李茂成

長(zhǎng)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(shù)研究

李茂成

長(zhǎng)城鉆探工程有限公司物資公司，天津 300457

本文結(jié)合鹽膏層地質(zhì)特征和鉆井過(guò)程中存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)鹽膏層蠕變壓力研究和鉆井液配套技術(shù)的研究，建立了南緣鹽膏層蠕動(dòng)壓力模型和蠕動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，繪制了塔河南緣石炭系鹽膏層鉆井液密度圖譜，開(kāi)展了相應(yīng)的鹽溶實(shí)驗(yàn)，找出了該地區(qū)鹽膏層的鹽溶規(guī)律。并且通過(guò)鹽膏層鉆井液的配伍性正交實(shí)驗(yàn)，得出了鉆井液各個(gè)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(xiàn)，預(yù)示了良好的勘探前景[1,2]，是下一步油氣勘探的重要領(lǐng)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(chēng)，鹽膏層與泥頁(yè)巖層往往交互或混雜沉積形成復(fù)合鹽膏層。同泥頁(yè)巖層一樣，鹽膏層是不穩(wěn)定巖層，會(huì)給鉆井安全生產(chǎn)造成極大危害。本文結(jié)合塔河油田鹽膏層的地質(zhì)特征，從儲(chǔ)層壓力蠕變，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鉆井工藝技術(shù)及完井配套技術(shù)等方面加以研究，為塔河油田南緣石炭系鹽膏層鉆井設(shè)計(jì)及施工提供了較好的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法。

1 塔河油田南緣鹽膏層地質(zhì)特征及鉆井中存在的問(wèn)題

1.1 塔河油田南緣鹽膏層地質(zhì)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(zhì)純、埋深、厚度大；鹽膏層上、下地層均存在破漏壓力低的問(wèn)題，存在抑制鹽膏層蠕動(dòng)所需的高密度與地層低承壓能力之間的矛盾；以?shī)W陶系為勘探目標(biāo)，鹽下存在兩個(gè)壓力系統(tǒng)、兩種不同沉積類(lèi)型和不同儲(chǔ)集類(lèi)型的地層。

1.2 塔河油田南緣鹽膏層鉆井中存在的問(wèn)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(diǎn)，特別是鉆開(kāi)井眼后鹽膏層蠕動(dòng)，常造成井眼失穩(wěn)、卡鉆、固井后擠毀套管等事故，導(dǎo)致井下事故頻繁、鉆井完井技術(shù)復(fù)雜[3-5]，給鉆井帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅鉆井地質(zhì)目的的實(shí)現(xiàn)。

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(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)上類(lèi)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(xiàn)。它由三部分組成：(1)瞬態(tài)蠕變期，位于蠕變曲線(xiàn)的初始階段,該階段鹽巖蠕變應(yīng)變率低；(2)穩(wěn)態(tài)蠕變期，位于蠕變曲線(xiàn)的第二部分，該階段蠕變應(yīng)變率保持恒定；(3)加速度蠕變期，該階段蠕變應(yīng)變率增加直到試樣破壞[6]。

圖1 鹽巖常規(guī)蠕變曲線(xiàn)

當(dāng)鉆井泥漿密度不能平衡鹽層的蠕動(dòng)壓力時(shí)，蠕變就發(fā)生了，現(xiàn)場(chǎng)有三種確定蠕變速率的方法：理論計(jì)算法、實(shí)鉆對(duì)比分析法和測(cè)井法。根據(jù)地層蠕變速度可以確定安全下套管時(shí)間，而且根據(jù)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(shù)，進(jìn)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(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同深度對(duì)應(yīng)縮徑率下的泥漿密度譜

2.2 南緣石炭系鹽膏層蠕動(dòng)壓力

通過(guò)對(duì)鹽膏層蠕變特性分析和蠕動(dòng)壓力模型的篩選，以及大量三疊系鹽膏層的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)表明，該地區(qū)鹽膏層的蠕變與蠕動(dòng)壓力之間遵守指數(shù)模型規(guī)律：。通過(guò)計(jì)算機(jī)反演技術(shù)來(lái)逼近或得到計(jì)算模型的A、n參數(shù)，再利用FLAC3D計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算進(jìn)而獲得有關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.3 南緣鹽膏層蠕變速度與溶解速度的平衡

鉆井過(guò)程中，井下溫壓作用，鹽層井眼將產(chǎn)生縮徑變形，另一方面，由于泥漿沖刷及鹽溶解又將導(dǎo)致鹽巖井眼擴(kuò)徑，對(duì)在某一條件下計(jì)算井眼收縮率以及在模擬井下溫壓條件下，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定鹽巖井眼變形溶解規(guī)律。通過(guò)鹽巖井眼溶解速率模擬試驗(yàn)，結(jié)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(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，三種溫度下的相關(guān)關(guān)系依次為：

試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，在給定泥漿含鹽濃度下，溫度對(duì)鹽巖溶解速率的影響并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，而是存在一個(gè)臨界點(diǎn)，溫度在臨界點(diǎn)以下，泥漿含鹽濃度一定時(shí)，隨溫度的升高，鹽巖溶解速率升高；溫度在臨界點(diǎn)以上，泥漿含鹽濃度一定時(shí)，隨溫度的升高，鹽巖溶解速率降低。

3 鉆井液配套技術(shù)研究

鹽膏層鉆井液主要解決兩類(lèi)問(wèn)題：一是選擇合理的體系抑制鹽巖等的溶解、過(guò)飽和重結(jié)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(nèi)進(jìn)行了處理劑的篩選，主要著眼于抗鹽抗鈣能力，雖然不能簡(jiǎn)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(guò)對(duì)32種處理劑的抗鹽抗鈣實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，篩選出抗鹽抗鈣能力較強(qiáng)的處理劑，結(jié)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鹽膏層鉆井液的配伍性正交實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)失水分析，AV分析，PV分析，YP分析，動(dòng)塑比分析，確定了各因素的相對(duì)影響順序，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各因素的相對(duì)影響順序

在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合趨勢(shì)圖和成本，以及體系的抑制性、潤(rùn)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(jù)流變性要求選擇SMT或XY-27作為降粘劑)，其主要性能見(jiàn)表2。

表2 欠飽和鹽水鉆井液綜合性能

4 結(jié)論

從鹽層巖心分析入手，以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，得到了以下結(jié)論：

4.1 建立的南緣鹽膏層蠕動(dòng)壓力模型和蠕動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，為鹽膏層套管設(shè)計(jì)及強(qiáng)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(dǎo)該地層鹽膏層的鉆井設(shè)計(jì)和安全施工提供了科學(xué)依據(jù)。

4.3 提出了鹽膏層的蠕動(dòng)是應(yīng)力與化學(xué)作用共同作用的結(jié)果，并開(kāi)展了相應(yīng)的鹽溶實(shí)驗(yàn)，找出了該地區(qū)鹽膏層的鹽溶規(guī)律。提出了利用鹽溶擴(kuò)徑率與鹽膏層鉆井液密度圖譜來(lái)求解鹽膏層安全鉆進(jìn)所需的鉆井液密度和鹽水飽和度的方法。

4.4 通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，篩選出抗鹽抗鈣能力較強(qiáng)的處理劑。在配伍性研究的基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鹽膏層鉆井液的配伍性正交實(shí)驗(yàn)，得出了鉆井液各個(gè)性能的影響因素由大到小的順序。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.015

李茂成（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事鉆井技術(shù)研究工作。