钻井液作用下膏盐层井径变化规律研究

唐 庚, 赵超杰, 李 军, 张 鑫, 郭建华, 雷现梅

(1中石油西南油气田分公司工程技术研究院 2中国石油大学 石油天然气工程学院·北京 3四川华油集团有限责任公司)

0 引言

含盐盆地与油气藏的关系密切，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，在川东地区广泛分布，发育有寒武系、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，在页岩气井钻探过程中，经常出现缩径卡钻、井径扩大、上部井段漏失等复杂情况，威胁钻井安全，降低工程作业效率，严重阻碍了川东地区的油气资源勘探开发[4-5]。

国内外学者进行了大量膏盐层蠕变规律研究，建立了物理模型(位错滑移模型、位错攀升模型、混合机制模型)[6-8]、流变模型(麦克斯韦模型、伯格斯模型、开尔文模型)[9]、实验模型(对数模型、幂指数模型、内变量模型)[10-12]等盐岩蠕变本构模型，研究分析不同温度、地应力及矿物组分等条件下盐层蠕变规律。但目前的研究主要对象是巨厚盐层，与川东地区膏盐层组分有所差距，且主要考虑盐岩本体的蠕变对套管外挤的影响，而忽略了前期钻井过程中钻井液对膏盐岩溶解的影响。

基于此，本文进行膏盐层岩心溶解规律试验，研究不同因素下膏盐岩溶解特征；结合膏盐层蠕变特性，建立川东地区膏盐层安全钻井液密度图版，分析膏盐层井径变化特征，并提出了适用于膏盐层钻井的钻井液密度设计新方法。

1 膏盐岩溶解规律试验

1.1 试验材料与装置

膏盐岩样品取自四川盆地寒武系龙王庙组，矿物组分为：石盐74.0%，硬石膏5.7%，白云石及其它非黏土矿物20.3%。密度为2.15 g/cm3，岩样加工成长度50 mm、直径25 mm的圆柱体，其两端磨光，端面相互平行且垂直圆柱体的轴线。

试验钻井液为水基钾聚磺钻井液体系：基浆+0.3%KPAM+0.5%LS-2+0.5%NaOH+3%～4%MSMC+3%PHD+1%CaO+5%KCl+重晶石。

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岩心加压饱和试验装置。

1.2 试验方法

将岩心在低温45℃下干燥24 h，以避免外界湿度对膏盐岩岩样的影响。模拟岩心井下环境保持100 MPa围压环境，测试不同温度、钻井液氯离子含量下膏盐岩岩样在2 h、4 h、6 h、12 h、24 h、48 h的质量，计算岩心的溶解速率。

1.3 试验结果

不同氯离子含量钻井液作用下，不同温度环境中膏盐岩平均溶解速率如表1所示。

表1 不同温度、Cl-含量钻井液下膏盐岩溶解速率表

2 膏盐岩溶解特征分析

2.1 膏盐岩溶解速率随时间变化特征

膏盐岩溶解质量随水基钻井液作用时间变化规律如图1所示。其溶解质量在前期(10 h)变化速率快，在中后期(10～48 h)溶解速率趋于稳定保持不变。根据化学动力学理论，膏盐岩溶解速率主要受溶质分子离开固体表面进入溶剂和溶剂中溶质在界面重结晶两个作用的影响。溶解初期，钻井液中盐离子含量低，重结晶作用弱，故膏盐岩溶解初期溶解速率大，当钻井液中盐离子重结晶作用与盐溶解分散作用平衡时，溶解速率趋于稳定。

图1 钻井液作用下膏盐岩溶解曲线

2.2 不同温度下膏盐岩溶解速率特征

由图2可以看出，膏盐岩最大溶解速率温度条件在120℃，即在低于120℃时，膏盐岩溶解速率随温度升高而变大；而温度超过120℃时，膏盐岩溶解速率随温度升高而变小。

分析认为，膏盐岩中石盐含NaCl与KCl两种离子，前者随温度升高而溶解度变大，后者则相反；故在低温时膏盐岩的溶解主要受NaCl离子的影响表现出随温度上升溶解速率加快，而在高温时，KCl离子溶解作用影响明显，膏盐岩整体溶解速率随温度上升反而变小。

