岩膏层蠕变及钻井液配套技术研究

李茂成

长城钻探工程有限公司物资公司，天津 300457

岩膏层蠕变及钻井液配套技术研究

李茂成

长城钻探工程有限公司物资公司，天津 300457

本文结合盐膏层地质特征和钻井过程中存在的问题，经过对盐膏层蠕变压力研究和钻井液配套技术的研究，建立了南缘盐膏层蠕动压力模型和蠕动压力随时间的变化关系，绘制了塔河南缘石炭系盐膏层钻井液密度图谱，开展了相应的盐溶实验，找出了该地区盐膏层的盐溶规律。并且通过盐膏层钻井液的配伍性正交实验，得出了钻井液各个性能的影响因素由大到小的顺序。

岩膏层；塔河油田；盐溶；钻井液

塔河油田位于沙雅隆起的南部，该油田南缘盐体分布区周边均获油气发现，预示了良好的勘探前景[1,2]，是下一步油气勘探的重要领域。盐膏层是盐岩（碱金属和碱土金属氯化物）地层和盐膏(硫酸盐)地层的统称，盐膏层与泥页岩层往往交互或混杂沉积形成复合盐膏层。同泥页岩层一样，盐膏层是不稳定岩层，会给钻井安全生产造成极大危害。本文结合塔河油田盐膏层的地质特征，从储层压力蠕变，井身结构优化，钻井工艺技术及完井配套技术等方面加以研究，为塔河油田南缘石炭系盐膏层钻井设计及施工提供了较好的理论基础和技术方法。

1 塔河油田南缘盐膏层地质特征及钻井中存在的问题

1.1 塔河油田南缘盐膏层地质特征

塔河油田南缘盐膏层有以下特征：石炭系盐膏层以盐为主，盐岩质纯、埋深、厚度大；盐膏层上、下地层均存在破漏压力低的问题，存在抑制盐膏层蠕动所需的高密度与地层低承压能力之间的矛盾；以奥陶系为勘探目标，盐下存在两个压力系统、两种不同沉积类型和不同储集类型的地层。

1.2 塔河油田南缘盐膏层钻井中存在的问题

由于盐膏层岩石性能的特殊性，盐膏层具有“溶、缩、塌、胀、漏、卡、喷、损”的特点，特别是钻开井眼后盐膏层蠕动，常造成井眼失稳、卡钻、固井后挤毁套管等事故，导致井下事故频繁、钻井完井技术复杂[3-5]，给钻井带来重大经济损失，严重威胁钻井地质目的的实现。

2 塔河油田南缘盐膏层蠕变压力研究

2.1 塔河油田南缘盐膏层蠕变特性分析

盐岩蠕变随时间关系曲线结构上类似于金属、陶瓷和其它岩石。图1给出了常温、常压下盐岩典型蠕变曲线。它由三部分组成：(1)瞬态蠕变期，位于蠕变曲线的初始阶段,该阶段盐岩蠕变应变率低；(2)稳态蠕变期，位于蠕变曲线的第二部分，该阶段蠕变应变率保持恒定；(3)加速度蠕变期，该阶段蠕变应变率增加直到试样破坏[6]。

图1 盐岩常规蠕变曲线

当钻井泥浆密度不能平衡盐层的蠕动压力时，蠕变就发生了，现场有三种确定蠕变速率的方法：理论计算法、实钻对比分析法和测井法。根据地层蠕变速度可以确定安全下套管时间，而且根据盐层蠕变速度确定安全钻井所需的泥浆密度。采用S105井的井身参数，进行不同深度、不同泥浆密度下的盐膏层井眼缩径率的分析，分析处理结果见图2。

图2 不同深度对应缩径率下的泥浆密度谱

2.2 南缘石炭系盐膏层蠕动压力

通过对盐膏层蠕变特性分析和蠕动压力模型的筛选，以及大量三叠系盐膏层的三轴应力实验表明，该地区盐膏层的蠕变与蠕动压力之间遵守指数模型规律：。通过计算机反演技术来逼近或得到计算模型的A、n参数，再利用FLAC3D计算软件进行计算进而获得有关结果数据。

2.3 南缘盐膏层蠕变速度与溶解速度的平衡

钻井过程中，井下温压作用，盐层井眼将产生缩径变形，另一方面，由于泥浆冲刷及盐溶解又将导致盐岩井眼扩径，对在某一条件下计算井眼收缩率以及在模拟井下温压条件下，通过室内试验，测定盐岩井眼变形溶解规律。通过盐岩井眼溶解速率模拟试验，结果表明，在给定温度下，盐岩溶解速率与泥浆含盐浓度之间存在良好的对数相关关系，三种温度下的相关关系依次为：

