沿水平井钻井液渗滤研究.pdf

第 4 4 卷 第 7期 2 0 1 5 年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N O ． 7 J u l y，2 0 1 5 沿水平井钻井液渗滤研究 王昕弱 ，张 强 。 ，崔志松 ，兰 雪 ，李翠花 ，朱 琳 ，王胡振 1 ．东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ； 2 ．中国石油集团公司油气藏改造重点实验室 ，黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 3 ．中国石油新疆油田公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 ；4 ． 吉林油田勘探开发研究院 吉林 松原 1 3 8 0 0 0 ； 5 ．新疆油田公司百 口泉采油厂 ，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 ； 6 ．大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江 大庆 1 6 3 5 1 1 摘 要在钻井过程中，如果地层孔隙中流体的压力小于钻井液液柱压力，会发生地层被钻井液侵入，引 起地层污染的后果。这会大大影响油气井的产能，我们只有理解和掌握钻井液渗滤的污染机理，才能有效的进 行防治。在油气井投产之前 ，一般会采用酸化 、压裂的方法解堵 ，为了确保解堵措施安全高效 ，需要精准地确 定钻井液的伤害程度和侵入深度。数值模拟在研究钻井液渗滤问题上应用非常广泛。基于有限元的数值模拟的 方法研究地层渗透率，泥饼渗透率和钻井时间对钻井液渗滤的影响。通过对相关算例进行分析，系统的概括出 钻井液渗滤的影响因素。结果表明地层渗透率越低，钻井液沿水平井筒渗滤越困难；泥饼渗透率越低，钻井 液的侵入深度越小 ，钻井时间越长钻井液沿水平井简渗滤越多，侵入的深度越大。 关键词 钻井液侵入；水平井；地层污染 中图分类 号 T E 3 5 7 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 7 1 5 1 5 0 4 S t ud y O n Dr i l l i nFl ui d Pe r c o l a t i o n Al On 2 Ho r i z o nt a l W e I I W A NGXi n - y u e l j ，Z H A NG Q i a n g ，CU I Z h i ． s o n g ， NXu e 4 ，L 1 C u i h u a ，Z HUL i n 。 ，W A NG Hu - z h e n ‘ 1 ． No r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y , H e i l o n g i i a n g Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ； 2 ． C h i n a P e t r o l e u m G r o u p C o mp a n y R e s e r v o i r R e c o n s t r u c t i o n Ke y L a b o r a t o r y , H e i l o n g j i a n g Da q i n g l 6 3 3 l 8 ，C h i n a 3 ． P e t r o C h i n a Xi n i i a n g C o mp a n y E x p l o r a t i o n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Xi n j i a n g Ke l a ma y i 8 3 4 0 0 0 ，C h i n a 4 ． J i l i n Oi l f i e l d Co mp a n y E x p l o r a t i o n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ． J i l i n S o n g y u a n 1 3 8 0 0 0， Ch i n a 5 ． X i n i i a n g O i l fi e l d C o mp a n y B a i k o u q u a n O i l P r o d u c t i o n F a c t o ry, X i n i i a n g K e l a ma y i 8 3 4 0 0 0 ，C h i n a 6 ． D a q i n g O i l 丘 e l d C o mp a n y t h e F o u r t h Oi l P r o d u c t i o n F a c t o ry, He i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 5 1 l ，C h i n a Abs t r a c t I n t h e p r o c e s s o f d r i l l i n g ．