林海,鄧金根,許杰,謝濤,劉海龍

(1.中國石油大學(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組復合膏鹽層以下.在鉆進Lower Fars地層過程中,井下復雜問題多,根據(jù)巖性錄井、測井數(shù)據(jù)分析,該地層主要為復合鹽膏層.復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),容易導致復合鹽膏層的井眼縮徑[1].

根據(jù)唐繼平等[2-3]的研究,復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]研究認為,復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合鹽膏層井眼蠕變縮徑進行了數(shù)值模擬,但是沒有考慮砂泥巖的蠕變問題.唐立強等[10]對砂泥巖互層的泥巖蠕變問題進行了數(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,揭示復合鹽膏層井眼縮徑機理,并提出鉆井液改進對策,對解決復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 復合鹽膏層力學特性

對Buzurgan油田Lower Fars組地層的泥巖、硬石膏和鹽巖分別進行強度實驗、蠕變實驗、礦物組分分析實驗和水化實驗,從而得到復合鹽膏層的力學參數(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.而測井數(shù)據(jù)顯示,由于欠壓實導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行蠕變實驗.實驗設(shè)備采用MTS-816巖石強度測試儀,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行蠕變實驗,每輪蠕變時間在35～40 h.

1.1 強度與變形特性

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度實驗結(jié)果.單軸條件下,泥巖和鹽巖都屬于低強度巖石,而硬石膏屬于中高強度巖石.同時,泥巖和硬石膏都具有很強的脆性,單軸強度破壞時軸向應(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,單軸強度破壞時軸向應(yīng)變達到2.5%.在圍壓條件下,泥巖、鹽巖和硬石膏的塑性都明顯增強,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 復合鹽膏層抗壓強度實驗結(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.當含水率達到3.34%時,泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變縮徑速率已經(jīng)超過鹽巖;當含水率達到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)的黏聚力和強度迅速降低,表現(xiàn)出較強的流變特性.

表2 復合鹽膏層蠕變實驗結(jié)果

1.3 水化特性

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

抗壓強度實驗結(jié)果顯示,泡水后的泥巖強度隨著含水率的增大而降低.同時,天然泥巖礦物質(zhì)量分數(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)量分數(shù)不高,但是伊蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分數(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油田復合鹽膏層中含水泥巖蠕變特性最強,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,當為直井井眼時,由于井眼受力的對稱性,采用1/4模型進行研究.圖2為鹽層-軟泥巖-鹽層復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,對復合鹽膏層的蠕變進行數(shù)值模擬計算,模擬時間為36 h.

3.1 復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Lower Fars組的復合鹽膏層,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行扭方位,降低井眼縮徑卡鉆的風險.

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油田復合鹽膏層井眼縮徑的主要原因.因此,復合鹽膏層安全鉆井的首要條件是根據(jù)復合鹽膏層蠕變規(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

考慮到復合鹽膏層的物理和力學特性,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油田復合鹽膏層的鹽巖溶解和泥巖水化導致井壁坍塌,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?shù)你@井工藝

復合鹽膏層要順利鉆井也必須配套合適的鉆井工藝[5],當發(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,才可以恢復鉆進.發(fā)現(xiàn)任何縮徑的井段都要進行短程起鉆至復合鹽膏層頂部,以驗證鉆頭能否通過.鉆穿復合鹽膏層,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油田復合鹽膏層的巖石力學特征,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.