玉北區(qū)塊古近系膏巖層合理泥漿密度確定研究

溫 偉

(中國(guó)石化集團(tuán)華北石油局工程管理處，河南 鄭州 450006)

玉北區(qū)塊古近系膏巖層合理泥漿密度確定研究

溫 偉

(中國(guó)石化集團(tuán)華北石油局工程管理處，河南 鄭州 450006)

玉北區(qū)塊古近系鹽膏層地層鉆井過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)卡鉆、擠毀套管等鉆井事故，嚴(yán)重制約了該區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)該區(qū)塊古近系鹽膏巖地層鉆井復(fù)雜與事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)鹽膏巖地層蠕變特性進(jìn)行分析，建立了蠕變本構(gòu)方程，利用有限差分軟件建立了鹽膏巖地層蠕變模型，計(jì)算并繪制出不同鉆井液密度和不同時(shí)間條件下鹽膏層蠕變量，進(jìn)而確定了鉆穿鹽膏巖地層合理的鉆井液密度，為后續(xù)該區(qū)塊古近系鹽膏巖地層鉆井施工提供依據(jù)。

玉北區(qū)塊；古近系；合理鉆井液密度；鹽膏巖地層；蠕變模型

玉北區(qū)塊位于新疆和田市墨玉縣以北，塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠西南邊緣，屬于塔西南坳陷麥蓋提斜坡構(gòu)造帶，是近年來(lái)西北區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，自2010年7月玉北1井在奧陶系鷹山組地層的重大油氣突破以來(lái)，中國(guó)石化集團(tuán)公司逐步加大該區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)力度。然而，玉北區(qū)塊古近系地層鹽膏層發(fā)育，易蠕變縮徑，遇阻、卡鉆、擠毀套管等復(fù)雜情況頻繁發(fā)生，如勝和2井下鉆至4394.09m遇阻，多次活動(dòng)鉆具無(wú)效，卡死鉆具，后經(jīng)泡解卡劑、爆炸松扣、打撈落魚(yú)失敗被迫回填側(cè)鉆；玉北1井二開(kāi)鉆至3607.00～3690.00m處上提遇卡下放嚴(yán)重遇阻，鉆井液密度提高至1.70g/cm3，復(fù)雜情況才得以控制；玉北6井在古近系地層均發(fā)生套管變形，玉北6井因套管變形嚴(yán)重，不得不棄井，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)玉北區(qū)塊古近系地層鹽膏層地層鉆井難點(diǎn)，形成一套膏鹽地層優(yōu)快鉆井方案具有十分重要的意義。

1 古近系地層特征概況

受燕山運(yùn)動(dòng)及晚白堊世海侵的影響，形成了古近系海岸碎屑巖-碳酸鹽巖及蒸發(fā)巖沉積，經(jīng)歷了海岸潮坪→瀉湖相→碳酸鹽臺(tái)地相→潮坪→瀉湖相的演變過(guò)程[1]，玉北區(qū)塊受構(gòu)造和古地形限制，在古近系為瀉湖相沉積。

通過(guò)對(duì)玉北區(qū)塊已鉆井巖性分析，井區(qū)古近系地層整體為泥膏巖湖泊相等厚互層沉積，上部為膏質(zhì)泥巖、泥巖夾薄層泥膏巖、含膏白云巖；中部為石膏巖、泥膏巖夾薄層膏質(zhì)泥巖；下部為膏質(zhì)泥巖、含鹽膏層，底部巖屑中可見(jiàn)少量灰白、棕紅、紫紅色鹽巖。根據(jù)實(shí)鉆巖性鑒定：石膏巖、泥膏巖顏色白、灰白色為主，主要成分為軟石膏CaSO4·2H2O和硬石膏CaSO4，含少量泥質(zhì)，硬度2～4，吸水膨脹性較強(qiáng)。泥巖、含鹽膏層為灰褐、灰色，膏質(zhì)含量15%～35%，膏質(zhì)呈斑塊狀、條帶狀分布，且分布不均勻，吸水性、可塑性差，斷口平坦?fàn)睢｛}巖以灰白色為主，次為棕紅、紫紅色，含量1%～5%，成分石鹽(NaCl、少量KCl)為主，微溶于水，呈玻璃光澤，稍具咸、苦味。根據(jù)井徑測(cè)井資料分析發(fā)現(xiàn)，各井在古近系地層均有不同程度的縮徑。

