塔里木盆地盐膏层分析和钻井危害解决措施方案

..塔里木盆地盐膏层分析和钻井危害解决措施第一章绪论第一节盐膏层成因、分布及特征中国大陆钻探发现的盐膏层分布范围广泛,塔里木、中原油田、江汉油田、华北油田、XX油田、辽河油田和胜利油田等都曾有钻遇盐膏层时发生卡钻、套管挤毁,甚至油井报废的恶性事故报道。从目前资料统计来看,盐膏层主要分布在第三系,石炭系和寒武系地层,分属泻湖陆相沉积和滨海相沉积。中原油田东濮凹陷北部的文留、濮城和卫城地区的下第三系沙河街组为泻湖陆相沉积,其整个北部遍及四套复合盐膏层、、和,埋深2000—6000米,层厚度少则10米,多则1000米,累计厚度1000—1800米,已探明的盐膏层面积达1779。江汉油田潜江凹陷第三系潜江组也属泻湖陆相沉积,盐层分布面积达2000,累计厚度1800米以上,埋深700—5040米,地质储量7900多亿吨。华北油田荆丘地区第三系2750—3000米有大段盐膏层。从盐层分布看,塔里木油田盐膏层的类型最全,有泻湖陆相沉积的第三系盐膏层,也有滨海相沉积的石灰系和寒武系盐膏层,深度不一,从盆地边缘局部地区出露头到深至6000米都有分布。因此,本文以塔里木油田为例,说明盐膏层的成因、分布及特征。一、塔里木盆地第三系复合盐层的成因及特征塔里木盆地第三系是喜山期盆地快速沉降沉积下来的一套地层,分布遍及全盆地,厚度巨大,最厚达11300米<喀什凹陷>,最薄250米<巴楚隆起>。其埋深一般为50—300米,局部可达1000一3000米<叶城——和田凹陷>,盆地边缘局部地区出露地表。根据沉积特征,塔里木盆地的第三系下部的沉积环境属于河流一盐湖体系的沉积,可大致划分为：冲积扇,主要发育于库车坳陷北部背斜带及提尔根地区。沉积物主要为砂砾、砂的快速堆积。湖泊相：可进一步细分为几个亚相。沙泥坪亚相：主要发育于牙哈一东河塘一英买力l号构造带,沉积物以泥质为主,夹少量粉砂、泥质粉砂沉积。盐泥坪亚相：英买7构造带较发育,沉积物以泥质为主,有少量盐、盐泥、膏、膏泥的沉积。盐盘亚相：在羊塔克一英买力一南喀一带发育,主要是盐和石膏沉积交互的韵律层。另外,受喜山造山运动的影响,使盐层段受到强烈的挤压,大小断层多,构造应力大,盐膏层厚薄和倾角多变,形成水平、倾斜及破碎的盐、膏、泥混杂体。复合盐层是盐湖沉积的产物,基本物质多数是碎屑颗粒、晶块及化学沉淀的晶体。盐岩和石膏通过化学和机械的作用改变碎屑岩或团块的结构并充填在碎屑或团块之中,形成盐膏泥的混合物。复合盐层段主要分布在塔里木盆地西部和塔北隆起的库车凹陷,分布范围广,埋藏深,其埋藏深度—般在2440—5570米。根据表1.1统计,复合盐层比较集中的地区主要南喀—羊塔克一英买力构传带以及山前构造带。从图1.1也可知,其下部的盐岩、膏泥及石膏段地层向西南方向<南喀l井>增厚,向东南方向<英9井>超覆。表1.1第三系复合盐层井段简表井号牙哈1东秋5南喀1齐满1英901英12玛参1群5英8亚肯3本1顶界m384624403990439039684017204240003605279480底界m45242804940544247034719214841950125574227段长m16061840950102737021061914522942井号DWl玉东201克拉2克拉201克拉203克拉204羊4羊2羊5羊101YM30顶界m257844903090280831148130995095427底界m424545763502370137012224029067段长m16758412792550407394141200未完对塔里木盆地第三系复合盐层的认识是从南喀l井开始的。以后又相继在9个构造11口井中钻遇这套盐层。塔里木盆地的第三系复合盐层,在不同构造上具有不同的性质,根据岩性特征可分为四种主类型。第一种类复合盐层主要分布在英买力构造和买盖提斜坡构造。石膏主要分布在该段的上部及下部,中部主要为膏质泥岩。泥岩层厚一般3.5—11.5米,石膏层厚一般2—4米,石膏为灰白色,质较纯,纤维状,具丝绢光泽。膏质泥岩为棕色棕红色,石膏呈斑点、斑块状不均匀分布,裂缝、微缝较发育。石膏在沉积过程中受高温高压的作用,发生脱水反应,井眼钻井前具有硬石膏的性质,井眼钻开后,硬石膏吸水膨胀,导致井眼缩径,夹杂在泥页岩中,充填在泥页岩裂中的硬石膏吸水膨胀后,导致井壁剥落、掉块或垮塌,钻遇这类盐层比较典型的井有两口：英买12井和英买901井。第二种类型复合盐层,以盐岩、石膏、膏泥岩、泥膏岩为主,中间夹薄层泥岩、泥质粉砂岩。这类盐层主要分布在英买力构造西部和亚肯断裂带。盐岩存在于该段的上、中部,石膏、膏泥岩、泥膏岩交互沉积于全井段。在砂泥岩的孔洞、裂隙中充填白色盐和石膏。盐岩为白色或灰白色结晶盐,具玻璃光泽,个别染有泥色,含少量石膏和泥质成份,厚度—般在1—4米,最厚可达35米<英买8井>。石膏、膏泥岩、泥膏岩岩性与第—类型盐层相同。这种类型的盐层除了具有第—种类型盐层的特点外,还具有岩盐层蠕变缩径,盐溶后井壁垮塌等特征,特别是在深井、高温条件下岩盐层的蠕变速率可高到立即闭合卡死钻头的程度<亚肯3井>。钻遇此类型盐层的井有英买8井、亚肯3井、齐满1井、牙哈1井。第三种类型复合盐层,以盐岩、含盐膏软泥岩、石膏岩、膏泥岩为主,中间夹薄层泥岩、泥质粉砂岩。这类盐层主要分布在羊塔克构造带、南喀拉玉尔滚构造、东秋立塔克构造。盐层成厚薄不等层分布于全井段,单层最大厚度70米<南喀1井>。软泥岩存在于盐层、膏层或膏泥岩层中间,厚2—6米,单层最大厚度为31米,其主成分为褐色泥岩,含盐膏、欠压实、含水量大、强度低、可钻性好和易塑性流动等特点。当泥浆液柱压力不能平衡其蠕变时极易造成缩径卡钻。盐岩、石膏岩和膏泥岩的待征与第一类型、第二类型盐层相同。这类复合盐层还普遍受构造应力不断层的影响,其钻井难度很大。目前钻遇这类盐层的井有南喀1井、东秋5井、羊塔克l井。第四种类型的复合盐层,以石膏岩、膏泥岩为主,中间夹薄层软泥岩。这类盐层目前仅在群5井的下第三系4000—4195米钻遇。二、塔里木盆地石炭系盐膏层的成因及特征塔里木盆地石炭系属于滨海相沉积。早石炭系,海浸开始,因陆源碎屑供给充足,延时甚长,沉积了一套堤坝砂岩<陆地边缘坝相>,即东河砂岩段,尔后,继续浸入,但深度较浅,有的生物生长繁衍,生物碎屑灰岩和白云岩,生物与瓣鳃类、腕足类和藻类为主,在玛参l井取出的岩芯中局部见生物堆积层,保存完好,继后,地壳抬升,海水退出,由于陆源物质供应较少,沉积了下泥岩段下部的棕褐、紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。海退后,台地中的水体交换不畅,局部形成封闭型湖泊,兼之当时气候炎热干旱,沉积了一套灰褐色泥晶灰岩<即标准灰岩段．又叫双峰灰岩>。随后,海水退出,沉积了一套氧化环境中的紫红、绿色泥岩、钙质泥岩和粉砂质泥岩即上泥岩段。继后,海水再次侵入,沉积了一套浅海一滨海相的深灰、褐灰色石灰岩与紫红、绿灰色泥岩,即砂泥岩下段。尔后海水退出,沉积了一套海退时期的棕褐、灰黄、灰紫、绿灰色泥岩与灰色、灰白色砂砾岩。继后,海水大范围浸入,石炭纪时期的最大一次海浸,由于陆源碎屑供给量少,水动力能量较弱,沉积了一套灰褐色石灰岩、隧石结核、灰岩夹深灰、绿灰色泥岩,即石炭系灰岩段。石炭系盐膏层主要分布在塔北隆起和塔东北的满加尔凹陷的北部,具有分布范围广,埋藏深的特点,其埋藏深度在5000米以上。各井区盐膏层厚度差别较大,其中以沙10井区最厚,为蒸发台地相沉积中心带,其次是塔河1井区。