余維初1，2，3 蘇長明1 鄢捷年2
（1.中國石化石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石油大學（北京），北京102249；3.長江大學，荊州434023）
摘要 高溫高壓巖心動態損害評價系統是石油勘探開發中評價儲層損害深度與程度的新的評價實驗方法與實驗儀器，它可以測量巖心受入井流體損害前各分段的原始滲透率值，然後不需取出巖心，就可以直接在模擬儲層溫度、壓力及流速條件下，用泥漿泵驅替高壓液體罐中的入井流體，在巖心端面進行動態剪切損害。損害過程完成後，也不需取出巖心，而是通過換向閥門改變流體的流動方向，再由平流泵驅替液體，測量儲層巖心受損害後各段的滲透率值。通過對比巖心各分段的滲透率變化情況，即可確定巖心受入井流體損害的深度和程度，從而優選出滿足保護油氣層需要的鉆井液與完井液。目前“評價系統”及配套智能化軟件已在多個油田企業投入使用，並取得了良好的應用效果。
關鍵詞 巖心 儲層保護 動態損害 評價系統 鉆井液與完井液
A New Method Used to Evaluate Formation Damage Caused by Drilling ＆ Completion Fluids——Investigation of the HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing System
YU Wei-chu1，2，3，SU Chang-ming1，YAN Jie-nian2
（1.Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083；2.China University of Petroleum，Beijing102249；3.Yangtze University，Jingzhou434023）
Abstract The HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing System is newly developed a new method and apparatus used for evaluation of the extent of formation damage caused by drilling and completion fluids in petroleum exploration and development.It can be used to measure the original permeability of each section of the core sample before contamination by the drilling or completion fluid.Then，the core does not need to be taken out and the process of dynamic damage can be directly conducted by flushing with the drilling or completion fluid using mud pump under the conditions of the simulated formation temperature，pressure and flow rate.After the damaged process is completed，the core is still kept in the holder and the permeability of each section of the core sample after damage can be measured by altering the flow direction with the reversal valve and flushing a fluid（cleaning water or kerosene）by the constant flow-rate pump.By comparing the permeability data that occur at each section of the core sample，the damage level and invasion depth can be determined，and the drilling and completion fluids that meet the requirements of formation protection can be selected.Currently，the new evaluation method，the testing system and associated software for formation damage induced by drilling fluid and completion fluids were applied in several oilfields widely，and favorable results have been obtained.
