裂缝性致密砂岩储层钻井液侵入深度的定量计算方法_技术研究

摘要

在裂缝性致密砂岩储层中，钻井液侵入裂缝是导致储层损害的主要因素之一。然而，目前国内外对该类储层钻井液侵入深度的分析还缺乏深入探讨。

摘要 在裂缝性致密砂岩储层中，钻井液侵入裂缝是导致储层损害的主要因素之一。然而，目前国内外对该类储层钻井液侵入深度的分析还缺乏深入探讨。为此，在分析致密砂岩裂缝发育特征及钻井液侵入对其电性特征影响的基础上，给出了钻井液侵入深度的定性分析表；进而采用体积模型法和数理统计法，建立起了不同裂缝系统的钻井液侵入深度定量计算模型。最后，精细计算了塔里木盆地中部某区9口井l7个层位的裂缝性致密砂岩储层的钻井液侵入深度。结果表明，所建立的模型因很好地结合了地质、钻井、测井等客观实际(综合考虑了地层裂缝特性、岩性、电性、物性、含流体性质)，计算精度较高，有效地解决了裂缝性致密砂岩储层钻井液侵入深度的定量计算问题。该成果对类似储层的污染评价、射孔设计以及开发过程中增产措施的决策都具有指导和借鉴作用。

关键词 致密砂岩裂缝(地质) 钻井液侵入深度定性分析定量计算实例

在砂泥岩剖面中，大多数裂缝分布在致密岩层，裂缝的存在会增加地层的非均质性，破坏隔层的封隔性，导致地层更容易污染或损害。目前，用测井方法对钻井液污染裂缝性砂岩储层的解释评价，在国内外还仍然是一个难题。近年来，我国一些低渗油田在进行钻完井、射孔等作业时，越来越注意到裂缝对钻井液侵入的影响。如新疆火烧山油田、塔里木的塔中油田等，由于裂缝的影响导致钻井液对储层的污染变得复杂化。《天然气工业》在2004—2006年间先后刊出3篇与钻井液侵入、污染地层有关的文章^[1-3]，涉及钻井液液相、固相侵入深度的定量计算以及钻井液污染储层程度的评价方法研究，但均没有探究到裂缝性砂岩储层钻井液侵入深度的定量分析，国内外其他刊物也没有谈及类似话题。随着勘探难度的不断增加，人们越来越重视对低孔低渗致密裂缝性砂岩储层的勘探开发，准确计算出钻井液对这类储层的侵入深度对评价钻井液对储层的污染，以及对射孔设计和后期开发过程中增产措施的决定有着极其重要的作用。

1 致密砂岩储层裂缝发育基本特征

裂缝性致密砂岩储层的基本地质特征是裂缝形态多样、但裂缝规模大小不一、裂缝与岩石基块的物性差别小^[4-6]。由于这类储层往往属于低孔低渗型，岩石致密且较脆，因此裂缝较发育。如对塔中地区大多数井具有裂缝的岩心进行岩心扫描分析发现，裂缝形态差异较大，有开启裂缝和所谓的潜裂缝，有的裂缝表面有擦痕，有的裂缝内有充填物(多为钙质)，有的为钻井液浸染。裂缝规模、强度较碳酸盐岩中的裂缝要小得多，一般裂缝延伸只有几十厘米，在钻井、压裂、注水等外力诱导下很容易破裂成张开缝^[5-8]。据塔中地区近20口井统计发现，有裂缝描述岩块的平均孔隙度和密度分别为12.3％和2.32 g／cm³，无裂缝描述的岩块的平均孔隙度、密度分别为ll.4％和2.37 g／cm³，孔隙度间相差0.9％，密度间相差0.05 g／cm³。裂缝段与非裂缝段的差异是很小的，对其他地区、其他井岩心分析数据的统计也说明了这一点。与此同时，致密的低孔渗砂岩储层往往又具有强烈的应力敏感特征，容易产生较发育的高角度裂缝和层间裂缝，并形成裂缝群。裂缝群中的各条裂缝一般都终止于较均质的砂岩内或者与页岩分界处，裂缝群累计高度为0.5～5，裂缝宽度为0.5～1。同时，通过试井资料表明，裂缝有助于提高储层渗透率3～10个数量级，随着渗透率的提高，钻井液对地层的污染往往也就越严重。