塔里木盆地石炭系盐膏层的岩性主要为盐岩、膏岩、泥岩等,从盐膏层特征简表1.2可以看出,各井的纯盐岩段都最厚,其中最厚的塔河1井纯盐段达142米,最薄的YW一1井纯盐段也达25米,其次是泥岩段和膏泥岩段,说明塔里木盆地石炭系盐膏层基本上以纯盐岩为主,夹有不等厚的泥岩及膏岩夹层。如乡1井,其构造位于塔北隆起中部三叠系—下奥陶系,由于受海西早期运动影响,该背斜缺志留系、泥盆系。石炭系"东河砂岩"直接不整合于奥陶系之上；而且中上奥陶统也遭不同程度剥蚀。乡1井的主要复杂段集中在石炭系的盐膏层段,井深5151—5331.38米,其岩性特征为顶部厚层状石膏及中层状泥岩,中下部为厚层、巨厚状盐岩夹薄层泥岩,底部厚层状粉砂质泥岩及泥岩。石膏：灰白色,质纯,多呈粉状,许纤维状、部分微含泥质呈灰色。盐岩：白色,浅棕红色,少许无色透明,质纯,味咸纯正,玻璃光泽,结晶粒大。晶形完整,局部见泥质条纹镶嵌在晶粒中。泥岩：灰绿及绿灰色为主,次为棕褐色,性脆,上部含膏质,底部含粉砂质泥岩。羊屋构造位于塔里木盆地北部凹陷满加尔凹陷北缘,羊屋地层不整合圈闭带内,羊屋1井的复杂层段主要集中在石炭系的盐膏层段,井深5061—5122.5米,其主要岩性为：顶部为中厚层状棕褐色泥岩、深灰绿色盐质泥岩；中、下部为厚一巨厚状灰白色石膏岩、无色透明盐岩夹薄层深灰、深灰绿色膏盐质泥岩。泥岩：棕褐,局部深灰绿色。含粉砂质、钙质不均,含钙高者可达24％,普遍见棕、白色石膏晶体及褐灰盐晶,部分岩心孔洞发育,洞径一般2×3毫米,最大4×5毫米,每平方厘米可见孔洞1—3个,为膏盐晶体溶蚀及脱落所致。偶见宽1—3毫米未充填之垂直缝。性硬、脆,不水化。可钻性极差,钻时高达200分／米。盐质泥岩：深灰绿色,含盐质不均,部分为棕褐色、深灰、浅灰色。岩心似角砾状泥砾堆积,具蜂窝状构造,孔内部分充填棕红、白色石膏晶体或灰褐色岩盐晶体,部分为空洞。孔径—般3—5毫米,最大达30×30毫米。性较软,遇水膨胀,尽碎块脱落。盐岩：无色透明,局部含杂质可见灰绿、棕杨色色斑。透明度较差。盐晶多自形,晶体l×l×l厘米,最大5×5×5厘米。膏岩：浅灰、灰白色,部分含泥岩,岩心见粗——粉粒结晶粒状结构,块状构造,局部具纹层状构造,多数膏岩无晶形,致密块状,岩屑呈豆状、片状。表1.2塔里木盆地石炭系盐膏层岩性描述表井号井段厚度岩性描述塔河15166—5355189以厚层灰白色盐岩为主夹棕色泥岩,灰色膏泥岩。膏盐岩：石膏为白色粉末状,盐被溶解。泥岩：质较纯,性软一中,局部见少量石膏吉南15258—5375116.5灰白色膏盐层夹棕红及灰色膏泥岩和泥岩,膏盐层致密性软,易溶,可钻性好,钻时一般5一10分／米。和25706—578478巨厚层状白色盐岩,其中夹灰色薄层泥岩,盐岩为白色晶体,易溶于水。玛参14495—4614119大段灰白色膏盐层夹紫红色泥岩及浅灰色膏质泥岩,顶部为两层紫红色泥岩夹一层灰白色石膏,底部为灰白色石膏。轮南455263—5388125大段灰白色盐岩、盐膏岩、泥膏岩夹灰、暗棕色泥岩、膏泥色及砂质泥岩轮南465209—5350141厚层白色盐岩及石膏夹薄层棕红色含泥膏岩及灰色、浅棕色泥岩,盐岩质较纯,玻璃光泽易溶于水,石膏质较纯、性软,易成粉末状,泥岩含灰质及少量粉砂质,且分布不均,吸水性差,成岩性好。三、塔里木盆地寒武系盐膏层的成因及特征寒武系盐层在巴楚隆起、英买力地区、塔中地区都有分布,它们都是碳酸盐台地内彼此分割的泻湖相沉积。寒武系盐层在和4井、方1井,康2井钻遇,岩性为灰白色盐岩与棕红色泥岩、褐灰色泥岩、灰白色膏岩不等厚分布,属中寒武系统,复合盐层中石膏的含量丰富。巴楚地区盐膏层含有较多的可溶盐,且可溶盐中以氯化物和硫酸盐为主,即可溶盐主要是石盐和石膏。含石膏多的地层少量的吸水就可导致较严重的膨胀,易造成掉块、膨胀、缩径。另外,石膏和石盐的溶解又可引起井径扩大和井壁坍塌,并影响钻井液性能,因此,对石膏地层钻井液滤失量是至关重要的。表1.3寒武系盐层井段井号巴东4塔参I康2和4方1顶界,m61666880503751043835底界,m67907010563458044314段长,m630130597700479第二节盐膏层对钻井工程的危害性复合盐层钻井,特别是高构造应力区的复合盐层钻井是一个世界级的钻井技术难题。复合盐层主要由三种不同类型的盐组成。第一类盐,由分选差的角砾状的粉砂岩以及泥岩形成胎体,在其微观和宏观裂隙中充填了盐膏。第二类盐,分选差和角砾状的泥岩、粉砂岩或硬石膏团块是由盐胶结的或以盐为胎体。第三类盐,近于纯盐,含少量杂质。这三种类型的盐交错沉积形成复合盐层。据国内外资料介绍和塔里木盐膏层钻井情况分析,复合盐层钻井时会产生以下复杂情况：盐岩的塑性变形产生井径缩小；以泥岩为胎体,在其微观、宏观裂隙中充填了盐膏的含盐膏泥岩,存在于第二类或第三类盐之间,形成良好的圈团,自由水在沉积过程中未完全运移出去,以"软泥"的形式深埋于地层中,蠕变速率极高。美国安秋子牧场油田曾测得这种"软泥"的初始蠕变速率约2.54厘米/小时。以盐为胎体或胶结物的泥页岩、粉砂岩或硬石膏团块,遇矿化度低的水会溶解。盐溶的结果导致泥页岩、粉砂岩、硬石膏团块失去支撑而坍塌。夹在岩盐层间的薄层泥页岩、粉砂岩,盐溶后上下失去承托,在机械碰撞作用下掉块、坍塌。山前构造多次构造运动所形成的构造应力加速复合盐层的蠕变和井壁失稳。无水石膏等吸水膨胀、垮塌。无水石膏吸水变成二水石膏体积会增大26%左右,其它盐类如芒硝、氯化镁、氯化钙等也具有类似性质。复合盐层段非均匀载荷引起套管挤毁变形。石膏或含石膏的泥岩在井内泥浆液柱压力不能平衡地层本身的横向应力时,会向井内运移垮塌。以上8个方面的复杂问题构成了复合盐层钻井的困难。在国内,比较典型的复合盐层存在于中原油田的文东地区沙三、沙三地层中,1976—1986年中共发生复合盐层恶性卡钻事故17口井,其中6口井报废,5口井侧钻,6口井倒扣解除,2口井事故完井。据华北油田1993年的统计,第三系盐膏层造成荆丘地区64%油水井的套管被挤毁,美国的安秋子牧场油田由于复合盐层影响也多次发生卡钻、套管挤毁等复杂问题。塔里木第三系,石炭系和寒武系盐膏层给钻井带来了不同程度的危害性,具体见统计表1.3—1.4。.PAGE2——.表1.3第三系复合盐层钻井事故统计表序号井号事故时间深度,米事故统计事故原因及处理类型报废进尺,米损失时间1南喀1井4686.85盐层缩径卡钻274.60775小时40分4668～4682米灰白色膏泥岩,因泥浆密度低,缩径卡扶正器,从4415米填井侧钻2南喀1井4686.85盐层缩径卡钻357.881001小时15分4708~4778米连续70米纯盐层,取芯钻进时因盐层缩径卡死,从4376米填井侧钻。3南喀1井4807.30盐层缩径卡钻237.30888小时59分4806~4809米纯盐层,钻进时停转盘卡死,从4570米填井侧钻。4南喀1井4657.50盐层缩径卡钻16小时20分4650~4657米岩盐在岩屑中比例30~90%,密度低,缩径卡钻。泡清水12方,淡水浆6方,解卡。5南喀1井4858.40盐层缩径卡钻616.702120小时23分4853~4875米岩盐层段井径缩小,起钻倒划眼时卡死,从4289.50米填井侧钻。6南喀1井4789.00井壁掉块卡钻328小时05分夹于岩盐层间的脆性泥岩,垮塌卡钻,提断扶正器公扣后,磨铣解除。7南喀1井1984946.07井壁坍塌缩径卡钻6962542小时37分钻遇浅灰色细砂岩,严重漏失,泥浆有进无出,井壁坍塌,缩径卡钻。从4250米填井侧钻。续表1.3第三系复合盐层钻井事故统计表序号井号事故时间深度,米事故统计事故原因及处理类型报废进尺,米损失时间8英8井5158.38压差卡钻223.861782小时30分7″套管未将第三系复合盐层封隔完,造成同一裸眼段上部坍塌压力高,下部孔隙压力低,从4958.52米,填井侧钻。