地層模塊尺度下的新型鉆井液侵入物理模擬系統(tǒng)

范宜仁，吳俊晨，吳飛，周燦燦，李潮流

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)CNPC測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580；3.蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇蘇州 215163；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院測(cè)井與遙感技術(shù)研究所，北京 100083）

地層模塊尺度下的新型鉆井液侵入物理模擬系統(tǒng)

范宜仁1,2，吳俊晨1,2，吳飛3，周燦燦4，李潮流4

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)CNPC測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580；3.蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇蘇州 215163；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院測(cè)井與遙感技術(shù)研究所，北京 100083）

在攻克大尺寸樣品模塊飽和加壓、侵入室設(shè)計(jì)、鉆井液侵入裝置密封保壓和鉆井液侵入全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造了地層模塊尺度下的鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)，總結(jié)了鉆井液侵入過(guò)程中砂巖地層模塊的電阻率、壓力和泥餅參數(shù)的變化規(guī)律。介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、組成和各部分的功能，實(shí)施了砂巖地層模塊鉆井液侵入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：鹽水鉆井液侵入過(guò)程中，地層模塊徑向電阻率向遠(yuǎn)離井筒方向依次開(kāi)始減??；侵入初期泥餅逐漸形成，其厚度增加而孔隙度、滲透性降低，地層模塊徑向壓力梯度迅速降低，侵入中后期泥餅性質(zhì)、砂巖模塊徑向壓力梯度趨于穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仿真度高、利用率高、可操作性強(qiáng)，可用于揭示砂巖儲(chǔ)集層鉆井液侵入機(jī)理、分析鉆井液侵入特征、完善測(cè)井響應(yīng)鉆井液侵入校正方法等。圖10參16

鉆井液侵入；物理模擬；地層模塊；泥餅參數(shù)

引用：范宜仁,吳俊晨,吳飛,等.地層模塊尺度下的新型鉆井液侵入物理模擬系統(tǒng)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2017,44(1):125-129.

FAN Yiren,WU Junchen,WU Fei,et al.A new physical simulation system of drilling mud invasion in formation module[J].Petroleum Exploration and Development,2017,44(1):125-129.

0 引言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在儲(chǔ)集層鉆井液侵入機(jī)理、鉆井液侵入數(shù)值模擬、復(fù)雜儲(chǔ)集層多相滲流機(jī)理、儲(chǔ)集層測(cè)井響應(yīng)鉆井液侵入校正等方面積累了豐富的研究成果[1-7]。按照儲(chǔ)集層模型尺度，可將目前典型的鉆井液侵入物理模擬裝置分為3類(lèi)：①柱塞巖心尺度下的模擬裝置，Jiao等[8-11]設(shè)計(jì)出柱塞巖心的鉆井液動(dòng)、靜濾失實(shí)驗(yàn)儀，用于研究鉆井液濾失規(guī)律；②填砂模型尺度下的模擬裝置，陳福煊等[12]進(jìn)行了油層、氣層、水層的模擬實(shí)驗(yàn)，得到了侵入地層高侵、低侵、低阻環(huán)帶和非臺(tái)階型4種典型的徑向電阻率剖面，為改進(jìn)鉆井液侵入剖面的測(cè)井解釋模型提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；③模擬井尺度下的模擬裝置，F(xiàn)erguson等[13-16]采用全井眼尺寸的實(shí)驗(yàn)裝置研究了鉆井過(guò)程中的鉆井液侵入現(xiàn)象，有的甚至配備了鉆頭模擬鉆井過(guò)程。對(duì)于柱塞巖心或填砂模型尺度下的鉆井液侵入物理模擬裝置，實(shí)驗(yàn)中鉆井液濾液滲流形態(tài)是水平線(xiàn)性流，而井下實(shí)際情況是平面徑向流，模擬條件與實(shí)際地層條件差別較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不能直接用于解釋井下儲(chǔ)集層鉆井液侵入現(xiàn)象。對(duì)于模擬井尺度下的鉆井液侵入物理模擬裝置，雖然實(shí)驗(yàn)中井眼水動(dòng)力環(huán)境、泥餅形成條件與實(shí)際鉆井過(guò)程較接近，但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高、難以推廣。因此，筆者依據(jù)砂巖儲(chǔ)集層物性特征及鉆井環(huán)境，自主設(shè)計(jì)并制造出地層模塊尺度下的鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)，模擬砂巖地層模塊的鉆井液侵入過(guò)程，分析砂巖地層模塊的電阻率、壓力和泥餅參數(shù)變化規(guī)律。

