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研究院 2中國石油大學 石油天然氣工程學院·北京 3四川華油集團有限責任公司)

0 引言

含鹽盆地與油氣藏的關系密切，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，經常出現(xiàn)縮徑卡鉆、井徑擴大、上部井段漏失等復雜情況，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]。

國內外學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]、實驗模型(對數(shù)模型、冪指數(shù)模型、內變量模型)[10-12]等鹽巖蠕變本構模型，研究分析不同溫度、地應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。

實驗設備采用中國石油大學(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的質量，計算巖心的溶解速率。

1.3 試驗結果

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)化學動力學理論，膏鹽巖溶解速率主要受溶質分子離開固體表面進入溶劑和溶劑中溶質在界面重結晶兩個作用的影響。溶解初期，鉆井液中鹽離子含量低，重結晶作用弱，故膏鹽巖溶解初期溶解速率大，當鉆井液中鹽離子重結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)相關關系：

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，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,結合蠕變實驗確定的本構參數(shù)[8]，建立復合膏鹽層數(shù)值模型，可以得到非均勻地應力條件下復合膏鹽層蠕變導致的井徑縮徑率。

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，最大水平地應力為118.2 MPa，最小水平地應力為88.4 MPa，垂向地應力為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，結果如圖4所示。

表3 復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，結果如圖5所示。

圖5 雙重作用下復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?。磺译S氯離子濃度降低而變大，且兩者間呈指數(shù)關系。

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。