玉北区块古近系膏岩层合理泥浆密度确定研究

温 伟

(中国石化集团华北石油局工程管理处，河南 郑州 450006)

玉北区块古近系膏岩层合理泥浆密度确定研究

温 伟

(中国石化集团华北石油局工程管理处，河南 郑州 450006)

玉北区块古近系盐膏层地层钻井过程中，频繁出现卡钻、挤毁套管等钻井事故，严重制约了该区块的勘探开发。通过对该区块古近系盐膏岩地层钻井复杂与事故进行统计分析，并对盐膏岩地层蠕变特性进行分析，建立了蠕变本构方程，利用有限差分软件建立了盐膏岩地层蠕变模型，计算并绘制出不同钻井液密度和不同时间条件下盐膏层蠕变量，进而确定了钻穿盐膏岩地层合理的钻井液密度，为后续该区块古近系盐膏岩地层钻井施工提供依据。

玉北区块；古近系；合理钻井液密度；盐膏岩地层；蠕变模型

玉北区块位于新疆和田市墨玉县以北，塔里木盆地塔克拉玛干沙漠西南边缘，属于塔西南坳陷麦盖提斜坡构造带，是近年来西北区块勘探开发的重点区域，自2010年7月玉北1井在奥陶系鹰山组地层的重大油气突破以来，中国石化集团公司逐步加大该区块的勘探开发力度。然而，玉北区块古近系地层盐膏层发育，易蠕变缩径，遇阻、卡钻、挤毁套管等复杂情况频繁发生，如胜和2井下钻至4394.09m遇阻，多次活动钻具无效，卡死钻具，后经泡解卡剂、爆炸松扣、打捞落鱼失败被迫回填侧钻；玉北1井二开钻至3607.00～3690.00m处上提遇卡下放严重遇阻，钻井液密度提高至1.70g/cm3，复杂情况才得以控制；玉北6井在古近系地层均发生套管变形，玉北6井因套管变形严重，不得不弃井，造成了巨大的经济损失。因此，针对玉北区块古近系地层盐膏层地层钻井难点，形成一套膏盐地层优快钻井方案具有十分重要的意义。

1 古近系地层特征概况

受燕山运动及晚白垩世海侵的影响，形成了古近系海岸碎屑岩-碳酸盐岩及蒸发岩沉积，经历了海岸潮坪→泻湖相→碳酸盐台地相→潮坪→泻湖相的演变过程[1]，玉北区块受构造和古地形限制，在古近系为泻湖相沉积。

通过对玉北区块已钻井岩性分析，井区古近系地层整体为泥膏岩湖泊相等厚互层沉积，上部为膏质泥岩、泥岩夹薄层泥膏岩、含膏白云岩；中部为石膏岩、泥膏岩夹薄层膏质泥岩；下部为膏质泥岩、含盐膏层，底部岩屑中可见少量灰白、棕红、紫红色盐岩。根据实钻岩性鉴定：石膏岩、泥膏岩颜色白、灰白色为主，主要成分为软石膏CaSO4·2H2O和硬石膏CaSO4，含少量泥质，硬度2～4，吸水膨胀性较强。泥岩、含盐膏层为灰褐、灰色，膏质含量15%～35%，膏质呈斑块状、条带状分布，且分布不均匀，吸水性、可塑性差，断口平坦状。盐岩以灰白色为主，次为棕红、紫红色，含量1%～5%，成分石盐(NaCl、少量KCl)为主，微溶于水，呈玻璃光泽，稍具咸、苦味。根据井径测井资料分析发现，各井在古近系地层均有不同程度的缩径。

2 盐膏层安全钻井液密度窗口的确定

2.1蠕变计算模型的建立

图1 计算模型力学示意图

针对玉北区块的含膏岩地层特性，采用有限边界元力学软件对该区块膏岩地层进行模拟，图1所示为计算模型建立的力学示意图，模型设计取深部地层一定厚度的蠕变岩层，由于蠕变岩层的厚度不一，取厚度为50m，上覆岩层的重量根据埋深转化为有效的竖向荷载作用于蠕变岩层上，根据不同的井深，可模拟不同埋深下蠕变岩层的蠕变情况，从而确定不同深度下的钻井液密度。井内钻井液密度对井壁变形的抑制作用转化为井内钻井液压力作用于井眼内壁。由于所研究的井壁变形是轴对称问题，计算区域选取25m×25m×50m四分之一的计算区域，井眼尺寸根据实际钻井情况确定。四分之一的计算域上表面为自由面，作用有上覆岩层的重量，下表面则受垂直于该面的竖向简支约束，前、后、左、右四表面均作用有法向约束，单元剖分采用六面体单元。

2.2蠕变地层参数的确定

为了确定盐岩层的弹性参数，利用地震层速度资料，结合该井上部层段的测井资料，提取地震特征参数进行特征压缩，建立起层速度与声波时差之间的关系模型，利用该模型对盐岩层的声波时差进行预测，并结合地层密度求得盐岩地层的弹性参数为：弹性模量E=6.9942×104MPa；泊松比μ=0.32。