1 鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)

1.1 設(shè)計(jì)思路

鉆井液侵入物理模擬的基本原理是：在實(shí)驗(yàn)室條件下選擇與地下儲(chǔ)集層性質(zhì)相近的滲透介質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器模擬鉆井液對(duì)滲透介質(zhì)的侵入，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)侵入數(shù)據(jù)的分析，達(dá)到研究鉆井液侵入規(guī)律的目的。

鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：首先，在不影響物理模擬效果并保證模型具有足夠侵入空間的原則下，利用鉆井液侵入數(shù)值模擬優(yōu)選地層模型的厚度和徑向長(zhǎng)度；其次，為逼真模擬復(fù)雜鉆井條件下的鉆井液侵入現(xiàn)象，滿(mǎn)足鉆井液侵入機(jī)理研究的需求，對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的不同部分具備特定功能。系統(tǒng)各部分的功能如下。

①鉆井液侵入物理模擬主體裝置。由侵入室與模擬井筒連接（見(jiàn)圖1），形成密封保壓空間，保證鉆井液濾液以平面徑向流的形式侵入地層模塊，實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)條件下的鉆井液侵入模擬對(duì)比，實(shí)時(shí)采集鉆井液侵入過(guò)程中地層模塊的電阻、壓力，記錄濾失流量數(shù)據(jù)，獲取不同侵入階段的泥餅實(shí)物。

圖1 鉆井液侵入物理模擬主體裝置結(jié)構(gòu)示意圖

②地層模塊飽和裝置。用模擬地層水飽和烘干后的地層模塊。

③鉆井液配制裝置。配制實(shí)驗(yàn)所需的鉆井液。

④侵入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置。通過(guò)鉆井液侵入數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)鉆井液侵入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、井眼溫壓環(huán)境在計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

⑤泥餅參數(shù)檢測(cè)裝置。檢測(cè)泥餅實(shí)物的厚度、孔隙度、滲透率。

⑥恒溫室。為實(shí)驗(yàn)裝置提供外部恒溫環(huán)境。

1.2 主體裝置

圖2 鉆井液侵入物理模擬主體裝置實(shí)物圖

鉆井液侵入物理模擬主體裝置實(shí)物如圖2所示。為了使鉆井液濾液在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中的滲流狀態(tài)接近實(shí)際鉆井環(huán)境，選用地表露頭砂巖制作地層模塊。地層模塊采用扇形塊狀結(jié)構(gòu)，其形狀尺寸為：厚度100.0 mm，徑向長(zhǎng)度570.0 mm，頂面寬51.7 mm，底面寬278.5 mm，扇形角度22.5°。

1.3 電阻測(cè)量侵入室

為了獲取鉆井液侵入過(guò)程中地層模塊的動(dòng)態(tài)電阻剖面，設(shè)計(jì)了帶電阻測(cè)量功能的侵入室。侵入室由不銹鋼封板、侵入室腔體、電極、電極引線(xiàn)、航空插頭等組成。另外，設(shè)計(jì)了與地層模塊尺寸相匹配的絕緣膠皮套使地層模塊與侵入室側(cè)面、上下底面絕緣并密封。采用內(nèi)密外疏的結(jié)構(gòu)布置8對(duì)電極（分別用A0B0、A1B1、A2B2、A3B3、A4B4、A5B5、A6B6和A7B7表示），侵入室腔體頂面和底面的電極位置對(duì)稱(chēng)，同側(cè)8個(gè)電極之間的間距分別為32，40，48，56，60，80和100 mm。

1.4 壓力測(cè)量侵入室

為了獲取鉆井液侵入過(guò)程中地層模塊的動(dòng)態(tài)壓力剖面，設(shè)計(jì)了帶壓力測(cè)量功能的侵入室。侵入室由不銹鋼封板、侵入室腔體、螺紋孔、封板、壓力傳感器、膠皮套壓力測(cè)量孔等組成。為了保證壓力數(shù)據(jù)與電阻數(shù)據(jù)的一致性，8個(gè)壓力傳感器的位置與電極位置相同。

1.5 泥餅參數(shù)檢測(cè)裝置

鉆井液侵入實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可在地層模塊與模擬井筒連接的端面上獲取泥餅實(shí)物。泥餅參數(shù)（厚度、孔隙度、滲透率）是研究泥餅形成規(guī)律和鉆井液濾失特性的主要指標(biāo)，也是鉆井液侵入數(shù)值模擬中數(shù)學(xué)建模的重要參數(shù)。設(shè)計(jì)的泥餅參數(shù)檢測(cè)裝置由深度千分尺、托板、基座、環(huán)狀泥餅取樣器、電子天平、烤箱和泥餅滲透率測(cè)量?jī)x等組成。泥餅厚度由深度千分尺測(cè)量，泥餅孔隙度采用稱(chēng)重法測(cè)量，泥餅滲透率采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量。