2裂缝性致密砂岩储层钻井液侵入对电性特征的影响

裂缝使地层导电性变好而明显地影响侧向电阻率曲线。在水平裂缝发育段，侧向电阻率降低且深侧向电阻率(LLD)、浅侧向电阻率(LLS)很接近。在高角度裂缝发育段：对于裂缝性油气层，由于钻井液滤液的侵入，深浅双侧向曲线之间的正差异以及深侧向曲线与微球形聚焦曲线之间的正差异增大。深浅双侧向对识别泥岩裂缝效果较好。但当钻井液滤液电阻率(R_mf)特别大，或地层水电阻率(R_w)特别小时，上述现象不明显^[9]。对于裂缝性水层，当R_mf > R_w时，深浅双侧向电阻率之间的负差异以及深电阻率和冲洗带电阻率之间的负差异增大。由于微球形聚焦测井等为贴井壁式测井，因此只有当贴井壁的一侧恰好为裂缝段时，在测井曲线上才有裂缝特征的反应。裂缝产状、裂缝张开度、基岩电阻率、地层流体电阻率、钻井液滤液电阻率构成了对钻井液侵入裂缝性致密砂岩储层电性特征影响的组合因素。随着钻井液侵入深度的增加，不同类型的裂缝的侧向电阻率相应特征有所不同，低角度缝侵入深度对双侧向幅度的影响是当侵入半径大于2.54 m时为低阻负差异，当侵入半径小于2.54 m时，则为高阻正差异；高角度缝侵入深度对双侧向幅度的影响随着侵入半径的增大，电阻率值的正差异也增大，但是当侵入半径大于2.54 m后差异便比较稳定。

3 裂缝性致密砂岩储层钻井液侵入深度分析方法

3．1定性分析

这里采用双侧向曲线特征对裂缝性致密砂岩储层钻井液侵入深度做出定性地估算。根据深浅双侧向探测特征，它们自身的径向探测深度通常认为深侧向的径向探测深度可达到3 m，而浅侧向的径向探测深度为0.5 m左右。若近似地用裂缝的径向延伸长度来估计钻井液侵入深度，不妨将部分裂缝较发育井的电测资料(包括双侧向和FMI资料)和岩心裂缝分析资料进行归纳，表1是塔中地区的裂缝径向延伸度(L_f)与电阻率值的关系。

3．2定量计算

3．2．1基于体积模型法计算钻井液滤液侵入深度

3．2．1．1 单一裂缝系统钻井液侵入深度的计算

钻井液滤液对地层的侵入特征受着岩石孔隙结构、井筒与地层之间压力差、地层浸泡时间等3个因素的控制。其中后两个因素主要控制侵入的深度，即钻井液柱压力越大，浸泡时间越长，则侵入深度越大；但第一个因素不仅影响侵入深度，而且控制着钻井液滤液在井壁附近的分布特征。同时，对于裂缝性砂岩地层的钻井液侵入校正，不能像孔隙性砂岩地层那样简单地进行，而需要考虑储层类型和钻井液侵入深度的影响。根据钻井液侵入裂缝性地层的体积模型推出钻井液侵入深度与钻井液滤液注入量之间的关系。

