復(fù)合鹽膏層井眼縮徑機(jī)理與對策分析

林海,鄧金根,許杰,謝濤,劉海龍

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室,天津 300459)

0 引言

鹽膏層井段在鉆完井過程中常發(fā)生縮徑、卡鉆、套管變形等井下事故,影響鹽下安全鉆井效率.米桑油田群位于伊拉克東南部米桑省,毗鄰伊朗邊界,包括3個在生產(chǎn)油田:Abu Ghirab,Buzurgan和Fauqi油田.Buzurgan油田為NW-SE走向的長軸背斜,下第三系的Jeribe組地層是主力儲層之一,位于Lower Fars組復(fù)合膏鹽層以下.在鉆進(jìn)Lower Fars地層過程中,井下復(fù)雜問題多,根據(jù)巖性錄井、測井?dāng)?shù)據(jù)分析,該地層主要為復(fù)合鹽膏層.復(fù)合鹽膏層以鹽膏巖和軟泥巖交替沉積為主,由于鹽膏巖和軟泥巖具有塑性流動和蠕變的性質(zhì),容易導(dǎo)致復(fù)合鹽膏層的井眼縮徑[1].

根據(jù)唐繼平等[2-3]的研究,復(fù)合鹽膏層井眼縮徑的原因可能包括鹽膏層蠕變、軟泥巖水化分散產(chǎn)生的厚濾餅、軟泥巖水化膨脹、鉆井液大量失水產(chǎn)生的厚濾餅和高構(gòu)造應(yīng)力等.根據(jù)李允子等[4]對中原油田復(fù)合鹽膏層的研究,井眼縮徑主要是由于鹽巖蠕變,而泥巖地層主要發(fā)生井壁坍塌,因此需要提高鉆井液密度抗衡鹽巖蠕變和泥頁巖坍塌.余福春[5]研究認(rèn)為,復(fù)合鹽膏層井眼縮徑除了鹽巖蠕變外,還包括軟泥巖蠕變和石膏吸水膨脹,并且軟泥巖蠕變只能通過劃眼消除.為了控制復(fù)合鹽膏層蠕變縮徑,樊艷芳等[6-7]建議采用高密度、低固相的強(qiáng)抑制性鉆井液.曾德智等[8-9]利用有限元方法對鹽巖和砂泥巖互層的復(fù)合鹽膏層井眼蠕變縮徑進(jìn)行了數(shù)值模擬,但是沒有考慮砂泥巖的蠕變問題.唐立強(qiáng)等[10]對砂泥巖互層的泥巖蠕變問題進(jìn)行了數(shù)值模擬.竇金濤等[11]建立了常見蠕變模型的積分型本構(gòu)方程,并以此較好地預(yù)測井下鹽膏層的蠕變規(guī)律.鄧金根等[12-13]對均勻地應(yīng)力條件下的控制鹽巖蠕變的鉆井液密度進(jìn)行了大量研究.

在非均勻地應(yīng)力和考慮鹽巖與軟泥巖互層蠕變相互影響的條件下,對于控制井眼縮徑的合理鉆井液密度的確定方法的研究還比較少.因此,在分析Lower Fars 3種地層的蠕變特性的基礎(chǔ)上,揭示復(fù)合鹽膏層井眼縮徑機(jī)理,并提出鉆井液改進(jìn)對策,對解決復(fù)合鹽膏層井眼縮徑問題具有重要的理論意義和參考價值.

1 復(fù)合鹽膏層力學(xué)特性

對Buzurgan油田L(fēng)ower Fars組地層的泥巖、硬石膏和鹽巖分別進(jìn)行強(qiáng)度實驗、蠕變實驗、礦物組分分析實驗和水化實驗,從而得到復(fù)合鹽膏層的力學(xué)參數(shù).實驗巖心取自井深2 581～2 586 m和2 853 m的全尺寸巖心,加工成直徑25 mm的圓柱形試樣.由于泥巖巖心在露天環(huán)境中放置時間較長,內(nèi)部流體已經(jīng)散失.而測井?dāng)?shù)據(jù)顯示,由于欠壓實導(dǎo)致地層水無法正常排出,真實地層條件下該地層泥巖含水率在5%～10%,因此,將天然泥巖泡水后進(jìn)行蠕變實驗.實驗設(shè)備采用MTS-816巖石強(qiáng)度測試儀,實驗溫度恒定為100℃,由于巖心數(shù)量有限,采用多級加載方式進(jìn)行蠕變實驗,每輪蠕變時間在35～40 h.