2 鹽膏層安全鉆井液密度窗口的確定

2.1蠕變計(jì)算模型的建立

圖1 計(jì)算模型力學(xué)示意圖

針對(duì)玉北區(qū)塊的含膏巖地層特性，采用有限邊界元力學(xué)軟件對(duì)該區(qū)塊膏巖地層進(jìn)行模擬，圖1所示為計(jì)算模型建立的力學(xué)示意圖，模型設(shè)計(jì)取深部地層一定厚度的蠕變巖層，由于蠕變巖層的厚度不一，取厚度為50m，上覆巖層的重量根據(jù)埋深轉(zhuǎn)化為有效的豎向荷載作用于蠕變巖層上，根據(jù)不同的井深，可模擬不同埋深下蠕變巖層的蠕變情況，從而確定不同深度下的鉆井液密度。井內(nèi)鉆井液密度對(duì)井壁變形的抑制作用轉(zhuǎn)化為井內(nèi)鉆井液壓力作用于井眼內(nèi)壁。由于所研究的井壁變形是軸對(duì)稱問(wèn)題，計(jì)算區(qū)域選取25m×25m×50m四分之一的計(jì)算區(qū)域，井眼尺寸根據(jù)實(shí)際鉆井情況確定。四分之一的計(jì)算域上表面為自由面，作用有上覆巖層的重量，下表面則受垂直于該面的豎向簡(jiǎn)支約束，前、后、左、右四表面均作用有法向約束，單元剖分采用六面體單元。

2.2蠕變地層參數(shù)的確定

為了確定鹽巖層的彈性參數(shù)，利用地震層速度資料，結(jié)合該井上部層段的測(cè)井資料，提取地震特征參數(shù)進(jìn)行特征壓縮，建立起層速度與聲波時(shí)差之間的關(guān)系模型，利用該模型對(duì)鹽巖層的聲波時(shí)差進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合地層密度求得鹽巖地層的彈性參數(shù)為：彈性模量E=6.9942×104MPa；泊松比μ=0.32。

玉北區(qū)塊含膏巖地層蠕變模型可采用WIPP蠕變模型模擬計(jì)算(ε=Aσ-n,其中,ε表示蠕變速率；σ表示應(yīng)力；A、n表示巖石的蠕變參數(shù))。鹽膏層蠕變參數(shù)通過(guò)測(cè)量已鉆井的蠕動(dòng)速率，并結(jié)合地應(yīng)力及使用的鉆井液密度，運(yùn)用軟件回歸得到蠕變參數(shù)，玉北區(qū)塊蠕變參數(shù)為A=2.83e-4，n=3.5。

2.3合理鉆井液密度的確定

1)計(jì)算層位選取 統(tǒng)計(jì)分析了玉北區(qū)塊已鉆井地層資料，玉北區(qū)塊古近系鹽膏層主要埋深在3300～4200m，厚度在150m左右。鉆井施工過(guò)程中常常引起卡鉆、套管擠壞、固井管外水泥被擠走等工程事故，施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大。造成卡鉆的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井液密度難以平衡蠕動(dòng)壓力，導(dǎo)致鹽膏巖層發(fā)生嚴(yán)重縮徑。為防止鹽膏層縮徑卡鉆，計(jì)算鹽膏層選取3300～4200m范圍不同鉆井液密度條件下的蠕變位移。

2) 鹽膏層鉆井液密度圖譜的確定 安全鉆穿鹽膏層的合理鉆井液密度與鹽膏層所處于的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，筆者對(duì)該區(qū)塊古近系鹽膏層特性及地應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，并利用有限差分軟件對(duì)該區(qū)塊古近系鹽膏層進(jìn)行模擬計(jì)算，模型水平方向上加載非均勻地應(yīng)力，通過(guò)對(duì)不同深度、不同鉆井液密度作用下的蠕變巖層進(jìn)行三維數(shù)字模擬，計(jì)算出不同深度、不同鉆井液密度條件下鹽膏層的蠕變大小，并繪制出不同埋深下鹽巖井眼縮徑率圖譜(見(jiàn)圖2)及不同縮徑率下鉆井液密度圖版(見(jiàn)圖3)。

