專利名稱：利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法。
背景技術(shù)：
目前在石油鉆井過(guò)程中，鉆遇地鹽層埋藏深、厚度大且非連續(xù)，需要高密度鉆井液控制鹽層蠕變，但鹽層層段夾雜低壓地層，地層承壓能力有限，容易發(fā)生井漏，從而導(dǎo)致鉆井液密度不可能高，這對(duì)飽和鹽水鉆井液來(lái)說(shuō)不易控制鹽層的蠕變。
為此本發(fā)明中的創(chuàng)作人憑借其多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，并經(jīng)潛心研究與開發(fā)，終于創(chuàng)造出一種利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，利用該方法可以合理的采用氯根濃度及欠飽和鹽水鉆井液來(lái)溶蠕變解鹽層，降低鉆井液密度滿足地層的最小破裂壓力，以有效阻止井眼縮經(jīng)、防止井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，利用該方法可以選擇合適的鉆井液密度與氯根濃度，以降低鉆井液密度滿足地層的最小破裂壓力，有效阻止井眼縮經(jīng)、防止井下復(fù)雜情況的發(fā)生。
本發(fā)明中利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，包括下列步驟
1)針對(duì)某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對(duì)鉆井取心獲得蠟封鹽巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣加工，共需加工若干個(gè)試樣；
2)取若干個(gè)試樣中的數(shù)個(gè)，對(duì)每一個(gè)試樣，在巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，采取多級(jí)溫度和多級(jí)加載組合的實(shí)驗(yàn)方式，獲得蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變與時(shí)間曲線；
3)通過(guò)曲線擬合方法，建立鹽巖蠕變的本構(gòu)關(guān)系方程，即蠕變應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系方程；
4)建立鉆井井眼縮徑率與鉆井液密度的關(guān)系方程；
5)取余下的試樣，在不同溫度下進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過(guò)非線性回歸建立鹽溶速率與氯根濃度的關(guān)系模型；
6)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版；
7)對(duì)于與實(shí)驗(yàn)巖心井在同一區(qū)塊的鹽層鉆井，可根據(jù)步驟6)的關(guān)系圖版，確定合理的鉆井液密度與氯根濃度用于克服鹽層蠕變。
所述步驟6)中建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版的方法包括下列步驟
1)建立鹽溶速率與鉆井縮徑率的關(guān)系模型；
2)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系模型；
3)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版。
所述步驟7)中的使用方法包括下列步驟
1)估計(jì)鹽層的深度，根據(jù)地層溫度梯度計(jì)算鹽層溫度；
2)根據(jù)鹽層上部地層的破裂壓力最小值，確定鉆井液密度；
3)根據(jù)鉆井液密度、溫度從關(guān)系圖版確定鉆井液氯根濃度；
4)鹽層鉆井前調(diào)整鉆井液密度和氯根濃度，克服鹽層蠕變產(chǎn)生井眼縮徑。
本發(fā)明中利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法主要是利用該方法可以采用合適的氯根濃度及密度的欠飽和鹽水鉆井液來(lái)溶蠕變解鹽層，從而降低鉆井液密度滿足地層的最小破裂壓力，有效阻止井眼縮經(jīng)、防止井下復(fù)雜情況的發(fā)生。


圖1是本發(fā)明中1號(hào)巖樣的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線圖2是本發(fā)明中2號(hào)巖樣的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線圖3是本發(fā)明中3號(hào)巖樣的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線圖4是本發(fā)明中4號(hào)巖樣的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線圖5是90℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的鹽溶質(zhì)量圖6是90℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同氯根濃度的線性溶解率圖7是70℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的鹽溶質(zhì)量圖8是70℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同氯根濃度的線性溶解率圖9是50℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的鹽溶質(zhì)量圖10是50℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同氯根濃度線性溶解率圖11是30℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的鹽溶質(zhì)量圖12是30℃鹽溶實(shí)驗(yàn)不同氯根濃度線性溶解率圖13是鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明中的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明中利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法主要包括下列步驟