1.1 強(qiáng)度與變形特性

表1是天然泥巖(未泡水)、水化泥巖(泡水后)、硬石膏和鹽巖的抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果.單軸條件下,泥巖和鹽巖都屬于低強(qiáng)度巖石,而硬石膏屬于中高強(qiáng)度巖石.同時,泥巖和硬石膏都具有很強(qiáng)的脆性,單軸強(qiáng)度破壞時軸向應(yīng)變僅分別為0.6%和0.4%,硬石膏殘余應(yīng)力迅速消失,但是鹽巖塑性較為明顯,單軸強(qiáng)度破壞時軸向應(yīng)變達(dá)到2.5%.在圍壓條件下,泥巖、鹽巖和硬石膏的塑性都明顯增強(qiáng),泥巖30 MPa圍壓下破壞時軸向應(yīng)變大于5.0%,而鹽巖30 MPa圍壓下沒有明顯破壞點,僅發(fā)生塑性變形.圍壓為60 MPa時,硬石膏僅發(fā)生了塑性應(yīng)變,沒有明顯的破壞.

表1 復(fù)合鹽膏層抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果

1.2 蠕變特性

表2是天然泥巖、水化泥巖、硬石膏和鹽巖的蠕變實驗結(jié)果.硬石膏蠕變性質(zhì)很弱,在軸向應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度的83%時,穩(wěn)態(tài)縮徑速率僅為2.702X10-6h-1.鹽巖單軸條件下穩(wěn)態(tài)縮徑速率不高,在12 MPa偏應(yīng)力時僅為5.310X10-6h-1,隨著偏應(yīng)力增大,穩(wěn)態(tài)縮徑速率增大,但是縮徑速率不高.該鹽巖密度在2.15～2.24 g/cm3,而純鹽巖的密度一般低于2.10 g/cm3,說明鹽巖中很可能混入了硬石膏,導(dǎo)致鹽層蠕變性質(zhì)變差.

雖然失水后天然泥巖的穩(wěn)態(tài)縮徑速率略低于鹽巖,但是在單軸條件下,水化泥巖穩(wěn)態(tài)縮徑速率隨著含水率增大而增大.當(dāng)含水率達(dá)到3.34%時,泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變縮徑速率已經(jīng)超過鹽巖;當(dāng)含水率達(dá)到5.53%時,10 MPa偏應(yīng)力條件下,泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變縮徑速率可達(dá)到17.97X10-6h-1.這是因為泥巖內(nèi)的黏土礦物吸水后,改變了黏土礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其內(nèi)聯(lián)的黏聚力和強(qiáng)度迅速降低,表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變特性.

表2 復(fù)合鹽膏層蠕變實驗結(jié)果

1.3 水化特性

對硬石膏分別進(jìn)行浸泡鉆井液和未浸泡鉆井液的抗壓強(qiáng)度實驗,圖1為硬石膏浸泡前后強(qiáng)度對比.在單軸條件下,浸泡鉆井液后的硬石膏強(qiáng)度降低幅度小,為15%～21%;在高圍壓條件下,硬石膏強(qiáng)度基本沒有降低,降幅僅為5%,說明硬石膏水化性質(zhì)弱.

抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果顯示,泡水后的泥巖強(qiáng)度隨著含水率的增大而降低.同時,天然泥巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果顯示,黏土礦物僅為14.2%～15.6%,伊蒙混層為65.0%～71.0%,混層中蒙脫石為34.0%～35.0%,不含純蒙脫石.雖然黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高,但是伊蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,說明泥巖具有一定的水化性質(zhì).

