唐 庚 趙超杰 李 軍 張 鑫 郭建華

1. 中國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)（北京）石油天然氣工程學(xué)院

0 引言

含鹽盆地與油氣藏關(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，在四川盆地東部地區(qū)分布廣泛，主要發(fā)育在寒武系、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。膏鹽巖給鉆井作業(yè)造成的困難體現(xiàn)在以下4個方面：①膏鹽巖蠕變造成卡鉆；②膏鹽巖易溶解，污染鉆井液；③膏鹽巖溶蝕造成井徑擴大；④使用高密度鉆井液時上部層組易漏。川東地區(qū)普遍存在的膏鹽層嚴(yán)重威脅了鉆井安全，降低工程作業(yè)效率，阻礙了川東地區(qū)的油氣資源勘探開發(fā)[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對鹽層鉆井進行了大量研究。李允子等[5]總結(jié)了中原區(qū)塊復(fù)合鹽層鉆井難點及技術(shù)，何立成等[6]研究了塔河區(qū)塊鹽層鉆井工藝，馮志軍等[7]總結(jié)了川東區(qū)塊膏鹽層縮徑卡鉆對策。但是目前研究區(qū)塊的膏鹽層特征與川東地區(qū)差異大，且大部分是經(jīng)驗分析與現(xiàn)場總結(jié)，沒有進行精確的實驗，沒有運用力學(xué)模型解釋膏鹽層鉆井復(fù)雜的原因。

1 膏鹽巖礦物組分特征及井壁失穩(wěn)機理分析

1.1 試驗材料與裝置

膏鹽巖樣品取自川東地區(qū)樓探1井三疊系雷口坡組、嘉陵江組、寒武系高臺組。

實驗設(shè)備采用中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室的X射線衍射儀（圖1），按照SY/T5163-2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》試驗標(biāo)準(zhǔn)進行實驗。

1.2 試驗結(jié)果

不同層組的膏鹽巖礦物組分衍射圖譜如圖2所示，礦物組分含量結(jié)果見表1～3。

由圖2可知，膏鹽巖的礦物組分主要礦物含量非常明顯，且雷口坡組與嘉陵江組膏鹽巖X衍射圖譜特征相似，2組成分一致，差異?。欢埻鯊R組含鹽巖明顯，含硬石膏相對較少。

圖1 高溫高壓巖心密封溶解裝置圖

圖2 膏鹽巖X衍射圖譜對比圖

由雷口坡組和嘉陵江組巖屑礦物組分分析試驗結(jié)果可知，2組膏鹽層鉆井巖屑以硬石膏為主，含量大部分超過50%，其余為方解石等脆性礦物，而石鹽與黏土礦物含量為0。硬石膏遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有水石膏（CaSO42H2O）。實驗室結(jié)果表明，硬石膏在非自然壓實狀態(tài)下吸水后，其軸向膨脹量為26%；若將實驗室壓制的硬石膏巖心放入飽和鹽水或飽和的CaSO4溶液中都可觀察到明顯的水化分散、解體現(xiàn)象[8-10]。

表1 雷口坡組礦物組分含量表

表2 嘉陵江組礦物組分含量表

表3 高臺組礦物組分含量表

在以石膏為主的地層中并不是單純的石膏吸水膨脹問題，而是因硬石膏吸水膨脹后這類地層表現(xiàn)的一種綜合效應(yīng)。這可從物理化學(xué)和力學(xué)方面來研究，位于井眼周圍損害帶的硬石膏吸水膨脹和分散能力比泥巖和鹽巖都要強，在與鉆井液接觸的表面上，硬石膏吸水膨脹和分散。在膏鹽巖、膏泥巖地層，尤其是石膏充填在泥巖、粉砂巖孔洞、裂隙中以及以石膏為膠結(jié)物的膏質(zhì)鹽層中，將引起掉快、垮塌等[11-14]。

這并非癡人妄語，也不是危言聳聽。歷代許多研易者提出，《易經(jīng)》64卦排序可能存在問題。他們大多只是懷疑有問題，但苦于摸不清存在問題的原因，找不到解決問題的路徑，更提不出解決問題的辦法。有的悲觀者竟然把解決問題的希望寄托于未來“出土考古的發(fā)現(xiàn)”?，F(xiàn)代有的研究者認(rèn)為自己的研究成果解決了《易經(jīng)》64卦序存在的問題，揭示了64卦序排序的奧密，但這也許是《易經(jīng)》研究歷史長河史中激起的一朵浪花！

