專利名稱：利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來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)系來克服鹽巖層蠕變的方法。
背景技術(shù)：
目前在石油鉆井過程中，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，這對飽和鹽水鉆井液來說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)驗與實踐，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)系來克服鹽巖層蠕變的方法，包括下列步驟
1)針對某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對鉆井取心獲得蠟封鹽巖巖心進行實驗試樣加工，共需加工若干個試樣；
2)取若干個試樣中的數(shù)個，對每一個試樣，在巖石蠕變試驗機進行蠕變試驗，采取多級溫度和多級加載組合的實驗方式，獲得蠕變試驗的應(yīng)變與時間曲線；
3)通過曲線擬合方法，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，在不同溫度下進行鹽溶實驗，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，計算出對應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過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)對于與實驗巖心井在同一區(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)估計鹽層的深度，根據(jù)地層溫度梯度計算鹽層溫度；
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號巖樣的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線圖2是本發(fā)明中2號巖樣的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線圖3是本發(fā)明中3號巖樣的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線圖4是本發(fā)明中4號巖樣的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線圖5是90℃鹽溶實驗不同時刻的鹽溶質(zhì)量圖6是90℃鹽溶實驗不同氯根濃度的線性溶解率圖7是70℃鹽溶實驗不同時刻的鹽溶質(zhì)量圖8是70℃鹽溶實驗不同氯根濃度的線性溶解率圖9是50℃鹽溶實驗不同時刻的鹽溶質(zhì)量圖10是50℃鹽溶實驗不同氯根濃度線性溶解率圖11是30℃鹽溶實驗不同時刻的鹽溶質(zhì)量圖12是30℃鹽溶實驗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。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明中的具體實施例作進一步詳細說明。
本發(fā)明中利用鉆井液密度與氯根濃度關(guān)系來克服鹽巖層蠕變的方法主要包括下列步驟
1.針對某一構(gòu)造深度為H米的鹽巖層，對鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進行實驗試樣加工，試樣的尺寸規(guī)范是長度為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，且分別編號為1、2、......、7、8；
2.取4個試樣(編號為1、2、3、4)，對每個試樣，在巖石蠕變試驗機上進行蠕變試驗，采取多級溫度和多級加載組合的實驗方式，獲得蠕變試驗的應(yīng)變與時間曲線，如圖1至圖4所示；
多級溫度和多級加載組合的實驗方式如表1
表1 巖芯實驗方式
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)時鉆井液液柱壓力一般與最大地應(yīng)力相差4～20MPa。本實驗試樣取自深度為3570米的鹽層，實驗條件中有效圍壓與差應(yīng)力的確定以此為據(jù)。
本實驗在Terratek巖石力學(xué)測試系統(tǒng)上進行，該系統(tǒng)是一套先進的可編程溫度、壓力控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以連續(xù)對應(yīng)變進行測定、記錄并且根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序模式自動進行溫度和壓力控制，由于該系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，因此對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理不再另行詳細說明。
實驗時，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)變信號通過數(shù)據(jù)線到達數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序模式自動進行溫度和壓力控制同時數(shù)據(jù)采集設(shè)備則在一定的時間間隔內(nèi)進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過主控計算機處理后繪出應(yīng)變隨時間的關(guān)系圖，如圖1至圖4所示。
對每一試樣的實驗步驟與方法如下
1)將實驗巖樣在實驗架上放置好，對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，加溫達到指定值時，加上圍壓σ3，使圍壓也達到指定值；
3)恒溫恒壓大約1小時，使巖樣內(nèi)部溫度達到均勻；
4)施加軸向載荷σ1進行試驗，此時保持整個試驗過程中溫度，圍壓和軸向應(yīng)恒定，記錄下巖樣的變形隨時間的變化，繪出應(yīng)變一時間曲線。
5)當(dāng)蠕變速率趨于穩(wěn)定后改變溫度或應(yīng)力進行下一級溫度壓力條件下的蠕變試驗；
在試驗過程中必須注意由低應(yīng)力低溫的一級開始，逐漸做較高溫度或較高應(yīng)力的一級試驗，同時在兩級試驗之間必須卸壓3-4小時使巖樣盡量恢復(fù)，以減小應(yīng)力對后一級試驗的影響。
3.通過曲線擬合方法，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滑移，此時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絕對溫度(K)；A、B流變常數(shù)。
由試驗的應(yīng)變與時間曲線圖1至圖4，計算出應(yīng)變率，見表2，通過非線性回歸，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個試樣(編號為5、6、7、8)，在不同溫度(通常情況為4個不同溫度，具體值視深度而定)下進行鹽溶實驗，獲得4組鹽溶質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，計算出對應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過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飽和之前，可溶解鹽巖層中的可溶性鹽(對于復(fù)合鹽層，溶解NaCl、CaSO4等)，在溶解過程中隨著溶解時間的延長，溶液中鹽濃度增加，溶解速率降低，根據(jù)溶解時間與鹽溶質(zhì)量的實驗，可建立溶解時間鹽溶質(zhì)量與溶解時間的關(guān)系式
w溶解＝f(t) (7)
式中w溶解為時刻t溶解鹽的質(zhì)量；
鹽溶速率v溶解可由上式對時間求導(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?？傻靡韵鹿?