圖1 硬石膏浸泡前后強(qiáng)度對比

2 井眼縮徑數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

實驗結(jié)果表明,Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層中含水泥巖蠕變特性最強(qiáng),其次是鹽巖,硬石膏基本不發(fā)生蠕變,并且硬石膏水化能力弱,基本不對井眼縮徑產(chǎn)生影響.因此,本文僅研究鹽巖-軟泥巖-鹽巖復(fù)合鹽膏層的井眼縮徑問題.建立了三維數(shù)值模型,根據(jù)Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層的沉積特點,鹽層厚度和軟泥巖層厚度均為4 m,模型總厚度為12 m,井深為2 580 m,井眼尺寸為320 mm.在實際計算過程中,當(dāng)為直井井眼時,由于井眼受力的對稱性,采用1/4模型進(jìn)行研究.圖2為鹽層-軟泥巖-鹽層復(fù)合鹽膏層的三維幾何模型.

圖2 鹽層-軟泥巖-鹽層幾何模型

2.2 初始條件和邊界條件

2.2.1 初始條件

地層在實際情況下受上覆巖層壓力、最大和最小水平主應(yīng)力三向初始地應(yīng)力的作用,泥巖層中存在孔隙壓力.根據(jù)Buzurgan油田的地溫梯度和構(gòu)造特點,地層溫度為100℃,上覆巖層壓力為62.46 MPa,水平最大地應(yīng)力為62.20 MPa,水平最小地應(yīng)力為60.65 MPa,泥巖層中初始地層孔隙壓力為26.00 MPa.

2.2.2 邊界條件

在模型水平外邊界處分別施加最小和最大水平地應(yīng)力,即

式中:σx為模型x方向上外邊界處的應(yīng)力,MPa;σy為模型y方向上外邊界處的應(yīng)力,MPa.

對于模型上下邊界的水平面,約束法向位移,即認(rèn)為井眼受力滿足平面應(yīng)變假設(shè).

對于軟泥巖和鹽膏層的交界面,認(rèn)為軟泥巖和鹽膏巖蠕變后在界面處不發(fā)生滑脫,即界面處位移連續(xù).

2.3 蠕變本構(gòu)方程

根據(jù)實驗結(jié)果,可以利用Heard模型表征該地層鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)方程[14-16]:

鹽巖彈性模量為6.64 GPa,泊松比為0.335,根據(jù)蠕變實驗數(shù)據(jù),利用式(3)進(jìn)行最小二乘法回歸,確定出該鹽巖蠕變參數(shù):A=0.559 5,B=0.022 68,Q=10 550 J/mol.

不考慮靜水壓力產(chǎn)生的蠕變,并假設(shè)蠕變不產(chǎn)生擴(kuò)容,泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)方程用冪指數(shù)形式表示為

其中

根據(jù)水化泥巖的含水率值和蠕變試驗曲線,利用式(3)中的蠕變本構(gòu)關(guān)系,通過回歸可以得到軟泥巖的蠕變參數(shù):A=1.25X10-12,N=1.60,η=6.40X1018.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究鉆井液密度對復(fù)合鹽膏層井眼縮徑的影響,給鉆井設(shè)計提供有力參考,分別取鉆井液密度為2.20,2.25,2.30,2.35 g/cm3,對復(fù)合鹽膏層的蠕變進(jìn)行數(shù)值模擬計算,模擬時間為36 h.

3.1 復(fù)合鹽膏層的井徑變化

令鉆井液密度為2.25 g/cm3,計算鉆開井眼36 h后2 474～2 586 m井深范圍內(nèi)復(fù)合鹽膏層的近井變化,圖3為鉆開井眼36 h后的位移云圖.

圖3 鉆開井眼36 h后的位移云圖

為了更清楚地表示井徑在垂向上的變化,繪制井徑隨井深的變化情況(見圖4).

圖4 復(fù)合鹽膏層井徑隨井深的變化

由圖4可見,井眼蠕變前的井徑為320.0 mm,當(dāng)鉆井液密度為2.25 g/cm3時,鉆開井眼36 h后,無論是泥巖層還是鹽層井徑都變小,但是井徑縮小的程度不同,鹽層井徑變?yōu)?14.0 mm,井眼縮徑率為1.88%,軟泥巖層井徑變?yōu)?57.8 mm,井眼縮徑率為19.40%,軟泥巖層的井眼縮徑率為鹽層的10倍以上.可見,對于Buzurgan油田L(fēng)ower Fars組的復(fù)合鹽膏層,軟泥巖的縮徑速率要大于鹽層的縮徑速率,鉆井時應(yīng)主要關(guān)注軟泥巖的井眼縮徑問題,只要控制了軟泥巖層的縮徑問題,那么鹽層的蠕變也就得到了相應(yīng)的控制.