不與鉆井液接觸的表面（非自由表面），由于很強的毛細管力和裂隙的存在，或在鉆井液密度不適應(yīng)時，井壁發(fā)生剪切破壞，井壁周圍產(chǎn)生微裂縫，這樣，井壁深處的硬石膏得以吸水，強度降低，對周圍巖石產(chǎn)生2方面的影響：①降低了圍巖的有效強度；②硬石膏吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。這2方面的影響造成鉆井液有效液柱壓力（徑向應(yīng)力）降低，從而出現(xiàn)井眼垮塌，井徑擴大的現(xiàn)象。實鉆情況表明，樓探1井在雷口坡組與嘉陵江組膏鹽層出現(xiàn)擴大現(xiàn)象，最大處井徑為設(shè)計井眼的4倍，大部分為1.5～2.0倍。

深部高臺組膏鹽層則表現(xiàn)出復(fù)合多層分布的特征，鹽層石鹽含量高，夾層以白云巖為主，硬石膏相對含量少，同樣不含黏土礦物。受鹽巖的塑性流動即蠕變影響，表現(xiàn)為井眼縮徑卡鉆。對于復(fù)合膏鹽層，隨著深度增加，蠕變速率受鹽巖成分和構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)[15-17]。溫度越高，鹽巖強度、彈性模量和剪切模量降低，泊松比增大，鹽巖晶格位錯滑移加劇，蠕變速率變大，導(dǎo)致縮徑卡鉆。

2 膏鹽層井筒數(shù)值模型

通過室內(nèi)三軸蠕變實驗可以擬合確定膏鹽巖的蠕變規(guī)律與蠕變參數(shù)，但是實驗過程中存在很多困難：①難以在室內(nèi)模擬井下的溫度和應(yīng)力狀態(tài)，使得巖心實驗與現(xiàn)場實際存在較大差別；②在埋藏深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，巖心實驗成本高，不易獲取。基于FLAC3D三維有限差分軟件,結(jié)合蠕變實驗確定的本構(gòu)參數(shù)，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)致井壁穩(wěn)定性變化規(guī)律。

基本假設(shè)條件為：①各層間界面處粘結(jié)完好，不考慮界面滑動；②鹽巖層為各向同性、均勻連續(xù)的熱彈性蠕變介質(zhì)；③井眼為規(guī)則的圓柱形井筒，鹽膏巖為板狀分布。

根據(jù)膏鹽層段的礦物組分含量特征（鹽巖70%～80%，石膏巖10%～15%，其他5%～20%）來建立模型。如圖3所示，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。

圖3 復(fù)合膏鹽層三維數(shù)值模型圖

為消除邊界效應(yīng)的影響，模型邊界取距離井眼中心10倍的井眼半徑的距離，模型幾何尺寸較井眼尺寸大得多，而工程中主要關(guān)心的是井眼處井壁的變形、位移。因此，在橫向上井眼處網(wǎng)格必須進行精細劃分，離井眼中心越遠網(wǎng)格劃分可越稀松。

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121.81MPa，鉆井液密度1.7～2.3 g/cm3。

地層巖性參數(shù)如表4所示。

表4 復(fù)合膏鹽層各巖石彈性參數(shù)表

3 模擬結(jié)果及敏感性分析

在井壁施加鉆井液靜液柱壓力（鉆井液密度1.7 g/cm3），設(shè)置計算步的時間最小為50 s，最大為4000 s，蠕變時間為24 h，可得到井壁處的位移、應(yīng)力云圖（圖4、圖5）。

圖4 復(fù)合膏鹽層井壁位移云圖

由模擬結(jié)果可知，膏鹽層段井壁處的整體位移在鉆穿24 h后達到18.02 mm，即井徑蠕變速度為1.50 mm/h，縮徑率達到0.006 h－1。

應(yīng)力作用后膏鹽巖會產(chǎn)生縮徑現(xiàn)象，且其中間部分發(fā)生的變形情況最為嚴(yán)重，靠近界面處的兩端的變形情況最小，其原因為鹽層的上部和下部位移分別受到泥巖和泥膏巖的限制。導(dǎo)致界面處應(yīng)力較大而位移相對較小，遠離界面處應(yīng)力相對較小。且鹽巖與泥巖界面處的應(yīng)力集中要比鹽巖與泥膏巖界面的應(yīng)力集中嚴(yán)重。

圖5 復(fù)合膏鹽層井壁應(yīng)力云圖

3.1 地層溫度

川東地區(qū)膏鹽巖地層溫度差異大，深部龍王廟最高可達160 ℃，而上部嘉陵江組的地層溫度僅為80 ℃。溫度對膏鹽巖蠕變速率影響很大，故分析地層溫度對膏鹽巖井筒位移與應(yīng)力的影響規(guī)律。

