CN114239365A - 一种天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，首先建立天然裂缝钻井液污染模型并划分网格，按照储层实际情况设置渗透率、孔隙度、储层压力参数；考虑钻井液固相粒径与岩石孔喉的相对尺寸，将固相污染划分为在壁面形成泥饼及侵入岩石内部堵塞孔喉发生污染两个过程，并分别根据不同的污染机理计算泥浆固相污染对对应位置渗透率的影响，结合泥饼渗透率及基质渗透率计算污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率，即天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率。本发明原理可靠，计算简便高效，有利于准确钻井液污染后壁面等效渗透率分布，对裂缝性碳酸盐岩储层酸化设计具有指导意义。

Description

一种天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法

技术领域

本发明涉及石油工程领域，尤其是一种数值计算中天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法。

背景技术

裂缝性碳酸盐岩气藏是国内当前和未来天然气开发的主阵地。该类储层在钻井过程中钻井液会通过天然裂缝大量漏失进入储层，堵塞井周油气流动通道。通过酸化技术解除钻井液漏失污染是该类储层改造最为有效的手段之一。

酸化是通过向地层注入酸液，溶蚀钻井液固相，旁通污染带，解除钻井液污染，恢复或提高储层的流动能力。但酸液要实现对钻井液固相或岩石骨架的溶蚀，需要经由天然裂缝壁面流入污染后的储层岩石，才能有效的解除储层内的钻井液漏失污染。而酸液能否流入储层岩石、能够溶蚀储层内部多远距离的钻井液固相，其主要的影响因之一即为污染后天然裂缝壁面等效渗透率。

目前国内外针对钻井泥浆污染的评价方法一般分为三类，分别为测井解释类、实验评价类与数值模拟类。基于测井资料可估算钻井液侵入深度，但无法建立天然裂缝参数与钻井液固相侵入特征的关系。实验可评价钻井液对岩心、裂缝的污染特征，但实验结果可表征的尺度较小，在现场设计中的应用受限。数值模拟是描述此类储层最为适用的方法，但现有的研究多针对钻井液侵入天然裂缝的深度开展研究，其中采用经验公式描述天然裂缝与岩石间的钻井液固相质量传递过程，钻井液对天然裂缝壁面网格渗透率影响的研究少有报道(李松等，基于钻井液漏失侵入深度预测的裂缝性碳酸盐岩储层改造优化.钻采工艺，2018,41(2)：42-45)，使得在后续的酸化设计过程中仅能基于泥浆在天然裂缝中的侵入深度开展设计，而无法有效的解除岩石内部的钻井液固相污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种数值计算中天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法。本发明考虑钻井液固相粒径与岩石孔喉的相对尺寸，将固相污染划分为在壁面形成泥饼及侵入岩石内部堵塞孔喉发生污染两个过程，并分别根据不同的污染机理计算泥浆固相污染对对应位置渗透率的影响，最终获取钻井液污染后壁面等效渗透率。

本发明提供的一种天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，具体方案如下：

S1、建立天然裂缝钻井液污染模型并划分网格，按照储层实际情况设置渗透率、孔隙度、储层压力参数。

S2、时间步开始，根据天然裂缝内流体压力及储层基质压力计算裂缝壁面第i个单元格内流体压力P_i'：

特殊的，当i＝1时：

特殊的，当i＝n时：

式中，P_i'为单元格内本时间步流体压力，Pa；P为单元格内上时间步流体压力，Pa；下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；k为单元格内上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于储层基质原始渗透率k_m；k_wr,c为天然裂缝壁面被污染网格上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于k_m；μ为流体粘度，Pa·s；Δx为x方向单元格长度，m；P_e为储层原始流体压力，Pa；P_nf为天然裂缝内流体压力，Pa；φ_i为单元格内上时间步平均孔隙度，无因次；c_l为流体压缩系数，Pa^-1；Δt为时间步长度，s。