3.2 縮徑速率與井斜角和方位角的關(guān)系

由于2個水平地應(yīng)力不同,因此,井眼鉆開后的應(yīng)力狀態(tài)也不相同,這將影響井眼縮徑速率的大小.設(shè)定圓周角0°與最大地應(yīng)力方位一致,為了研究軟泥巖層不同井眼方位角處縮徑速率的變化,令鉆井液密度為2.25 g/cm3,圖5為不同井眼方位角的井眼縮徑速率.

圖5 不同井眼方位下的井眼縮徑速率

由圖5可見,不同井斜條件下,井眼周圍不同位置處的井眼縮徑速率并不相同.當(dāng)井周角為0°時,對應(yīng)的是最大地應(yīng)力方位,此時的井眼縮徑速率最低;當(dāng)井周角為90°時,對應(yīng)的是最小地應(yīng)力方位,此時的井眼縮徑速率最高.井斜角為30°時,最大地應(yīng)力方位的井眼縮徑速率為0.003 4 h-1,最小地應(yīng)力方位時的井眼縮徑速率為0.005 4 h-1,縮徑后形成的井眼不再是圓形井眼,而類似于橢圓形井眼.隨著井斜角增加,井眼縮徑速率相對降低,在鹽膏巖井段造斜時應(yīng)優(yōu)化井眼軌跡設(shè)計,避免在井斜角較小時進(jìn)行扭方位,降低井眼縮徑卡鉆的風(fēng)險.

3.3 不同鉆井液密度下井眼縮徑速率隨時間的變化

設(shè)計鉆井液密度分別為2.25,2.30,2.35 g/cm3,取各層中部深度點處的數(shù)據(jù),計算井眼平均縮徑速率(最大和最小地應(yīng)力方位縮徑速率平均值)隨時間的變化.圖6、圖7分別為軟泥巖層和鹽膏層的井眼縮徑速率隨時間的變化.

圖6 軟泥巖層井眼縮徑速率隨時間的變化

圖7 鹽膏層井眼縮徑速率隨時間的變化

由圖6、圖7可見,鉆井液密度越低,井眼縮徑速率越大,且軟泥巖的縮徑速率大于鹽膏層的.鉆井液密度分別為2.25,2.30,2.35 g/cm3時,軟泥巖層穩(wěn)定后井眼縮徑速率分別為0.004 3,0.002 3,0.000 3 h-1;鹽膏層穩(wěn)定后的井眼縮徑速率分別為0.000 5,0.000 2,0.000 1 h-1.當(dāng)鉆井液密度較低時,鉆開短時間內(nèi)鹽巖層井眼縮徑速率很高,隨著井眼鉆開時間不斷增大,井眼縮徑率不斷減小并趨于平穩(wěn),說明井眼處于穩(wěn)定縮徑階段.可見鉆井液密度對井眼蠕變的影響很大.

3.4 復(fù)合鹽膏層井眼縮徑安全鉆井密度圖版

通過蠕變實驗和數(shù)值分析,繪制控制鹽膏層井眼縮徑的安全鉆井液密度圖版.鉆井現(xiàn)場,通常以井眼縮徑速率為a=0.001 0 h-1作為井眼縮徑速率上限[17](見圖 8、圖 9).

對于鹽膏層來說,鉆井液密度超過2.15 g/cm3,井眼的縮徑速率均小于0.001 0 h-1,因此2.25,2.30,2.35 g/cm33個鉆井液密度均滿足要求.但對于軟泥巖層,只有鉆井液密度為2.32 g/cm3時才滿足鉆井要求.因此,綜合分析可見,為了保證Buzurgan油田的復(fù)合鹽膏層井眼順利鉆穿,鉆井液密度應(yīng)不低于2.35 g/cm3.

