鉆井液作用下膏鹽層井徑變化規(guī)律研究

唐 庚, 趙超杰, 李 軍, 張 鑫, 郭建華, 雷現(xiàn)梅

(1中石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2中國石油大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院·北京 3四川華油集團有限責(zé)任公司)

0 引言

含鹽盆地與油氣藏的關(guān)系密切，膏鹽巖層是油氣藏鉆井開發(fā)過程常見的地層[1]。膏鹽層作為非常優(yōu)質(zhì)的蓋層，在川東地區(qū)廣泛分布，發(fā)育有寒武系、中下三疊統(tǒng)[2-3]。同時受四川盆地高溫高壓環(huán)境影響，膏鹽巖表現(xiàn)出極強的蠕變特性，在頁巖氣井鉆探過程中，經(jīng)常出現(xiàn)縮徑卡鉆、井徑擴大、上部井段漏失等復(fù)雜情況，威脅鉆井安全，降低工程作業(yè)效率，嚴重阻礙了川東地區(qū)的油氣資源勘探開發(fā)[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者進行了大量膏鹽層蠕變規(guī)律研究，建立了物理模型(位錯滑移模型、位錯攀升模型、混合機制模型)[6-8]、流變模型(麥克斯韋模型、伯格斯模型、開爾文模型)[9]、實驗?zāi)Ｐ?對數(shù)模型、冪指數(shù)模型、內(nèi)變量模型)[10-12]等鹽巖蠕變本構(gòu)模型，研究分析不同溫度、地應(yīng)力及礦物組分等條件下鹽層蠕變規(guī)律。但目前的研究主要對象是巨厚鹽層，與川東地區(qū)膏鹽層組分有所差距，且主要考慮鹽巖本體的蠕變對套管外擠的影響，而忽略了前期鉆井過程中鉆井液對膏鹽巖溶解的影響。

基于此，本文進行膏鹽層巖心溶解規(guī)律試驗，研究不同因素下膏鹽巖溶解特征；結(jié)合膏鹽層蠕變特性，建立川東地區(qū)膏鹽層安全鉆井液密度圖版，分析膏鹽層井徑變化特征，并提出了適用于膏鹽層鉆井的鉆井液密度設(shè)計新方法。

1 膏鹽巖溶解規(guī)律試驗

1.1 試驗材料與裝置

膏鹽巖樣品取自四川盆地寒武系龍王廟組，礦物組分為：石鹽74.0%，硬石膏5.7%，白云石及其它非黏土礦物20.3%。密度為2.15 g/cm3，巖樣加工成長度50 mm、直徑25 mm的圓柱體，其兩端磨光，端面相互平行且垂直圓柱體的軸線。

試驗鉆井液為水基鉀聚磺鉆井液體系：基漿+0.3%KPAM+0.5%LS-2+0.5%NaOH+3%～4%MSMC+3%PHD+1%CaO+5%KCl+重晶石。

實驗設(shè)備采用中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室的巖心加壓飽和試驗裝置。

1.2 試驗方法

將巖心在低溫45℃下干燥24 h，以避免外界濕度對膏鹽巖巖樣的影響。模擬巖心井下環(huán)境保持100 MPa圍壓環(huán)境，測試不同溫度、鉆井液氯離子含量下膏鹽巖巖樣在2 h、4 h、6 h、12 h、24 h、48 h的質(zhì)量，計算巖心的溶解速率。

1.3 試驗結(jié)果

不同氯離子含量鉆井液作用下，不同溫度環(huán)境中膏鹽巖平均溶解速率如表1所示。

表1 不同溫度、Cl-含量鉆井液下膏鹽巖溶解速率表

2 膏鹽巖溶解特征分析

2.1 膏鹽巖溶解速率隨時間變化特征

膏鹽巖溶解質(zhì)量隨水基鉆井液作用時間變化規(guī)律如圖1所示。其溶解質(zhì)量在前期(10 h)變化速率快，在中后期(10～48 h)溶解速率趨于穩(wěn)定保持不變。根據(jù)化學(xué)動力學(xué)理論，膏鹽巖溶解速率主要受溶質(zhì)分子離開固體表面進入溶劑和溶劑中溶質(zhì)在界面重結(jié)晶兩個作用的影響。溶解初期，鉆井液中鹽離子含量低，重結(jié)晶作用弱，故膏鹽巖溶解初期溶解速率大，當(dāng)鉆井液中鹽離子重結(jié)晶作用與鹽溶解分散作用平衡時，溶解速率趨于穩(wěn)定。

圖1 鉆井液作用下膏鹽巖溶解曲線

2.2 不同溫度下膏鹽巖溶解速率特征

由圖2可以看出，膏鹽巖最大溶解速率溫度條件在120℃，即在低于120℃時，膏鹽巖溶解速率隨溫度升高而變大；而溫度超過120℃時，膏鹽巖溶解速率隨溫度升高而變小。

分析認為，膏鹽巖中石鹽含NaCl與KCl兩種離子，前者隨溫度升高而溶解度變大，后者則相反；故在低溫時膏鹽巖的溶解主要受NaCl離子的影響表現(xiàn)出隨溫度上升溶解速率加快，而在高溫時，KCl離子溶解作用影響明顯，膏鹽巖整體溶解速率隨溫度上升反而變小。

圖2 不同溫度下膏鹽巖溶解速率曲線

2.3 不同氯離子濃度下膏鹽巖溶解速率特征

試驗結(jié)果表明，在給定溫度下，鹽巖溶解速率與鉆井液中鹽的體積分數(shù)存在良好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系：

