钻井泥浆侵入一直是困扰油气田勘探开发的难题,泥浆滤液与细小颗粒的侵入改变了井周储层的原始状态,给储层测井评价造成困难。随着国内低孔渗油气藏勘探开发的不断深入,低孔渗砂岩储层的泥浆侵入规律和侵入特征也备受关注。由于低孔渗砂岩储层物性差、孔喉半径小、非均质性强,受泥浆侵入的影响也更复杂,因此研究低孔渗砂岩的数值模拟和物理模拟实验方法,对揭示低孔渗砂岩储层泥浆侵入机理,对提高低孔渗油气藏勘探开发成功率,优化泥浆性能和保护储层产能都具有重要意义。利用有限差分方法实现了低孔渗砂岩储层的泥浆侵入数值模拟,着重分析储层孔隙度、渗透率,压差,泥饼渗透率和侵入时间对泥浆侵入的影响,深化了对泥浆侵入主要影响因素的认识,为设计泥浆侵入物理模拟实验参数提供理论指导;通过泥浆侵入数值模拟确定了泥浆侵入物理模拟实验装置关键参数:地层模块厚度0.1m,径向长度≥0.5m。在攻克大尺寸样品模块饱和加压、侵入室设计、泥浆侵入装置密封保压和泥浆侵入全过程实时动态监测等关键技术的基础上,设计并制造了一套地层模块泥浆侵入多功能物理模拟系统,实现了复杂钻井条件下的泥浆侵入实验模拟,实验中实时采集的地层压力、电阻、滤失流量数据为研究低孔渗泥浆侵入机理及侵入特征提供充足信息。提出波及范围假设法,将泥浆滤液流经地层模块电极位置分为侵入前、侵入中、侵入后三种状态,在不同状态下分别计算上下正对电极对应的波及范围,再使用电阻测量数据计算地层模块的径向电阻率分布,利用电阻率分布数据确定泥浆滤液到达径向各电极的侵入时间,通过侵入深度-侵入时间交会图揭示泥浆滤液侵入的动态过程。实验中采集的地层压力数据虽不能反映泥浆滤液的侵入深度信息,却能反映泥浆滤液滤失流量的快慢。由于地层模块孔隙流体及孔隙空间的微可压缩性,采集的滤失流量数据能够间接反映井壁处泥浆滤液的侵入速率,对了解泥浆配方的滤失性能、护壁性能有直接帮助。利用地层模块泥浆侵入多功能物理模拟系统进行不同条件下的泥浆侵入模拟实验,结合泥浆侵入数值模拟结果,得到以下几点认识:泥浆侵入内部影响因素包括储层孔隙度、渗透率、非均质性等,外部影响因素包括泥浆压差、泥浆性能(粘度、滤失性能、固液比例等)、泥浆水动力环境、侵入时间等。侵入过程中,泥饼的形成是一动态过程,侵入初期,泥饼逐渐形成,泥饼表面固体颗粒的沉淀速率>冲蚀速率,其厚度增加,而孔隙性、渗透性降低,泥浆侵入中后期,泥饼表面固体颗粒的沉淀速率≈冲蚀速率,达到动态平衡,泥饼性质也趋于稳定,计算表明低渗透泥饼有效延缓了泥浆滤液的持续侵入。泥浆侵入初期,低孔渗砂岩储层泥浆侵入速度比中高孔渗砂岩储层慢,泥浆侵入中后期,低孔渗砂岩储层泥浆侵入速度比中高孔渗砂岩储层快,泥饼形成快慢导致的泥饼渗透率差异是产生该现象的直接原因。相同砂岩储层,泥浆压差越大,泥浆滤液侵入速度越快。泥浆侵入初期,由于泥浆中的高分子聚合物和粘土细颗粒的侵入,侵入时间越长,砂岩储层渗透率损伤率越大;泥饼形成并稳定后,砂岩储层渗透率损伤率停止增长;压差越大,砂岩储层渗透率损伤率越大。虽然低孔渗砂岩储层孔隙半径小,高分子聚合物和粘土细颗粒侵入深度浅,渗透率损伤率小,但低孔渗砂岩储层的原始渗透率比中高孔渗砂岩储层要小2~3个数量级,因此低孔渗砂岩储层的产能受泥浆侵入影响更严重。因此优化钻井泥浆的滤失性能、在钻井安全范围内降低压差、提高钻井施工效率缩短钻井时间是降低泥浆侵入影响的有效措施。