1) 钻井液滤液侵入水层。假设钻井液滤液均匀侵入水层，而它与地层水之间没有传质现象。其侵入深度可用下式表示：

式中I_d为钻井液侵入深度，m；r_d为井眼半径，m；h为渗透层厚度，m；φ _m为钻井液侵入孔隙度平均值，小数；S_wirr为地层束缚水饱和度；为目的层段漏失的钻井液量或射孔井段所排出的钻井液体积数，m³。在微裂缝致密性砂岩储层，钻井液侵入的初期，S_wirr可以取0.25。如当钻井液滤液侵入l00 m³，h为40 m、φ_m、r_d为0.1 m时，容易算出I_d等于1.87 m。

2) 钻井液滤液侵入油气层。假设两相(油和水)都不可压缩，且忽略重力与毛细管力作用。当钻井液滤液侵入含油气层时，可以用贝克莱-列维尔特驱油理论来描述侵入带内油气饱和度的分布规律：

式中f_w为地层产水率；S_s为含水饱和度；µ_w、µ_o分别为水与油的黏度，mPa·s；K_o、K_w分别为油与水的相对渗透率，mD；a、b均为常数。

从式(2)可以看出，钻井液滤液侵入含油气层后某一含水饱和度面的深度与钻井液滤液注入量、呈正比，与地层厚度、孔隙度呈反比。其中是油水相对渗透率与黏度的函数。不妨举例说明：当钻井液滤液注入油层l0 m³，油层厚度为40m，孔隙度为30％，含水饱和度为0.25时，有为0.2、r_d为0.1 m，容易按公式(2)计算出钻井液侵入半径为0.207 m。

3．2．1．2 网状裂缝系统钻井液侵入深度的计算

当其他条件不变时，钻井液滤液侵入地层的深度主要受泥饼渗透率和地层的孔渗特性两方面因素的控制，这点与非裂缝性砂泥岩地层比较类似^[2]，泥饼的渗透性能成了最终钻井液滤液侵入深度的主要因素之一，从泥饼渗透过来的滤液会无阻挡地进入地层，但在一定时间内通过泥饼的滤液体积为一定值，即

由于阿尔奇公式中的胶结指数m是针对均质地层而设计的，针对网状裂缝系统下的砂岩储层，m可以用可变胶结指数m^*来替代，m^*与岩石总孔隙度、次生孔隙度之间存在复杂的非线性函数关系，这里就不再冗述。这样便可以得到裂缝性砂岩储层S_w、S_xo的表达式为：

不难看出式(6)已经消除了可变胶结指数的影响，进一步证明了“当其他条件不变时，钻井液滤液侵入地层的深度主要受泥饼渗透率和地层的孔渗特性两方面因素的控制，这点与非裂缝性砂泥岩地层比较类似”的观点是经得起推敲的。再将式(6)带入式(3)可以得到：

式中r为井眼半径，m；K_mc为泥饼渗透率，mD；µ为钻井液滤液黏度，mPa·s；S_w为地层含水饱和度；φ、S_w都可以根据测井资料求取；△P为钻井液液柱压力与原始地层压力之间的侵入压差，MPa；t为浸泡时间，d；n为饱和度指数；R_xo为冲洗带电阻率，Ω·m；R_mf为钻井液滤液电阻率，Ω·m；R_w为地层水电阻率，Ω·m；σ_t裂缝性砂岩储层总的电导率。

考虑裂缝网状裂缝的客观规律，裂缝孔隙度(φ_f)、基块孔隙度(φ_b)、裂缝性储层的含水饱和度(S_wf)以及裂缝—孔隙性地层总的电导率(σ_t)、钻井液电导率(σ_m)是影响钻井液侵入共同因素，因此可以由式(7)进一步演化得到网状裂缝环境下钻井液侵入深度的计算模型：

上式中σ_t经常又用深侧向电导率来代替。S_wd、S_wf分别为粒间孔隙系统和裂缝系统的饱和度；φ_d为粒间孔隙度；m_d为粒间孔隙系统的胶结指数；n_d、n_f分别为粒间孔隙系统和裂缝系统的饱和度指数；σ_mf为钻井液滤液电导率；为裂缝孔隙挠曲度，实际资料处理时，可以视通道为简单通道，这时的=l。K_i为校正系数。当裂缝孔隙度很小，并考虑到深侧向电阻率受钻井液混合溶液影响的条件下，可以分别得到以下的钻井液侵入深度的求解模型：

