钻井液和完井液对储层损害评价新方法——高温高压岩心动态损害评价系统研究
(1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；中国尤氏大学(北京)，北京102249；3.长江大学，荆州434023)
高温高压岩心动态损害评价系统是石油勘探开发中评价储层损害深度和程度的一种新的实验方法和仪器，它可以在岩心被入井流体损害前测量各段的原始渗透率，然后在模拟的储层温度、压力和流速条件下，不用取出岩心，直接用泥浆泵将入井流体驱替到高压液罐中，对岩心端面进行动态剪切损害。损害过程完成后，不需要取出岩心，而是通过换向阀改变流体的流向，然后用平流泵驱替液体，测量受损储层岩心各段的渗透率。通过对比岩心各段的渗透率变化，可以确定入井流体对岩心伤害的深度和程度，从而优选出满足保护油气层需要的钻井液和完井液。目前，“评价系统”及其配套智能软件已在多家油田企业投入使用，取得了良好的应用效果。
岩心储层保护动态损害评价系统；钻井液和完井液
一种评价钻井完井液对地层损害的新方法——HTHP岩心动态损害评价测试系统的研究
余伟-楚1，2，3，-明1，-年2
(1.中石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油大学，北京102249；3.长江大学，荆州434023)
HTHP岩心动态损害评价测试系统是新近开发的一种用于评价石油勘探开发中钻完井液对地层损害程度的新方法和新仪器。它可用于测量被钻井液或完井液污染前岩心样品各部分的原始渗透率。然后，不需要取出岩心，在模拟的地层温度、压力和流量条件下，用泥浆泵用钻井液或完井液冲洗，就可以直接进行动态损害过程。在损坏过程完成后，岩心仍然保持在夹持器中，损坏后岩心样品各部分的渗透率可以通过用换向阀改变流向和用恒流量泵冲洗流体(清洁水或煤油)来测量。通过对比岩心样品各段的渗透率数据，可以确定损害程度和侵入深度，并选择符合保护地层要求的钻井液和完井液。目前，钻井液和完井液对地层损害的新评价方法、测试系统及配套软件已在多个油田广泛应用，并取得了良好的效果。
岩心保护；动态损害测试系统；钻井完井液
随着世界石油生产的不断扩大和发展，储层损害和保护问题日益受到世界各国石油工程师的关注。一旦发生储层损害，其补救措施需要付出高昂的代价。因此，早在20世纪40 ~ 50年代，国外就开始了储层损害与保护的室内实验研究。20世纪七八十年代，我国开始研究储层损害问题，建立了相应的储层损害评价实验方法和相关仪器。然而，随着油气田勘探开发逐渐转向深层，原有的储层损害评价方法已不能适应。因此，要实现油气层保护技术领域的突破，就必须建立一套完整的储层损害评价新方法和配套评价手段，既能测量岩心各段的原始渗透率和损害渗透率，又能模拟储层温度、压力、泥浆返出速度等条件对岩心进行动态损害评价。
本文主要介绍其设计思想、设计原理、技术性能指标、实验参数的计算方法及其应用。
1“评估系统”的设计思想和工作原理
1.1的设计思想
(1)“评价系统”首先应该能够测量岩心各段的原始渗透率(Koi)和损害渗透率(Kdi)。根据本项目组专利技术渗透率梯度仪(专利号:91226407 438+0)的工作原理和设计思想，利用达西定理公式可以很容易地计算出岩心各段损伤前后的渗透率参数。
(2)根据项目组申请专利的新型智能高温高压岩心动态失水仪(专利号:ZL200420017823.7)的工作原理和设计思想，在模拟井眼环空地层温度、压力和泥浆返出量的条件下，对岩心的一个端面进行了动态剪切污染损害实验。
(3)根据本项目组专利技术高温高压岩心动态损害评价实验仪(专利号:200410030637.1，ZL200420047524.8)，完成渗透率测量后，不需要取出岩心，而是在模拟井眼环空中地层温度、压力、泥浆返出速度的条件下进行动态污染实验。当岩心发生动态损害时，使用相关阀门关闭岩心多段渗透率测量机构，使用专用泥浆泵在模拟地层温度、压力和井眼环空泥浆上升速度的条件下对岩心端面进行动态剪切污染，动态污染采用端面循环剪切结构。通过一次加载岩心，在模拟井眼环空地层温度、压力和泥浆返出速度的条件下，对岩心进行动态污染，评价污染前后岩心多项渗透率参数的实验研究。
