地层模块尺度下的新型钻井液侵入物理模拟系统

范宜仁，吴俊晨，吴飞，周灿灿，李潮流

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,山东青岛 266580；2.中国石油大学CNPC测井重点实验室,山东青岛 266580；3.苏州纽迈分析仪器股份有限公司，江苏苏州 215163；4.中国石油勘探开发研究院测井与遥感技术研究所，北京 100083）

地层模块尺度下的新型钻井液侵入物理模拟系统

范宜仁1,2，吴俊晨1,2，吴飞3，周灿灿4，李潮流4

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,山东青岛 266580；2.中国石油大学CNPC测井重点实验室,山东青岛 266580；3.苏州纽迈分析仪器股份有限公司，江苏苏州 215163；4.中国石油勘探开发研究院测井与遥感技术研究所，北京 100083）

在攻克大尺寸样品模块饱和加压、侵入室设计、钻井液侵入装置密封保压和钻井液侵入全过程动态监测等关键技术难题的基础上，设计并制造了地层模块尺度下的钻井液侵入多功能物理模拟系统，总结了钻井液侵入过程中砂岩地层模块的电阻率、压力和泥饼参数的变化规律。介绍了该系统的设计思路、组成和各部分的功能，实施了砂岩地层模块钻井液侵入实验，结果表明：盐水钻井液侵入过程中，地层模块径向电阻率向远离井筒方向依次开始减小；侵入初期泥饼逐渐形成，其厚度增加而孔隙度、渗透性降低，地层模块径向压力梯度迅速降低，侵入中后期泥饼性质、砂岩模块径向压力梯度趋于稳定。设计的系统仿真度高、利用率高、可操作性强，可用于揭示砂岩储集层钻井液侵入机理、分析钻井液侵入特征、完善测井响应钻井液侵入校正方法等。图10参16

钻井液侵入；物理模拟；地层模块；泥饼参数

引用：范宜仁,吴俊晨,吴飞,等.地层模块尺度下的新型钻井液侵入物理模拟系统[J].石油勘探与开发,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

国内外学者已在储集层钻井液侵入机理、钻井液侵入数值模拟、复杂储集层多相渗流机理、储集层测井响应钻井液侵入校正等方面积累了丰富的研究成果[1-7]。按照储集层模型尺度，可将目前典型的钻井液侵入物理模拟装置分为3类：①柱塞岩心尺度下的模拟装置，Jiao等[8-11]设计出柱塞岩心的钻井液动、静滤失实验仪，用于研究钻井液滤失规律；②填砂模型尺度下的模拟装置，陈福煊等[12]进行了油层、气层、水层的模拟实验，得到了侵入地层高侵、低侵、低阻环带和非台阶型4种典型的径向电阻率剖面，为改进钻井液侵入剖面的测井解释模型提供了实验依据；③模拟井尺度下的模拟装置，Ferguson等[13-16]采用全井眼尺寸的实验装置研究了钻井过程中的钻井液侵入现象，有的甚至配备了钻头模拟钻井过程。对于柱塞岩心或填砂模型尺度下的钻井液侵入物理模拟装置，实验中钻井液滤液渗流形态是水平线性流，而井下实际情况是平面径向流，模拟条件与实际地层条件差别较大，实验结果往往不能直接用于解释井下储集层钻井液侵入现象。对于模拟井尺度下的钻井液侵入物理模拟装置，虽然实验中井眼水动力环境、泥饼形成条件与实际钻井过程较接近，但实验系统复杂、造价高、难以推广。因此，笔者依据砂岩储集层物性特征及钻井环境，自主设计并制造出地层模块尺度下的钻井液侵入多功能物理模拟系统，模拟砂岩地层模块的钻井液侵入过程，分析砂岩地层模块的电阻率、压力和泥饼参数变化规律。

1 钻井液侵入多功能物理模拟系统

1.1 设计思路

钻井液侵入物理模拟的基本原理是：在实验室条件下选择与地下储集层性质相近的渗透介质作为实验对象，通过实验仪器模拟钻井液对渗透介质的侵入，并在实验过程中采集相应的数据，通过对动态侵入数据的分析，达到研究钻井液侵入规律的目的。

钻井液侵入多功能物理模拟系统的总体设计思路为：首先，在不影响物理模拟效果并保证模型具有足够侵入空间的原则下，利用钻井液侵入数值模拟优选地层模型的厚度和径向长度；其次，为逼真模拟复杂钻井条件下的钻井液侵入现象，满足钻井液侵入机理研究的需求，对整套系统进行模块化设计，使系统的不同部分具备特定功能。系统各部分的功能如下。

