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巨厚盐膏层钻井技术

发布网友 发布时间:2022-04-30 02:17

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热心网友 时间:2022-06-29 00:00

根据盐膏层化学成分,可将盐膏层分为两类:第一类为较纯的盐膏层,主要成分NaCl达90%以上,盐膏层之间大多为不易水化膨胀的地层;第二类为化学成分较复杂的盐膏层,除晶态NaCl外,还有芒硝、石膏、方解石、碳酸盐岩等。

在巨厚盐膏层钻井技术方面,通过对盐膏层三维蠕变压力变化规律、盐膏层溶解速率、套管所受非均匀载荷的研究,在合理地确定钻井液体系和密度,准确地进行套管强度设计及综合配套技术措施方面有了新认识和突破,在安全高效钻穿盐膏层方面取得显著进展。

3.3.5.1 盐膏层蠕变规律

(1)盐岩的蠕变特性

典型的盐岩蠕变曲线(图3-120)中,蠕变分三个阶段。“A”是第一阶段为瞬态蠕变期,在到达下一阶段前,该阶段盐岩蠕变应变率逐渐降低,表现为非线性;“B”是第二阶段为稳态蠕变期,该阶段蠕变应变率保持恒定,表现为线性;“C”是第三阶段为加速蠕变期,该阶段应变率增加直到试样破坏,为非线性。

图3-120 典型的盐岩蠕变曲线

对盐岩这类塑性材料,蠕变主要表现为“A”、“B”两个阶段,而且“B”阶段持续的时间比较长。对于石油工程,盐膏盐岩主要表现为瞬态蠕变、稳态蠕变两个阶段,在钻进和下套管固井后主要受稳态蠕变的影响。

(2)盐膏层的蠕变方程

对于特定的盐岩,研究其流变特性就是确定稳态蠕变速率与温度压力的变化关系,即蠕变方程。盐岩蠕变机制、蠕变方程与温度压力有关。盐岩的蠕变模型很多,主要是指数和幂律两种模式。反映盐膏盐岩蠕变的几种主要模型如下。

1)幂率模型(Power Law Model)。该模型为一个纯经验公式,对于瞬态蠕变与应力、温度、时间的关系表达式为:

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中:εp为瞬态蠕变应变;σ为差应力;T为温度;t为时间;m、p、n分别为应力、温度、时间的指数。

若描述总的应变规律,还应加上稳态项,即:

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中:ε为总应变;为稳态应变率。可以用Weertman位错滑移模式表述:

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中:Q为激活能;R为理想气体常数;β为应力系数(由试验确定);A*为试验常数。

幂率模型以显式的形式表达了应力、温度、时间与应变的关系,模型比较简单,对工程实际有一定指导意义,但对盐岩的流变规律描述比较粗糙,现在已很少使用。

2)温度指数定律(EXponential Temperature Law)。Senseny P.E.等人于1983年提出,用来描述Avery岛岩丘盐岩的高温(大于熔融温度的一半)流变规律,其具体表达式为:

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中:B、λ为试验常数;其他符号同上。

中国海相油气勘探理论技术与实践

幂率模型和温度指数模型表达式简单、使用方便,但本身却存在许多缺陷,如在数据回归时有时出现稳态蠕变速率为负的情况,与实际不符,且不能很好地反映复杂应力、温度历史。

曾义金教授、杨春和教授等通过大量的蠕变试验,研究得出考虑温度影响的,三维条件下盐膏层蠕变本构方程:

中国海相油气勘探理论技术与实践

最后一个因子考虑了温度的影响。在恒定室温下,可表述为:

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中:A2*、n、A1、B1*、B2可以通过岩心的蠕变试验得到。

(3)盐膏层蠕变压力计算与分析

1)盐膏层蠕变压力计算方法。由显式有限差分法编制的FLAC3D有限差分计算软件,提供了能模拟材料的蠕变特性,即材料特性随时间而变化的功能。FLAC3D计算分析中,蠕变模型与其他本构模型的主要区别在于对时间问题的模拟。

2)盐膏层蠕变压力分析。

A.不同井深盐膏层蠕变压力分析。盐膏层埋深对蠕变压力影响巨大。随盐膏层深度增加,蠕变压力显著增加;随着时间的延续,蠕变压力趋于稳定,最后和上覆地层压力相同;盐膏层埋深越大,蠕变压力趋于稳定的时间越短。

B.不同厚度水泥环护壁下盐膏盐岩蠕变压力分析。对埋深一定、不同厚度护壁水泥环条件下盐膏层蠕变压力进行分析得出,水泥环厚度对套管初始应力状态有影响,但不显著。

C.不同厚度盐膏盐岩蠕变压力分析。对埋深、护壁水泥环厚度一定,厚度不同的盐膏层对套管的径向压应力、套管周向应力、套管竖向应力变化进行分析得出,在盐层蠕变初期,盐层厚度对套管受力状态有比较明显的影响,但随着时间的延续,套管在不同厚度的盐层中,受力状态趋于一致。