9英12井4554.10缩径卡钻205.101459小时35分泥浆密度低,C1ˉ含量低,造成膏盐层缩径卡钻,从4349米填井侧钻。10英901井2514.85砂桥卡钻88小时10分盐溶后井壁垮塌,形成砂桥卡钻,泡解卡剂解卡。11东秋5井2514.85缩径卡钻684小时钻开"软泥岩"后,因井下液柱压力仍不能平衡其蠕变,起钻倒划眼时卡死,倒扣,套铣解铣。12东秋5井1994.01.312527.47缩径卡钻1104小时钻穿"软泥岩"后,因井下液柱压力仍不能平衡其蠕变,起钻倒划眼时卡死,倒扣,套铣解铣。13曲5井4187.93缩径卡钻164.201709小时钻遇"软泥岩",因泥浆密度低,造成缩径卡钻从4023.74米填井侧钻。14亚肯3井5546.33缩径卡钻446.332093小时钻遇岩盐层,因泥浆密度低,造成缩径卡钻,从5100米填井侧钻。表1.4塔里木石炭系复合盐层钻井事故统计表井号事故时间/损失时间盐岩层段,米工程简况固井质量乡1井1991.3.3~4.30/59天5165—5331饱和盐水泥浆1.58钻进阻卡多次改为欠饱和。双心钻头钻后盐岩层闭合快。套管挤坏侧钻轮南46井4.12~5.30/46天5205—5368牙轮钻头1.52下钻盐层顺利但闭合快、通井阻。加重至1.61发生井漏。质量优,钻至6208米完钻轮南45井5.1~6.24/55天5266.6—54041、双心钻头盐层顺利电测卡仪器处理中卡一次,第一次下套管井漏,堵漏后重下,最后固井顺利。优良哈2井6.8~8.28/82天5706—6793双心钻头钻盐层顺利。长期堵漏一个月、通井划眼钻2次解卡后又断钻具157.42米于井底。未固吉南1井11.21~12.3/12天5265—5382用双心钻头低含盐适当比重钻进顺利。比重1.52下套遇阻。井漏情况下固井。优良塔河1井12.8~12.13/6天5169—53661、双心钻头用低含盐适当比重泥浆钻井正常通井也顺利。优良乡1井<侧>11.22~12.31/39天5167—5321牙轮钻头钻盐层顺利。二次通井下卡钻第一次解卡,第二次断钻具卡死,鱼顶5148.9m。..盐膏层钻井技术概况及发展方向盐膏层钻井技术主要涉及钻井液技术、井身结构设计、钻井工艺措施与固井技术等方面,针对盐膏层易蠕变、易溶解、易垮塌等特点,人们在盐膏层钻井过程中,随着对盐膏层的认识不断提高,钻井新技术新工具不断创新和完善。钻井液技术是盐膏层钻井的关键技术之一,它直接影响钻井作业的成败。我国在江汉、XX、胜利、华北、中原、新疆、塔里木、XX、长庆等油田均钻遇盐膏层。在20世纪70年代末期,曾主要使用欠饱和盐水钻井液钻进盐膏层,结果是经常发生卡钻、井喷、井漏、固井质量差、挤毁套管、测井严重遇阻等复杂情况,导致多次侧钻,甚至井的报废,造成严重的经济损失。80年代初,我国使用油基钻井液钻成第一口试验井——华北油田新家4井,之后又相继钻成中原油田文204井等4口深井和新疆油田的库喀1井,并形成了一套完整的盐膏层油基钻井液技术。这些井的成功钻成,证明油基钻井液能够满足盐膏层钻井的需要。由于油基钻井液的高成本和环境污染,使其发展受到了一定限制。80年代中后期,研制成功聚合物饱和盐水钻井液体系,大大提高了中原油田盐膏层钻井的成功率,相继在全国范围内推广,取得了很好的应用效果。90年代,又研究开发了氯化钾聚磺、复合饱和盐聚合醇等饱和盐水钻井液体系,并建立了相应的包括维护技术在内的一系列配套技术,为顺利钻穿复杂盐膏层奠定了技术基础。为了尽可能节约成本和满足盐膏层钻井提出的更苛刻的要求,在塔里木油田巴楚地区应用成功适当溶解盐膏层的欠饱和盐水稀硅酸盐钻井液体系,不仅顺利钻穿了寒武系盐层,而且钻井液性能稳定,起下钻畅通无阻,形成井眼规则,并且节约了钻井液成本,取得了可观的经济效益,也为盐膏层钻井液的发展指明了方向。随着钻井作业深度和难度的增加,会对钻井液技术提出更为严峻的挑战。虽然我国已经形成了全套的盐膏层钻井液技术,但与国外相比,还有一定的差距。特别是深井、超深井、大位移井、水平井及分枝井等特殊井钻井技术的发展,要求盐膏层钻井液不仅具有良好的抗盐、抗钙、抗高温能力,还要求在钻井液性能如流变性、润滑性、携砂能力能力等各个方面有所突破。发展抗盐、抗钙、抗高温等性能好的钻井液处理剂是盐膏层钻井液工艺技术的一个方面。并且应尽可能发挥多种处理剂的协同作用,研制出效果好而成本又合理的钻井液体系。同时,还要发展与钻井液体系相配套的设计、配制、维护和应用技术。在井身结构设计方面,充分考虑了盐膏层蠕变引起的套损问题,如双层套管的使用。对于必封点的选择,在孔隙压力与破裂压力剖面的基础上加入了维持特定盐膏层蠕变速率的安全泥浆柱压力剖面,利用这三个剖面并结合传统的成熟设计技术,形成了新的盐膏层井身结构设计技术。在钻井工艺措施上,除了利用合适的工具〔如双心钻头、井下扩眼器等和合理的钻具结构外,根据以往经验发展了复合盐层钻进技术的总的指导思想,那就是加强责任心,切实从思想上真正重视其复杂性,踏踏实实做好每一步工作；在钻进中一定要耐心的划眼,直至畅通,决不片面追求在复合盐层中的钻进速度,而要把"快"字体现在钻穿复合盐层中的综合时效上。在固井技术上,主要是要解决盐膏层水泥浆顶替效果和水泥浆与地层胶结配伍问题,通过国内外三十多年来的发展,结合油田的实际情况,发展了新型隔离液和高密度欠饱和盐水水泥浆。盐膏层钻井技术需要不断地完善和发展,以满足各油田不同地质环境、盐膏层成分等提出的特殊钻井工程问题。第二章盐膏层岩石理化性能第一节盐膏层岩石物理特性在我国盐膏层分布广,埋藏深,在第三系、石炭系和寒武系地层均有出现,由于沉积环境的不同,产生了富含碳酸盐、硫酸盐的盐岩再加上周期性交互沉积,分选差的砂泥岩,形成形形色色的复合盐岩。复合盐岩中有盐、石膏、泥岩等,彼此组成的比例不同,构成的盐膏岩其性质干差万别,体现在岩石物理上,如强度、弹性,蠕变特征等差异也很大、但对于盐岩,其力学性质有着以下大致相同的基本规律：应力历史对岩盐的力学性质的影响表现为弹性迟滞现象和弹性后效现象。随温度的升高,盐的屈服应力、强度、弹性模量均降低；而随围压的增加盐岩的强度、弹性模量和波松比均增加。盐岩的强度较低,在相同条件下只有XX岩的四分之一、石英岩的十七分之一。盐岩是常见的工程对象,不同的地质历史时期以及不同的沉积环境都会给盐岩的力学性质带来一定的差异,但大致规律基本相同,可归纳如下：盐岩的强度很低,一般只在5—16MPa；盐岩的波松比较高,少数甚至接近于0.5；温度对岩盐的强度、弹性模量有明显的影响,温度升高,强度和弹性模量有减小的趋势,波松比随温度增高而增大；围压的升高使得岩盐的强度、弹性模量和波松比有增加的趋势。温度、应力水平与盐的蠕变特性密切相关。温度升高和应力水平的增高都使得岩盐的蠕变速率增加。在给定的温度和围压条件下,岩石蠕变各阶段的特征和转化条件与应力水平密切相关。不同应力、温度条件下的岩盐的蠕变规律取决于不同的变形机制。岩盐蠕变本构关系式中的激活能与温度有关。变形机制的不同会导致随温度增加激活能连续或非连续增加,盐岩中的杂质成分对激活能的影响十分复杂第二节盐膏层岩石的化学组分所谓盐膏层,顾名思义,是指主要由岩盐〔NaCl和石膏〔CaSO4或CaSO4·2H2O组成的地层。但实际上,在盐膏层中,岩盐和石膏的含量不等,而且还含有大量的其它矿物。除常见的石英〔SiO2、长石、碳酸盐岩等矿物外,还常会有各种不同的粘土矿物。由于钻进盐膏层很容易发生缩径、阻卡与卡钻、固井质量差及易挤毁套管等复杂情况,钻井作业的设计与施工及钻井液配套技术是保证顺利钻井的关键,因此,对盐膏层岩石进行矿物组分分析显得尤为重要。