由圖6可以看出膏鹽層井壁位移與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，地層溫度越高井壁位移越大，高溫下（150 ℃）井徑縮徑率可以達到低溫下（50 ℃）的2倍；而不同巖性界面處的井壁應(yīng)力卻隨溫度升高而降低，這是由于高溫下膏鹽巖彈性模量與強度下降，泊松比變大，應(yīng)力得以釋放。高溫井膏鹽層的蠕變更加危險，蠕變速率更加明顯。

圖6 不同溫度下復(fù)合膏鹽層位移應(yīng)力曲線圖

3.2 鉆井液密度

調(diào)整鉆井液密度是膏鹽層安全鉆井防止井壁失穩(wěn)的重要措施。鉆井液密度大小膏鹽層性質(zhì)有很大影響，不同鉆井液密度下膏鹽層井壁應(yīng)力與位移變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同鉆井液密度下復(fù)合膏鹽層位移應(yīng)力曲線圖

隨著鉆井液密度的增加，界面處方向應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，即巖體界面處的切向方向應(yīng)力集中現(xiàn)象與鉆井液密度值呈正相關(guān)關(guān)系。而隨著鉆井液密度的增加，鹽巖的中部變形情況減弱，且在低鉆井液密度時變化更加敏感。

4 實例分析與模型驗證

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圖版（圖8）。

圖8 不同溫度、鉆井液密度下復(fù)合膏鹽層縮徑速率曲線圖

川東地區(qū)樓探1井，在高臺組鉆遇膏鹽巖、石膏層、鹽巖、白云質(zhì)膏鹽段總長597 m（井深5464～6 800 m，電測井底溫度135.8 ℃），初期使用鉆井液密度為1.7 g/cm3，根據(jù)復(fù)合膏鹽層縮徑率圖版可知，該處縮徑速率達到0.002 5/h，超出安全鉆井所允許的井眼縮徑速率為0.001 /h，需要頻繁的劃眼預(yù)防阻卡。實際作業(yè)中，在6 187～6 294 m井段縮徑最為嚴(yán)重，每趟鉆均需劃眼通過。

后期調(diào)整鉆井液密度至2.1 g/cm3，據(jù)復(fù)合膏鹽層縮徑率圖版可知，縮徑率達到0.001 2 /h，接近鉆井所允許的井眼縮徑速率為0.001 /h，即理論計算該段井壁不會嚴(yán)重縮徑。實際施工中，調(diào)整鉆井液密度后井眼縮徑現(xiàn)象消除，起下鉆過程中在膏鹽巖段均未出現(xiàn)阻卡。

所建立的膏鹽層數(shù)值模型計算結(jié)果，與川東地區(qū)樓探1井實際工況相符合，驗證了模型的正確性，所建立的縮徑速率圖版可為川東地區(qū)膏鹽層鉆井提供參考。

5 膏鹽層鉆井井壁穩(wěn)定建議

對于以鹽為主成分的層位，可采用水基欠飽和鉆井液體系，合理確定Cl-濃度，及時處理膏鹽層對鉆井液的污染，實現(xiàn)低Cl-濃度低鉆井液密度鉆井，這對于提高鉆井速度，防止上部地層漏失具有重要意義。

當(dāng)井底溫度超過120 ℃時，僅通過優(yōu)化氯根離子濃度無法控制井徑變化，推薦采用大循環(huán)路徑循環(huán)鉆井液，以期降低鉆井液污染，防止鉆井液Cl-濃度上升過快。

最重要的保障膏鹽層井壁穩(wěn)定，防止井眼縮徑卡鉆，需要根據(jù)地層溫度、膏鹽巖組分確定合適的鉆井液密度，一般而言，鹽巖為主的層位加大鉆井液密度，而對于以膏巖為主的層位可以使用低密度鉆井液。

6 結(jié)論

1）樓探1井上部層組膏鹽巖以硬石膏為主，受硬石膏吸水膨脹影響易發(fā)生井壁掉塊、井徑擴大復(fù)雜情況。而高臺組則是以鹽巖為主的復(fù)合膏鹽層，低密度鉆井液下易受鹽層蠕變影響，導(dǎo)致縮徑卡鉆。

2）建立的數(shù)值模型計算結(jié)果與樓探1井的實際工況相符合，所建立的不同溫度下鉆井液密度圖版可以為川東地區(qū)膏鹽層鉆井提供參考。

3）膏鹽層井壁位移與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，地層溫度越高井壁縮徑越嚴(yán)重；鉆井液密度增加，鹽巖的縮徑情況減弱，且在低鉆井液密度時調(diào)節(jié)鉆井液密度效果更明顯。

4）為防止膏鹽層井眼縮徑，建議合理設(shè)計鉆井液密度（考慮地層溫度與礦物組分的影響），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。