D.不同温度下盐膏层蠕变压力分析。温度对套管受力状态的影响十分显著,温度越高,套管在盐膏层蠕变初期承受的蠕变压力、周向应力和垂向应力越高,随着时间的延续,套管蠕变压力和垂向应力趋向一致,但周向应力趋向一致的速度比较缓慢。

3.3.5.2 钻井液密度设计技术

钻井液密度的确定与盐膏层蠕变特性、钻井液含盐饱和度等因素有关。合理的盐膏层钻井液密度的确定是根据地层特性,利用力学和化学的平衡来进行的。

(1)钻井液密度谱

钻井液密度图谱是盐层井眼缩径率与钻井液密度相关关系曲线。它可根据蠕变压力和蠕变实验,利用FLAC3D软件计算不同井深、不同钻井液密度下盐层井眼缩径率,并拟合成曲线来建立,也可根据盐膏层钻井的实测蠕变速率数据,利用FLAC3D软件反演,绘制出钻井液密度图谱。图3-121是根据实测蠕变速率,绘制出的钻井液密度图谱。

(2)盐膏层井眼溶解速率

钻井过程中,钻井液会溶解井下盐层。曾义金教授、邓金根教授等的研究表明,在给定温度下,盐岩溶解速率与钻井液含盐浓度之间存在良好的对数相关关系。

由此得到的不同温度下盐岩溶解速率随[Cl-]的变化曲线进一步表明,在给定钻井液含盐浓度下,温度对盐岩溶解速率的影响并非简单的线性关系,而是存在一个临界点,温度在临界点以下,钻井液含盐浓度一定时,随着温度的升高,盐岩溶解速率升高;温度在临界点以上,钻井液含盐浓度一定时,随着温度的升高,盐岩溶解速率降低(图3-122)。

图3-121 不同井深所对应缩径率下的钻井液密度谱

图3-122 不同温度下盐岩溶解速率随[C1-]的变化曲线

同样,根据盐岩溶解速率也可以得出不同温度下,钻井液含盐浓度与井径扩大率相关关系回归曲线(图3-123)。

(3)钻井液密度与含盐饱和度的确定

根据盐岩溶解速率和井径扩大率与[C1-]关系回归曲线以及钻井液密度图谱,综合考虑蠕变与溶解两方面的作用,确定钻井液密度和含盐饱和度。首先,根据使用的钻井液密度,从钻井液密度图谱(图3-121)中查出对应的蠕变速率,然后,从井径扩大率与[C1-]关系曲线(图3-123)上确定平衡该蠕变速度的井径扩大率所对应的含盐饱和度。

另外,根据实测的盐膏层的蠕变速率、使用的钻井液含盐饱和度、钻井液密度谱,同样也可以确定一个地区盐膏层安全钻进所需的钻井液密度。该方法的基本思路是,用正在使用的钻井液密度对照密度谱可以确定该密度下缩径率,用实测的缩径率与查出的缩径率的差值作为再一次查找相应钻井液密度的缩径率,对应该缩径率的钻井液密度就是安全钻进所需的钻井液密度。

图3-123 井径扩大率与[C1-]关系回归曲线

3.3.5.3 盐膏层钻井配套技术

(1)井身结构设计方案

针对深井超深盐膏层井,有效防止盐膏层蠕变对套管造成的挤毁损害,从而确保成井的安全,是井身结构设计考虑的重点。目前深井盐膏层常用的井身结构有两种(以塔河油田为例)。

图3-124 非均匀外载下的套管强度设计图版

1)专封专打方案。以Φ244.5mm套管下至盐顶或5000m左右,用Φ206.3mm套管封盐层;盐下井段采用Φ139.7mm尾管固井。实践证明,该套方案对盐层分布清楚或盐下压力系统较一致的井是可行的,但是对于井况特殊、具有多项钻井地质目的、下部井眼仍需多层套管封隔的井,*了井径的选择与井眼的延深。目前通常采用在套管程序上加大一级的方法。该方案比较适合各种情况都比较了解的生产井。

2)长裸眼揭示盐膏层方案。为保证钻井地质任务的实现,优化设计了长裸眼揭示盐膏层方案,即大尺寸开孔、盐膏层与上覆低承压地层同井眼揭示、大壁厚高抗挤套管封固盐膏层的长裸眼钻井方案,使用Φ244.5mm或Φ273.0mm+Φ244.5mm组合套管悬挂而后回接封固盐膏层;盐下井段使用Φ177.8mm尾管,尾管重叠过盐顶100m;使用密度为1.65g/cm3左右的欠饱和盐水钻井液,结合验漏、堵漏提高地层承压能力的技术揭示盐膏层;采用随钻扩孔或液力扩孔技术保证盐膏层钻井安全等。

