加而線性增加。

圖12 外泥餅滲透率為0.01 mD 時地層壓力（p，kPa）分布

6 內泥餅滲透率對侵入量的影響

在形成外泥餅前，鉆井液中的固相顆粒會侵入儲層，堵塞井眼周圍地層的孔隙，導致近井地帶滲透率的降低，嚴重情況下，內泥餅區域的滲透率可降至儲層滲透率的10%。保持其他條件不變，分別模擬內泥餅滲透率為地層滲透率的10%，30%，50%，70%情況下動濾失情況，濾失時間為50 h。模擬結果見圖13 及圖14。相應的濾失量見表5。

表5 不同外泥餅及內泥餅滲透率下的濾失量

由模擬結果及表5 可知，隨著內泥餅滲透率的增加，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，內泥餅滲透率的變化對濾失量的影響較小，而外泥餅滲透率為0.1 mD 時，內泥餅滲透率的變化對濾失量的影響較大。這是因為外泥餅滲透率較低時，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，其消耗的壓力占總壓差的比例小于55%，內泥餅消耗的壓力占總壓差的比例變大，此時，改變內泥餅滲透率，濾失量變化較為明顯。

圖13 外泥餅滲透率為0.01 mD 時不同內泥餅滲透率下的濾失情況

圖14 外泥餅滲透率為0.1 mD 時不同內泥餅滲透率下的濾失情況

7 結論

1.模擬結果表明，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，當外泥餅滲透率較高時，內泥餅滲透率對鉆井液的動濾失量也有較為明顯的影響。

2.模擬結果表明，在地層條件下，鉆井液徑向濾失的動濾失量仍與濾失時間、壓差成正比，與鉆井液的濾液黏度成反比；同時，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，壓力會很快傳遞到邊界，地層中相同位置的地層壓力隨時間逐漸增加，但增加的幅度很小，濾失速率基本為一常數。