引言

在钻井作业过程中，过平衡条件下液柱压力大于地层压力，钻井液侵入地层，在近井壁地带会形成储层伤害带，从而极大地影响油气藏的产能，尤其在致密砂岩气藏，钻井液有时造成的伤害是致命的、难以恢复的^[1-4]，为了准确了解钻井液对储层的伤害程度，必须研究钻井液对储层伤害的深度^[5-7]。蒋官澄等^[8-9]根据实验结果，采用回归的方法建立了侵入深度与时间、孔隙度、渗透率及压差等参数的关系模型。周福建等^[10]研究了用钻井液性能参数、储层物性参数、钻井工况参数等资料预测钻井液侵入深度的模型与方法。汪伟英等^[11]建立了预测钻井液浓度随井径变化的数学模型，利用钻井液性能、地层孔渗参数及钻井数据确定钻井液的深度。钻井液的侵入会对岩芯的电阻率产生较大的影响^[12-13]，根据这一特征，可通过测井数据评价钻井液侵入深度^[14]。由于实验岩芯稀缺，实验难度较大，关于钻井液侵入深度的实验研究并不多见，尤其针对致密砂岩钻井液侵入的实验研究更是缺乏，实验结果是客观事实的真实反映^[6]，为此，以东海某储层致密砂岩为研究对象，开展了钻井液侵入深度的实验研究，利用两种方法测试并计算了一定压差条件下钻井液侵入深度，并准确评价钻井液对储层的伤害程度，从而为储层保护提供了可靠依据。

1 实验岩样

实验岩样取自XX-2井古近系渐新统花港组下段，其井深为4 604.00~4 613.49 m，地层岩性主要为砂泥岩互层，部分岩样的物性参数见表 1，实验岩样初始含水饱和度采用毛管自吸法建立^[15]。

2 钻井液侵入深度实验方法

钻井液滤液侵入岩样后会降低岩样的电阻，增强岩样的导电性，因此，测试钻井液侵入过程中岩样电阻的变化来评价钻井液的伤害深度，成为有效的室内实验评价方法^{[12-13, 16]}。另外，可以通过记录侵入岩芯的钻井液流量来评价钻井液的侵入深度，根据质量守恒定律，通过实验获得钻井液滤液最大侵入量($Q_{\max}$)，采用式(1) 计算钻井液滤液侵入深度$L_{\rm{fmax}}$^[17]

$L_{{\rm{fmax}} } π r^2 \phi \left( {1 - S_{{\rm{wo}}} } \right){\rm{ = }}Q_{\max }$

(1)

式中：

r—实验岩样半径，cm；

ϕ—孔隙度，%；

$S_{\rm{wo}}$—初始含水饱和度，无因次。

采用MFC-Ⅰ型高温高压多功能水平井伤害评价仪(图 1)，记录单位岩样长度电阻和累计侵入量随时间的变化情况，待各监测段电阻不再明显变化时停止实验。实验温度为80 ℃，围压为20 MPa、压差为3.5 MPa。通过监测单位长度岩样电阻(R)和累计侵入量(Q)随侵入时间(t)的变化情况，绘制R-t和Q-t关系曲线。

图 2为实验得到的R-t曲线。图中，R₀、R₁、R₂、R₃分别为岩样上不同的监测位置。由图可知，钻井液滤液侵入岩样的过程中，单位长度岩样的电阻表现为先快速后缓慢降低的过程，这是因为钻井液滤液侵入岩样的过程可分为两个阶段：钻井液滤液快速增大岩样总矿化度和总矿化度缓慢平衡阶段。此外，钻井液滤液侵入单位长度岩样所需时间呈增大趋势，这是因为随着钻井液滤液侵入深度($L_{\rm{f}}$)的增加，推动钻井液滤液侵入岩样的附加力($\Delta p$)逐渐减小，当$\Delta p$不能推动钻井液滤液侵入岩样时，钻井液滤液达到最大侵入深度($L_{\rm{fmax}}$)。

