沿着水平井钻井液侵入对储层污染评价

左美玲, 郭立辉, 何金宝, 张 强, 崔志松, 兰 雪

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油 新疆油田公司 实验检测研究院, 新疆 克拉玛依 834000；3. 辽河油田 钻采工艺研究院， 辽宁 盘锦 124010； 4. 中国石油 新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；5. 吉林油田勘探开发研究院，吉林 松原138000）

沿着水平井钻井液侵入对储层污染评价

左美玲1, 郭立辉2, 何金宝3, 张 强4, 崔志松4, 兰 雪5

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油 新疆油田公司 实验检测研究院, 新疆 克拉玛依 834000；3. 辽河油田 钻采工艺研究院， 辽宁 盘锦 124010； 4. 中国石油 新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；5. 吉林油田勘探开发研究院，吉林 松原138000）

钻井液侵入会对油层造成不同程度的污染，一方面使油层孔隙堵塞，另一方面钻井液侵入后由于流体的饱和度发生变化后导致相对渗透率下降，都将导致油井产量降低。因此，必须对水平井井筒周围的污染区进行污染评价。运用有限元数值模拟方法计算两相渗流中沿水平井钻井液的侵入深度，将污染区含水饱和度和相对渗透率曲线相结合，计算出污染区平均渗透率及表皮系数。通过单因素分析的方法研究钻井液侵入对水平井近井筒油层的污染程度与泥浆粘度、正压差的关系。泥浆粘度和污染程度关系的研究表明，四个泥浆粘度方案中，随着泥浆粘度的增加，污染程度变弱。方案一较方案二的表皮系数高 50.7%，方案二较方案三高48.2%，方案三较方案四高 36.5%。正压差和污染程度关系的研究表明，随着正压差的增加，污染程度变强。正压差1 、3 MPa对应的表皮系数分别为0.039、2.003，正压差3 MPa较正压差1 MPa表皮系数增加显著。

水平井；钻井液侵入；污染区平均渗透率；泥饼

钻井液侵入会对油层造成不同程度的污染，一方面使油层孔隙堵塞[1]，另一方面钻井液侵入后由于流体的饱和度发生变化后导致相对渗透率下降[2]，都将导致油井产量降低。因此，定量评价水平井钻井过程中近井筒的污染情况是非常重要的[3]。对于油层钻井液污染评价，2005年，Supalak Parn-anurak和Thomas W. Engler，通过建立钻井液渗流模型，由钻井液侵入的平衡方程以及达西方程，推导出钻井液污染带渗透率的平均值及表皮系数的求解方程，通过计算出的数据做出相关曲线图，进而对钻井液污染区进行评估[4]。2006年范翔宇，夏宏泉，陈平等根据物质平衡理论，在对钻井液固相侵入微观物理模型分析的基础上，综合利用钻井参数、地层物性参数、测井参数和钻井液浸泡时间等多参数实现了钻井液滤液侵入深度的计算。2008年，高春华，巢贵业利用美国STIM-LAB岩心流动仪对复式大型低空、低渗，致密砂岩气藏进行全过程动、静态模拟试验[5]。本文应用油藏数值模拟方法，首先模拟计算钻井液沿水平井侵入深度，根据侵入深度及饱和度分布，利用污染区相对渗透率计算表皮系数，进而来评价钻井液对地层造成的污染。

1 利用渗透率的降低评估地层污染

幂律函数在1994年被Brooks和Corey修正后可以应用得到钻井液的饱和度与相对渗透率的关系[6]。

油相：

水相：

式中：K —渗透率，10-3μm2;

Kro—油相相对渗透率；

Krw—水相相对渗透率；

Smud—钻井液的饱和度；

Swi—束缚水饱和度；

Sor—残余油饱和度。

由于相的圈闭或者堵塞引起的渗透率变化而使孔隙度也发生改变的效应导致地层的污染，因此在污染带的渗透率随滤液的饱和度而变化。可以得出评估污染的方程：

式中：S —表皮系数；

Keff—污染带渗透率，10-3μm2；

Kd,eff—污染带有效渗透率，10-3μm2；

r —半径，m；

rd—污染半径，m；

rw—井底半径，m。

渗透率的下降分布与在污染带相对渗透率的下降和污染深度是一致的（图1）。

渗透率的下降在数值上可以通过耦合滤失分布的模型和相对渗透率得到。在污染带渗透率的平均值可以通过积分的形式得到：

式中：Kd—污染带平均渗透率，10-3μm2；rd—污染半径，m。

图1 污染区渗透率数值Fig.1 The diagram for pollution zone permeability values

因此，表皮系数：

式中：Keff—有效渗透率，10-3μm2；

Kd,eff—污染带有效渗透率，10-3μm2。

以上公式可以描述出由于在污染带引起有效渗透率下降而带来的伤害。

2 算例分析

应用油水两相有限元法油藏数值模拟方法对沿水平井钻井液的侵入情况进行数值模拟计算，根据计算结果进一步对储层污染进行定量评价。计算模型示意图如图2所示，相渗曲线如图3所示，计算参数见表1。