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間內(nèi)鹽塊的溶解厚度(線性溶解速率)。
在鹽溶解時，溶液Cl-相應(yīng)的增加，可以測定對應(yīng)時間點上的Cl-含量，結(jié)合公式10，可以建立t時刻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)表達式。
實驗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鹽水作為溶液進行鹽溶實驗。
一般來講，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。因此實驗中考慮溫度和溶液粘度兩種影響因素，考慮現(xiàn)場使用帶固相的鉆井液進行鉆井，固粘度影響采用實際鉆井液進行鹽溶實驗。進行了30℃、50℃、70℃、90℃鹽溶實驗。獲得4組鹽溶質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，如圖5、圖7、圖9、圖11所示，計算出對應(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。
通過對上述數(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時間，h；
單位小時內(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)對于與實驗巖心井在同一區(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時發(fā)生鉆井液漏失，降到2.15g/cm3時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。解決這一問題，采取2.15g/cm3的鉆井液，通過調(diào)整氯根濃度溶解由于蠕變涌入井內(nèi)的鹽來避免井眼縮經(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，在縱坐標軸找到點2.15，過此點坐平行與橫軸的直線YY；
②過線YY任意點P作平行于縱軸的直線XX，XX交曲線B與P0點，P點與P0點的距離為L0，XX交曲線C與P1，P點與P1點的距離為L1，則P點的溫度為[90+30×L1/(L0+L1)]℃；
③左右平移XX，直至P點的溫度為111.29℃；
④計算XX與橫軸的交點的值，獲得氯根濃度為13.2萬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)系來克服鹽巖層蠕變的方法，包括下列步驟
1)針對某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進行實驗試樣加工，共需若干個樣品；
2)取若干個實驗試樣中的數(shù)個，對每一個試樣，在巖石蠕變試驗機進行蠕變試驗，采取多級溫度和多級加載組合的實驗方式，獲得蠕變試驗的應(yīng)變與時間曲線；
3)通過曲線擬合方法，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，在不同溫度下進行鹽溶實驗，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，計算出對應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過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)對于與實驗巖心井在同一區(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)估計鹽層的深度，根據(jù)地層溫度梯度計算鹽層溫度；
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)系來克服鹽巖層蠕變的方法包括1)針對某一構(gòu)造深度的鹽巖層，對鉆井取心獲得的蠟封鹽巖巖心進行實驗試樣加工，共需8個樣；2)取4個實驗試樣，對每一個試樣，在巖石蠕變試驗機進行蠕變試驗，采取多級溫度和多級加載組合的實驗方式，獲得蠕變試驗的應(yīng)變與時間曲線；3)通過曲線擬合方法，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個試樣，在不同溫度下進行鹽溶實驗，獲得多組鹽溶質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，計算出對應(yīng)的鹽溶溶解速率與氯根濃度的關(guān)系曲線，通過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)對于與實驗巖心井在同一區(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C09K8/04GK1814986SQ20051000521
公開日2006年8月9日 申請日期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 申請人:石油大學(xué)(北京)