巖膏層蠕變及鉆井液配套技術研究

李茂成

長城鉆探工程有限公司物資公司，天津 300457

巖膏層蠕變及鉆井液配套技術研究

李茂成

長城鉆探工程有限公司物資公司，天津 300457

本文結合鹽膏層地質特征和鉆井過程中存在的問題，經過對鹽膏層蠕變壓力研究和鉆井液配套技術的研究，建立了南緣鹽膏層蠕動壓力模型和蠕動壓力隨時間的變化關系，繪制了塔河南緣石炭系鹽膏層鉆井液密度圖譜，開展了相應的鹽溶實驗，找出了該地區(qū)鹽膏層的鹽溶規(guī)律。并且通過鹽膏層鉆井液的配伍性正交實驗，得出了鉆井液各個性能的影響因素由大到小的順序。

巖膏層；塔河油田；鹽溶；鉆井液

塔河油田位于沙雅隆起的南部，該油田南緣鹽體分布區(qū)周邊均獲油氣發(fā)現，預示了良好的勘探前景[1,2]，是下一步油氣勘探的重要領域。鹽膏層是鹽巖（堿金屬和堿土金屬氯化物）地層和鹽膏(硫酸鹽)地層的統(tǒng)稱，鹽膏層與泥頁巖層往往交互或混雜沉積形成復合鹽膏層。同泥頁巖層一樣，鹽膏層是不穩(wěn)定巖層，會給鉆井安全生產造成極大危害。本文結合塔河油田鹽膏層的地質特征，從儲層壓力蠕變，井身結構優(yōu)化，鉆井工藝技術及完井配套技術等方面加以研究，為塔河油田南緣石炭系鹽膏層鉆井設計及施工提供了較好的理論基礎和技術方法。

1 塔河油田南緣鹽膏層地質特征及鉆井中存在的問題

1.1 塔河油田南緣鹽膏層地質特征

塔河油田南緣鹽膏層有以下特征：石炭系鹽膏層以鹽為主，鹽巖質純、埋深、厚度大；鹽膏層上、下地層均存在破漏壓力低的問題，存在抑制鹽膏層蠕動所需的高密度與地層低承壓能力之間的矛盾；以奧陶系為勘探目標，鹽下存在兩個壓力系統(tǒng)、兩種不同沉積類型和不同儲集類型的地層。

1.2 塔河油田南緣鹽膏層鉆井中存在的問題

由于鹽膏層巖石性能的特殊性，鹽膏層具有“溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損”的特點，特別是鉆開井眼后鹽膏層蠕動，常造成井眼失穩(wěn)、卡鉆、固井后擠毀套管等事故，導致井下事故頻繁、鉆井完井技術復雜[3-5]，給鉆井帶來重大經濟損失，嚴重威脅鉆井地質目的的實現。

2 塔河油田南緣鹽膏層蠕變壓力研究

2.1 塔河油田南緣鹽膏層蠕變特性分析

鹽巖蠕變隨時間關系曲線結構上類似于金屬、陶瓷和其它巖石。圖1給出了常溫、常壓下鹽巖典型蠕變曲線。它由三部分組成：(1)瞬態(tài)蠕變期，位于蠕變曲線的初始階段,該階段鹽巖蠕變應變率低；(2)穩(wěn)態(tài)蠕變期，位于蠕變曲線的第二部分，該階段蠕變應變率保持恒定；(3)加速度蠕變期，該階段蠕變應變率增加直到試樣破壞[6]。

圖1 鹽巖常規(guī)蠕變曲線

當鉆井泥漿密度不能平衡鹽層的蠕動壓力時，蠕變就發(fā)生了，現場有三種確定蠕變速率的方法：理論計算法、實鉆對比分析法和測井法。根據地層蠕變速度可以確定安全下套管時間，而且根據鹽層蠕變速度確定安全鉆井所需的泥漿密度。采用S105井的井身參數，進行不同深度、不同泥漿密度下的鹽膏層井眼縮徑率的分析，分析處理結果見圖2。

圖2 不同深度對應縮徑率下的泥漿密度譜

2.2 南緣石炭系鹽膏層蠕動壓力

通過對鹽膏層蠕變特性分析和蠕動壓力模型的篩選，以及大量三疊系鹽膏層的三軸應力實驗表明，該地區(qū)鹽膏層的蠕變與蠕動壓力之間遵守指數模型規(guī)律：。通過計算機反演技術來逼近或得到計算模型的A、n參數，再利用FLAC3D計算軟件進行計算進而獲得有關結果數據。

2.3 南緣鹽膏層蠕變速度與溶解速度的平衡

鉆井過程中，井下溫壓作用，鹽層井眼將產生縮徑變形，另一方面，由于泥漿沖刷及鹽溶解又將導致鹽巖井眼擴徑，對在某一條件下計算井眼收縮率以及在模擬井下溫壓條件下，通過室內試驗，測定鹽巖井眼變形溶解規(guī)律。通過鹽巖井眼溶解速率模擬試驗，結果表明，在給定溫度下，鹽巖溶解速率與泥漿含鹽濃度之間存在良好的對數相關關系，三種溫度下的相關關系依次為：