Keywords core formation protection dynamic damage testing system drilling and completion fluids
隨著世界石油生產的不斷擴大與發展，油層傷害與保護的問題日益為各國石油工程師們所關註。油層傷害壹旦產生，其補救措施需要付出昂貴的代價。因此，國外早在20世紀40～50年代就開始了油層傷害與保護的室內試驗研究。我國也在20世紀70～80年代開始著手研究油層傷害問題，並建立了相應的儲層損害評價實驗方法及相關儀器。然而隨著油氣田勘探與開發逐步轉向深層，原有的儲層損害評價方法已不能適應。因此，要想在油氣層保護技術領域取得突破性成果，有必要建立壹套完整的、能夠適應更深的地層勘探開發的儲層損害評價新方法和與之相配套的評價手段，既可以測量巖心各段的原始和損害後滲透率，又能模擬儲層溫度、壓力及泥漿上返速度等條件對巖心進行動態損害評價的新方法、新儀器。
本文主要介紹了該“評價系統”的設計思路、設計原理、技術性能指標、實驗參數計算方法及其應用情況。
1 “評價系統” 的設計思路和工作原理
1.1 設計思路
（1）該“評價系統”首先要能夠測量巖心各段的原始滲透率（Koi）和受損害後滲透率（Kdi）。根據本項目組的專利技術滲透率梯度儀（專利號：91226407.1）的工作原理和設計思路，由達西定理公式便可很方便地計算出巖心各段損害前後的滲透率參數。
（2）根據本項目組專利技術新型智能高溫高壓巖心動態失水儀（專利號：ZL200420017823.7）的工作原理和設計思路，在模擬地層溫度、壓力、井眼環空泥漿上返速率的條件下對巖心某個端面進行動態剪切汙染損害實驗。
（3）根據本項目組專利技術高溫高壓巖心動態損害評價實驗儀（專利號：200410030637.1，ZL200420047524.8）在滲透率測量完成後，不需取出巖心，而是在模擬地層溫度、壓力、井眼環空泥漿返速的條件下對巖心進行動態汙染實驗。在對巖心進行動態損害時，利用相關閥門，關閉巖心多段滲透率的測量機構，采用特制泥漿泵，在模擬地層溫度、壓力和井眼環空泥漿上返速度的條件下，對巖心的某個端面進行動態剪切汙染，動態汙染采用端面循環剪切式結構。實現壹次裝入巖心就可以在模擬地層溫度、壓力、井眼環空泥漿返速的條件下對巖心進行動態汙染，以及汙染前後巖心多項滲透率參數測試的評價實驗研究。
（4）在多段滲透率測試過程中“評價系統”的重要組成部分使用了本項目組的專利技術高壓精密平流泵（專利號：ZL02278357.1）首次實現恒流、恒壓以及無脈動微量液體的輸送技術。
（5）“評價系統”的核心部分使用了本項目組的專利技術巖心夾持器（專利號：ZL93216048.4）首次采用金屬骨架硫化技術、“O”型密封圈技術以及橡膠的自封原理，打破了老型產品的擠壓式密封結構，順利地實現了沿巖心軸向建立多測點技術。
該“評價系統”的壹個突出特點是將巖心損害前後各段滲透率變化測試和對巖心端面的動態汙染損害機構有機地結合起來，從而順利地實現了設計目的。
1.2 儀器的組成結構及工作原理
為了實現在同壹臺儀器上完成巖心的多段滲透率測試和模擬井下條件對巖心的動態損害，從而準確高效地評價鉆井液保護油氣層的效果，根據鉆井工藝要求和上述設計思路，把高溫高壓巖心動態損害評價系統設計成如圖1所示的工藝流程，它主要由精密平流泵、泥漿泵、液體罐、端面動循環並帶多個測壓點的巖心夾持器、流量計、電子天平、氣源、壓力傳感器、溫度傳感器、環壓泵、回壓控制器、加熱系統、數據采集與處理系統等部分組成。
圖1 高溫高壓巖心動態損害評價系統流程
1—氣源；2—高壓減壓閥；3—高壓液體罐；4—泥漿泵；5—流量計；6—電子天平；7—回壓控制器；8—環壓泵；9—端面循環的多測點巖心夾持器；10—閥門；11—壓力傳感器；12—精密平流泵；13—排汙閥；14—數據采集器；15—數據處理系統（計算機、打印機）；16—加熱體
其主要工作原理是：當關閉泥漿泵及相關閥門時，由精密平流泵驅替可進行巖心損害前後滲透率的測試；而當打開泥漿泵、流體管路及相關閥門時，可對液體罐中的鉆井液或完井液在實際儲層條件下進行循環，從而實現對儲層巖心端面進行動態損害模擬。軟件界面如圖2右上角所示。
“評價系統”由兩大部分組成：鉆井過程的動態損害仿真系統和多段滲透率測試系統。在動態損害仿真系統中（如圖2左邊部分），氮氣瓶給泥漿罐加壓，泥漿循環泵控制流量，使鉆井液以壹定的壓力和流量從泥漿罐裏泵出，通過巖心夾持器與巖心的端面接觸，對巖心端面進行高溫高壓動態損害評價實驗，最後流回泥漿罐，形成密閉循環。在壓力作用下，泥漿中的液體經過巖心而濾失，其動態失水經過管線流到電子天平稱重，就可以測量出巖心的動失水速率等多項實驗參數。
在滲透率測試部分（如圖2右邊部分），精密平流泵驅動實驗液體進入巖心，經過巖心流至電子天平。另外，多個壓力傳感器實時采集巖心各測壓點的壓力值，根據達西定理進而可以算出巖心損害前後各分段的滲透率參數。
