川東地區(qū)膏鹽層井壁失穩(wěn)數(shù)值模擬

唐 庚 趙超杰 李 軍 張 鑫 郭建華

1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2. 中國(guó)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(kāi)發(fā)過(guò)程常見(jiàn)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(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。膏鹽巖給鉆井作業(yè)造成的困難體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①膏鹽巖蠕變?cè)斐煽ㄣ@；②膏鹽巖易溶解，污染鉆井液；③膏鹽巖溶蝕造成井徑擴(kuò)大；④使用高密度鉆井液時(shí)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(kāi)發(fā)[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鹽層鉆井進(jìn)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(diǎn)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(duì)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(yàn)分析與現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)，沒(méi)有進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有運(yùn)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(jī)理分析

1.1 試驗(yàn)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(tái)組。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiàn)非黏土礦物X射線衍射分析方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)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(jiàn)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??；而龍王廟組含鹽巖明顯，含硬石膏相對(duì)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(duì)比圖

由雷口坡組和嘉陵江組巖屑礦物組分分析試驗(yàn)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(guò)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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有水石膏（CaSO42H2O）。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，硬石膏在非自然壓實(shí)狀態(tài)下吸水后，其軸向膨脹量為26%；若將實(shí)驗(yàn)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(tái)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(wèn)題，而是因硬石膏吸水膨脹后這類(lèi)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(lái)研究，位于井眼周?chē)鷵p害帶的硬石膏吸水膨脹和分散能力比泥巖和鹽巖都要強(qiáng)，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(yǔ)，也不是危言聳聽(tīng)。歷代許多研易者提出，《易經(jīng)》64卦排序可能存在問(wèn)題。他們大多只是懷疑有問(wèn)題，但苦于摸不清存在問(wèn)題的原因，找不到解決問(wèn)題的路徑，更提不出解決問(wèn)題的辦法。有的悲觀者竟然把解決問(wèn)題的希望寄托于未來(lái)“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(wèn)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(zhǎng)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(qiáng)的毛細(xì)管力和裂隙的存在，或在鉆井液密度不適應(yīng)時(shí)，井壁發(fā)生剪切破壞，井壁周?chē)a(chǎn)生微裂縫，這樣，井壁深處的硬石膏得以吸水，強(qiáng)度降低，對(duì)周?chē)鷰r石產(chǎn)生2方面的影響：①降低了圍巖的有效強(qiáng)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(kuò)大的現(xiàn)象。實(shí)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(kuò)大現(xiàn)象，最大處井徑為設(shè)計(jì)井眼的4倍，大部分為1.5～2.0倍。

深部高臺(tái)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(duì)含量少，同樣不含黏土礦物。受鹽巖的塑性流動(dòng)即蠕變影響，表現(xiàn)為井眼縮徑卡鉆。對(duì)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(qiáng)度、彈性模量和剪切模量降低，泊松比增大，鹽巖晶格位錯(cuò)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(guò)室內(nèi)三軸蠕變實(shí)驗(yàn)可以擬合確定膏鹽巖的蠕變規(guī)律與蠕變參數(shù)，但是實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)驗(yàn)成本高，不易獲取。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)，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(dòng)；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(lái)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(jìn)行精細(xì)劃分，離井眼中心越遠(yuǎn)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(jì)算步的時(shí)間最小為50 s，最大為4000 s，蠕變時(shí)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(dá)到18.02 mm，即井徑蠕變速度為1.50 mm/h，縮徑率達(dá)到0.006 h－1。

應(yīng)力作用后膏鹽巖會(huì)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?yàn)辂}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(duì)較小，遠(yuǎn)離界面處應(yīng)力相對(duì)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(dá)160 ℃，而上部嘉陵江組的地層溫度僅為80 ℃。溫度對(duì)膏鹽巖蠕變速率影響很大，故分析地層溫度對(duì)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(dá)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(qiáng)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(xiǎn)，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(shí)變化更加敏感。

4 實(shí)例分析與模型驗(yàn)證

通過(guò)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(tái)組鉆遇膏鹽巖、石膏層、鹽巖、白云質(zhì)膏鹽段總長(zhǎng)597 m（井深5464～6 800 m，電測(cè)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(dá)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(shí)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(guò)。

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(dá)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(jì)算該段井壁不會(huì)嚴(yán)重縮徑。實(shí)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(guò)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(jì)算結(jié)果，與川東地區(qū)樓探1井實(shí)際工況相符合，驗(yàn)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(duì)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(shí)處理膏鹽層對(duì)鉆井液的污染，實(shí)現(xiàn)低Cl-濃度低鉆井液密度鉆井，這對(duì)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(guò)120 ℃時(shí)，僅通過(guò)優(yōu)化氯根離子濃度無(wú)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(guò)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(duì)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(kuò)大復(fù)雜情況。而高臺(tái)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(jì)算結(jié)果與樓探1井的實(shí)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(shí)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(jì)鉆井液密度（考慮地層溫度與礦物組分的影響），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。