川东地区膏盐层井壁失稳数值模拟

2020-01-02赵超杰郭建华

天然气勘探与开发 2019年4期

唐庚赵超杰李军张鑫郭建华

1. 中国石油西南油气田分公司工程技术研究院 2. 中国石油大学（北京）石油天然气工程学院

0 引言

含盐盆地与油气藏关系密切，膏盐岩层是油气藏钻井开发过程常见的地层[1]。膏盐层作为非常优质的盖层，在四川盆地东部地区分布广泛，主要发育在寒武系、中下三叠统[2-3]。同时受四川盆地高温高压环境影响，膏盐岩表现出极强的蠕变特性。膏盐岩给钻井作业造成的困难体现在以下4个方面：①膏盐岩蠕变造成卡钻；②膏盐岩易溶解，污染钻井液；③膏盐岩溶蚀造成井径扩大；④使用高密度钻井液时上部层组易漏。川东地区普遍存在的膏盐层严重威胁了钻井安全，降低工程作业效率，阻碍了川东地区的油气资源勘探开发[4]。

国内外学者针对盐层钻井进行了大量研究。李允子等[5]总结了中原区块复合盐层钻井难点及技术，何立成等[6]研究了塔河区块盐层钻井工艺，冯志军等[7]总结了川东区块膏盐层缩径卡钻对策。但是目前研究区块的膏盐层特征与川东地区差异大，且大部分是经验分析与现场总结，没有进行精确的实验，没有运用力学模型解释膏盐层钻井复杂的原因。

1 膏盐岩矿物组分特征及井壁失稳机理分析

1.1 试验材料与装置

膏盐岩样品取自川东地区楼探1井三叠系雷口坡组、嘉陵江组、寒武系高台组。

实验设备采用中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室的X射线衍射仪（图1），按照SY/T5163-2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》试验标准进行实验。

1.2 试验结果

不同层组的膏盐岩矿物组分衍射图谱如图2所示，矿物组分含量结果见表1～3。

由图2可知，膏盐岩的矿物组分主要矿物含量非常明显，且雷口坡组与嘉陵江组膏盐岩X衍射图谱特征相似，2组成分一致，差异小；而龙王庙组含盐岩明显，含硬石膏相对较少。

图1 高温高压岩心密封溶解装置图

图2 膏盐岩X衍射图谱对比图

由雷口坡组和嘉陵江组岩屑矿物组分分析试验结果可知，2组膏盐层钻井岩屑以硬石膏为主，含量大部分超过50%，其余为方解石等脆性矿物，而石盐与黏土矿物含量为0。硬石膏遇水会发生化学反应，生成有水石膏（CaSO42H2O）。实验室结果表明，硬石膏在非自然压实状态下吸水后，其轴向膨胀量为26%；若将实验室压制的硬石膏岩心放入饱和盐水或饱和的CaSO4溶液中都可观察到明显的水化分散、解体现象[8-10]。

表1 雷口坡组矿物组分含量表

表2 嘉陵江组矿物组分含量表

表3 高台组矿物组分含量表

在以石膏为主的地层中并不是单纯的石膏吸水膨胀问题，而是因硬石膏吸水膨胀后这类地层表现的一种综合效应。这可从物理化学和力学方面来研究，位于井眼周围损害带的硬石膏吸水膨胀和分散能力比泥岩和盐岩都要强，在与钻井液接触的表面上，硬石膏吸水膨胀和分散。在膏盐岩、膏泥岩地层，尤其是石膏充填在泥岩、粉砂岩孔洞、裂隙中以及以石膏为胶结物的膏质盐层中，将引起掉快、垮塌等[11-14]。

这并非痴人妄语，也不是危言耸听。历代许多研易者提出，《易经》64卦排序可能存在问题。他们大多只是怀疑有问题，但苦于摸不清存在问题的原因，找不到解决问题的路径，更提不出解决问题的办法。有的悲观者竟然把解决问题的希望寄托于未来“出土考古的发现”。现代有的研究者认为自己的研究成果解决了《易经》64卦序存在的问题，揭示了64卦序排序的奥密，但这也许是《易经》研究历史长河史中激起的一朵浪花！

不与钻井液接触的表面（非自由表面），由于很强的毛细管力和裂隙的存在，或在钻井液密度不适应时，井壁发生剪切破坏，井壁周围产生微裂缝，这样，井壁深处的硬石膏得以吸水，强度降低，对周围岩石产生2方面的影响：①降低了围岩的有效强度；②硬石膏吸水产生膨胀应力。这2方面的影响造成钻井液有效液柱压力（径向应力）降低，从而出现井眼垮塌，井径扩大的现象。实钻情况表明，楼探1井在雷口坡组与嘉陵江组膏盐层出现扩大现象，最大处井径为设计井眼的4倍，大部分为1.5～2.0倍。

深部高台组膏盐层则表现出复合多层分布的特征，盐层石盐含量高，夹层以白云岩为主，硬石膏相对含量少，同样不含黏土矿物。受盐岩的塑性流动即蠕变影响，表现为井眼缩径卡钻。对于复合膏盐层，随着深度增加，蠕变速率受盐岩成分和构造应力有关[15-17]。温度越高，盐岩强度、弹性模量和剪切模量降低，泊松比增大，盐岩晶格位错滑移加剧，蠕变速率变大，导致缩径卡钻。