2 砂巖地層模塊鉆井液侵入實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要考察砂巖地層模塊鹽水鉆井液侵入特征，分析鉆井液侵入動(dòng)態(tài)過(guò)程中地層模塊電阻率、壓力的變化規(guī)律，并利用不同侵入階段泥餅樣品的測(cè)試結(jié)果研究泥餅形成過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)流程為：①地層模塊選材與精加工；②地層模塊烘干、高壓飽和；③鉆井液配制；④地層模塊吊裝、密封進(jìn)侵入室；⑤模擬井筒灌注鉆井液并加壓、攪拌，侵入過(guò)程啟動(dòng)；⑥侵入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，濾失流量記錄；⑦根據(jù)侵入的不同階段，逐個(gè)隔絕各個(gè)侵入室與模擬井筒中鉆井液的接觸，實(shí)驗(yàn)終止后進(jìn)行泥餅的獲?。虎嗄囡瀰?shù)檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)選擇了某種細(xì)砂巖制作地層模塊，其孔隙度為14.21%，滲透率為10.07×10-3μm2。設(shè)計(jì)的鉆井液侵入實(shí)驗(yàn)條件為：鉆井液類(lèi)型為鹽水鉆井液，模塊數(shù)量為8塊，地層水礦化度為1 g/L，鉆井液壓差1 MPa，濾失類(lèi)型為動(dòng)濾失，分別在0.82，1.67，2.63，4.68，7.75，12.78和44.00 h時(shí)獲取泥餅，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。檢測(cè)數(shù)據(jù)包括電阻、壓力和濾失流量。實(shí)驗(yàn)中所采用的鉆井液配方為：碳酸鈉2.1 kg/m3，膨潤(rùn)土42.3 kg/m3，聚丙烯酰胺2.1 kg/m3，氯化鈉10.6 kg/m3。

3 砂巖地層模塊鉆井液侵入特征

3.1 電阻率變化規(guī)律

圖3是實(shí)驗(yàn)中8對(duì)電極所在位置的地層模塊電阻率-侵入時(shí)間關(guān)系圖，可以看出：鹽水鉆井液侵入過(guò)程中，砂巖模塊徑向電阻率向遠(yuǎn)離井筒方向依次開(kāi)始減小，符合鹽水鉆井液侵入電阻率低侵特征。

圖3 地層模塊電阻率-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖4 侵入深度-侵入時(shí)間、侵入深度變化率-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖4是由圖3確定的侵入深度-侵入時(shí)間、侵入深度變化率-侵入時(shí)間關(guān)系圖，可以看出：侵入初期，泥餅處在生長(zhǎng)期內(nèi)（侵入時(shí)間小于2 h），鉆井液濾液濾失速度較快，侵入深度的增大速度較快；隨著侵入的進(jìn)行，泥餅逐漸成形，在井壁形成封堵，導(dǎo)致鉆井液濾液濾失速度迅速減小，侵入深度的增大速度變慢；一段時(shí)間之后，鉆井液侵入達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，鉆井液濾液濾失速度趨于穩(wěn)定，侵入深度的增大速度越來(lái)越慢。

3.2 地層壓力變化規(guī)律

由圖5—圖7可知：①在鉆井液侵入初期，泥餅形成過(guò)程中泥餅上的壓差逐漸升高，導(dǎo)致砂巖模塊徑向壓力梯度迅速降低；侵入達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，泥餅上的壓差趨于穩(wěn)定，砂巖模塊徑向壓力梯度變化也很小。②砂巖模塊徑向壓力梯度快速下降區(qū)間（侵入時(shí)間小于2 h）對(duì)應(yīng)泥餅的生長(zhǎng)期，在此期間鉆井液濾液濾失流量迅速減小、累計(jì)濾失量的增幅迅速變??；鉆井液侵入達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，鉆井液濾液濾失流量趨于穩(wěn)定，累計(jì)濾失量隨侵入時(shí)間線(xiàn)性增加。