i f t h e f o r m a t i o n p o r e fl u i d p r e s s u r e i s l e s s t h a n d r i l l i n g fl u i d c o l u mn p r e s s u r e ． f o r ma t i o n p o l l u t i o n c a u s e d b y dri l l i n g fl u i d i n v a s i o n wi l l h a p p e n ． Th i s wi l l g r e a t l y a f f e c t t h e c a p a c i t y o f o i l a n d g a s we l l s ．t h e p o l l u t i o n me c h a n i s m o f d r i l l i n g flu i d p e r c o l a t i o n mu s t b e u n d e r s t o o d a n d ma s t e r e d i n o r d e r t o c a r r y o u t e ffe c t i v e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o 1 ． Be f o r e t h e o i l a n d g a s we l l p r o d u c t i o n ． b l o c k a g e r e mo v a l me t h o d s o f a c i d i ti c a t i o n a n d fr a c t u r i n g a r e u s u a l l y a d o p t e d ． I n o r d e r t o e n s u r e b l o c k a g e r e mo v a l me a s u r e s t o b e s a f e a n d e f f e c t i v e ． t h e d a ma g e d e g r e e a n d t h e i n v a s i o n d e p t h o f d r i l l i n g fl u i d n e e d b e a c c u r a t e l y d e t e r mi n e d ． Th e n u me r i c a l s i mu l a t i o n h a s b e e n wi d e l y u s e d i n r e s e a r c h o n d r i l l i n g f 1 u i d p e r c o l a t i o n ． I n t h i s P a D e r , b a s e d o n t h e fi n i t e e l e me n t me t h o d o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n ， e ffe c t o f f o rm a t i o n p e rm e a b i l i t y , mu d c a k e p e rm e a b i l i t y a n d d r i l l i n g t i me o n d r i l l i n g flu i d pe r c o l a t i o n wa s s tud i e d ． Th r o u g h a n a l y s i s o f r e l e v a n t e x a mp l e s ， t h e i n fl u e n c e f a c t o r s o f d r i l l i n g fl u i d p e r c o l a t i o n we r e s u mme d u p ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e l o we r t h e f o rm a t i o n p e r me a b i l i t y ．t h e mo r e d i 街 c u l t t h e d r i l l i n g fl u i d p e r c o l a t i o n a l o n g t h e h o r i z o n t a l we l l b o r e ； Th e l o we r t h e mu d c a k e p e r me a b i l i t v _ t h e s ma l l e r t h e i n v a s i o n d e p t h o f d r i l l i n g fl u i d ； t h e l o n g e r t h e dri l l i n g t i me ， t h e mo r e t h e d r i l l i n g fl u i d p e r c o l a t i o n a l o n g t h e h o r i z o n t a l we l l b o r e ， t h e g r e a t e r t h e d e p t h o f i n v a s i o n ． K e v wo r ds Dr i l l i n g fl u i d i n v a s i o n； Ho r i z o n t a 1 we l l ； F o rm a t i o n p o l l u t i o n 过去的 l 0年里水平井得到了飞速的发展 ， 因为 它可以使泄油面积大大的增加 ，从而使采油速度更 快更有效。