玉北区块含膏岩地层蠕变模型可采用WIPP蠕变模型模拟计算(ε=Aσ-n,其中,ε表示蠕变速率；σ表示应力；A、n表示岩石的蠕变参数)。盐膏层蠕变参数通过测量已钻井的蠕动速率，并结合地应力及使用的钻井液密度，运用软件回归得到蠕变参数，玉北区块蠕变参数为A=2.83e-4，n=3.5。

2.3合理钻井液密度的确定

1)计算层位选取 统计分析了玉北区块已钻井地层资料，玉北区块古近系盐膏层主要埋深在3300～4200m，厚度在150m左右。钻井施工过程中常常引起卡钻、套管挤坏、固井管外水泥被挤走等工程事故，施工作业风险极大。造成卡钻的主要原因是现场使用的钻井液密度难以平衡蠕动压力，导致盐膏岩层发生严重缩径。为防止盐膏层缩径卡钻，计算盐膏层选取3300～4200m范围不同钻井液密度条件下的蠕变位移。

2) 盐膏层钻井液密度图谱的确定 安全钻穿盐膏层的合理钻井液密度与盐膏层所处于的应力状态有关，笔者对该区块古近系盐膏层特性及地应力分布情况进行了分析，并利用有限差分软件对该区块古近系盐膏层进行模拟计算，模型水平方向上加载非均匀地应力，通过对不同深度、不同钻井液密度作用下的蠕变岩层进行三维数字模拟，计算出不同深度、不同钻井液密度条件下盐膏层的蠕变大小，并绘制出不同埋深下盐岩井眼缩径率图谱(见图2)及不同缩径率下钻井液密度图版(见图3)。

图2 不同埋深下盐膏层井眼缩径率图谱 图3 不同缩径率下钻井液密度图版

为了在钻井过程中防止盐膏岩蠕变缩径造成卡钻事故，必须通过严格控制钻井液密度来控制古近系泥膏层的缩径率，以保证钻进安全顺利进行，另外，为保证机械钻速，钻井液密度不能太大，因此，推荐使用盐膏层缩径率为0.003m/h时对应的钻井液密度，即玉北区块古近系盐膏层层段钻井液密度为1.65～1.77g/cm3。

3 盐膏岩地层钻井液体系的确定

通过对古近系岩性分析，结合已钻井经验，造成该地层钻井施工遇阻、卡钻以及挤毁套管的主要原因是由地层岩性特征造成的[2]。当钻古近系地层时，膏岩吸附钻井液中的自由水，体积迅速膨胀，造成井眼缩径遇阻卡；另外，泥岩较硬，吸水性及可塑性差，膏岩膨胀蠕动时与其脱离，易形成掉块，造成泥岩段扩径，钻具更易受阻卡；第三，底部钾盐、钠盐易被常规钾基聚合物～钾基聚磺钻井液溶解，造成氯根、失水急剧升高，破坏了钻井液的稳定性[3]。

因此，进入二开古近系地层，钻井液转换为抑制性强、防塌效果好、抗污染能力较强的钾基聚合物-钾基聚磺钻井液[4]，并根据井内情况逐步提高钻井液密度。配合工程短起下，适当提高比重的同时调整钻井液各项性能(降低滤失量、改善泥饼质量、加大聚合物含量、加入7% KCL增加钻井液抑制性)、加足包被抑制剂，防止泥岩缩径阻卡，由于二开井眼尺寸大，裸眼段长，所钻遇的泥岩段厚，发生泥岩缩径阻卡的几率增大，施工时一方面坚持勤短起下，另一方面以基础胶液配方0.5% KPAM+5%～8% KCl +2%～3%沥青类防塌剂+1%～2% SPNH+2%～3% SMP-2按细水长流的方式来保证钻井液中包被抑制剂的充足含量。

4 现场试验

通过以上研究成果，在YB5井进行了现场试验。该井古近系地层含有泥膏岩、石膏岩以及含膏泥岩，在进入古近系前，3200～3852m井段钻井液体系转换为KCl-聚磺钻井液体系，该井段钻进期间增强体系的抑制性的同时，及时提高钻井液密度，钻进至3715m时，钻井液密度提高至1.72g/cm3，顺利钻穿古近系盐膏岩地层。

5 结 论

通过对玉北区块古近系盐膏岩地层岩性特征进行分析，并采用有限差分软件对盐膏层蠕变特征进行模拟，结合已钻井经验，得到了以下结论：

1)推荐缩径率为0.003m/h时对应的钻井液密度，即玉北区块古近系盐膏层层段钻井液密度为1.65～1.77g/cm3。

2)钻入古近系地层以后，钻井液转换为抑制性强、防塌效果好、抗污染能力较强的钾基聚合物-钾基聚磺钻井液，并根据井内情况逐步提高钻井液密度，能有效降低盐膏岩地层钻井风险。

[1]丁孝忠.塔里木盆地岩相古地理特征[M].北京:地质出版社，2001：56-59.

[2] 易浩，白彬珍，赵志国，等. 玉北地区深井快速钻井技术[J].石油钻探技术，2011,39(6)：27-30.

[3] 邓炜，赵斌.提高西北石油玉北区块钻井速度研究[J].科技创新导报，2011(14)：44-45.

[4] 杨晓冰，蔺志鹏，陈鑫，等. 土库曼斯坦南约洛坦气田复杂盐膏层钻井液技术[J].天然气工业，2011,31(7)：55-58.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.030

TE256 7

A

16731409(2012)11N09103