摘  要  在裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層中，鉆井液侵入裂縫是導(dǎo)致儲(chǔ)層損害的主要因素之一。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該類(lèi)儲(chǔ)層鉆井液侵入深度的分析還缺乏深入探討。為此，在分析致密砂巖裂縫發(fā)育特征及鉆井液侵入對(duì)其電性特征影響的基礎(chǔ)上，給出了鉆井液侵入深度的定性分析表；進(jìn)而采用體積模型法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，建立起了不同裂縫系統(tǒng)的鉆井液侵入深度定量計(jì)算模型。最后，精細(xì)計(jì)算了塔里木盆地中部某區(qū)9口井l7個(gè)層位的裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層的鉆井液侵入深度。結(jié)果表明，所建立的模型因很好地結(jié)合了地質(zhì)、鉆井、測(cè)井等客觀實(shí)際(綜合考慮了地層裂縫特性、巖性、電性、物性、含流體性質(zhì))，計(jì)算精度較高，有效地解決了裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入深度的定量計(jì)算問(wèn)題。該成果對(duì)類(lèi)似儲(chǔ)層的污染評(píng)價(jià)、射孔設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中增產(chǎn)措施的決策都具有指導(dǎo)和借鑒作用。

關(guān)鍵詞  致密砂巖  裂縫(地質(zhì))  鉆井液  侵入深度  定性分析  定量計(jì)算  實(shí)例

在砂泥巖剖面中，大多數(shù)裂縫分布在致密巖層，裂縫的存在會(huì)增加地層的非均質(zhì)性，破壞隔層的封隔性，導(dǎo)致地層更容易污染或損害。目前，用測(cè)井方法對(duì)鉆井液污染裂縫性砂巖儲(chǔ)層的解釋評(píng)價(jià)，在國(guó)內(nèi)外還仍然是一個(gè)難題。近年來(lái)，我國(guó)一些低滲油田在進(jìn)行鉆完井、射孔等作業(yè)時(shí)，越來(lái)越注意到裂縫對(duì)鉆井液侵入的影響。如新疆火燒山油田、塔里木的塔中油田等，由于裂縫的影響導(dǎo)致鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的污染變得復(fù)雜化?！短烊粴夤I(yè)》在2004—2006年間先后刊出3篇與鉆井液侵入、污染地層有關(guān)的文章^[1-3]，涉及鉆井液液相、固相侵入深度的定量計(jì)算以及鉆井液污染儲(chǔ)層程度的評(píng)價(jià)方法研究，但均沒(méi)有探究到裂縫性砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入深度的定量分析，國(guó)內(nèi)外其他刊物也沒(méi)有談及類(lèi)似話題。隨著勘探難度的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)低孔低滲致密裂縫性砂巖儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)，準(zhǔn)確計(jì)算出鉆井液對(duì)這類(lèi)儲(chǔ)層的侵入深度對(duì)評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的污染，以及對(duì)射孔設(shè)計(jì)和后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中增產(chǎn)措施的決定有著極其重要的作用。

1  致密砂巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育基本特征

裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層的基本地質(zhì)特征是裂縫形態(tài)多樣、但裂縫規(guī)模大小不一、裂縫與巖石基塊的物性差別小^[4-6]。由于這類(lèi)儲(chǔ)層往往屬于低孔低滲型，巖石致密且較脆，因此裂縫較發(fā)育。如對(duì)塔中地區(qū)大多數(shù)井具有裂縫的巖心進(jìn)行巖心掃描分析發(fā)現(xiàn)，裂縫形態(tài)差異較大，有開(kāi)啟裂縫和所謂的潛裂縫，有的裂縫表面有擦痕，有的裂縫內(nèi)有充填物(多為鈣質(zhì))，有的為鉆井液浸染。裂縫規(guī)模、強(qiáng)度較碳酸鹽巖中的裂縫要小得多，一般裂縫延伸只有幾十厘米，在鉆井、壓裂、注水等外力誘導(dǎo)下很容易破裂成張開(kāi)縫^[5-8]。據(jù)塔中地區(qū)近20口井統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有裂縫描述巖塊的平均孔隙度和密度分別為12.3％和2.32 g／cm³，無(wú)裂縫描述的巖塊的平均孔隙度、密度分別為ll.4％和2.37 g／cm³，孔隙度間相差0.9％，密度間相差0.05 g／cm³。裂縫段與非裂縫段的差異是很小的，對(duì)其他地區(qū)、其他井巖心分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。與此同時(shí)，致密的低孔滲砂巖儲(chǔ)層往往又具有強(qiáng)烈的應(yīng)力敏感特征，容易產(chǎn)生較發(fā)育的高角度裂縫和層間裂縫，并形成裂縫群。裂縫群中的各條裂縫一般都終止于較均質(zhì)的砂巖內(nèi)或者與頁(yè)巖分界處，裂縫群累計(jì)高度為0.5～5，裂縫寬度為0.5～1。同時(shí)，通過(guò)試井資料表明，裂縫有助于提高儲(chǔ)層滲透率3～10個(gè)數(shù)量級(jí)，隨著滲透率的提高，鉆井液對(duì)地層的污染往往也就越嚴(yán)重。

2裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入對(duì)電性特征的影響

裂縫使地層導(dǎo)電性變好而明顯地影響側(cè)向電阻率曲線。在水平裂縫發(fā)育段，側(cè)向電阻率降低且深側(cè)向電阻率(LLD)、淺側(cè)向電阻率(LLS)很接近。在高角度裂縫發(fā)育段：對(duì)于裂縫性油氣層，由于鉆井液濾液的侵入，深淺雙側(cè)向曲線之間的正差異以及深側(cè)向曲線與微球形聚焦曲線之間的正差異增大。深淺雙側(cè)向?qū)ψR(shí)別泥巖裂縫效果較好。但當(dāng)鉆井液濾液電阻率(R_mf)特別大，或地層水電阻率(R_w)特別小時(shí)，上述現(xiàn)象不明顯^[9]。對(duì)于裂縫性水層，當(dāng)R_mf > R_w時(shí)，深淺雙側(cè)向電阻率之間的負(fù)差異以及深電阻率和沖洗帶電阻率之間的負(fù)差異增大。由于微球形聚焦測(cè)井等為貼井壁式測(cè)井，因此只有當(dāng)貼井壁的一側(cè)恰好為裂縫段時(shí)，在測(cè)井曲線上才有裂縫特征的反應(yīng)。裂縫產(chǎn)狀、裂縫張開(kāi)度、基巖電阻率、地層流體電阻率、鉆井液濾液電阻率構(gòu)成了對(duì)鉆井液侵入裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層電性特征影響的組合因素。隨著鉆井液侵入深度的增加，不同類(lèi)型的裂縫的側(cè)向電阻率相應(yīng)特征有所不同，低角度縫侵入深度對(duì)雙側(cè)向幅度的影響是當(dāng)侵入半徑大于2.54 m時(shí)為低阻負(fù)差異，當(dāng)侵入半徑小于2.54 m時(shí)，則為高阻正差異；高角度縫侵入深度對(duì)雙側(cè)向幅度的影響隨著侵入半徑的增大，電阻率值的正差異也增大，但是當(dāng)侵入半徑大于2.54 m后差異便比較穩(wěn)定。

3  裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入深度分析方法

3．1定性分析

這里采用雙側(cè)向曲線特征對(duì)裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入深度做出定性地估算。根據(jù)深淺雙側(cè)向探測(cè)特征，它們自身的徑向探測(cè)深度通常認(rèn)為深側(cè)向的徑向探測(cè)深度可達(dá)到3 m，而淺側(cè)向的徑向探測(cè)深度為0.5 m左右。若近似地用裂縫的徑向延伸長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)鉆井液侵入深度，不妨將部分裂縫較發(fā)育井的電測(cè)資料(包括雙側(cè)向和FMI資料)和巖心裂縫分析資料進(jìn)行歸納，表1是塔中地區(qū)的裂縫徑向延伸度(L_f)與電阻率值的關(guān)系。

3．2定量計(jì)算

3．2．1基于體積模型法計(jì)算鉆井液濾液侵入深度

3．2．1．1  單一裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度的計(jì)算

鉆井液濾液對(duì)地層的侵入特征受著巖石孔隙結(jié)構(gòu)、井筒與地層之間壓力差、地層浸泡時(shí)間等3個(gè)因素的控制。其中后兩個(gè)因素主要控制侵入的深度，即鉆井液柱壓力越大，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，則侵入深度越大；但第一個(gè)因素不僅影響侵入深度，而且控制著鉆井液濾液在井壁附近的分布特征。同時(shí)，對(duì)于裂縫性砂巖地層的鉆井液侵入校正，不能像孔隙性砂巖地層那樣簡(jiǎn)單地進(jìn)行，而需要考慮儲(chǔ)層類(lèi)型和鉆井液侵入深度的影響。根據(jù)鉆井液侵入裂縫性地層的體積模型推出鉆井液侵入深度與鉆井液濾液注入量之間的關(guān)系。