2 膏盐层井筒数值模型

通过室内三轴蠕变实验可以拟合确定膏盐岩的蠕变规律与蠕变参数，但是实验过程中存在很多困难：①难以在室内模拟井下的温度和应力状态，使得岩心实验与现场实际存在较大差别；②在埋藏深度大、地质条件复杂的情况下，岩心实验成本高，不易获取。基于FLAC3D三维有限差分软件,结合蠕变实验确定的本构参数，建立复合膏盐层数值模型，可以得到非均匀地应力条件下复合膏盐层蠕变导致井壁稳定性变化规律。

基本假设条件为：①各层间界面处粘结完好，不考虑界面滑动；②盐岩层为各向同性、均匀连续的热弹性蠕变介质；③井眼为规则的圆柱形井筒，盐膏岩为板状分布。

根据膏盐层段的矿物组分含量特征（盐岩70%～80%，石膏岩10%～15%，其他5%～20%）来建立模型。如图3所示，第1层为高蠕变的盐岩，第2层为硬的泥岩，第3层为盐岩，第4层为泥膏岩，厚度比为2∶1∶3∶1，井眼直径311.2 mm，地层边界与井眼直径比值为10∶1，纵向厚度为7 m。

图3 复合膏盐层三维数值模型图

为消除边界效应的影响，模型边界取距离井眼中心10倍的井眼半径的距离，模型几何尺寸较井眼尺寸大得多，而工程中主要关心的是井眼处井壁的变形、位移。因此，在横向上井眼处网格必须进行精细划分，离井眼中心越远网格划分可越稀松。

地层条件为：地层压力系数1.50，最大水平地应力为118.2 MPa，最小水平地应力为88.4 MPa，垂向地应力为121.81MPa，钻井液密度1.7～2.3 g/cm3。

地层岩性参数如表4所示。

表4 复合膏盐层各岩石弹性参数表

3 模拟结果及敏感性分析

在井壁施加钻井液静液柱压力（钻井液密度1.7 g/cm3），设置计算步的时间最小为50 s，最大为4000 s，蠕变时间为24 h，可得到井壁处的位移、应力云图（图4、图5）。

图4 复合膏盐层井壁位移云图

由模拟结果可知，膏盐层段井壁处的整体位移在钻穿24 h后达到18.02 mm，即井径蠕变速度为1.50 mm/h，缩径率达到0.006 h－1。

应力作用后膏盐岩会产生缩径现象，且其中间部分发生的变形情况最为严重，靠近界面处的两端的变形情况最小，其原因为盐层的上部和下部位移分别受到泥岩和泥膏岩的限制。导致界面处应力较大而位移相对较小，远离界面处应力相对较小。且盐岩与泥岩界面处的应力集中要比盐岩与泥膏岩界面的应力集中严重。

图5 复合膏盐层井壁应力云图

3.1 地层温度

川东地区膏盐岩地层温度差异大，深部龙王庙最高可达160 ℃，而上部嘉陵江组的地层温度仅为80 ℃。温度对膏盐岩蠕变速率影响很大，故分析地层温度对膏盐岩井筒位移与应力的影响规律。

由图6可以看出膏盐层井壁位移与温度呈正相关关系，地层温度越高井壁位移越大，高温下（150 ℃）井径缩径率可以达到低温下（50 ℃）的2倍；而不同岩性界面处的井壁应力却随温度升高而降低，这是由于高温下膏盐岩弹性模量与强度下降，泊松比变大，应力得以释放。高温井膏盐层的蠕变更加危险，蠕变速率更加明显。

图6 不同温度下复合膏盐层位移应力曲线图

3.2 钻井液密度

调整钻井液密度是膏盐层安全钻井防止井壁失稳的重要措施。钻井液密度大小膏盐层性质有很大影响，不同钻井液密度下膏盐层井壁应力与位移变化规律如图7所示。

图7 不同钻井液密度下复合膏盐层位移应力曲线图

随着钻井液密度的增加，界面处方向应力集中现象更加明显，即岩体界面处的切向方向应力集中现象与钻井液密度值呈正相关关系。而随着钻井液密度的增加，盐岩的中部变形情况减弱，且在低钻井液密度时变化更加敏感。

4 实例分析与模型验证

通过三维数值模型可以计算得到不同温度、钻井液密度下膏盐层井径缩径速率图版（图8）。

图8 不同温度、钻井液密度下复合膏盐层缩径速率曲线图

川东地区楼探1井，在高台组钻遇膏盐岩、石膏层、盐岩、白云质膏盐段总长597 m（井深5464～6 800 m，电测井底温度135.8 ℃），初期使用钻井液密度为1.7 g/cm3，根据复合膏盐层缩径率图版可知，该处缩径速率达到0.002 5/h，超出安全钻井所允许的井眼缩径速率为0.001 /h，需要频繁的划眼预防阻卡。实际作业中，在6 187～6 294 m井段缩径最为严重，每趟钻均需划眼通过。

后期调整钻井液密度至2.1 g/cm3，据复合膏盐层缩径率图版可知，缩径率达到0.001 2 /h，接近钻井所允许的井眼缩径速率为0.001 /h，即理论计算该段井壁不会严重缩径。实际施工中，调整钻井液密度后井眼缩径现象消除，起下钻过程中在膏盐岩段均未出现阻卡。

所建立的膏盐层数值模型计算结果，与川东地区楼探1井实际工况相符合，验证了模型的正确性，所建立的缩径速率图版可为川东地区膏盐层钻井提供参考。