岩石矿物组分分析主要通过X射线衍射,对地层矿物的种类、组成进行定量定性分析,如粘土矿物总含量、各粘土矿物如伊利石、蒙脱石等的相对含量以及非粘土矿物的种类等。我国所钻遇的盐膏层由于沉积环境及所受构造运动不同,形成的盐膏层有所不同,根据纯盐层厚度、盐膏层特点及夹层情况,可将盐膏层再进一步分为纯盐岩层和盐、膏、泥复合盐层两类。相应地,这两类盐膏层的岩石矿物组分也不尽相同。一、纯盐膏层这类地层为大段结晶状无机盐〔大部分为氯化钠和硫酸钙,也可含其它复合盐类,如氯化钾、氯化钙和芒硝等,其单层厚度较大,一般从几米至几十米,总厚度从几十米至上千米,最厚可达两千米以上。总的来看,这类地层岩性比较稳定,盐层夹层常为不易坍塌的白云岩、石灰岩及层理裂隙不发育不易坍塌的硬泥岩等。粘土矿物可分为两类,一类以伊利石为主〔93%~99%,另含少量绿泥石〔1%~7%,有时伊利石含量甚至可达100%；另一类以伊利石〔42%~59%与伊蒙有序间层〔21%~47%为主。我国比较典型的纯盐膏层区块是江汉油田的潭口地区及XX川中地区等,表2.2.1和表2.2.2分别是江汉油田潭口地区潭26、潭49井的岩石矿物组分分析结果。由矿物组分分析结果可以看出,地层的潜江组粘土矿物中伊利石的相对含量高达94%~99%,不含或极少含伊蒙有序间层,没有高岭石,含岩盐,粘土矿物总含量为55%~70%,应属第一类纯盐岩层。潭42井的潜二段含盐,伊蒙间层为有序间层,其它层段为伊蒙无序间层,粘土矿物含量在45%左右,伊利石的相对含量也在70%以上。表2.2.1潭26井地层岩石矿物组分分析结果地层井深m粘土矿物相对含量,%非粘土矿物组分及含量,%系组段I/SR=0IKC间层比S%石英钾长石钠长石方解石白云岩类菱铁矿石膏方沸石合计RNg6045431877042311148E2q76199122476234578099114251021742826991193522173995897330656117579775941202.2.2潭42井地层岩石矿物组分分析结果地层井深m粘土矿物相对含量,%非粘土矿物组分及含量,%系组段I/SR=0I/SR>1IKC间层比S%石英钾长石钠长石方解石白云岩类黄铁矿石膏硬石膏方沸石合计NNg300791065772123174473506321610662812734140025674442141101221404508286488252292405005822119812922924455070177671302212248续表2.2.2潭42井地层岩石矿物组分分析结果EE2qE2q17001667107402113113140E2q275017736425191212634380011854259142015141850603235951221227145900986553915213140950108644611142153146E2q310004051544920261212224711002962454913110152142E2q41115020657866171251433449E2q40120030633446191279111243E2q40下12501083344518159911448E2q4314001474574414191411444E2q43下1450879584014361214242二、盐、膏、泥复合盐层这类地层盐、膏、泥相间,互层多且薄,岩性变化大,并含盐膏软泥岩、碎泥与盐结合物及以盐为胶结物的角砾岩等,往往由深层盐岩、盐膏、石膏、芒硝、泥岩、含膏泥岩、灰质泥岩、泥页岩等多种岩性组成。其岩性复杂多变,泥岩层理发育,软泥岩含水量高。粘土矿物也可分为两类,一类以伊利石为主〔75%~90%,另含绿泥石〔10%~25%,另一类以伊利石为主〔43%~100%,并含伊蒙有序间层、高岭石、绿泥石等。我国所钻遇的盐膏层中大多数为这类复合盐层,真正的厚纯盐层相对较少。典型的复合盐层区块有中原油田文东地区和塔里木油田羊塔克地区等。首先以中原油田文东地区为例,其中的沙三2和沙三4是两套极为复杂的复合盐膏层,断层特别发育,埋深2600~5000m的两套盐膏层下面为高压油气层,压力系数变化较大,岩性极为复杂。80年代以前因采用欠饱和盐水钻井液钻进,致使大部分井因卡钻、井喷、井漏等恶性事故而报废,其地层岩石矿物组分见表2.2.3所示。由表可以看出,沙三2盐膏层中粘土矿物以伊利石为主,含量为50%左右,此外还含有伊蒙有序间层、绿泥石、高岭石等。沙三4盐膏层的泥岩粘土矿物的伊利石含量达100%。再以塔里木油田羊塔克地区为例,下第三系〔4900~5300m主要由盐膏层组成,其矿物组分分析见表2.2.4。表2.2.3中原油田文东地区盐膏层岩石矿物组分分析结果〔ES32和ES34井号井深m层位地层粘土矿物相对含量,%I/S<R>1>IKC间层比S%文2042924ES321954101720文2042986ES32265181520文2043040ES321853101920文2043092ES3221641520文2043136ES3218631920文2043616ES34186112920文2043662ES34176391120文2043708ES341561121220文2043908ES34100文2043916ES34100文2043930ES34100文2043970ES34100文2044010ES34100文2044062ES34100文2044126ES34100文2044172ES34100井号井深m粘土矿物,%非粘土矿物,%晶态粘土矿物非晶态粘土矿物石英方解石白云石长石方沸石硬石膏总量I/SR=0I/SR>1IKC间层比S%总量YTK246504.27.81.374.137017.51.8725174.78.655.3YTK247009.2515.63.137.9670361.6525.416.54.74.651.2YTK247504.328.031.44.2570181.5235189.12.68.973.6YTK248001.918.22.88.150312.073822868YTK2485048.65.470181.12410813780YTK2490059.86.67021.42.0242.717.61024.576.8YTK249502.815.7102028.51.9831.618.811.41.54.167.4YTK250001.423.78.82033.91.5612.58.816.662.9YTK250500.416.15.822.31.043722.465.671YTK251002.811.95.24518.61.3244.217.69.45.276.4YTK251500.614.51.73.920.71.3841.415.39.46.672.4YTK252003.414.91.44.350241.06311252674YTK252500.59.95.115.50.521676083YTK253001.94.61.55080.841057590YTK450274.623.17.83035.51.723912.31162.3YTK550413.317.25.54026.80.6715754572YTK550432.118.16.840260.73218.5535.671.1YTK55083212.544018.51.041711.9645.680.5YTK550893.615.84.640240.672113733.574.5YTK55215325.98.140370.64211182262YTK552443.922.86.340330.49127.844265YTK5529610.910.73.27524.81.392720716.670.6YTK5526419.110.63.360335.182910137867YTK552752110.33.760354.792911.8125865YTK552868.55.72.865175.533030115783YTK5529675255143.373032125786YTK5530624.57.12.460342.322319111366YTK5532020.810.2260334.122016143667YTK5535015.872.345255.053616153575YTK554009.513.74.845282.6739141972YTK101528429.817.84.78052.32.1830.2211.543.8表塔克地区盐膏层岩石矿物组分分析结果〔下第三系下第三系上部粘土矿物以伊利石为主〔50%~70%,其次为伊蒙无序间层,一般为20%以上,再次是绿泥石7%~15%,另外还含少量的高岭石5~10%。