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(tuán)有限責(zé)任公司)
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(shí)受四川盆地高溫高壓環(huán)境影響,膏鹽巖表現(xiàn)出極強(qiáng)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(kuò)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(yán)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(jìn)行了大量膏鹽層蠕變規(guī)律研究,建立了物理模型(位錯(cuò)滑移模型、位錯(cuò)攀升模型、混合機(jī)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(shí)驗(yàn)?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(jìn)行膏鹽層巖心溶解規(guī)律試驗(yàn),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(jì)新方法。
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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的巖心加壓飽和試驗(yàn)裝置。
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(jì)算巖心的溶解速率。
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
膏鹽巖溶解質(zhì)量隨水基鉆井液作用時(shí)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(dòng)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(jìn)入溶劑和溶劑中溶質(zhì)在界面重結(jié)晶兩個(gè)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(shí),溶解速率趨于穩(wěn)定。
圖1 鉆井液作用下膏鹽巖溶解曲線
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(shí),膏鹽巖溶解速率隨溫度升高而變大;而溫度超過120℃時(shí),膏鹽巖溶解速率隨溫度升高而變小。
分析認(rèn)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(shí)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(shí),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
試驗(yàn)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?jǐn)?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
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(shí),井壁處膏鹽巖的溶解速率,g/h;U—試驗(yàn)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(kuò)大率。
只考慮鉆井液溶解作用時(shí),鉆井24 h后,?311.2 mm井眼井徑擴(kuò)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(kuò)大率越大。在120℃地層溫度,Cl-含量為30 000 mg/L時(shí),因膏鹽巖溶解,24 h后井徑擴(kuò)大率達(dá)到7.65%,不可忽略,同時(shí)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(kuò)大率曲線
基于FLAC3D三維有限差分軟件,結(jié)合蠕變實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí),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(shí)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
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(shí)驗(yàn)得到的井徑擴(kuò)徑速率、數(shù)值計(jì)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(rèn)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。
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(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(shí)膏鹽層井徑擴(kuò)大率可達(dá)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(shí)處理膏鹽層鉆井液污染,配合大循環(huán)路徑循環(huán)鉆井液。