3 实验结果与分析

根据实验数据，岩样的R-t曲线和Q-t曲线见图 3和图 4。对图 3和图 4进行数据处理，可以得到$Q-t^{0.5}$和$L_{\rm{f}}-t^{0.5}$关系曲线，见图 5和图 6，可以看出，$Q-t^{0.5}$和$L_{\rm{f}}-t^{0.5}$呈较好的直线关系，通过实验数据分析，$L_{\rm{f}}$与t^0.5可近似为线性关系

$L_{\rm{f}} = at^{0.5} + b$

(2)

式(2) 中a与b是可由实验数据拟合得出的经验参数，若获得钻井液滤液侵入稳定时间($t_{\max}$)，则可计算出$L_{\rm{fmax}}$。为了获得钻井液滤液侵入稳定时间($t_{\max}$)，定义$Q_{\max}$满足式(3) 时，钻井液侵入时间为稳定时间，此时的侵入量为最大侵入量。

$\dfrac{{Q_{\max }^{'} |_{t_{\max } + 10} - Q_{\max } |_{t_{\max } } }}{{Q_{\max } |_{t_{\max } } }} \leqslant 2\%$

(3)

式中：$t_{\max}$—钻井液滤液侵入稳定时间，min；

$Q_{\max } |_{t_{\max } }$—$t_{\max}$对应的累计侵入量，mL；

${Q_{\max }^{'} |_{t_{\max+ 10 }}}$—$t_{\max+ 10 }$对应的累计侵入量，mL。

由式(3) 确定钻井液侵入稳定时间$t_{\max}$后，可根据式(1) 和式(2) 计算得出钻井液滤液侵入深度。

根据实验结果，拟合得到$Q-t^{0.5}$和$L_{\rm{f}}-t^{0.5}$关系的模型系数及相关性系数，见表 2和表 3。

通过式(3) 可以确定$t_{\max}$，将$t_{\max}$代入表 2各岩样Q-t^0.5曲线拟合方程，求取$Q_{\max}$，再将$Q_{\max}$和岩芯基础数据代入式(1)，计算得出体积法的$L_{\rm{fmax}}$。将$t_{\max}$代入表 3中各$L_{\rm{f}}-t^{0.5}$拟合曲线，计算得出电阻法的$L_{\rm{fmax}}$，计算结果见表 4。

从表 4可知，电阻测试法计算的花港组下段致密砂岩基块岩样钻井液侵入深度主要分布在34.00~50.00 cm，体积法计算结果为30.00~56.00 cm。可以看出，电阻测试法与体积法测试的结果较为吻合。

对岩芯侵入深度进行测试的同时，采用SCMS-CⅡ型全自动岩芯孔渗测量仪测定钻井液侵入前岩样的渗透率K₁，作为基准渗透率，然后测定钻井液侵入后岩样的渗透率K₂，利用式(4) 计算出钻井液侵入储层伤害程度，根据钻井液伤害程度评价指标^[18](表 5)，可以评价钻井液侵入后岩芯伤害程度(表 6)。由表 6可知，钻井液侵入储层后R_s为78.241%~97.877%，钻井液侵入后储层岩芯伤害程度均为强。

$R_{\rm{s}} = \dfrac{{K_1 - K_2 }}{{K_1 }} \times 100\%$

(4)

式中：$R_{\rm{s}}$—伤害程度，%。

4 结论

(1) 电阻测试法与体积法是测取钻井液侵入深度的有效方法，而电阻率法得到的钻井液侵入深度更为准确。

(2) 可以利用钻井液滤液侵入稳定时间来判断钻井液最大侵入量，从而计算出钻井液的最大侵入量。

(3) 电阻测试法计算的花港组下段致密砂岩基块岩样钻井液侵入深度主要在34.00~ 50.00 cm，而体积法计算的钻井液侵入深度结果为30.00~56.00 cm。钻井液侵入损害程度为81.50%~95.60%，平均损害程度为93.62%，钻井液侵入储层的损害程度为强。

(4) 致密砂岩气藏钻井完井液侵入基块较浅，但损害程度严重，在钻井完井作业中控制滤失与加强封堵，在后期作业中要考虑侵入深度及损害程度，选择合理解除措施。