1)     鉆井液濾液侵入水層。假設(shè)鉆井液濾液均勻侵入水層，而它與地層水之間沒(méi)有傳質(zhì)現(xiàn)象。其侵入深度可用下式表示：

式中I_d為鉆井液侵入深度，m；r_d為井眼半徑，m；h為滲透層厚度，m；φ _m為鉆井液侵入孔隙度平均值，小數(shù)；S_wirr為地層束縛水飽和度；為目的層段漏失的鉆井液量或射孔井段所排出的鉆井液體積數(shù)，m³。在微裂縫致密性砂巖儲(chǔ)層，鉆井液侵入的初期，S_wirr可以取0.25。如當(dāng)鉆井液濾液侵入l00 m³，h為40 m、φ_m、r_d為0.1 m時(shí)，容易算出I_d等于1.87 m。

2)     鉆井液濾液侵入油氣層。假設(shè)兩相(油和水)都不可壓縮，且忽略重力與毛細(xì)管力作用。當(dāng)鉆井液濾液侵入含油氣層時(shí)，可以用貝克萊-列維爾特驅(qū)油理論來(lái)描述侵入帶內(nèi)油氣飽和度的分布規(guī)律：

式中f_w為地層產(chǎn)水率；S_s為含水飽和度；μ_w、μ_o分別為水與油的黏度，mPa·s；K_o、K_w分別為油與水的相對(duì)滲透率，mD；a、b均為常數(shù)。

從式(2)可以看出，鉆井液濾液侵入含油氣層后某一含水飽和度面的深度與鉆井液濾液注入量、呈正比，與地層厚度、孔隙度呈反比。其中是油水相對(duì)滲透率與黏度的函數(shù)。不妨舉例說(shuō)明：當(dāng)鉆井液濾液注入油層l0 m³，油層厚度為40m，孔隙度為30％，含水飽和度為0.25時(shí)，有為0.2、r_d為0.1 m，容易按公式(2)計(jì)算出鉆井液侵入半徑為0.207 m。

3．2．1．2  網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度的計(jì)算

當(dāng)其他條件不變時(shí)，鉆井液濾液侵入地層的深度主要受泥餅滲透率和地層的孔滲特性兩方面因素的控制，這點(diǎn)與非裂縫性砂泥巖地層比較類(lèi)似^[2]，泥餅的滲透性能成了最終鉆井液濾液侵入深度的主要因素之一，從泥餅滲透過(guò)來(lái)的濾液會(huì)無(wú)阻擋地進(jìn)入地層，但在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)泥餅的濾液體積為一定值，即

由于阿爾奇公式中的膠結(jié)指數(shù)m是針對(duì)均質(zhì)地層而設(shè)計(jì)的，針對(duì)網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)下的砂巖儲(chǔ)層，m可以用可變膠結(jié)指數(shù)m^*來(lái)替代，m^*與巖石總孔隙度、次生孔隙度之間存在復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系，這里就不再冗述。這樣便可以得到裂縫性砂巖儲(chǔ)層S_w、S_xo的表達(dá)式為：

不難看出式(6)已經(jīng)消除了可變膠結(jié)指數(shù)的影響，進(jìn)一步證明了“當(dāng)其他條件不變時(shí)，鉆井液濾液侵入地層的深度主要受泥餅滲透率和地層的孔滲特性兩方面因素的控制，這點(diǎn)與非裂縫性砂泥巖地層比較類(lèi)似”的觀點(diǎn)是經(jīng)得起推敲的。再將式(6)帶入式(3)可以得到：

式中r為井眼半徑，m；K_mc為泥餅滲透率，mD；μ為鉆井液濾液黏度，mPa·s；S_w為地層含水飽和度；φ、S_w都可以根據(jù)測(cè)井資料求取；△P為鉆井液液柱壓力與原始地層壓力之間的侵入壓差，MPa；t為浸泡時(shí)間，d；n為飽和度指數(shù)；R_xo為沖洗帶電阻率，Ω·m；R_mf為鉆井液濾液電阻率，Ω·m；R_w為地層水電阻率，Ω·m；σ_t裂縫性砂巖儲(chǔ)層總的電導(dǎo)率。