从伊利石的结晶度来看,多数结晶度较高,说明该地区地层矿物中伊利石多为自生粘土矿物。膏泥盐层段硬石膏占8%~13%,粘土矿物20%~23%。软泥岩层段,盐和石膏含量剧增,盐为39%~68%,硬石膏18%~49%,变化起伏较大。综上所述,以上两类盐膏层的化学组成有很大差异。因此,发生井壁不稳定的原因及应采取的钻井液技术对策也各不相同。对于纯盐膏层,主要是由于盐溶造成中深井段井径扩大,并引起钻井液性能变坏；而深部井段由于盐膏层蠕变而造成缩径,引起起下钻遇阻或卡钻。一般情况下,对于中深井段盐膏层厚度不超过100m的井,可采用适当钻井液密度的欠饱和盐水钻井液,使盐溶解而引起的井径扩大率与因塑性变形而引起的缩径率相接近。盐、膏、泥复合地层除发生盐溶导致的井壁不稳定问题之外,还可能因泥页岩水化和强地应力引起的坍塌。此时,应更加重视对钻井液密度的控制,必要时应使用强抑制性的饱和盐水钻井液。第三节盐膏层岩石理化性能分析方法和实验技术前面已全面介绍了盐膏层岩石的物理特性和化学组成,下面着重阐述盐膏层岩石理化性能的分析方法和相关的实验技术。钻井实践表明,对盐膏层岩石的理化性能进行测定,有助于分析井下复杂情况的原因及对策,特别对于适应于该类地层的钻井液优化设计非常重要,往往对顺利钻穿复杂盐膏层起着至关重要的作用,同时也有利于钻井液技术的科学化标准化管理。岩石理化性能主要包括密度、阳离子交换容量〔CEC、膨胀率、分散率及等温吸附特性等参数。对于盐膏层岩石,还需测定可溶性盐的类型〔如Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl―和SO42―等及含量。以上理化性能都是对采集的岩屑样品进行分析,如果获取的是岩心,还需测定岩心的原生水含量及浓度。如不特殊说明,所用分析样品一般为岩屑。岩石的理化性能试验方法一般按中华人民XX国行业标准"ZB/TE11001-89泥页岩理化性能试验方法"进行。一、密度盐膏层岩石的密度是在没有空隙的状态下,单位体积盐膏层岩石的质量,常用g/cm3表示。盐膏层岩石的密度除决定于矿物组成、有机质含量及母岩特性外,还与水分含量有关。密度是盐膏层岩石的一个基本物理性质,测定密度有助于了解盐膏层岩石的强度及推测盐膏层的类型。1．仪器材料包括李氏密度瓶,分度值0.1cm3,见图2-1。容积为220~250cm3,带有长18~20cm、直径约1cm的细颈,上面有刻度；以及超级恒温水浴和无水煤油。2．操作步骤〔1调节超级恒温水浴的温度,水温控制在20+0.1℃；〔2往干燥洁净的李氏密度瓶中加入无水煤油至刻度0处。将密度瓶放入超级恒温槽中,使瓶内煤油液面低于恒温槽的水面,让密度瓶浸没1h以达平衡,保持密度瓶在恒温槽内,读记煤油的初始体积,也可将密度瓶从恒温槽中取出,在5s内读数；〔3过100目标准分样筛的页岩样品在105+3℃的电热恒温烘箱中烘干4h,在干燥器内冷却至室温,然后称取岩样55~60g〔准确至0.01g,仔细装入密度瓶中,勿使岩粉粘附在无煤油部分的瓶壁上或溅出瓶外。轻打、滚动或摇动密度瓶,尽可能将带入的空气全部排除。摇动时,勿使液体溅出瓶外,也不要使岩粉粘附在煤油液面以上的瓶壁上；〔4再将密度瓶放回恒温槽中,放置30min；〔5取出密度瓶,再次摇动、轻打或滚动瓶子,从岩粉中排除全部剩余的空气,然后将密度瓶放回恒温槽中至少浸没1h,用读记煤油初始体积相同的方法读出最终体积。图2-1李氏密度瓶3．结果计算按下式计算盐膏层岩石的密度：ρ=m/<V-V0>式中ρ——盐膏层岩石的密度,g/cm3；m——岩样质量,g；V——煤油的初始体积,cm3V0——煤油的最终体积,cm3。4．注意事项密度必须以两次测定结果的平均值确定,计算精确至0.01,两次平行测定结果之差不得超过0.02；读记煤油初始体积和最终体积时,应以弯月面下弧为准,应平视以减少视差；李氏密度瓶是在20℃下校正和刻度的,对这个标准温度偏离越大,实测密度的误差也越大。因此,应该尽量在20℃下测定温度,否则,应该注明测定温度；二、膨胀性一般可用四种方法测定盐膏层岩石的膨胀性,即膨胀率法、阳离子交换容量法、比表面法和等温吸附线法。1．膨胀率法盐膏层岩石的膨胀性一般用线膨胀百分数即膨胀率来表示,即让岩石直接与水接触,测定样心在一定时间的线膨胀百分数。线膨胀百分数的测定是在限制条件下,只允许样心在一个方向膨胀。各种页岩的膨胀性强弱,可用相同条件下测定2h和16h的线膨胀百分数来进行比较,线膨胀百分数越大,岩石就越不稳定。〔1仪器材料1NP-01型页岩膨胀测试仪,包括主机、记录仪和压力机全套设备,主要部分示意图见图2-2；2游标卡尺、凡士林、滤纸等。1—底盖；2—滤纸；3—样心；4—测杆；5—试验溶液；6—测试杆；7—传感器；8—转换部件；9—数字表；10—记录仪图2-2NP-01型页岩膨胀测试仪〔2操作步骤1样心制备洗净测筒,擦干并在底盖内垫一层普通滤纸,旋紧测筒底盖；将岩粉过100目筛,在105+3℃烘干4h,并冷却至室温后,称取10~15+0.01g装入测筒内,将岩粉铺平；装好活塞杆上的密封圈,将活塞杆插入测筒内,然后放在压力机上均匀加压,直到压力表上指示4MPa,稳压5min；卸去压力,取下测筒,将活塞从测筒内慢慢取出,用游标卡尺测量样心的厚度〔即原始高度。2膨胀实验接通主机电源,启动记录仪电源,预热30min；将装好样心的测筒安装到主机的两根连杆中间,放正。把测杆〔孔盘放入测筒内,使之与样心紧密接触,将测杆上端插入传感器中心孔,调整中心杆上的调节螺母,使数字表显示0.00；调整记录仪测量范围为1V〔满量程相当于10mm,记录纸速度为0.01mm/s〔不启动走纸开关。调整记录仪的调零旋钮,使记录仪指针〔笔尖对正记录纸0线；将事先准备好的蒸馏水〔约20ml注入测筒内,与此同时启动记录仪走纸开关。主机数字表随时显示样心的膨胀数据,同时记录仪描绘出膨胀量—时间曲线〔膨胀曲线；仪器工作16h后,关断电源,拆下测筒、测杆,清洗干净并烘干,收存备用。〔3结果计算按下式分别计算2h和16h的线膨胀百分数：Vt=<Rt/H>×100%式中Vt——时间t时页岩的线膨胀百分数；Rt——时间t时的线膨胀量,mm；H——样心的原始高度,mm。〔4注意事项测量样心原始厚度时,应在装入岩粉前用游标卡尺测量测筒高度〔测正交四个点,取平均值,样心制好后再用同样方法测量测筒高度,两次之差即为岩心厚度；作为页岩理化性能,只需报告页岩在蒸馏水中2h和16h的线膨胀百分数,因此可以不启动走纸开关,但需在测筒内注入蒸馏水的同时开始记时,分别在2h和16h读记数字表上的线膨胀量；2．