圖2 不同埋深下鹽膏層井眼縮徑率圖譜 圖3 不同縮徑率下鉆井液密度圖版

為了在鉆井過(guò)程中防止鹽膏巖蠕變縮徑造成卡鉆事故，必須通過(guò)嚴(yán)格控制鉆井液密度來(lái)控制古近系泥膏層的縮徑率，以保證鉆進(jìn)安全順利進(jìn)行，另外，為保證機(jī)械鉆速，鉆井液密度不能太大，因此，推薦使用鹽膏層縮徑率為0.003m/h時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆井液密度，即玉北區(qū)塊古近系鹽膏層層段鉆井液密度為1.65～1.77g/cm3。

3 鹽膏巖地層鉆井液體系的確定

通過(guò)對(duì)古近系巖性分析，結(jié)合已鉆井經(jīng)驗(yàn)，造成該地層鉆井施工遇阻、卡鉆以及擠毀套管的主要原因是由地層巖性特征造成的[2]。當(dāng)鉆古近系地層時(shí)，膏巖吸附鉆井液中的自由水，體積迅速膨脹，造成井眼縮徑遇阻卡；另外，泥巖較硬，吸水性及可塑性差，膏巖膨脹蠕動(dòng)時(shí)與其脫離，易形成掉塊，造成泥巖段擴(kuò)徑，鉆具更易受阻卡；第三，底部鉀鹽、鈉鹽易被常規(guī)鉀基聚合物～鉀基聚磺鉆井液溶解，造成氯根、失水急劇升高，破壞了鉆井液的穩(wěn)定性[3]。

因此，進(jìn)入二開(kāi)古近系地層，鉆井液轉(zhuǎn)換為抑制性強(qiáng)、防塌效果好、抗污染能力較強(qiáng)的鉀基聚合物-鉀基聚磺鉆井液[4]，并根據(jù)井內(nèi)情況逐步提高鉆井液密度。配合工程短起下，適當(dāng)提高比重的同時(shí)調(diào)整鉆井液各項(xiàng)性能(降低濾失量、改善泥餅質(zhì)量、加大聚合物含量、加入7% KCL增加鉆井液抑制性)、加足包被抑制劑，防止泥巖縮徑阻卡，由于二開(kāi)井眼尺寸大，裸眼段長(zhǎng)，所鉆遇的泥巖段厚，發(fā)生泥巖縮徑阻卡的幾率增大，施工時(shí)一方面堅(jiān)持勤短起下，另一方面以基礎(chǔ)膠液配方0.5% KPAM+5%～8% KCl +2%～3%瀝青類防塌劑+1%～2% SPNH+2%～3% SMP-2按細(xì)水長(zhǎng)流的方式來(lái)保證鉆井液中包被抑制劑的充足含量。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)以上研究成果，在YB5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井古近系地層含有泥膏巖、石膏巖以及含膏泥巖，在進(jìn)入古近系前，3200～3852m井段鉆井液體系轉(zhuǎn)換為KCl-聚磺鉆井液體系，該井段鉆進(jìn)期間增強(qiáng)體系的抑制性的同時(shí)，及時(shí)提高鉆井液密度，鉆進(jìn)至3715m時(shí)，鉆井液密度提高至1.72g/cm3，順利鉆穿古近系鹽膏巖地層。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)玉北區(qū)塊古近系鹽膏巖地層巖性特征進(jìn)行分析，并采用有限差分軟件對(duì)鹽膏層蠕變特征進(jìn)行模擬，結(jié)合已鉆井經(jīng)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

1)推薦縮徑率為0.003m/h時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆井液密度，即玉北區(qū)塊古近系鹽膏層層段鉆井液密度為1.65～1.77g/cm3。

2)鉆入古近系地層以后，鉆井液轉(zhuǎn)換為抑制性強(qiáng)、防塌效果好、抗污染能力較強(qiáng)的鉀基聚合物-鉀基聚磺鉆井液，并根據(jù)井內(nèi)情況逐步提高鉆井液密度，能有效降低鹽膏巖地層鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

[1]丁孝忠.塔里木盆地巖相古地理特征[M].北京:地質(zhì)出版社，2001：56-59.

[2] 易浩，白彬珍，趙志國(guó)，等. 玉北地區(qū)深井快速鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2011,39(6)：27-30.

[3] 鄧煒，趙斌.提高西北石油玉北區(qū)塊鉆井速度研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011(14)：44-45.

[4] 楊曉冰，藺志鵬，陳鑫，等. 土庫(kù)曼斯坦南約洛坦氣田復(fù)雜鹽膏層鉆井液技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2011,31(7)：55-58.

[編輯] 洪云飛

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

TE256 7

A

16731409(2012)11N09103