考慮裂縫網(wǎng)狀裂縫的客觀規(guī)律，裂縫孔隙度(φ_f)、基塊孔隙度(φ_b)、裂縫性儲(chǔ)層的含水飽和度(S_wf)以及裂縫—孔隙性地層總的電導(dǎo)率(σ_t)、鉆井液電導(dǎo)率(σ_m)是影響鉆井液侵入共同因素，因此可以由式(7)進(jìn)一步演化得到網(wǎng)狀裂縫環(huán)境下鉆井液侵入深度的計(jì)算模型：

上式中σ_t經(jīng)常又用深側(cè)向電導(dǎo)率來(lái)代替。S_wd、S_wf分別為粒間孔隙系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)的飽和度；φ_d為粒間孔隙度；m_d為粒間孔隙系統(tǒng)的膠結(jié)指數(shù)；n_d、n_f分別為粒間孔隙系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)的飽和度指數(shù)；σ_mf為鉆井液濾液電導(dǎo)率；為裂縫孔隙撓曲度，實(shí)際資料處理時(shí)，可以視通道為簡(jiǎn)單通道，這時(shí)的=l。K_i為校正系數(shù)。當(dāng)裂縫孔隙度很小，并考慮到深側(cè)向電阻率受鉆井液混合溶液影響的條件下，可以分別得到以下的鉆井液侵入深度的求解模型：

式中σ_d、σ_s、σ_m、σ_w分別為深、淺電導(dǎo)率、鉆井液電導(dǎo)率、地層水電導(dǎo)率，Ω·m^-1。

研究表明K_τ=l～1.3，mf為裂縫孔隙度指數(shù)(隱含值為1.1)，Z為溶液混合比例系數(shù)，m^*為裂縫性砂巖可變膠結(jié)指數(shù)，與巖石次生孔隙度與總孔隙度的比值有關(guān)。

3．2．2基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算鉆井液侵入深度

就低角度裂縫而言，不妨用裂縫的徑向延長(zhǎng)深度(L_f)來(lái)近似代替鉆井液侵入深度(I_d)。對(duì)塔中多口井的15個(gè)樣本井段儲(chǔ)層參數(shù)(深淺電阻率的比值、儲(chǔ)層滲透率、裂縫孔隙度和裂縫的徑向延伸長(zhǎng)度等參數(shù)值)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，裂縫的徑向延伸長(zhǎng)度與這些單相關(guān)關(guān)系很差。同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明，裂縫的徑向延伸長(zhǎng)度受深淺電阻率比值、裂縫孔隙度等多種因素的控制，即：。以下是計(jì)算裂縫延伸的兩個(gè)統(tǒng)計(jì)回歸模型：

單一裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度的計(jì)算模型：

網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度的計(jì)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為裂縫徑向延伸長(zhǎng)度，m；R_d、R_s分別為深淺電阻率，Ω·m；K為裂縫性儲(chǔ)層總滲透率，mD；為裂縫孔隙度，％。

4  實(shí)例分析

基于上述理論和方法，結(jié)合巖心分析、測(cè)井、鉆井、地層流體測(cè)試資料，對(duì)研究工區(qū)9口井選擇水基(鹽水)鉆井液的l7個(gè)層位裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層段鉆井液侵入深度進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)表2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)17 口井用體積模型法計(jì)算的鉆井液侵入深度的平均誤差為9.33％，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算鉆井液侵入深度的平均誤差為5.82％，說(shuō)明用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算精度偏高。這主要是由于該統(tǒng)計(jì)模型是基于充分考慮本井區(qū)電阻率比值、裂縫孔隙度、裂縫滲透率等多種因素的影響而建立起來(lái)的，但從推廣看，體積模型比數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型更具有一定的通用性。表3是不同計(jì)算模型對(duì)不同裂縫類(lèi)型地層鉆井液侵入深度的計(jì)算對(duì)比分析表。不難看出，對(duì)于同一計(jì)算模型而言，對(duì)單一裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度計(jì)算精度要比網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)鉆井液侵入深度計(jì)算精度高；對(duì)不同計(jì)算模型而言，針對(duì)同一裂縫系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)模型的計(jì)算精度比體積計(jì)算模型的計(jì)算精度高。就所計(jì)算的塔中地區(qū)鉆井液侵入深度結(jié)果看，單一裂縫系統(tǒng)屬于“深—中等”侵入等級(jí)，網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)屬于“中等—淺”侵入等級(jí)。主要原因是該區(qū)的單一裂縫系統(tǒng)主要以中、低角度裂縫為主，與網(wǎng)狀裂縫相比，不容易在近井壁形成內(nèi)泥餅，導(dǎo)致其平均侵入深度要比在網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)中大。