(4)在多级渗透率测试过程中，“评价系统”的重要部分首次使用了本项目组的高压精密平流泵专利技术(专利号:ZL02278357.1)，实现了恒流、恒压、无脉动的微量液体输送技术。
(5)“评价体系”的核心部分采用了项目组核心持有人(专利号:ZL93216048.4)的专利技术。首次采用金属骨架硫化技术、O型密封圈技术和橡胶自密封原理，打破了老产品的挤压密封结构，成功实现了沿芯轴多测点技术的建立。
这套“评价体系”的一个突出特点是，将岩心损害前后各段渗透率变化试验与对岩心端面的动态污染损害机理有机地结合起来，成功地达到了设计目的。
1.2仪器的组成及工作原理
为了在同一台仪器上完成岩心的多级渗透率测试，模拟井下条件下对岩心的动态伤害，从而准确、高效地评价钻井液保护油气层的效果，根据钻井技术要求和上述设计思路，高温高压岩心动态伤害评价系统的设计流程如图1所示。它主要由精密平流泵、泥浆泵、液罐、动态端循环多压力测点岩心夹持器、流量计、电子天平、气源、压力传感器、温度传感器、环空压力泵、回压控制器、加热系统、数据采集处理系统等组成。
图1高温高压岩心动态损伤评估系统流程
1-气源；2-高压安全阀；3-高压液体罐；4—泥浆泵；5—流量计；6-电子天平；7—背压控制器；8—环形压力泵；9—端面循环多测点岩心夹持器；10-阀门；11-压力传感器；12-精密平流泵；13-排水阀；14-数据采集器；15—数据处理系统(计算机、打印机)；16-加热器
其主要工作原理是:当泥浆泵及相关阀门关闭时，可通过精密平流泵的排量测试岩心伤害前后的渗透率；当泥浆泵、流体管线及相关阀门打开时，液罐中的钻井液或完井液可在实际储层条件下循环，实现对储层岩心端面的动态伤害模拟。软件界面显示在图2的右上角。
“评价系统”由钻井过程动态伤害模拟系统和多级渗透率测试系统两部分组成。在动态伤害模拟系统中(如图2左部所示)，氮气缸给泥浆罐加压，泥浆循环泵控制流量，使钻井液以一定的压力和流量从泥浆罐中泵出，岩心端面与岩心夹持器接触，在岩心端面进行高温高压动态伤害评价实验，最后回流到泥浆罐，形成闭合循环。在压力作用下，泥浆中的液体通过岩心被过滤，其动态失水通过管道流到电子天平进行称重，从而可以测出岩心动态失水率等多项实验参数。
渗透率测试部分(如图2右部所示)，精密平流泵驱动实验液体进入岩心，通过岩心流向电子天平。此外，多个压力传感器实时采集岩心各测压点的压力值，然后根据达西定理计算出岩心伤害前后各段的渗透率参数。
图2高温高压堆芯动态损伤评估系统软件界面
1.3数据采集和控制原理
1.3.1的硬件设计总体思路
“评价系统”控制部分的硬件设计应具有以下主要功能:①温度控制，模拟井下高温工况；②流量控制，可以根据设定的流量值精确控制磁力泵的排量，从而控制岩心端面的钻井液流量，以模拟钻井作业时的实际泥浆环空返出速度；③围压监测:岩心夹持器的围压由步进电机控制，仪器能根据设定值自动控制和监测压力，并实时显示在人机界面上；(4)仪器工作压力监测，泥浆循环工作压力由气源调节，同时受泥浆温度影响，软件仪器自动检测压力参数；⑤动态滤失量的测定，钻井液对岩心的损害是否已经完成主要看动态滤失量。损害充分时，动态滤失率曲线上升到平衡，不再变化或变化不大，说明钻井液对岩心的动态损害实验已经完成，一般需要150min，滤纸动态滤失率也是如此。
1.3.2软件部分
评价系统控制软件的人机交互、数据处理等功能由PC机完成，以其强大的绘图和数据处理功能为用户提供了一个实时性好、稳定性强、界面直观、使用方便的操作管理平台。用户可以通过计算机软件清楚地掌握整个仪器的运行情况，方便及时地调整实验过程中的参数，并对数据进行分析。为研究人员提供了友好便捷的人机交互界面和数据处理环境，实现了数据存储、实验曲线绘制、数据报表输出和历史数据查询等功能，包括流体通过岩心的孔隙体积倍数、岩心各段渗透率、渗透率损害率、渗透率恢复率、钻井液和完井液通过岩心的动态滤失率等实验参数，实验数据报表由计算机直接打印，“评价系统”控制软件。