①钻井液侵入物理模拟主体装置。由侵入室与模拟井筒连接（见图1），形成密封保压空间，保证钻井液滤液以平面径向流的形式侵入地层模块，实现多种实验条件下的钻井液侵入模拟对比，实时采集钻井液侵入过程中地层模块的电阻、压力，记录滤失流量数据，获取不同侵入阶段的泥饼实物。

图1 钻井液侵入物理模拟主体装置结构示意图

②地层模块饱和装置。用模拟地层水饱和烘干后的地层模块。

③钻井液配制装置。配制实验所需的钻井液。

④侵入动态数据采集装置。通过钻井液侵入数据采集软件实现钻井液侵入动态数据、井眼温压环境在计算机上的实时监控。

⑤泥饼参数检测装置。检测泥饼实物的厚度、孔隙度、渗透率。

⑥恒温室。为实验装置提供外部恒温环境。

1.2 主体装置

图2 钻井液侵入物理模拟主体装置实物图

钻井液侵入物理模拟主体装置实物如图2所示。为了使钻井液滤液在实验介质中的渗流状态接近实际钻井环境，选用地表露头砂岩制作地层模块。地层模块采用扇形块状结构，其形状尺寸为：厚度100.0 mm，径向长度570.0 mm，顶面宽51.7 mm，底面宽278.5 mm，扇形角度22.5°。

1.3 电阻测量侵入室

为了获取钻井液侵入过程中地层模块的动态电阻剖面，设计了带电阻测量功能的侵入室。侵入室由不锈钢封板、侵入室腔体、电极、电极引线、航空插头等组成。另外，设计了与地层模块尺寸相匹配的绝缘胶皮套使地层模块与侵入室侧面、上下底面绝缘并密封。采用内密外疏的结构布置8对电极（分别用A0B0、A1B1、A2B2、A3B3、A4B4、A5B5、A6B6和A7B7表示），侵入室腔体顶面和底面的电极位置对称，同侧8个电极之间的间距分别为32，40，48，56，60，80和100 mm。

1.4 压力测量侵入室

为了获取钻井液侵入过程中地层模块的动态压力剖面，设计了带压力测量功能的侵入室。侵入室由不锈钢封板、侵入室腔体、螺纹孔、封板、压力传感器、胶皮套压力测量孔等组成。为了保证压力数据与电阻数据的一致性，8个压力传感器的位置与电极位置相同。

1.5 泥饼参数检测装置

钻井液侵入实验结束后，可在地层模块与模拟井筒连接的端面上获取泥饼实物。泥饼参数（厚度、孔隙度、渗透率）是研究泥饼形成规律和钻井液滤失特性的主要指标，也是钻井液侵入数值模拟中数学建模的重要参数。设计的泥饼参数检测装置由深度千分尺、托板、基座、环状泥饼取样器、电子天平、烤箱和泥饼渗透率测量仪等组成。泥饼厚度由深度千分尺测量，泥饼孔隙度采用称重法测量，泥饼渗透率采用稳态法测量。

2 砂岩地层模块钻井液侵入实验

实验主要考察砂岩地层模块盐水钻井液侵入特征，分析钻井液侵入动态过程中地层模块电阻率、压力的变化规律，并利用不同侵入阶段泥饼样品的测试结果研究泥饼形成过程中相关参数的变化规律。

实验流程为：①地层模块选材与精加工；②地层模块烘干、高压饱和；③钻井液配制；④地层模块吊装、密封进侵入室；⑤模拟井筒灌注钻井液并加压、搅拌，侵入过程启动；⑥侵入动态数据实时采集，滤失流量记录；⑦根据侵入的不同阶段，逐个隔绝各个侵入室与模拟井筒中钻井液的接触，实验终止后进行泥饼的获取；⑧泥饼参数检测。

实验选择了某种细砂岩制作地层模块，其孔隙度为14.21%，渗透率为10.07×10-3μm2。设计的钻井液侵入实验条件为：钻井液类型为盐水钻井液，模块数量为8块，地层水矿化度为1 g/L，钻井液压差1 MPa，滤失类型为动滤失，分别在0.82，1.67，2.63，4.68，7.75，12.78和44.00 h时获取泥饼，实验温度为25 ℃。检测数据包括电阻、压力和滤失流量。实验中所采用的钻井液配方为：碳酸钠2.1 kg/m3，膨润土42.3 kg/m3，聚丙烯酰胺2.1 kg/m3，氯化钠10.6 kg/m3。