3.3 泥餅參數(shù)變化規(guī)律

由圖8—圖10可知：泥餅生長(zhǎng)期內(nèi)（侵入時(shí)間小于2 h），鉆井液濾液侵入快，泥餅表面固體顆粒的沉淀速率大于沖蝕速率，泥餅增厚、較疏松、滲透性好；隨著侵入的進(jìn)行，泥餅在鉆井液壓差作用下被逐漸壓實(shí)，泥餅厚度、孔隙度、滲透率降低，泥餅上的壓差也隨之升高，鉆井液濾液侵入速率降低，泥餅表面固體顆粒的沉淀速率逐漸減小，直至沉淀速率等于沖蝕速率，鉆井液侵入達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，泥餅厚度、孔隙度、滲透率也趨于穩(wěn)定。

圖5 地層模塊壓力-徑向深度關(guān)系圖

圖6 累計(jì)濾失量-侵入時(shí)間、濾失流量-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖7 壓力梯度-侵入時(shí)間、濾失流量-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖8 泥餅厚度-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖9 泥餅孔隙度-侵入時(shí)間關(guān)系圖

圖10 泥餅滲透率-侵入時(shí)間關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)，采用了砂巖地層模型，具有仿真度高、利用率高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的總體布局和地層模塊的尺寸保證了鉆井液濾液侵入的滲流形態(tài)與井下實(shí)際情況相同，侵入室可反復(fù)裝載地層模塊以開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)條件下的鉆井液侵入模擬對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使實(shí)驗(yàn)操作人員能夠直觀(guān)地了解裝置運(yùn)行狀態(tài)、掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。本文較好地克服了現(xiàn)有幾種物理模擬裝置的不足，突破了傳統(tǒng)的鉆井液侵入實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思路，明確了鉆井液侵入過(guò)程中砂巖地層模塊的電阻率、壓力和泥餅參數(shù)的變化規(guī)律。

動(dòng)態(tài)濾失過(guò)程中，在泥餅生長(zhǎng)期內(nèi)，泥餅厚度增加，而孔隙度、滲透性降低，砂巖模塊徑向壓力梯度快速下降，鉆井液濾液濾失流量迅速減小，濾液侵入深度較淺，累計(jì)濾失量增幅變緩；鉆井液侵入持續(xù)一段時(shí)間后，鉆井液侵入達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，泥餅性質(zhì)、砂巖模塊徑向壓力梯度、鉆井液濾液濾失流量趨于穩(wěn)定，累計(jì)濾失量隨侵入時(shí)間線(xiàn)性增加，鉆井液失水形成的低滲透泥餅在井壁形成封堵，有效延緩濾液的侵入。

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（編輯 胡葦瑋）

A new physical simulation system of drilling mud invasion in formation module

FAN Yiren1,2,WU Junchen1,2,WU Fei3,ZHOU Cancan4,LI Chaoliu4
(1.College of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.CNPC Key Well Logging Laboratory in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 3.Suzhou Niumag Analytical Instrument Corporation,Suzhou 215163,China; 4.Department of Well Logging and Remote Sensing Technology,PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China)

After several key technologies,including the saturation and pressurization of large sample,design of invasion room,sealing and pressure maintaining of the apparatus,and dynamic monitoring of the entire invasion process were solved,a multifunctional physical simulation system of drilling mud invasion in formation module has been designed and built.By using the system,the variation patterns of formation module resistivity,pressure and mud cake parameter during the invasion are summarized.The design idea,components,and functions of each component of the system are introduced in this paper; and a drilling mud invasion experiment in the sandstone formation module was done.The experiment results show that the radial resistivity of formation module decreases in turn during brine drilling mud invasion; at the beginning of invasion,the mud cake is gradually formed with the increase of its thickness and the decrease of its porosity and permeability,and the radial pressure gradient of formation module decreases rapidly; in the middle and late periods of invasion,the mud cake properties and the radial pressure gradient of formation module become stable.The designed system,with high simulation degree,high utilization ratio and good maneuverability,can be used to reveal the invasion mechanism of drilling mud in sandstone reservoirs,analyze invasion characteristics,and improve invasion correction method for logging response and other researches.

drilling mud invasion; physical simulation; formation module; mud cake parameters

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05020-008）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41174099）；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2011D-4101）

TE122

：A

1000-0747(2017)01-0125-05

10.11698/PED.2017.01.15

范宜仁（1962-），男，福建大田人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，主要從事巖石物理實(shí)驗(yàn)與測(cè)井方法等方面的教學(xué)與研究工作。地址：山東省青島市黃島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，郵政編碼：266580。E-mail：fanyiren@upc.edu.cn

2016-08-15

2016-11-23