U=Ae(c(Cl-)/B)+C

(1)

式中:U—膏鹽巖的溶解速率，g/h;c(Cl-)—鉆井液氯離子含量，mg/L；A、B、C—擬合系數(shù)，與測試巖樣、溫度有關(guān)，見表2。

表2 不同溫度下膏鹽巖溶解速率系數(shù)表

3 膏鹽巖井徑擴大率

假設(shè)膏鹽巖厚度為1 m，則井壁處膏鹽巖的溶解速率為:

V=100UπD/S

(2)

式中:V—膏鹽巖厚度1 m時，井壁處膏鹽巖的溶解速率,g/h；U—試驗巖心溶解速率，g/h；D—井眼直徑,cm；S—巖心的表面積,cm2。

根據(jù)質(zhì)量守恒原則，可以得到井徑變化率：

(3)

k1=Δr/r1×100%

(4)

式中：ρ—膏鹽巖密度，g/cm3,r1—井眼初始半徑，cm；r2—膏鹽巖溶解1 h后的井眼半徑，cm；k1—井徑擴大率。

只考慮鉆井液溶解作用時，鉆井24 h后，?311.2 mm井眼井徑擴大率如圖3所示。

由圖3看出，鉆井液中Cl-含量越小，膏鹽層井徑擴大率越大。在120℃地層溫度，Cl-含量為30 000 mg/L時，因膏鹽巖溶解，24 h后井徑擴大率達到7.65%，不可忽略，同時通過膏鹽溶解可以改善因鹽巖蠕變造成的縮徑卡鉆。

圖3 鉆井液作用下膏鹽層井徑擴大率曲線

4 膏鹽巖井徑縮徑率

基于FLAC3D三維有限差分軟件,結(jié)合蠕變實驗確定的本構(gòu)參數(shù)[8]，建立復(fù)合膏鹽層數(shù)值模型，可以得到非均勻地應(yīng)力條件下復(fù)合膏鹽層蠕變導(dǎo)致的井徑縮徑率。

以川東地區(qū)某井龍王廟組膏鹽層為例建立模型。模型第1層為高蠕變的鹽巖，第2層為硬的泥巖，第3層為鹽巖，第4層為泥膏巖，厚度比為2∶1∶3∶1，井眼直徑311.2 mm，地層邊界與井眼直徑比值為10∶1，縱向厚度為7 m。

地層條件為：地層壓力系數(shù)1.50，最大水平地應(yīng)力為118.2 MPa，最小水平地應(yīng)力為88.4 MPa，垂向地應(yīng)力為121.81 MPa，鉆井液密度為1.7～2.3 g/cm3。

地層巖性參數(shù)如表3所示。

通過三維數(shù)值模型可以計算得到不同溫度、鉆井液密度下膏鹽層井徑縮徑速率，結(jié)果如圖4所示。

表3 復(fù)合膏鹽層各巖石彈性參數(shù)表

由圖4可以看出，只考慮膏鹽巖本體蠕變作用時，膏鹽層縮徑速率隨鉆井液密度增加而變小，且在低密度鉆井液時變化更敏感。井徑縮徑率隨溫度升高而變大，且在高溫下隨鉆井液密度增加而降低的幅度更大。

圖4 不同溫度、鉆井液密度下復(fù)合膏鹽層縮徑速率曲線

5 膏鹽蠕變與溶解雙重作用下井徑變化率

綜合考慮膏鹽巖本體蠕變與鉆井液對其的溶解作用，可以得到膏鹽層井徑變化率。

k=k2-k1

(5)

根據(jù)式(5)，基于膏鹽巖溶解實驗得到的井徑擴徑速率、數(shù)值計算得到的膏鹽層蠕變縮徑速率，可以得到不同溫度、鉆井液密度下膏鹽巖井徑變化速率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙重作用下復(fù)合膏鹽層井徑縮徑速率圖

由圖5可知，氯根離子濃度越小、溫度越低，在一定鉆井液密度下，膏鹽層井徑縮徑速率越低。且隨著溫度升高，氯根離子濃度對于膏鹽巖縮徑速率的影響變小。分析認為高溫下膏鹽巖蠕變速率快，而膏鹽巖溶解速率略有下降，故膏鹽巖蠕變作用是主導(dǎo)因素，而鉆井液氯離子含量對膏鹽巖蠕變沒有影響，故在高溫下，僅通過優(yōu)化氯根離子濃度無法控制井徑變化。

6 結(jié)論與建議

1)膏鹽巖溶解速率存在臨界溫度(120℃)，低溫下隨溫度升高而變大，高溫下隨溫度升高而變??；且隨氯離子濃度降低而變大，且兩者間呈指數(shù)關(guān)系。

2)鉆井液對膏鹽巖溶解作用下，低Cl-濃度、臨界地層溫度時膏鹽層井徑擴大率可達到9.65%(24 h)，溶解作用不可忽略。

3)膏鹽巖的溶解與蠕變雙重作用下，氯根離子濃度越小、溫度越低，膏鹽層井徑縮徑速率越小。

4)為防止膏鹽層井眼縮徑，建議使用水基欠飽和鉆井液體系，并合理優(yōu)化鉆井液Cl-濃度，及時處理膏鹽層鉆井液污染，配合大循環(huán)路徑循環(huán)鉆井液。