式中σ_d、σ_s、σ_m、σ_w分别为深、浅电导率、钻井液电导率、地层水电导率，Ω·m^-1。

研究表明K_τ=l～1.3，mf为裂缝孔隙度指数(隐含值为1.1)，Z为溶液混合比例系数，m^*为裂缝性砂岩可变胶结指数，与岩石次生孔隙度与总孔隙度的比值有关。

3．2．2基于数理统计法计算钻井液侵入深度

就低角度裂缝而言，不妨用裂缝的径向延长深度(L_f)来近似代替钻井液侵入深度(I_d)。对塔中多口井的15个样本井段储层参数(深浅电阻率的比值、储层渗透率、裂缝孔隙度和裂缝的径向延伸长度等参数值)进行数理统计分析发现，裂缝的径向延伸长度与这些单相关关系很差。同时也进一步说明，裂缝的径向延伸长度受深浅电阻率比值、裂缝孔隙度等多种因素的控制，即：。以下是计算裂缝延伸的两个统计回归模型：

单一裂缝系统钻井液侵入深度的计算模型：

网状裂缝系统钻井液侵入深度的计算模型：

以上模型中：a₁=0.222 595 963、b₁=0.017 129 554、c₁=—0.044 156 72、d₁=0.830 476 69；a₂=1.233 677 305、b₂=0.025 488 21、c₂=—0.080 755 52、d₂=l.495 402 7；L_f为裂缝径向延伸长度，m；R_d、R_s分别为深浅电阻率，Ω·m；K为裂缝性储层总渗透率，mD；为裂缝孔隙度，％。

4 实例分析

基于上述理论和方法，结合岩心分析、测井、钻井、地层流体测试资料，对研究工区9口井选择水基(盐水)钻井液的l7个层位裂缝性致密砂岩储层段钻井液侵入深度进行了定量计算，结果见表2。

对表2计算结果进行分析，不难发现17 口井用体积模型法计算的钻井液侵入深度的平均误差为9.33％，用数理统计法计算钻井液侵入深度的平均误差为5.82％，说明用统计的方法计算精度偏高。这主要是由于该统计模型是基于充分考虑本井区电阻率比值、裂缝孔隙度、裂缝渗透率等多种因素的影响而建立起来的，但从推广看，体积模型比数理统计模型更具有一定的通用性。表3是不同计算模型对不同裂缝类型地层钻井液侵入深度的计算对比分析表。不难看出，对于同一计算模型而言，对单一裂缝系统钻井液侵入深度计算精度要比网状裂缝系统钻井液侵入深度计算精度高；对不同计算模型而言，针对同一裂缝系统，统计模型的计算精度比体积计算模型的计算精度高。就所计算的塔中地区钻井液侵入深度结果看，单一裂缝系统属于“深—中等”侵入等级，网状裂缝系统属于“中等—浅”侵入等级。主要原因是该区的单一裂缝系统主要以中、低角度裂缝为主，与网状裂缝相比，不容易在近井壁形成内泥饼，导致其平均侵入深度要比在网状裂缝系统中大。

表4是在考虑储层流体性质时两种计算模型在不同裂缝系统中的计算对比分析表。同一类型裂缝型地层，从水层→含油水层→含水油层→油层，不管是体积模型还是统计模型，其计算结果均表现出侵入深度是增加的，呈现污染或者损害增加的趋势。在结合所选择分析井段使用的钻井液看，都使用的是水基(盐水)钻井液，不难分析出，该区9口井17个裂缝性致密砂岩储层段岩石均为亲水岩石，若选择油基钻井液，钻井液的侵入深度会大幅度降低，储层受污染或损害的几率也会降低。