但是，随着水平井段的增加排水区域和 井筒都将增加 ，这将延长钻井液 的暴露时间和增加 钻井液与地层的接触面积。因此 ，由钻井液的侵入 而带来的一些污染会在很大程度上减少水平井 的产 量 。为 了尽可能减少或避免钻井液对油气层 的造 成伤害 ，一般会在油气井投产之前采用酸化压裂等 解堵措施，用来恢复并提高油气井产能。为了确保 解堵措施安全高效 ，需要精准地确定钻井液的伤害 程度和侵入深度。 在在钻井过程中，如果地层孔隙中流体的压力 小于钻井液液柱压力 ， 会发生地层被钻井液侵入， 在井眼附近形成一个渗透率下降的伤害区，进而污 染地层的后果。因此，我们需要更好的理解和掌握 污染机理 ，定量评价流体侵入和井筒周 围地层的污 染，从而达到减小钻水平井的风险 。水平井的流 体渗流侵入和污染是很困难和复杂的，因为总是有 基金项 目黑龙江省 自然基金项 目，项 目号A 2 0 1 2 0 1 收稿 日期2 0 1 5 - 0 6 0 7 作者简介王 昕碉 1 9 9 2 一 ，女，黑龙江牡丹江人 ， 东北石油大学硕士研究生在读，研究方向油气渗流理论 与应用。E - m a i l 9 9 6 0 2 9 7 7 2 q q ． c o m 。 化 工 _ _ _ - 二 二 二 丽 多个相互作 用的参数 同时存在于水平井钻进过程 中。这些变化导致在水平井中流体渗流的非均质性 分布和地层污染 。因此 ，对钻井液渗滤规律 的研究 产生重要指导意义嘲 。 1 钻井液滤液侵入机理 在钻井过程中，当地层流体压力小于钻井液的 压力时，会导致渗透压差 的出现 ，使得钻井液在井 壁周围地层孔隙中发生对原生流体的驱替现象，钻 井液中的原生固体颗粒会在井壁周围沉淀最终形成 泥饼 。由于钻井液的侵入现象会改变井筒附近岩石 的电性和流体性质， 将进一步导致储层的测井响应 更加复杂。根据最新的试验研究结果 ，钻井液 的侵 人主要以驱替、混合与扩散三种动态过程进行 。 2 钻井完井液滤液侵入模型 2 ． 1 单 向渗流模型 单 向渗流模 型多是基 于直井相关理论 进行推 导的，忽略了钻井完井液 中固相颗粒的侵入和储层 渗透率各向异性对损害动态分布的影响。线性滤失 量与时间的关系 卫 f 1 ． l卫 1 l p 2 A K fc c ／1 9 l △ P 径向流条件下，侵入半径与时间关系的方程 』 A P K pm f -nv n 惫 n Ri n v dRi n v 如 v I n R e t R i ‘ 2 式中 ⋯ h 多孔介质的面积 ，厚度。 2 ． 2两相渗流模型 一 般认为水基钻井完井液滤液侵入储层是典型 的水驱油过程 ，以油水两相渗流理论和离子扩散方 程为基础，假设储层中岩石和流体均可压缩，流体 渗流遵循 D a r c y定律，考虑毛细管压力并忽略重力 的影响 ，则在径向驱替过程 中油水非混相驱流动方 程及滤液扩散方程如下 O r警 盟 O r 卜 O t 3 j l ⋯ O r 堡 O r I go Ot 。4 L z。 j 。 、 。 。 S 1 5 3 油水两相渗流有限元方程推导 3 ． 1 油水两相渗流方程 油相压力方程为 vI f 1V p 。 一 l 0 P f 。 ／ a 『 p p 。 水相饱和度方程为 f V K K V p 。 一 ．K K V p o ． lS w 1 7 ／a w k t w ／ w 油相压力有限元单元平衡方程 K cp P 等 8 水相饱和度的有限元单元平衡方程 。 。 9 3 ． 2 裂缝的处理 传统 的将 裂缝看成一个 高渗透条带的处理方 法在模拟复杂裂缝时具有一定 的局限性 ，本文利用 线单元来模拟裂缝。裂缝与基质相 比具有高的渗透 能力 ，可 以将裂缝叠加到基质的渗流有限元方程中 去，而这一叠加只增加了有限元方程的刚度项。 3 ． 3 井底流量的计算 在模拟计算过程中人们往往比较关心井底的 流量，这就需要在模拟计算后输出井底的流量。本 文利用反力算法求流量。 1 椭 圆型渗流方程的流量算法 f d F f d l- “ V u ， V 一 厂 ， 6 u G n 2抛物线型渗流方程的流量算法 』 跏r _ V u , V S u fl -- f ,6 u 4 算例分析 4 ． 1 模型介绍 本文主要研究泥饼渗透率、地层渗透率和钻井 时间对钻井液沿水平井筒渗流的影响。 具体模型示意图如图 1 所示。地层下水平井的 长度 L 2 O O m，研究 的模型宽度 1 0 0 m。随着钻井液 的侵入 ，井筒周围会 出现渗透率很低的泥饼 ，假设 泥饼厚度 d 2 mm， 通过这个模型对钻井液沿水平井 渗滤规律进行研究 。