图2 模型示意图Fig.2 The graph for model

图3 相渗曲线Fig.3 The curve of relative permeability

表1 计算参数Table 1 The parameters of calculation

2.1 泥浆粘度与污染程度的关系

为了研究泥浆粘度与钻井液侵入对储层污染程度的关系，地层渗透率取为100×10-3μm2，泥饼渗透率取为0.001×10-3μm2，正压差2 MPa。泥浆的粘度设计了4个方案，见表2。

表2 泥浆粘度方案设计Table 2 The project design of different mud viscosity

模型网格剖分时采用结构化四边形单元进行剖分，节点数为4 242，单元数为4 100，网格剖分图如图4所示。

图4 网格剖分图Fig.4 The graph of grid subdivision

下图是在地层渗透率100×10-3μm2，泥饼渗透率0.001×10-3μm2，压差2 MPa，水平井段100 m处，泥浆粘度分别为0.005，0.01，0.015，和0.02 Pa·s时，钻井液污染区的局部侵入深度图，如图5中（a）-（d）所示。由每两个相隔含水饱和度值之间的宽度，根据相渗曲线由含水饱和度算出相应油的相对渗透率k，由（4）式得出对应的染带渗透率的平均值，将 带入（5）得出各方案相应的表皮系数。每个方案的污染区平均相对渗透率，侵入深度及表皮系数见表 3。通过研究钻井液在油层中的污染程度与泥浆粘度的关系，可以得出四个方案中的表皮系数分别是方案一为2.483，方案二为1.161，方案三为0.589，方案四为0.215。方案方案一较方案二表皮系数增加约50.7%方案二较方案三增加约48.2%，方案三较方案四增加约36.5%，可以看出随着泥浆黏度增加，污染程度变弱。

图5 不同泥浆黏度条件下侵入深度图Fig.5 The diagram for different mud viscosity invasion depth

表3 每个方案的计算结果表Table 3 The calculation results of each solution

2.2 正压差与污染程度的关系

为了研究正压差与钻井液侵入对储层污染程度的关系，保持地层渗透率100×10-3μm2，泥饼渗透率0.001×10-3μm2，泥浆粘度取为0.01 Pa·s不变，改变正压差，选取了2个方案，正压差分别取为1 MPa、3 MPa。得出不同压差条件下100 m处沿水平井钻井液的局部侵入深度图，如图6所示。

根据数值模拟计算结果，得到每个算例的污染区平均相对渗透率，侵入深度及表皮系数如表4所示。

表4 方案计算结果表Table 4 The calculation result

通过研究研究钻井液在油层中的污染程度与正压差的关系，可以得出两个方案中表皮系数分别是方案一为0.039，方案二为2.003，方案二较方案一表皮系数增加很大。可以看出随着正压差的增加，相同侵入深度的含水饱和度增大，侵入半径增大，污染程度变强。

图6 不同正压差条件下侵入深度如图Fig.6 The diagram for invasion depth at different positive differential pressure

3 结 论

根据以上模拟实验得出的数据进行计算得到了以下结论：

（1）应用油藏数值模拟方法，模拟计算钻井液侵入深度，根据侵入深度利用相对渗透率的降低来评价钻井液对地层造成的污染。

（2）通过实验得出的数据进行详细分析，表明在油层粘度、泥饼粘度、正压差不变的前提下，随着泥浆粘度的增加，相同侵入深度的含水饱和度逐渐减小，侵入半径逐渐减小，污染区平均渗透率逐渐增加，表皮系数逐渐变小，污染程度变弱。

（3）通过单因素分析的方法研究钻井液侵入对水平井近井筒油层的污染程度与泥浆粘度、正压差的关系。泥浆粘度和污染程度关系的研究表明，四个泥浆粘度方案中，随着泥浆粘度的增加，污染程度变弱。方案一较方案二的表皮系数高50.7%，方案二较方案三高48.2%，方案三较方案四高36.5%。正压差和污染程度关系的研究表明，随着正压差的增加，污染程度变强。正压差1、3 MPa对应的表皮系数分别为0.039、2.003，正压差3 MPa较正压差1 MPa表皮系数增加显著。

［1］王松，胡三清，刘罡.水平井钻井完井液损害油气层的数学模型[J].学院报,2003，10(4)：26-36.

［2］胡国恒，左新玉.钻井液侵入对储层电性物性影响实验研究[J].测井技术新进展,1999，23(5)：323-326.

［3］张送杨，陈玉魁.钻井液侵入机理特性影响因素研究[J].勘探地球物理进展,2002，25(6)：23-33.

［4］汪伟英.确定钻井液侵入油层伤害的数值模拟计算方法[J].油藏数值模拟,1994，21(3)：39-51.

［5］谢关宝，邓少贵.储层泥浆侵入深度预测方法研究[J].测井技术新进展,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，湖北黄冈人，硕士，2013年毕业于东北石油大学石油工程专业，研究方向：从事油气渗流理论与应用研究。E-mail：1130103629@qq.com。

TE 357

A

1671-0460（2015）08-1851-04