3 砂岩地层模块钻井液侵入特征

3.1 电阻率变化规律

图3是实验中8对电极所在位置的地层模块电阻率-侵入时间关系图，可以看出：盐水钻井液侵入过程中，砂岩模块径向电阻率向远离井筒方向依次开始减小，符合盐水钻井液侵入电阻率低侵特征。

图3 地层模块电阻率-侵入时间关系图

图4 侵入深度-侵入时间、侵入深度变化率-侵入时间关系图

图4是由图3确定的侵入深度-侵入时间、侵入深度变化率-侵入时间关系图，可以看出：侵入初期，泥饼处在生长期内（侵入时间小于2 h），钻井液滤液滤失速度较快，侵入深度的增大速度较快；随着侵入的进行，泥饼逐渐成形，在井壁形成封堵，导致钻井液滤液滤失速度迅速减小，侵入深度的增大速度变慢；一段时间之后，钻井液侵入达到动态平衡，钻井液滤液滤失速度趋于稳定，侵入深度的增大速度越来越慢。

3.2 地层压力变化规律

由图5—图7可知：①在钻井液侵入初期，泥饼形成过程中泥饼上的压差逐渐升高，导致砂岩模块径向压力梯度迅速降低；侵入达到动态平衡后，泥饼上的压差趋于稳定，砂岩模块径向压力梯度变化也很小。②砂岩模块径向压力梯度快速下降区间（侵入时间小于2 h）对应泥饼的生长期，在此期间钻井液滤液滤失流量迅速减小、累计滤失量的增幅迅速变小；钻井液侵入达到动态平衡后，钻井液滤液滤失流量趋于稳定，累计滤失量随侵入时间线性增加。

3.3 泥饼参数变化规律

由图8—图10可知：泥饼生长期内（侵入时间小于2 h），钻井液滤液侵入快，泥饼表面固体颗粒的沉淀速率大于冲蚀速率，泥饼增厚、较疏松、渗透性好；随着侵入的进行，泥饼在钻井液压差作用下被逐渐压实，泥饼厚度、孔隙度、渗透率降低，泥饼上的压差也随之升高，钻井液滤液侵入速率降低，泥饼表面固体颗粒的沉淀速率逐渐减小，直至沉淀速率等于冲蚀速率，钻井液侵入达到动态平衡，泥饼厚度、孔隙度、渗透率也趋于稳定。

图5 地层模块压力-径向深度关系图

图6 累计滤失量-侵入时间、滤失流量-侵入时间关系图

图7 压力梯度-侵入时间、滤失流量-侵入时间关系图

图8 泥饼厚度-侵入时间关系图

图9 泥饼孔隙度-侵入时间关系图

图10 泥饼渗透率-侵入时间关系图

4 结论

本文设计的钻井液侵入多功能物理模拟系统，采用了砂岩地层模型，具有仿真度高、利用率高、可操作性强等优点。系统的总体布局和地层模块的尺寸保证了钻井液滤液侵入的渗流形态与井下实际情况相同，侵入室可反复装载地层模块以开展多种实验条件下的钻井液侵入模拟对比，实验数据的实时监测使实验操作人员能够直观地了解装置运行状态、掌握实验进程。本文较好地克服了现有几种物理模拟装置的不足，突破了传统的钻井液侵入实验仪器设计思路，明确了钻井液侵入过程中砂岩地层模块的电阻率、压力和泥饼参数的变化规律。

动态滤失过程中，在泥饼生长期内，泥饼厚度增加，而孔隙度、渗透性降低，砂岩模块径向压力梯度快速下降，钻井液滤液滤失流量迅速减小，滤液侵入深度较浅，累计滤失量增幅变缓；钻井液侵入持续一段时间后，钻井液侵入达到动态平衡，泥饼性质、砂岩模块径向压力梯度、钻井液滤液滤失流量趋于稳定，累计滤失量随侵入时间线性增加，钻井液失水形成的低渗透泥饼在井壁形成封堵，有效延缓滤液的侵入。

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（编辑 胡苇玮）

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

国家科技重大专项（2011ZX05020-008）；国家自然科学基金（41174099）；中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目（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，中国石油大学（华东）地球科学与技术学院教授，主要从事岩石物理实验与测井方法等方面的教学与研究工作。地址：山东省青岛市黄岛经济技术开发区长江西路66号，中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，邮政编码：266580。E-mail：fanyiren@upc.edu.cn

2016-08-15

2016-11-23