S3、根据天然裂缝及壁面网格间压力之差计算由天然裂缝向壁面的滤失速度v_nf：

式中，v_nf为由天然裂缝向壁面的滤失速度，m/s，k_wr,c为天然裂缝壁面被污染网格上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于k_m；μ为流体粘度，Pa·s；P_nf为天然裂缝内流体压力，Pa；Δx为x方向单元格长度，m；P₁'是从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的第一网格内本时间步流体压力，Pa。

S4、根据天然裂缝向壁面的滤失速度及天然裂缝内钻井液固相浓度计算本时间步由天然裂缝内向壁面滤失的钻井液固相质量：

ΔM_GX＝C_nfv_nfΔyhΔt (5)

式中，ΔM_GX为时间步内由天然裂缝向壁面滤失的钻井液固相质量，kg；C_nf为天然裂缝内泥浆固相的质量浓度，kg/m³；Δy为y方向单元格长度，m；h为储层厚度，m；Δt为时间步长度，s。

S5、根据钻井液粒径图和储层孔喉直径分布图，计算能够进入储层钻井液固相比例f_GX：

式中，f_GX为能够进入储层钻井液固相比例；r_GX(D)为不同粒径钻井液固相占比；D_m为储层基质孔喉最大直径，m；D_GX为钻井液固相粒径，m。

S6、对于不能滤失进入储层孔喉的固相，附着于天然裂缝壁面形成泥饼，计算附着于天然裂缝壁面的泥饼厚度：

式中，h_GX为本时间步天然裂缝壁面泥饼厚度，m；V_GX为泥浆固相在天然裂缝内流体压力下压缩后的体积，m³。

其中，V_GX根据下式计算：

式中，P_re为参考压力，Pa；c_GX为钻井液固相压缩系数，kg/m³；ρ_GX为钻井液固相密度，kg/m³；φ_GX,re为参考压力下同等质量钻井液固相孔隙度，m³，由实验室测试获得。

其中，本时间步附着于天然裂缝壁面的泥浆固相累计质量M_GX'根据下式计算：

M_GX'＝M_GX+ΔM_GX (9)

式中，M_GX为上时间步附着于天然裂缝壁面的泥浆固相累计质量，kg；

S7、计算附着于天然裂缝壁面的泥饼压缩后的孔隙度φ_GX'与渗透率k_GX'：

式中，k_GX,re为参考压力下泥饼渗透率，m²，由实验室测试获得；β_SG泥饼孔隙结构参数，无量纲，由实验室测试获得。

S8、对于滤失进入储层孔喉的固相部分，计算不同网格内流体流动速度v_i：

特殊的，当i＝1：

v_i＝v_nf (13)

特殊的，当i＝n：

式中，下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；k为单元格内上时间步平均渗透率，m²；P'为单元格内本时间步流体压力，Pa；P_e为储层原始流体压力，Pa；μ为流体粘度，Pa·s；Δx为x方向单元格长度，m。

S9、计算本时间步网格内泥浆固相浓度C_i'：

C_i、C_i-1、C_i+1均是上时间步网格内泥浆固相浓度；下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；D_e为泥浆固相扩散系数，m²/s。

S10、计算本时间步污染后天然裂缝壁面网格基质孔隙度φ_i'及平均渗透率k_i'：

式中，k_i为上时间步污染后天然裂缝壁面网格基质渗透率，m²；φ_i为上时间步天然裂缝壁面单元格孔隙度，无因次；β为天然裂缝壁面网格基质孔隙结构参数，无量纲，由实验室测试获得。

S11、计算污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率k_wr,c'：

S12、重复步骤S2～S11，直至泥浆污染过程结束，即可获得污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率分布。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明重点考虑钻井液固相粒径与岩石孔喉的相对尺寸，将固相污染划分为在壁面形成泥饼及侵入岩石内部堵塞孔喉发生污染两个过程，并分别根据不同的污染机理计算泥浆固相污染对对应位置渗透率的影响，最终获取钻井液污染后壁面等效渗透率。