試驗結果進一步表明，在給定泥漿含鹽濃度下，溫度對鹽巖溶解速率的影響并非簡單的線性關系，而是存在一個臨界點，溫度在臨界點以下，泥漿含鹽濃度一定時，隨溫度的升高，鹽巖溶解速率升高；溫度在臨界點以上，泥漿含鹽濃度一定時，隨溫度的升高，鹽巖溶解速率降低。

3 鉆井液配套技術研究

鹽膏層鉆井液主要解決兩類問題：一是選擇合理的體系抑制鹽巖等的溶解、過飽和重結晶，使井眼規(guī)則和作業(yè)順利；二是選擇合理的密度，延緩鹽巖層的蠕變，保證鉆井安全，防止套管損壞。

在室內進行了處理劑的篩選，主要著眼于抗鹽抗鈣能力，雖然不能簡單地從泥漿的抗鹽抗鈣能力判斷處理劑的抗鹽抗鈣能力，但能從一定程度上反映處理劑的抗鹽抗鈣能力。通過對32種處理劑的抗鹽抗鈣實驗評價，篩選出抗鹽抗鈣能力較強的處理劑，結果如下：

(1)包被劑：抗鹽包被劑：K P AM、PAM、PHP；抗鈣包被劑PAM、80A51、PAC141;

(2)增粘劑：抗鹽增粘劑：HEC、RJF-1、XC、PAMS601、HV-CMC;

(3)抗鈣增粘劑：HV-CMC、HEC、RJT-1、XC、AT-2、PAMS601;

(4)降失水劑：

①抗鹽降失水劑：JT-888、銨鹽（抗鹽、降粘）、P AC、S J-1、L V-C M C、DFD-140、KMJ-1;

②抗鈣降失水劑：SMP-1、SMP-2、SPC、JT-888、銨鹽、SPNP-2、PAC、SJ-1(0.5%CaSO4)、KMJ-1(1%CaCl2);

(5)降粘劑：SMT、SF－1、XY－27。

在以上抗鹽抗鈣處理劑篩選實驗的基礎上，設計了鹽膏層鉆井液的配伍性正交實驗，并通過失水分析，AV分析，PV分析，YP分析，動塑比分析，確定了各因素的相對影響順序，其結果見表1。

表1 各因素的相對影響順序

在以上研究的基礎上，結合趨勢圖和成本，以及體系的抑制性、潤滑性，得出的欠飽和鹽水鉆井液配方如下：淡水+5%土+24%NaCl+3%KCl+ 0.3%KPAM +0. 5%RJT-1+ 3%DFD-140+ 1%SJ-1+2%改性瀝青+3%SMP-II+1%RH-99D(根據流變性要求選擇SMT或XY-27作為降粘劑)，其主要性能見表2。

表2 欠飽和鹽水鉆井液綜合性能

4 結論

從鹽層巖心分析入手，以室內實驗為基礎，得到了以下結論：

4.1 建立的南緣鹽膏層蠕動壓力模型和蠕動壓力隨時間的變化關系，為鹽膏層套管設計及強度校核提供了理論支撐。

4.2 繪制的塔河南緣石炭系鹽膏層鉆井液密度圖譜，為指導該地層鹽膏層的鉆井設計和安全施工提供了科學依據。

4.3 提出了鹽膏層的蠕動是應力與化學作用共同作用的結果，并開展了相應的鹽溶實驗，找出了該地區(qū)鹽膏層的鹽溶規(guī)律。提出了利用鹽溶擴徑率與鹽膏層鉆井液密度圖譜來求解鹽膏層安全鉆進所需的鉆井液密度和鹽水飽和度的方法。

4.4 通過實驗評價，篩選出抗鹽抗鈣能力較強的處理劑。在配伍性研究的基礎上，確定了鹽膏層鉆井的聚磺欠飽和鹽水鉆井液體系及合理的鉆井液密度。

4.5 在抗鹽抗鈣處理劑篩選實驗的基礎上，設計了鹽膏層鉆井液的配伍性正交實驗，得出了鉆井液各個性能的影響因素由大到小的順序。

[1]翟曉先.塔里木盆地塔河特大型油氣田勘探實踐與認識[J].石油實驗地質，2011；33(4):323～331

[2]翟曉先，云露.塔里木盆地塔河大型油氣田地質特征及勘探思路回顧[J].石油與天然氣地質,2008；28(5):565～573

[3]魯小輝，楊兆中.塔河油田鹽膏層鉆井工藝探討[J].四川文理學院學報(自然科學),2009；19(2):119～121

[4]咸恒文，王莉.淺析鹽膏層安全鉆井技術[J].內蒙古石油化工，2008；(18):62

[5]李果,楊海波.氣體介質條件下鹽膏層井段蠕變規(guī)律分析[J].天然氣技術與經濟,2011；5(4):33～35

[6]劉超,周訓耀.固井工程中鹽膏層蠕變危害分析[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2011；13(1):22～24

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.015

李茂成（1965-），男，碩士，高級工程師，主要從事鉆井技術研究工作。