阳离子交换容量〔CEC法——亚甲基蓝实验页岩的阳离子交换容量是指页岩中粘土的可交换阳离子总量,可用"mmol〔一价离子/kg岩石"表示。阳离子交换容量越大,说明岩石的膨胀性越强,稳定性越差,因此,阳离子交换容量法是评价岩石膨胀性的又一方法。测定粘土或土壤的阳离子交换容量的方法很多,如NH4Ac法、EDTA-NH4法及ZnCl2法等。在土壤科学和粘土矿物学中较为通用的经典方法是NH4Ac法,但是这种方法操作冗长费时。国外泥浆界通用的方法是亚甲基蓝法,此法操作简便快速,并且测定方法已有API标准方法可以借鉴,因此,可采用亚甲基蓝法测定页岩〔包括盐膏层的阳离子交换容量。〔1仪器材料五轴搅拌器〔或单轴搅拌器、瓦楞搅拌器均可；25ml滴定管,3%〔质量分数双氧水,稀硫酸2.5mol/l；亚甲基蓝标准溶液。〔2操作步骤将过100目筛的页岩样品在105+3℃的鼓风恒温干燥箱中烘干4h；称取干燥岩粉100.0g,加蒸馏水至总体积为200ml,混匀,倒入五轴搅拌器的特制容器中,放在五轴搅拌器上高速搅拌15min；用不带针头的注射器量取2.0ml摇匀的页岩浆液〔若消耗的亚甲基蓝溶液体积超过12ml,可量取浆液1.0ml放入150ml的烧杯中,加蒸馏水20ml。为了除去有机质的干扰,加入15ml3%〔质量分数的双氧水和0.5ml的稀硫酸,缓缓煮沸10min〔不要蒸干,冷却,加蒸馏水稀释至约50ml；用亚甲基蓝标准溶液进行滴定。开始时,每次滴入1ml亚甲基蓝溶液,搅拌约30s,固体处于悬浮状态时,用玻璃棒转移1滴液体,放在滤纸上,观察在染色粘土斑点周围是否出现蓝色圈。若无此种色圈,继续滴入1ml亚甲基蓝溶液,重复上面的操作,直到出现蓝色圈时,继续搅拌2min,再放入1滴在滤纸上,若色圈仍不消失,表明已达到滴定终点。若搅拌2min后色圈消失,则应再滴加0.5ml亚甲基蓝溶液,重复上面的操作,直至搅拌2min后斑点周围蓝色圈不消失为终点,记录所消耗的亚甲基蓝标准溶液的毫升数。〔3结果计算分别按下式计算岩石的阳离子交换容量〔CEC和岩石的膨润土相当量〔MBT：CEC=〔滴定所耗亚甲基蓝溶液毫升数/滴定取用岩石的克数×10mmol〔一价离子/kg岩石MBT=CEC/0.7g〔膨润土相当量/kg岩石岩石的膨润土相当量是指1kg岩石相当于多少克膨润土。〔4注意事项即使预先知道到达终点所需亚甲基蓝溶液的毫升数,也要按照操作规程一毫升一毫升地进行滴定,不能一次就滴几毫升,这样会使终点提前。3．比表面积法比表面积是岩石水化特性或粘土膨胀量的表征,可将比表面积作为岩石分类的一个重要参数。粘土矿物的吸水膨胀与分散是井塌的内在因素,建立在比表面积、平衡含水量压力关系和双电层理论基础上的粘土稳定模型能够成功地描述井眼稳定问题。所以,测定岩石的比表面积有助于了解岩石的水化特性和分析井壁稳定问题,比表面积越大,岩石水化膨胀越大。目前测定粘土和岩石比表面积的方法较多,这里只就其中适合岩石测定的两种方法即亚甲基蓝法和CST法作一介绍。〔1亚甲基蓝法测比表面积1仪器和药品721A型分光光度计、调速电动离心机。泥页岩样品〔岩心、钻屑若干、膨润土、三水亚甲基蓝、NaCl〔分析纯、H2O2〔分析纯。2实验原理及计算方法粘土或泥页岩在溶液中吸附亚甲基蓝分子,当吸附达饱和时为单分子层,已知亚甲基蓝分子截面积后可按下式计算比表面积：Asp=Mf×Am×0.0602式中Asp——比表面积,m2/g；Am——亚甲基蓝分子截面积,nm2,一般取1.30nm2；Mf——每100g粘土吸附亚甲基蓝的毫摩尔数,mmol/100g。用分光光度计测出粘土吸附亚甲基蓝达平衡后亚甲基蓝的浓度,可用下式计算饱和吸附量：Mf=100[<c0–c>V]/m式中c0——吸附前亚甲基蓝浓度,mol/l；c——吸附平衡后亚甲基蓝浓度,mol/l；V——溶液体积,ml；m——粘土或页岩质量,g。3样品制备将页岩粉碎过100目筛,在105+3℃下烘干4h；将20g样品放入100ml的烧杯中,倒进3%〔质量分数的H2O2约60ml后,微沸10min,冷却后加150ml的0.2mol/lHCl搅拌1h,然后用布氏漏斗过滤；将60ml1mol/l的NaCl溶液加入样品,静置1h,用布氏漏斗过滤并用蒸馏水洗,直到滤液经AgNO3检验无氯离子；将样品在105+3℃下烘干后重过100目筛。4实验方法亚甲基蓝溶液的配制；溶液的配制。取一个500ml容量瓶和四个100ml容量瓶,编号为1号、2号、3号、4号、5号,用移液管取1ml的0.01mol/l亚甲基蓝溶液在1号中稀释至刻度,然后从1号瓶中分别取1.0ml、2.0ml、5.0ml、10.0ml溶液放于2号、3号、4号、5号瓶中,稀释至刻度。再取1ml的0.01mol/l亚甲基蓝溶液在1000ml容量瓶中稀释至刻度,编为6号；吸附曲线的测绘。用1cm比色皿,以蒸馏水作参比测6号瓶溶液吸光度,以波长为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制吸附曲线,并以吸收波长最大者为条件,再此波长下测定吸光度或浓度；标准曲线的测绘。以最大波长为入射光波长,用蒸馏水作参比,测定1号、2号、3号、4号、5号、6号瓶的吸光度,以亚甲基蓝浓度为横坐标,以吸光度为纵坐标,绘制标准曲线。测定溶液的浓度应稀释在直线范围,使之符合朗日-比耳定律；吸附平衡时间的确定。在250ml烧杯中称取一定量处理过的烘干土样品,分别90ml蒸馏水和10ml0.01mol/l亚甲基蓝溶液,搅拌5~10min后静置。每隔1h测一次浓度,测前应稀释至标准曲线直线范围。计算出吸附量后,作"吸附量—时间曲线",从"吸附量—时间曲线"中确定吸附平衡所需的时间；吸附等温线的测绘。作出样品在室温的吸附平衡线〔平衡吸附量—浓度曲线；饱和吸附量的测定。准确称取样品量,溶液配好后搅拌5~10min后,静置3h,将上层溶液倒入10ml离心试管中,以1500r/min离心10min。稀释后用分光光度计测其浓度,然后计算饱和吸附量和比表面积。〔2用CST法测比表面积1仪器和样品CST仪一套、瓦楞搅拌器、电光分析天平〔分度值0.1mg、电热鼓风恒温干燥箱和样品〔岩心和钻屑若干。2实验方法将岩粉碎过100目筛,在105+3℃下烘干4h；将2g试样粉末加入24ml蒸馏水中,用瓦楞搅拌器搅拌2min；用5ml注射器取5ml泥浆注入直径为1.8cm的CST仪漏斗中,记录CST读数；拿开漏斗,倒掉泥饼上的水,剪下泥饼称取湿泥饼质量；将湿泥饼在105+3℃下烘干后称其质量；扣除直径为1.8cm湿滤纸质量和干滤纸质量后,分别获得湿滤纸质量和干泥饼质量,干钻屑密度用李氏密度瓶测定,然后用下式计算比表面积：Asp=式中Asp——比表面积,m2/g；a——1.66×1018；fCST——CST值；ρwo——湿泥饼密度,g/ml；φ——孔隙度；ρs——干钻屑密度,g/ml；ρ页——页岩浆质量密度,g/ml。其中φ=上式中ρwo=式中mwo——湿泥饼质量,g；mdo——干泥饼质量,g；ρw——滤液密度,g/ml。4．泥页岩吸附等温线法盐膏层岩石吸附等温线实验用于测定在不同平衡条件下岩石含有的水量〔即岩石的不同吸水性,用它可以估计地层的膨胀程度,吸水量越大,水化膨胀的可能性就越大。