1.針對(duì)某一構(gòu)造深度為H米的鹽巖層，對(duì)鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣加工，試樣的尺寸規(guī)范是長(zhǎng)度為50mm，直徑為25mm的圓柱，試樣的數(shù)量為8(也可以是其它數(shù)量)個(gè)，且分別編號(hào)為1、2、......、7、8；
2.取4個(gè)試樣(編號(hào)為1、2、3、4)，對(duì)每個(gè)試樣，在巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，采取多級(jí)溫度和多級(jí)加載組合的實(shí)驗(yàn)方式，獲得蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變與時(shí)間曲線，如圖1至圖4所示；
多級(jí)溫度和多級(jí)加載組合的實(shí)驗(yàn)方式如表1
表1 巖芯實(shí)驗(yàn)方式
由于石油鉆井鹽層大多出現(xiàn)的深度為3000～6000米，地層溫度在60～150攝氏度間，鉆井作業(yè)時(shí)鉆井液液柱壓力一般與最大地應(yīng)力相差4～20MPa。本實(shí)驗(yàn)試樣取自深度為3570米的鹽層，實(shí)驗(yàn)條件中有效圍壓與差應(yīng)力的確定以此為據(jù)。
本實(shí)驗(yàn)在Terratek巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)是一套先進(jìn)的可編程溫度、壓力控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以連續(xù)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定、記錄并且根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序模式自動(dòng)進(jìn)行溫度和壓力控制，由于該系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，因此對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理不再另行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣密封后置于高壓室中，密封套上安裝有軸向和徑向應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線到達(dá)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序模式自動(dòng)進(jìn)行溫度和壓力控制同時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備則在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過(guò)主控計(jì)算機(jī)處理后繪出應(yīng)變隨時(shí)間的關(guān)系圖，如圖1至圖4所示。
對(duì)每一試樣的實(shí)驗(yàn)步驟與方法如下
1)將實(shí)驗(yàn)巖樣在實(shí)驗(yàn)架上放置好，對(duì)巖樣稍加軸壓和圍壓(＜0.1Mpa)固定巖樣；
2)巖樣加溫，加溫速率控制在每分鐘1-2度，加溫達(dá)到指定值時(shí)，加上圍壓σ3，使圍壓也達(dá)到指定值；
3)恒溫恒壓大約1小時(shí)，使巖樣內(nèi)部溫度達(dá)到均勻；
4)施加軸向載荷σ1進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)保持整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度，圍壓和軸向應(yīng)恒定，記錄下巖樣的變形隨時(shí)間的變化，繪出應(yīng)變一時(shí)間曲線。
5)當(dāng)蠕變速率趨于穩(wěn)定后改變溫度或應(yīng)力進(jìn)行下一級(jí)溫度壓力條件下的蠕變?cè)囼?yàn)；
在試驗(yàn)過(guò)程中必須注意由低應(yīng)力低溫的一級(jí)開始，逐漸做較高溫度或較高應(yīng)力的一級(jí)試驗(yàn)，同時(shí)在兩級(jí)試驗(yàn)之間必須卸壓3-4小時(shí)使巖樣盡量恢復(fù)，以減小應(yīng)力對(duì)后一級(jí)試驗(yàn)的影響。
3.通過(guò)曲線擬合方法，建立鹽巖蠕變的本構(gòu)關(guān)系方程，即蠕變應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系方程；
石油鉆井地層應(yīng)力較高和溫度較低(小于250℃)，鹽巖的蠕變一般為晶格的位錯(cuò)滑移，此時(shí)鹽巖的蠕變可用指數(shù)方程表示如下
式中，εs穩(wěn)態(tài)蠕變速率(1/s)；Q鹽巖的激活能(卡/克分子)；R理想氣體常數(shù)；R＝1.987卡/克分子·度；σ差應(yīng)力(Mpa)；T絕對(duì)溫度(K)；A、B流變常數(shù)。
由試驗(yàn)的應(yīng)變與時(shí)間曲線圖1至圖4，計(jì)算出應(yīng)變率，見表2，通過(guò)非線性回歸，可得模型的各參數(shù)
A＝35.275
B＝0.603
Q＝19887
表2 蠕變速率
4.建立鉆井井眼縮徑率與鉆井液密度的關(guān)系方程；
視鹽巖地層地應(yīng)力為均勻的，其值P0＝σH，井內(nèi)泥漿柱壓力為Pi，井眼半徑為a；假設(shè)鹽巖地層為各向同性，且為平面應(yīng)變問(wèn)題；靜水壓力不影響鹽巖的蠕變；廣義蠕變速率