长裸眼钻盐层与盐层专封专打相比风险较大,在钻井工艺技术方面一般按两步走,即盐前钻井技术和盐层钻井技术。盐前钻井技术的重点是钻遇盐层后立即停止钻井,重做地层破裂压力试验,以确定裸眼井段的承压能力。对低压力点裸眼井段采取一次性封堵措施,如果地层具备(或经过堵漏以后具备)承受盐膏层钻进时的高密度的能力,则转换适合盐膏层钻进的钻井液体系后进行盐膏层钻进。如果进行堵漏后地层仍不能承受盐层钻进时的高密度,应调整方案,转化为盐膏层专封专打方案。

该方案优点是首先封隔了多套压力体系,其次是通过尾管的重叠避免了盐层段套管变形现象,第三是简化了井身结构,使完井井眼较大,比专封专打方案多出了一层备用套管空间。该方案比较适合探井。

(2)套管强度设计

盐膏层套管设计的关键是抗外挤强度计算。以前,盐膏层套管设计一般采用盐膏层最大蠕变压力,即上覆地层压力,套管受均匀载荷作用,管内按40%掏空和安全系数1.125或根据经验采用更大的安全系数进行计算,但是采用这种方法,在实际应用中经常发生套管变形事故,因此,对盐膏层套管设计一定要考虑非均匀外载。

1)套管强度设计图版及其应用。根据套管强度设计图版可进行非均匀外载下的套管强度设计。如果已知套管将受到的椭圆形分布载荷值及其轴比,可判断出套管是否安全或者需要哪一种套管才能抗住这种载荷,例如:已知K=0.4,载荷所围面积5=1690.0MPa2,则Pc=23.2MPa,若选用壁厚为9.19mm(D/t=19.3)的P110套管,则Pcs=0.03,它大于D/t=19.3的套管所能承受的最大极限载荷(Pcs=0.01),套管是不安全的;若改用壁厚12.65mm的V150套管,此时Pcs=0.022,而该种套管(D/t=14.1)所能承受的极限载荷Pcs=0.025,所以套管是比较安全的。为便于应用,将等效破坏载荷Pc与套管材料屈服极限的比值Pcs和套管径厚比D/t间的关系绘成曲线,即套管强度设计图版(图3-124)。图中还绘出了套管受对径载荷及均匀外载作用时的套管强度曲线。对径载荷的等效载荷定义为单位直径长度上所受的集中力。根据套管强度设计图版,可对盐层套管进行设计。

2)盐膏层套管强度设计步骤。

A.根据盐层流变性、盐层中的地应力及固井时的井内静液柱压力,利用黏弹性有限元计算程序,计算出盐层套管所受盐层蠕变外载随时间的变化规律及分布规律,并得出套管外载的最终稳定值,该稳定值的大小及非均匀性用卡西尼椭圆函数的短、长轴b,a来表示。

B.根据b、a值,计算套管所受载荷的面积S及轴比K,求出套管实际所受等效破坏载荷:。

C.根据K,Pr由图3-124可进行套管强度设计或检验套管强度。

a.根据K,Pr及套管钢级(即σs),选择套管壁厚:先求出Prs,再根据K、Prs值可由图中查得套管的临界径厚比(D/t),即可计算出所需套管的最小壁厚值。

b.根据K,Pr及套管壁厚,选择套管钢级:先由K,D/t值由图中查得Pcs(Pc为套管所能承受的最大有效载荷),再用实际载荷Pr去除Pcs,得到套管管材所需的最小屈服极限σs,由σs值选定套管钢级。

c.若已知所用套管钢级(已知σs)、壁厚(可计算径厚比D/t),检验套管的安全性:先求出Prs,再根据K,D/t值由图查得套管产生破坏时的Pcs,若Pcs<Prs,则套管强度不够,将导致套管的非正常损坏;若Pcs>Prs,则套管是安全的。

d.套管强度设计时,假设套管内压为零即按全部掏空计算,若套管内压不为零,则其抗均匀外压的强度要大大提高。但当套管外压为非均匀分布时,增加内压套管强度增加不明显。

(3)扩孔技术

1)随钻扩孔与钻后扩孔相结合的方案。盐膏层上部地层采用Φ311.15mm钻头钻进,自盐膏层顶界以上60m处开始采用领眼钻头为Φ241.3mm的偏心扩孔工具随钻扩孔,扩孔尺寸Φ374.65mm。

2)钻后液力扩孔方案。先使用Φ311.15mm钻头钻进,钻过盐膏层后,使用液力扩孔器专门对盐层扩孔,要求平均井径扩大至Φ349.25mm。

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