2、本发明原理可靠，操作简便，计算简便高效，有利于准确计算钻井液污染后壁面等效渗透率分布，对裂缝性碳酸盐岩储层酸化设计具有指导意义。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为天然裂缝钻井液污染模型示意图。

图2为天然裂缝壁面岩石内部流体压力分布。

图3为天然裂缝壁面岩石内部流动速度分布。

图4为天然裂缝壁面岩石内部泥浆固相浓度分布。

图5为天然裂缝壁面岩石内部污染后孔隙度分布。

图6为天然裂缝壁面岩石内部污染后渗透率分布。

图7为天然裂缝壁面网格平均渗透率随污染时间的变化。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种数值计算中天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，具体过程如下：

S1、建立如图1所示的天然裂缝钻井液污染模型并划分网格，按照储层实际情况设置渗透率、孔隙度、储层压力等参数。

S2、如图2所示，时间步开始，根据式(1)～式(3)计算得天然裂缝壁面单元格内流体压力。

S3、基于S2中计算所得的天然裂缝壁面第一个单元格内流体压力及天然裂缝内流体压力之差计算得由天然裂缝向壁面的滤失速度v_nf为1.322×10^-6m/s。

S4、根据天然裂缝向壁面的滤失速度及天然裂缝内钻井液固相浓度计算由天然裂缝内向壁面滤失的钻井液固相质量增量ΔM_GX＝0.128kg。

S5、根据钻井液粒径图和储层孔喉直径分布图，确定能够进入储层钻井液固相比例f_GX＝0.1。

S6、对于不能滤失进入储层孔喉的固相，附着于天然裂缝壁面形成泥饼，首先计算附着于天然裂缝壁面的泥饼厚度。根据室内实验结果，取参考压力1MPa，参考孔隙度0.05，压缩系数为1×10^-8MPa^-1，泥浆固相密度3000kg/m³，计算得本时间步附着于天然裂缝壁面的泥浆固相累计质量为0.565kg，天然裂缝内流体压力下压缩后的体积为1.93×10^-4m³，泥饼厚度为9.65×10^-6m。

S7、根据式(10)～式(11)计算附着于天然裂缝壁面的泥饼压缩后的孔隙度与渗透率，计算得孔隙度为0.023，渗透率为0.235×10^-15m²。

S8、对于滤失进入储层孔喉的固相部分，首先计算不同网格内流体流动速度，结果见图3。

S9、计算网格内泥浆固相浓度，结果如图4所示。

S10、计算污染后天然裂缝壁面网格基质孔隙度及渗透率，结果见图5和图6。

S11、结合泥饼渗透率及基质渗透率计算污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率为9.4151×10^-15m²；

S12、重复步骤S2～S11，直至泥浆污染过程结束，即可获得污染后天然裂缝壁面网格渗透率分布，如图7所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立天然裂缝钻井液污染模型并划分网格，按照储层实际情况设置渗透率、孔隙度、储层压力参数；

S2、时间步开始，根据天然裂缝内流体压力及储层基质压力计算裂缝壁面第i个单元格内流体压力P′_i：

式中，P′_i为单元格内本时间步流体压力，Pa；P为单元格内上时间步流体压力，Pa；下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；k为单元格内上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于储层基质原始渗透率k_m；μ为流体粘度，Pa·s；Δx为x方向单元格长度，m；φ_i为单元格内上时间步平均孔隙度，无因次；c_l为流体压缩系数，Pa^-1；Δt为时间步长度，s；

S3、计算由天然裂缝向壁面的滤失速度v_nf：

式中，v_nf为由天然裂缝向壁面的滤失速度，m/s，k_wr,c为天然裂缝壁面被污染网格上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于k_m；μ为流体粘度，Pa·s；P_nf为天然裂缝内流体压力，Pa；Δx为x方向单元格长度，m；P′₁是从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的第一个网格内本时间步流体压力，Pa；