圖8 鹽膏層蠕變安全鉆井液密度圖版

圖9 軟泥巖蠕變安全鉆井液密度圖版

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在同等鉆井液密度條件下,鹽巖夾層中軟泥巖井眼縮徑速率高于鹽巖地層,所以軟泥巖蠕變是造成Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層井眼縮徑的主要原因.因此,復(fù)合鹽膏層安全鉆井的首要條件是根據(jù)復(fù)合鹽膏層蠕變規(guī)律,確定合理的鉆井液密度,有效控制鹽巖和軟泥巖的蠕變縮徑,這與前人的認(rèn)識是基本一致的.

4 井眼縮徑技術(shù)對策

4.1 優(yōu)化鉆井液性能

考慮到復(fù)合鹽膏層的物理和力學(xué)特性,需要優(yōu)化鉆井液性質(zhì)才能保持井壁穩(wěn)定[18-20].力學(xué)實驗表明,軟泥巖的縮徑速率隨著含水率的增大而增大,而Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層存在高礦化度的高壓鹽水,前期鉆井使用的飽和鹽水氯化鉀聚合物鉆井液礦化度低于地層水,導(dǎo)致鉆井液中的自由水向地層滲流,加重了軟泥巖地層的蠕變.因此,提高鉆井液的礦化度、降濾失性和封堵性,抑制鉆井液濾液和自由水向地層滲流,避免軟泥巖蠕變縮徑和厚泥餅造成的井眼縮徑,是復(fù)合鹽膏層井眼安全鉆井的重要保證之一.

另一方面,為了防止Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層的鹽巖溶解和泥巖水化導(dǎo)致井壁坍塌,應(yīng)該保持鉆井液的水化抑制性和較高的氯根含量飽和度.

4.2 采用適當(dāng)?shù)你@井工藝

復(fù)合鹽膏層要順利鉆井也必須配套合適的鉆井工藝[5],當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆時明顯加快時,應(yīng)密切注意轉(zhuǎn)盤扭矩、泵壓的變化和返出巖屑的變化,連續(xù)鉆入快鉆時地層,不允許超過0.5 m,就應(yīng)把鉆頭提離井底2 m以上劃眼,證實無阻卡、無憋泵后,才可以恢復(fù)鉆進(jìn).發(fā)現(xiàn)任何縮徑的井段都要進(jìn)行短程起鉆至復(fù)合鹽膏層頂部,以驗證鉆頭能否通過.鉆穿復(fù)合鹽膏層,應(yīng)短起至套管內(nèi),靜止一段時間,再通井觀察其蠕變情況,檢查鉆井液密度是否合適.

5 結(jié)論

1)根據(jù)室內(nèi)試驗確定了Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層的巖石力學(xué)特征,硬石膏水化和蠕變性能都很弱,鹽巖縮徑速率不高,泥巖縮徑速率隨著含水率增大而增大,甚至高于鹽巖,同時泥巖具有一定的水化能力.

2)建立了鹽膏層-軟泥巖-鹽膏層FLAC3D復(fù)合鹽膏層模型.結(jié)果表明,在同等鉆井液密度條件下,鹽巖夾層中軟泥巖井眼縮徑速率高于鹽膏層井眼,軟泥巖蠕變是造成Buzurgan油田復(fù)合鹽膏層井眼縮徑的主要原因.

3)水平地應(yīng)力的不同將影響不同井周角處井眼鉆開后的應(yīng)力狀態(tài),從而影響井眼縮徑速率.研究表明,水平最小地應(yīng)力方位的井眼縮徑速率高于水平最大地應(yīng)力方位井眼.

4)為了控制復(fù)合鹽膏層的井眼縮徑,鉆井液密度應(yīng)不低于2.35 g/cm3.除了選擇合理的鉆井液密度外,還需要提高鉆井液的礦化度、降濾失性和封堵性,抑制泥巖的蠕變,同時還應(yīng)該保持鉆井液的水化抑制性和較高的氯根含量飽和度,抑制鹽巖溶解和泥巖水化,鉆井過程中做到勤劃眼和及時檢查.