试验结果进一步表明，在给定泥浆含盐浓度下，温度对盐岩溶解速率的影响并非简单的线性关系，而是存在一个临界点，温度在临界点以下，泥浆含盐浓度一定时，随温度的升高，盐岩溶解速率升高；温度在临界点以上，泥浆含盐浓度一定时，随温度的升高，盐岩溶解速率降低。

3 钻井液配套技术研究

盐膏层钻井液主要解决两类问题：一是选择合理的体系抑制盐岩等的溶解、过饱和重结晶，使井眼规则和作业顺利；二是选择合理的密度，延缓盐岩层的蠕变，保证钻井安全，防止套管损坏。

在室内进行了处理剂的筛选，主要着眼于抗盐抗钙能力，虽然不能简单地从泥浆的抗盐抗钙能力判断处理剂的抗盐抗钙能力，但能从一定程度上反映处理剂的抗盐抗钙能力。通过对32种处理剂的抗盐抗钙实验评价，筛选出抗盐抗钙能力较强的处理剂，结果如下：

(1)包被剂：抗盐包被剂：K P AM、PAM、PHP；抗钙包被剂PAM、80A51、PAC141;

(2)增粘剂：抗盐增粘剂：HEC、RJF-1、XC、PAMS601、HV-CMC;

(3)抗钙增粘剂：HV-CMC、HEC、RJT-1、XC、AT-2、PAMS601;

(4)降失水剂：

①抗盐降失水剂：JT-888、铵盐（抗盐、降粘）、P AC、S J-1、L V-C M C、DFD-140、KMJ-1;

②抗钙降失水剂：SMP-1、SMP-2、SPC、JT-888、铵盐、SPNP-2、PAC、SJ-1(0.5%CaSO4)、KMJ-1(1%CaCl2);

(5)降粘剂：SMT、SF－1、XY－27。

在以上抗盐抗钙处理剂筛选实验的基础上，设计了盐膏层钻井液的配伍性正交实验，并通过失水分析，AV分析，PV分析，YP分析，动塑比分析，确定了各因素的相对影响顺序，其结果见表1。

表1 各因素的相对影响顺序

在以上研究的基础上，结合趋势图和成本，以及体系的抑制性、润滑性，得出的欠饱和盐水钻井液配方如下：淡水+5%土+24%NaCl+3%KCl+ 0.3%KPAM +0. 5%RJT-1+ 3%DFD-140+ 1%SJ-1+2%改性沥青+3%SMP-II+1%RH-99D(根据流变性要求选择SMT或XY-27作为降粘剂)，其主要性能见表2。

表2 欠饱和盐水钻井液综合性能

4 结论

从盐层岩心分析入手，以室内实验为基础，得到了以下结论：

4.1 建立的南缘盐膏层蠕动压力模型和蠕动压力随时间的变化关系，为盐膏层套管设计及强度校核提供了理论支撑。

4.2 绘制的塔河南缘石炭系盐膏层钻井液密度图谱，为指导该地层盐膏层的钻井设计和安全施工提供了科学依据。

4.3 提出了盐膏层的蠕动是应力与化学作用共同作用的结果，并开展了相应的盐溶实验，找出了该地区盐膏层的盐溶规律。提出了利用盐溶扩径率与盐膏层钻井液密度图谱来求解盐膏层安全钻进所需的钻井液密度和盐水饱和度的方法。

4.4 通过实验评价，筛选出抗盐抗钙能力较强的处理剂。在配伍性研究的基础上，确定了盐膏层钻井的聚磺欠饱和盐水钻井液体系及合理的钻井液密度。

4.5 在抗盐抗钙处理剂筛选实验的基础上，设计了盐膏层钻井液的配伍性正交实验，得出了钻井液各个性能的影响因素由大到小的顺序。

[1]翟晓先.塔里木盆地塔河特大型油气田勘探实践与认识[J].石油实验地质，2011；33(4):323～331

[2]翟晓先，云露.塔里木盆地塔河大型油气田地质特征及勘探思路回顾[J].石油与天然气地质,2008；28(5):565～573

[3]鲁小辉，杨兆中.塔河油田盐膏层钻井工艺探讨[J].四川文理学院学报(自然科学),2009；19(2):119～121

[4]咸恒文，王莉.浅析盐膏层安全钻井技术[J].内蒙古石油化工，2008；(18):62

[5]李果,杨海波.气体介质条件下盐膏层井段蠕变规律分析[J].天然气技术与经济,2011；5(4):33～35

[6]刘超,周训耀.固井工程中盐膏层蠕变危害分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2011；13(1):22～24

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.015

李茂成（1965-），男，硕士，高级工程师，主要从事钻井技术研究工作。