與應(yīng)力偏量Sij具有相同的主方向。根據(jù)上述假設(shè)可得到蠕變問(wèn)題的力學(xué)基本方程。
平衡方程
幾何方程
物理方程
邊界條件
σrr＝a＝Pi
σrr＝b→∞＝σH
(5)
若令井眼的縮徑率為n，1/hrs，則確定維持給定井眼縮徑率所需的鉆井液密度的力學(xué)模型為
式中r為地層距井軸的距離；σH和σh分別為水平最大地應(yīng)力和水平最小地應(yīng)力；
5.取4個(gè)試樣(編號(hào)為5、6、7、8)，在不同溫度(通常情況為4個(gè)不同溫度，具體值視深度而定)下進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)，獲得4組鹽溶質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過(guò)非線性回歸建立鹽溶速率與氯根濃度的關(guān)系模型；
水基鉆井液在鹽濃度未達(dá)飽和之前，可溶解鹽巖層中的可溶性鹽(對(duì)于復(fù)合鹽層，溶解NaCl、CaSO4等)，在溶解過(guò)程中隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中鹽濃度增加，溶解速率降低，根據(jù)溶解時(shí)間與鹽溶質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，可建立溶解時(shí)間鹽溶質(zhì)量與溶解時(shí)間的關(guān)系式
w溶解＝f(t) (7)
式中w溶解為時(shí)刻t溶解鹽的質(zhì)量；
鹽溶速率v溶解可由上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到
鹽溶速率與鹽塊與溶液的接觸面積有關(guān)系，在通常情況下，鹽塊與溶液的接觸面積越大，溶解速率越塊，為此，為消除鹽塊與溶液接觸表面積的影響，可采用鹽塊單位表面積的溶解速率表示。可得以下公式
式中，v面積溶解為單位接觸面積上的鹽溶速率；
A為鹽塊與溶液的接觸面積。
對(duì)上式用質(zhì)量表示的溶解速率除以鹽塊密度可得到用體積表示的鹽塊密度。
式中，v線性溶解為以體積表示的鹽塊溶解速率；ρ鹽為鹽塊的密度。
以上單位體積比上面積相約后即可得鹽塊溶解厚度，由此可以得到單位時(shí)間內(nèi)鹽塊的溶解厚度(線性溶解速率)。
在鹽溶解時(shí)，溶液Cl-相應(yīng)的增加，可以測(cè)定對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上的Cl-含量，結(jié)合公式10，可以建立t時(shí)刻Cl-含量與溶解速率的關(guān)系，從而建立Cl-含量與溶解速率的關(guān)系圖版或數(shù)學(xué)表達(dá)式。
實(shí)驗(yàn)中考慮到鹽層鉆井需要采用KCl鹽水鉆井液體系(KCl加量一般需8％左右)，故選用KCl鹽水作為溶液進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)。
一般來(lái)講，鹽溶解速率影響因素有溫度、鹽塊與溶液接觸表面積以及溶液粘度等。鹽塊與溶液接觸表面積影響可用單位接觸面積上鹽塊溶解速率消除。因此實(shí)驗(yàn)中考慮溫度和溶液粘度兩種影響因素，考慮現(xiàn)場(chǎng)使用帶固相的鉆井液進(jìn)行鉆井，固粘度影響采用實(shí)際鉆井液進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了30℃、50℃、70℃、90℃鹽溶實(shí)驗(yàn)。獲得4組鹽溶質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖5、圖7、圖9、圖11所示，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，如圖6、圖8、圖10、圖12所示。
通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)分析，采用非線性回歸方法，建立鹽溶速率與氯根濃度的關(guān)系模型，即單位時(shí)間單位面積鹽塊溶解速率(線性溶解速率)v線性溶解
v線性溶解＝0.0002244[Cl-]2+1.9568×10-6T2-4.508×105[Cl-]T
-0.0053119[Cl-]+0.00051991T+0.036179
cm/min (11)
式中，[Cl-]為氯根濃度，萬(wàn)mg/l；T為溫度，℃。
6.建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版；
鉆井縮徑率定義
式中，Dbit為鉆頭直徑，cm；CAL為井徑，cm；t時(shí)間，h；
單位小時(shí)內(nèi)涌入井內(nèi)鹽層的徑向厚度v涌
v涌＝nDbit cm/h(13)
為保證鉆井安全，要求單位小時(shí)內(nèi)涌入井內(nèi)鹽層被欠飽和鹽水鉆井液溶掉，鹽溶速率并繪制與復(fù)合鹽層鉆井縮徑率應(yīng)滿足
v涌＝60v線性溶解 (14)
即
即
而維持給定井眼縮徑率所需的鉆井液密度的力學(xué)模型為
根據(jù)式16與17可獲得鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系，如圖13所示。
7)對(duì)于與實(shí)驗(yàn)巖心井在同一區(qū)塊的鹽層鉆井，可根據(jù)步驟6)的關(guān)系圖版，確定合理的鉆井液密度與氯根濃度用于克服鹽層蠕變。
同一區(qū)塊某井鹽層深度為4122米，地層溫度梯度一般為2.7度/100米，可得鹽層溫度為111.29℃；
根據(jù)鹽層上部鉆井情況，發(fā)現(xiàn)鉆井液密度大于2.17g/cm3時(shí)發(fā)生鉆井液漏失，降到2.15g/cm3時(shí)鉆井液漏失得到控制，可見鹽層鉆井的鉆井液密度應(yīng)控制在2.15g/cm3內(nèi)，而完全靠鉆井液密度來(lái)控制鹽層蠕變引起的井眼縮經(jīng)所需鉆井液密度為2.21～2.30g/cm3。解決這一問(wèn)題，采取2.15g/cm3的鉆井液，通過(guò)調(diào)整氯根濃度溶解由于蠕變涌入井內(nèi)的鹽來(lái)避免井眼縮經(jīng)。