图2 不同温度下膏盐岩溶解速率曲线

2.3 不同氯离子浓度下膏盐岩溶解速率特征

试验结果表明，在给定温度下，盐岩溶解速率与钻井液中盐的体积分数存在良好的指数相关关系：

U=Ae(c(Cl-)/B)+C

(1)

式中:U—膏盐岩的溶解速率，g/h;c(Cl-)—钻井液氯离子含量，mg/L；A、B、C—拟合系数，与测试岩样、温度有关，见表2。

表2 不同温度下膏盐岩溶解速率系数表

3 膏盐岩井径扩大率

假设膏盐岩厚度为1 m，则井壁处膏盐岩的溶解速率为:

V=100UπD/S

(2)

式中:V—膏盐岩厚度1 m时，井壁处膏盐岩的溶解速率,g/h；U—试验岩心溶解速率，g/h；D—井眼直径,cm；S—岩心的表面积,cm2。

根据质量守恒原则，可以得到井径变化率：

(3)

k1=Δr/r1×100%

(4)

式中：ρ—膏盐岩密度，g/cm3,r1—井眼初始半径，cm；r2—膏盐岩溶解1 h后的井眼半径，cm；k1—井径扩大率。

只考虑钻井液溶解作用时，钻井24 h后，Ø311.2 mm井眼井径扩大率如图3所示。

由图3看出，钻井液中Cl-含量越小，膏盐层井径扩大率越大。在120℃地层温度，Cl-含量为30 000 mg/L时，因膏盐岩溶解，24 h后井径扩大率达到7.65%，不可忽略，同时通过膏盐溶解可以改善因盐岩蠕变造成的缩径卡钻。

图3 钻井液作用下膏盐层井径扩大率曲线

4 膏盐岩井径缩径率

基于FLAC3D三维有限差分软件,结合蠕变实验确定的本构参数[8]，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的井径缩径率。

以川东地区某井龙王庙组膏盐层为例建立模型。模型第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。

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121.81 MPa，钻井液密度为1.7～2.3 g/cm3。

地层岩性参数如表3所示。

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，结果如图4所示。

表3 复合膏盐层各岩石弹性参数表

由图4可以看出，只考虑膏盐岩本体蠕变作用时，膏盐层缩径速率随钻井液密度增加而变小，且在低密度钻井液时变化更敏感。井径缩径率随温度升高而变大，且在高温下随钻井液密度增加而降低的幅度更大。

图4 不同温度、钻井液密度下复合膏盐层缩径速率曲线

5 膏盐蠕变与溶解双重作用下井径变化率

综合考虑膏盐岩本体蠕变与钻井液对其的溶解作用，可以得到膏盐层井径变化率。

k=k2-k1

(5)

根据式(5)，基于膏盐岩溶解实验得到的井径扩径速率、数值计算得到的膏盐层蠕变缩径速率，可以得到不同温度、钻井液密度下膏盐岩井径变化速率，结果如图5所示。

图5 双重作用下复合膏盐层井径缩径速率图

由图5可知，氯根离子浓度越小、温度越低，在一定钻井液密度下，膏盐层井径缩径速率越低。且随着温度升高，氯根离子浓度对于膏盐岩缩径速率的影响变小。分析认为高温下膏盐岩蠕变速率快，而膏盐岩溶解速率略有下降，故膏盐岩蠕变作用是主导因素，而钻井液氯离子含量对膏盐岩蠕变没有影响，故在高温下，仅通过优化氯根离子浓度无法控制井径变化。

6 结论与建议

1)膏盐岩溶解速率存在临界温度(120℃)，低温下随温度升高而变大，高温下随温度升高而变小；且随氯离子浓度降低而变大，且两者间呈指数关系。

2)钻井液对膏盐岩溶解作用下，低Cl-浓度、临界地层温度时膏盐层井径扩大率可达到9.65%(24 h)，溶解作用不可忽略。

3)膏盐岩的溶解与蠕变双重作用下，氯根离子浓度越小、温度越低，膏盐层井径缩径速率越小。

4)为防止膏盐层井眼缩径，建议使用水基欠饱和钻井液体系，并合理优化钻井液Cl-浓度，及时处理膏盐层钻井液污染，配合大循环路径循环钻井液。