〔1仪器材料1扁形称量瓶、普通干燥器及氯化锌、氯化钙、硝酸钙、氯化钠、磷酸二氢钾,药品均为分析纯；〔2操作步骤1分别称取2~3g通过100目筛的页岩试样五份〔准确至0.1g,分别放入事先洗净并在105+3℃下烘至质量恒定的扁形称量瓶中,放入105+3℃的恒温烘箱中烘至质量恒定〔两次质量之差不超过1mg,记录每瓶干页岩粉的准确质量〔m1；2配制上列氯化锌、氯化钙等五种盐的饱和溶液各300ml〔用蒸馏水配制,并使溶液中始终保持少量未溶完的盐,分别盛入五个洗净的干燥器中,贴好标签；3将上面五份干岩粉连同称量瓶一起分别放入盛有不同饱和盐溶液的五个干燥器中,打开称量瓶盖,盖好干燥器盖,在24+1℃的环境中静置六天；4六天后打开干燥器,盖好称量瓶,立即在分析天平上准确称量；5称量后倒掉岩粉,将称量瓶洗净,烘干并放回原干燥器〔打开瓶盖,在24+1℃下静置两天,盖好称量瓶盖,在分析天平上称量；6由以上4、5两次质量之差,得出在指定相对湿度下吸水达平衡的岩粉质量〔m2。〔3结果计算1分别按下式计算不同相对湿度下页岩的平衡含水量〔质量分数：平衡含水量=[<m2-m1>/m1]×100%式中m2——在某一湿度下吸水后的页岩质量,g；m1——干页岩的质量,g。2以平衡吸水量为纵坐标,相对湿度为横坐标,在坐标纸上作出该岩石的吸附等温线。24℃时各种饱和盐溶液的相对湿度如下；盐相对湿度〔P/P0氯化锌0.100氯化钙0.295硝酸钙0.505氯化钠0.755磷酸二氢钾0.960三、分散性测定分散性一般有两种方法,一种是滚子炉滚动回收率法,另一种是CST法。1．回收率法盐膏层岩石分散性一般用回收率来表示,即模拟井下温度和环空速率进行动态实验,测定相同条件下16小时后筛余与原岩石质量的比值。回收率越大,表明岩石分散程度越小,反之亦然。〔1仪器材料泥浆五柱滚子炉,泥浆品脱罐〔或玻璃瓶,40目标准分样筛等；〔2操作步骤定量称取50.0g〔准确至0.1g小于6目、大于10目的风干岩石样品,装入盛有350ml蒸馏水的泥浆品脱罐〔或玻璃瓶中,加盖旋紧；将装好试样的泥浆品脱罐放入温度已调到80+3℃的泥浆五柱滚子炉中,滚动16h,开始滚动10min后,应检查泥浆品脱罐是否漏失,若发现漏失,应取出盖紧或更换垫圈；恒温滚动16h后,取出泥浆品脱罐,冷却至室温,将罐内的液体和岩样全部倾倒在40目分样筛上,在盛有自来水的水槽中湿式筛选1min；将40目筛余放入105+3℃的电热鼓风恒温干燥箱中烘干4h,取出冷却,并在空气中静放24h,然后称量〔准确至0.1g。〔3结果计算按下式计算16h淡水回收率：R40=<m平/50>×100%式中R40——40目页岩回收率；m平——40目筛余的平均值,g。2．CST法该实验方法也叫做毛细管吮吸时间实验方法,它是测定各种试液与岩粉配成的浆液渗过特制滤纸一定距离所需的时间,此值称为CST值。它的大小与液体的性质、胶体的分散性等因素有关,可用于判定岩石在水中的胶态分散程度。CST越小,岩石分散性越小,其最小值表明最小的页岩水化效应、最小的胶态分散以及最小的岩石活性。〔1仪器材料1CST仪,即毛细管吮吸时间仪,见图2-3。该仪器包括：计时器、标准孔隙度滤纸、电极、控制器、圆柱试浆容器、平板底座；2七速瓦楞混合器及不锈钢杯。1—圆柱试浆容器；2—特制滤纸；3—渗滤圆；4—控制器；5—计时器；6—电极图2-3CST试验仪〔2操作步骤1岩石水化分散试验定量称取7.5g过100目筛的岩粉试样,倒入不锈钢杯中,加入蒸馏水至50ml；将装有试样的杯置于瓦楞混合器上,在3挡速度下搅拌20s；用不带针头的注射器〔5ml取出3ml浆液,并压入CST圆柱试浆容器中〔使用1.59mm厚的特制滤纸或四层定性滤纸；测定并记录CST值；将剩余的浆液继续在3挡速度下分别搅拌60s和120s,并测定CST值〔即各重复以上两步用20s、60s、120s作为X值,对应的CST值作为Y值,并代入线性回归；计算Y=mX+b中的斜率m,截距b值及相关系数R,并作CST—T曲线图,其中T为搅拌时间。回归方程Y=mX+b中,Y即CST值,m即直线的斜率,CST值随剪切时间的变化而变化,可用来表示水化分散的速度。b是CST轴上的截距,是由CST—T曲线外延而得到的。一般认为,b越大,瞬时破裂下来的胶体颗粒越多；m越大,水化分散的速度越快,反之亦然。四、可溶性盐分析盐膏层岩石水溶性盐的分析主要是针对含盐地层,一般包括水溶性盐总含量及所含离子种类和浓度,有时还需要测定交换性钙镁的含量。1．水溶性盐总量的测定〔1仪器和试剂电热板、水浴锅、干燥器、瓷蒸发皿、12%碳酸钠溶液、15%双氧水等。〔2操作步骤用移液管吸取清晰的浸出液50ml或100ml,放入已知质量的瓷蒸发皿中,移放在水浴上蒸干,再放入105+3℃的恒温箱中烘干4h；取出蒸发皿,放在干燥器中冷却30min,称量,再烘2h,同样冷却称量,直到恒重为止〔两次质量之差不超过1mg；在烘干残渣中滴加15%双氧水溶液,再放在水浴上蒸干,直至残渣完全变白为止,再按上述方法在恒温烘箱中烘干,冷却、称量至恒重。〔3结果计算按下式计算水溶性盐总量：水溶性盐总量〔%=[<m1-m0>/m]×100式中m1——水溶盐和蒸发皿的质量,g；m0——蒸发皿的质量,g；m——与所取浸出液相当的岩石量,g。2．水溶性盐的组分分析〔1钙离子的测定1用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于锥形瓶中,加入1：2三乙醇胺溶液2ml,摇匀,再用2mol/l氢氧化钠调节至pH值为12~14,加入约30mg钙指示剂,用0.01mol/l乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴定至由紫红色变为纯蓝色为终点,记录消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积；2计算ρ<Ca2+>=8.016×105[<cV/V0>]式中ρ<Ca2+>——水溶性盐浸出液中钙离子的含量,mg/l；c——乙二胺四乙酸二钠标准溶液的浓度,mol/l；V——消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V0——所取水溶性盐浸出液的体积,ml。〔2镁离子的测定1用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于锥形瓶中,加入1：2三乙醇胺溶液2ml,摇匀,再加入氨—氯化铵缓冲溶液〔pH约为105ml,加入铬黑T指示液〔5g/l6滴,用0.01mol/l乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴定至由紫红色变为纯蓝色为终点,记录消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积；2计算ρ<Mg2+>=4.860×105[c<V1–V>/V0]式中ρ<Mg2+>——水溶性盐浸出液中镁离子的含量,mg/l；c——乙二胺四乙酸二钠标准溶液的浓度,mol/l；V1——消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V——消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V0——所取水溶性盐浸出液的体积,ml。〔3氯离子的测定1用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于锥形瓶中,加入蒸馏水10ml和酚酞指示液〔5g/l1滴,用0.1mol/l氢氧化钠溶液或0.1mol/l硝酸溶液调至粉红色刚刚消失,加入铬酸钾溶液〔50g/l10滴〔约0.5ml,用0.1mol/l硝酸银标准溶液滴定至刚刚有砖红色沉淀为终点,记录消耗硝酸银溶液的体积。2计算ρ<Cl->=7.090×105<cV/V0>式中ρ<Cl->——水溶性盐浸出液中氯离子的含量,mg/l；c——硝酸银标准溶液的浓度,mol/l；V——消耗硝酸银标准溶液的体积,ml；V0——所取水溶性盐浸出液的体积,ml。