S4、计算本时间步由天然裂缝内向壁面滤失的钻井液固相质量：

ΔM_GX＝C_nfv_nfΔyhΔt

式中，ΔM_GX为时间步内由天然裂缝向壁面滤失的钻井液固相质量，kg；C_nf为天然裂缝内泥浆固相的质量浓度，kg/m³；Δy为y方向单元格长度，m；h为储层厚度，m；Δt为时间步长度，s；

S5、计算能够进入储层钻井液固相比例f_GX；

S6、计算附着于天然裂缝壁面的泥饼厚度：

式中，h_GX为本时间步天然裂缝壁面泥饼厚度，m；V_GX为泥浆固相在天然裂缝内流体压力下压缩后的体积，m³；

其中，V_GX根据下式计算：

式中，P_re为参考压力，Pa；c_GX为钻井液固相压缩系数，kg/m³；ρ_GX为钻井液固相密度，kg/m³；φ_GX,re为参考压力下同等质量钻井液固相孔隙度，m³，由实验室测试获得；

其中，本时间步附着于天然裂缝壁面的泥浆固相累计质量M_GX'根据下式计算：

M_GX'＝M_GX+ΔM_GX

式中，M_GX为上时间步附着于天然裂缝壁面的泥浆固相累计质量，kg；

S7、计算附着于天然裂缝壁面的泥饼压缩后的孔隙度φ_GX'与渗透率k_GX'：

式中，k_GX,re为参考压力下泥饼渗透率，m²，由实验室测试获得；β_SG泥饼孔隙结构参数，无量纲，由实验室测试获得；

S8、对于滤失进入储层孔喉的固相部分，计算不同网格内流体流动速度v_i：

式中，下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；k为单元格内上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于储层基质原始渗透率k_m；P'为单元格内本时间步流体压力，Pa；μ为流体粘度，Pa·s；Δx为x方向单元格长度，m；

S9、计算本时间步网格内泥浆固相浓度C_i'：

C_i、C_i-1、C_i+1均是上时间步网格内泥浆固相浓度；下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；D_e为泥浆固相扩散系数，m²/s；

S10、计算本时间步污染后天然裂缝壁面网格基质孔隙度φ_i'及平均渗透率k_i'：

式中，k_i为上时间步污染后天然裂缝壁面网格基质渗透率，m²；φ_i为上时间步天然裂缝壁面单元格孔隙度，无因次；β为天然裂缝壁面网格基质孔隙结构参数，无量纲，由实验室测试获得。

S11、计算污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率k_wr,c'：

S12、重复步骤S2～S11，直至泥浆污染过程结束，即可获得污染后天然裂缝壁面网格平均渗透率分布。

2.如权利要求1所述的天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，其特征在于，步骤S2中，当i＝1时：

当i＝n时：

式中，k_wr,c为天然裂缝壁面被污染网格上时间步平均渗透率，m²，第一个时间步时，等于k_m；P_nf为天然裂缝内流体压力，Pa；P_e为储层原始流体压力，Pa。

3.如权利要求1所述的天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，其特征在于，步骤S5中，计算能够进入储层钻井液固相比例f_GX的公式如下：

式中f_GX为能够进入储层钻井液固相比例；r_GX(D)为不同粒径钻井液固相占比；D_m为储层基质孔喉最大直径，m；D_GX为钻井液固相粒径，m。

4.如权利要求1所述的天然裂缝钻井液污染后壁面等效渗透率的计算方法，其特征在于，步骤S8中，

当i＝1时，v_i＝v_nf

当i＝n时，

式中，P_i'为单元格内本时间步流体压力，Pa；μ为流体粘度，Pa·s；Δx为x方向单元格长度，m；P_e为储层原始流体压力，Pa；k_i为单元格内上时间步平均渗透率，m²，下标i为从天然裂缝壁面开始向裂缝壁面内部方向的网格位置；v_nf为由天然裂缝向壁面的滤失速度，m/s。

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