表4是在考慮儲(chǔ)層流體性質(zhì)時(shí)兩種計(jì)算模型在不同裂縫系統(tǒng)中的計(jì)算對(duì)比分析表。同一類(lèi)型裂縫型地層，從水層→含油水層→含水油層→油層，不管是體積模型還是統(tǒng)計(jì)模型，其計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)出侵入深度是增加的，呈現(xiàn)污染或者損害增加的趨勢(shì)。在結(jié)合所選擇分析井段使用的鉆井液看，都使用的是水基(鹽水)鉆井液，不難分析出，該區(qū)9口井17個(gè)裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層段巖石均為親水巖石，若選擇油基鉆井液，鉆井液的侵入深度會(huì)大幅度降低，儲(chǔ)層受污染或損害的幾率也會(huì)降低。

5結(jié)論與建議

1)針對(duì)裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性比孔隙性砂巖強(qiáng)，鉆井液侵入深度計(jì)算難的問(wèn)題，本文所建立的模型能很好地結(jié)合地質(zhì)、鉆井、測(cè)井等客觀實(shí)際，較全面考慮地層的裂縫特性、巖性、電性、物性、含流體性質(zhì)等，給予很好地解決。計(jì)算結(jié)果對(duì)該類(lèi)儲(chǔ)層的污染評(píng)價(jià)、射孔設(shè)計(jì)以及后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中增產(chǎn)措施的決策有著極其重要的作用。

2)裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層鉆井液侵入深度的定量計(jì)算模型對(duì)比認(rèn)為，統(tǒng)計(jì)計(jì)算模型精度較高，是因?yàn)樗哂忻黠@的區(qū)域特性，但推廣性不及體積模型。建議在條件允許的情況下，充分考慮裂縫孔隙度、裂縫滲透率、地層電阻率等因素，建立適合本區(qū)的統(tǒng)計(jì)模型，有助于提高計(jì)算精度。

3)除了地層裂縫類(lèi)型會(huì)對(duì)侵入深度產(chǎn)生很大影響外，儲(chǔ)層所含流體性質(zhì)不同，地層巖石對(duì)鉆井液的敏感性程度不同，也會(huì)影響鉆井液侵入深度。建議在鉆井液的選擇上還應(yīng)該充分考慮地層巖石的敏感性特性，也減少鉆井液侵入對(duì)儲(chǔ)層的污染或損害。

參  考  文  獻(xiàn)

[1] 范翔宇，夏宏泉，陳平，等．測(cè)井計(jì)算鉆井泥漿侵入深度的新方法研究[J]．天然氣工業(yè)，2004，24(5)：68-70．

[2] 范翔宇，夏宏泉，陳平，等．鉆井液固相侵入深度的計(jì)算方法研究[J]．天然氣工業(yè)，2006，26(3)：75-77．

[3] 范翔宇，夏宏泉，陳平，等．鉆井泥漿污染儲(chǔ)層程度的測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究[J]．天然氣工業(yè)，2005，25(10)：76-78．

[4] 王業(yè)眾，康毅力，李航，等．裂縫性致密砂巖氣層暫堵性堵漏鉆井液技術(shù)[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(3)：63-65．

[5] 劉繪新，李鋒．裂縫性儲(chǔ)層井控技術(shù)體系探討[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(6)：77-80．

[6] 范翔宇．復(fù)雜鉆井地質(zhì)環(huán)境描述[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2012．

[7] 唐永，梅廉夫，唐文軍，等．裂縫性儲(chǔ)層屬性分析與隨機(jī)模擬[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32(4)：56-64．

[8] 王軍，戴俊生，季宗鎮(zhèn)．儲(chǔ)層裂縫多參數(shù)定量預(yù)測(cè)及在閔橋油田的應(yīng)用[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32(3)：51-54．

[9] 趙良孝．裂縫性碳酸巖鹽儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)出版社。l994．

本文作者：范翔宇  龔明  夏宏泉  王俊瑞  李枝林

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院