鉆井液氯根濃度的確定方法如下
①在鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版，如圖13所示，在縱坐標(biāo)軸找到點(diǎn)2.15，過(guò)此點(diǎn)坐平行與橫軸的直線YY；
②過(guò)線YY任意點(diǎn)P作平行于縱軸的直線XX，XX交曲線B與P0點(diǎn)，P點(diǎn)與P0點(diǎn)的距離為L(zhǎng)0，XX交曲線C與P1，P點(diǎn)與P1點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，則P點(diǎn)的溫度為[90+30×L1/(L0+L1)]℃；
③左右平移XX，直至P點(diǎn)的溫度為111.29℃；
④計(jì)算XX與橫軸的交點(diǎn)的值，獲得氯根濃度為13.2萬(wàn)mg/l；
⑤鉆井作業(yè)前，調(diào)整鉆井液密度至2.15g/cm3，氯根濃度為13～14萬(wàn)mg/l。
權(quán)利要求
1.一種利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，包括下列步驟
1)針對(duì)某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對(duì)鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣加工，共需若干個(gè)樣品；
2)取若干個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣中的數(shù)個(gè)，對(duì)每一個(gè)試樣，在巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，采取多級(jí)溫度和多級(jí)加載組合的實(shí)驗(yàn)方式，獲得蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變與時(shí)間曲線；
3)通過(guò)曲線擬合方法，建立鹽巖蠕變的本構(gòu)關(guān)系方程，即蠕變應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系方程；
4)建立鉆井井眼縮徑率與鉆井液密度的關(guān)系方程；
5)取余下的試樣，在不同溫度下進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過(guò)非線性回歸建立鹽溶速率與氯根濃度的關(guān)系模型；
6)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版；
7)對(duì)于與實(shí)驗(yàn)巖心井在同一區(qū)塊的鹽層鉆井，可根據(jù)步驟6)的關(guān)系圖版，確定合理的鉆井液密度與氯根濃度用于克服鹽層蠕變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，其特征在于
所述步驟6)中建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版的方法包括下列步驟
1)建立鹽溶速率與鉆井縮徑率的關(guān)系模型；
2)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系模型；
3)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法，其特征在于
所述步驟7)中的使用方法包括下列步驟
1)估計(jì)鹽層的深度，根據(jù)地層溫度梯度計(jì)算鹽層溫度；
2)根據(jù)鹽層上部地層的破裂壓力最小值，確定鉆井液密度；
3)根據(jù)鉆井液密度、溫度從關(guān)系圖版確定鉆井液氯根濃度；
4)鹽層鉆井前調(diào)整鉆井液密度和氯根濃度，克服鹽層蠕變產(chǎn)生并眼縮徑。
全文摘要
一種利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來(lái)克服鹽巖層蠕變的方法包括1)針對(duì)某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對(duì)鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣加工，共需8個(gè)樣；2)取4個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣，對(duì)每一個(gè)試樣，在巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，采取多級(jí)溫度和多級(jí)加載組合的實(shí)驗(yàn)方式，獲得蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變與時(shí)間曲線；3)通過(guò)曲線擬合方法，建立鹽巖蠕變的本構(gòu)關(guān)系方程，即蠕變應(yīng)力－應(yīng)變率關(guān)系方程；4)建立鉆井井眼縮徑率與鉆井液密度的關(guān)系方程；5)取余下的4個(gè)試樣，在不同溫度下進(jìn)行鹽溶實(shí)驗(yàn)，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過(guò)非線性回歸建立鹽溶速率與氯根濃度的關(guān)系模型；6)建立鉆井液密度、溫度與氯根濃度的關(guān)系圖版；7)對(duì)于與實(shí)驗(yàn)巖心井在同一區(qū)塊的鹽層鉆井，可根據(jù)步驟6)的關(guān)系圖版，確定合理的鉆井液密度與氯根濃度克服鹽層蠕變。
文檔編號(hào)C09K8/04GK1814986SQ20051000521
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者金衍, 陳勉, 張廣清 申請(qǐng)人:石油大學(xué)(北京)