1.4主要技术指标
这套“评价体系”的主要技术性能指标如下:(1)钻井液和完井液污染压力:0 ~ 10 MPa，测得的岩心渗透率最大流压可达60 MPa；；(2)工作温度:室温~ 150℃(最高230℃)；(3)岩心末端流体的线速度:0 ~ 1.8m/s；(4)实验岩心规格:人造或天然储层岩心，尺寸为φ25×25-90；(5)压力测量精度:2‰；(6)钻井液用量:2 ~ 3L；(7)渗透率测量范围:(1 ~ 5000)×10-3 μm 2；(8)电源:220V，50Hz(需要稳压电源)。
与其他储层损害评价实验装置相比，“评价系统”在工作压力和温度、岩心渗透率测量范围等方面具有明显的优势。不难看出，它适用于各种渗透性储层和异常高压或异常低压储层，也适用于井底温度超过150℃的深井。
2实验参数和计算方法
2.1 V返回的计算
钻井期间，钻杆和钻铤处的环空回流速度可通过以下公式计算:
油气聚集理论与勘探开发技术
式中:q为钻井现场泥浆泵的排量(升/秒)；D1，r分别是钻头直径和半径(in)；D2和r分别是钻杆或钻铤的直径和半径(in );是泥浆在环空中的向上速度(m/s)。
岩心端面的剪切速率是通过变频器调节泥浆泵的转速来实现的，选择排量合理的泥浆泵可以随意模拟钻井现场的泥浆泵排量。在钻井过程中，根据泥浆环空的水力计算结果，只有当钻杆或钻铤处环空泥浆的推荐上升速度为0.5 ~ 0.6m/s时，才能形成平坦的层流，从而满足钻井工艺的要求[4]。
2.2岩心衰竭率的计算
根据钻井液动态滤失方程，钻井液或完井液通过岩心的动态滤失量可由下式计算:
油气聚集理论与勘探开发技术
其中:fd为动态过滤速率(毫升/厘米2分钟)；δθ为δt时间内的动态滤失量(ml)；δ t是渗滤时间(s)；a是芯端面的渗透面积(cm2)。
2.3动态污染损害前后岩心剖面渗透率的计算
在一定压差的作用下，流体可以在多孔介质中渗流。一般来说，其流动规律可以用达西定律来描述。因此，应用达西定律公式，可以实现动态污染前后岩心各段渗透率参数的计算。因为是多点测试，达西定律的公式可以写成:
3实施效果
该项目的技术产品已在江汉、江苏、大庆、大港、吉林、中原、南方勘探公司、克拉玛依、塔里木等油田单位推广。大量实验研究表明，应用效果良好。它可以测量岩心沿长度方向的非均质性，判断同一岩心被钻完井液损害前后的渗透率和损害深度，还可以评价各种增产措施的效果，优化钻完井。上述油田通过“评价体系”筛选出的优质钻完井液，起到了保护油气层、降低生产成本、增加油气井产量的作用，取得了较大的经济效益和社会效益。该成果的推广应用为油气层保护技术研究和油气田评价提供了全新的评价手段和方法，也在理论和实验技术上取得了重大突破。实验研究成果将对油气田勘探开发方案的科学决策、油气田的发现、油气井产量的提高、油田开发周期的延长以及油气藏保护领域的科学研究起到十分重要的指导作用。
新的评价方法和相关技术产品使科研成果及时转化为生产力，填补了我国相关实验技术领域装备制造的空白，具有同类技术的国际先进水平。
参考
李，，等. JHDS-高温高压动态失水仪的研制。江汉石油学院学报[J]，1988，10 (1): 32 ~ 35。
于，李，等。渗透率梯度测试仪的研制。石油钻采技术[J]，1995，17 (5): 82 ~ 86。
范世忠。储层保护与评价[M].北京:石油工业出版社. 1988。
[4]Bourgoyne A . T .等人，应用钻井工程。SPE教材，1991。
[5]岩石渗透率测试装置CN2188205Y全文为1995+0.25。
CN2342371Y，1999.38+00.6，岩心物性自动检测装置。
[7]Joseph Shen J S，Brea，ca，自动化稳态相对渗透率测量系统US4773254M1988.9~27。
[8]测量多孔岩石相对渗透率和毛细管压力的装置和方法。US5297420，1994.3~29。