圖2 高溫高壓巖心動態損害評價系統軟件界面
1.3 數據采集與控制原理
1.3.1 硬件設計的總體思路
該“評價系統”控制部分硬件設計應具備以下主要功能：①溫度控制，模擬井下高溫工況；②流量控制，能夠根據流量設定值準確地控制磁力泵的排量，從而控制巖心端面鉆井液的流速，以模擬鉆井作業過程中實際泥漿環空返速；③圍壓監測，巖心夾持器圍壓通過步進電機控制，儀器能夠根據設定值自動控制並監測壓力，實時顯示在人機交互界面上；④儀器工作壓力監測，泥漿循環的工作壓力由氣源調節給定，同時受泥漿溫度的影響，軟件儀器自動檢測壓力參數；⑤動濾失量計量，鉆井液對巖心的損害是否已經完成，主要是看動濾失速率，當損害已充分時，動濾失速率曲線上升趨於平衡，不再變化或變化微小，說明鉆井液對巖心的動態損害實驗已經完成，這個過程壹般需要150min，濾紙的動靜濾失速率道理也是壹樣。
1.3.2 軟件部分
該“評價系統”控制軟件的人機交互、數據處理等功能由PC機完成，借助PC機強大的繪圖、數據處理功能為用戶提供壹個實時性好、穩定性強、界面直觀、使用方便的操作管理平臺。用戶可通過計算機軟件非常清晰地掌握整個儀器運行的情況，可方便、及時地對實驗過程中的各項參數進行調整，並對數據進行分析。為研究人員提供友好、便捷的人機交互全中文界面及數據處理環境，同時實現數據的存儲，實驗曲線的繪制，數據報表的輸出和歷史數據的查詢等功能，其中包括流體通過巖心的孔隙體積倍數，巖心各段的滲透率、滲透率損害率、滲透率恢復率、鉆井液與完井液通過巖心時的動濾失速率等實驗參數，並且由計算機直接打印出實驗數據報表，“評價系統”控制軟件的人機交互主界面見圖2所示。
1.4 主要技術指標
該“評價系統”的主要技術性能指標如下：（1）鉆井液與完井液汙染壓力：0～10MPa，測量巖心滲透率流動壓力最大可達60MPa；（2）工作溫度：室溫～150℃（最大可達230℃）；（3）巖心端面流體線速度：0～1.8m/s；（4）實驗巖心規格：人造或天然儲層巖心，其尺寸為φ25×25-90；（5）測壓精度：±2‰；（6）鉆井液用量：2～3L；（7）滲透率測量範圍：（1～5000）×10-3μm2；（8）電源：220V，50Hz（要求使用穩壓電源）。
與其他油氣層損害評價實驗裝置相比，該“評價系統”無論在工作壓力和工作溫度方面，還是在巖心的滲透率測量範圍方面，均具有明顯優勢。不難看出，它適用於各種滲透性儲層，以及出現異常高壓或異常低壓的儲層，還適用於在井底溫度超過150℃的深井中應用。
2 實驗參數及計算方法
2.1 V返的計算
在鉆井過程中，鉆桿和鉆鋌處的環空返速可用下式進行計算：
油氣成藏理論與勘探開發技術
式中：Q為鉆井現場泥漿泵排量（L/s）；D1，R分別為鉆頭直徑和半徑（in）；D2，r分別為鉆桿或鉆鋌的直徑和半徑（in）； 為泥漿在環空處的上返速度（m/s）。
巖心端面處剪切速率的大小通過使用變頻器調節泥漿泵的轉速來實現，選擇合理排量的泥漿泵就可以任意模擬鉆井現場泥漿泵的排量。在鉆井過程中，根據泥漿環空水力學計算結果，當鉆桿或鉆鋌處環形空間泥漿的上返速度 推薦值為0.5～0.6m/s時，才能形成平板型層流，從而滿足鉆井工藝的要求［4］。
2.2 巖心動濾失速率的計算
根據鉆井液動濾失方程，鉆井液或完井液通過巖心時的動濾失速率可使用下式計算：
油氣成藏理論與勘探開發技術
式中：fd為動濾失速率（mL/cm2·min）；Δθ為Δt時間內的動濾失量（mL）；Δt為滲濾時間（s）；A為巖心端面滲濾面積（cm2）。
2.3 動態汙染損害前後巖心各段滲透率的計算
在壹定壓差的作用下，流體可在多孔介質中發生滲流。壹般情況下，其流動規律可用達西定律來描述。因此，在動態汙染前後，巖心各段滲透率參數的計算可通過應用達西定律公式來實現。由於是多點測試，可以將達西定律公式寫成： 。
3 實施效果
該項目技術產品已在江漢、江蘇、大慶、大港、吉林、中原、南方勘探公司、克拉瑪依、塔裏木等各油田單位推廣了五十多臺套，大量的實驗研究表明，使用效果良好，它可以測量出巖心沿長度方向的非均質性，並能判斷同壹巖心在受鉆井、完井液損害前後各段滲透率和損害深度程度，也可評價各種增產措施的效果，優選鉆井、完井液體系配方、優化增產措施，達到保護油氣層的目的，並認識了油氣層特性，提高了油氣田的勘探和開發效率。上述各油田通過該“評價系統”篩選出的優質鉆井、完井液，起到了保護油氣層的效果，既降低了生產成本，又提高了油氣井產量，已經取得了巨大的經濟效益和社會效益。該成果的推廣應用為保護油氣層技術研究和油氣田評價工作的開展提供了全新的評價手段和評價方法，還使得其在理論和實驗技術上獲得了重大突破，其實驗研究結果對油氣田勘探與開發方案的科學決策、油氣田的發現、提高油氣井產量、延長油田的開發周期以及保護油氣層領域的科學研究將起到十分重要的指導作用。
該評價新方法以及相關技術產品使科研成果及時轉化為生產力，填補了我國在相關實驗技術領域裝備制造上的空白，具有同類技術的國際先進水平。
參考文獻
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