〔4硫酸根离子的测定用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于锥形瓶中,加入1：2三乙醇胺溶液2ml,摇匀,再用移液管移取氯化钡—氯化镁混合液10ml,再加入氨—氯化铵缓冲溶液〔pH约为105ml,加入铬黑T指示液〔5g/l6滴,用0.01mol/l乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴定至由紫红色变为纯蓝色为终点,记录消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积；用移液管移取氯化钡—氯化镁混合液10ml于锥形瓶中,加入蒸馏水20ml和氨—氯化铵缓冲溶液〔pH约为105ml,加入铬黑T指示液〔5g/l6滴,用0.01mol/l乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴定至由紫红色变为纯蓝色为终点,记录消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积；计算ρ<SO42->=1.921×106[c<V3-V2-V1>/V0]式中ρ<SO42->——水溶性盐浸出液中硫酸根离子的含量,mg/l；c——乙二胺四乙酸二钠标准溶液的浓度,mol/l；V1——消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V2——4.4a消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V3——4.4b消耗乙二胺四乙酸二钠标准溶液的体积,ml；V0——所取水溶性盐浸出液的体积,ml。〔5碳酸根离子的测定用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于锥形瓶中,加入酚酞指示液〔5g/l2~3滴,用0.1mol/l盐酸标准溶液滴定至粉红色刚刚消失,记录消耗盐酸标准溶液的体积〔V1；在上述溶液中再加入甲基橙指示液〔1g/l2~3滴,继续用0.1mol/l盐酸标准溶液滴定至棕色即为终点,记录消耗盐酸标准溶液的体积〔V2；计算当V1>V2时,ρ<CO32->=1.200×106[<cV2/V0>]ρ<OH->=3.402×105{[c<V1-V2>]/V0}当V1<V2时,ρ<CO32->=1.200×106[<cV1>/V0]ρ<HCO3->=1.220×106{[c<V2-V1>]/V0}当V1=V2时,ρ<CO32->=6.001×105{[c<V1-V2>]/V0}当V1=0,V2≠0时,ρ<HCO3->=1.220×106[<cV2>/V0]当V1=0,V2=0时,ρ<OH->=3.402×105[<cV1>/V0]式中ρ<CO32->——水溶性盐浸出液中碳酸根离子的含量,mg/l；ρ<OH->——水溶性盐浸出液中氢氧根离子的含量,mg/l；ρ<HCO3->——水溶性盐浸出液中碳酸氢根离子的含量,mg/l；c——盐酸标准溶液的浓度,mol/l；V1——〔51消耗盐酸标准溶液的体积,ml；V2——〔52消耗盐酸标准溶液的体积,ml；V0——所取水溶性盐浸出液的体积,ml。〔6钾离子的测定用移液管移取20ml水溶性盐浸出液于100ml容量瓶中,加入20%〔m/m氢氧化钠溶液5ml,36%〔m/m的甲醛溶液1ml,10%〔m/m乙二胺四乙酸二钠溶液20ml,用移液管移取0.03mol/l四苯硼化钠标准溶液50ml,用水稀释至刻度,摇匀后静置10min；用干燥的漏斗、烧杯、慢速定性滤纸过滤上述溶液,并弃去开始得到的5~10ml,用移液管移取25ml得到的滤液于锥形瓶中,加入达旦黄指示液〔1g/l2滴,用0.01mol/l十六烷基三甲基溴化铵标准溶液滴定至肉色变为粉红色为终点,记录消耗十六烷基三甲基溴化铵标准溶液的体积；计算ρ<K+>=3.910×106{[<0.25c1V1>-c2V2]/V0}式中ρ<K+>——水溶性盐浸出液中钾离子的含量,mg/l；c1——四苯硼化钠标准溶液标准溶液的浓度,mol/l；V1——四苯硼化钠标准溶液的体积,ml；c2——加入十六烷基三甲基溴化铵标准溶液的浓度,mol/l；V2——消耗十六烷基三甲基溴化铵标准溶液的体积,ml；V0——所取滤液的体积,ml。〔7钠离子的测定用差减法计算。所测阴离子的物质的量浓度与阳离子的物质的量浓度之差,即为钠离子的物质的量浓度；计算ρ<Na+>=<∑c阴-∑c阳>×22.99∑c阴=[ρ<Cl->/35.45]+2[ρ<SO42->/96.06]+2[ρ<CO32->/60.01]+[ρ<OH->/17.01]+[ρ<HCO3->/61.02]∑c阳=2[ρ<Ca2+>/40.08]+2[ρ<Mg2+>/24.30]+[ρ<K+>/39.10]式中ρ<Na+>——Na+的含量,mg/l；22.99——Na+的摩尔质量,g/mol。以上对盐膏层岩石的理化性能分析方法和相关的实验技术进行了扼要的阐述。通过对盐膏层岩石理化性能分析,将有助于分析井下事故的原因,还可对钻井液优化设计提供依据。总之,这是油气田勘探和开发的一项基础性工作,具有十分重要的意义。第三章盐膏层蠕变规律岩石材料的蠕变是指岩石材料的应力、应变随时间变化的性质。所有的岩石在受载时都要发生流变,但普通岩石所产生的流变很小,以至可以忽略不计,而盐岩、泥岩等软岩对流变非常敏感。蠕变破坏是这类岩石的主要破坏形式。研究表明,岩石是由胶结在一起的不同成份、不同物理性质、不同大小和形状的晶体颗粒所组成。因此蠕变的形成机理是岩块受力后岩石内的裂纹的逐渐张开、传播和汇合。当一个裂纹形成时,应力高度集中区域中的应力会转移到应力强度较小的相邻区域去。这个过程需要时间,因而岩石材料随时间的推移而变形。蠕变是岩石材料的固有力学性质之一,也是用以解释和分析地质构造运动和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。在边坡、油井、铁路路基等岩体工程中,有关岩体开挖等导致岩体流变的现象已有较多的报道。在石油开采中,由于岩体的蠕变变形使得在油井穿过岩盐等软岩层处常发生卡钻和油管损坏等现象,使得油井的寿命大为降低。近年来,结合能源开发和环境保护所进行的开然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究,将岩石材料在不同载荷水平和温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。第一节盐膏岩蠕变的研究现状有关材料的蠕变的观察和研究可以追溯到十九世纪。例如：W.Weber<1835>发现了材料的粘性性质；J.C.Maxwell<1867>指出了应力松弛时间的概念以及L.Boltamann建立的线性粘弹性理论等。但是,有关材料蠕变能的研究是人本世纪初开始的。1910年C.Andrade在进行等载荷〔等应力单轴实验时观察到了材料蠕变的过程,指出了初级段蠕变,第二阶段蠕变和第三阶段蠕变的概念。到1916年,E.C.Bingham<1916>首次提出了蠕变理论。以后蠕变学的研究得到不断的发展〔F.H.Norton,1929;R.W.Baileg,1929和A.Nadai,1938。近70年里,在岩石力学领域中一直进行着地下岩石蠕变的现场观测、室内实验和理论分析。研究成果充分体现在以下几个方面：验技术和方法；岩石蠕变微观机制的研究；岩石蠕变学理论研究的发展岩石蠕变的研究方向。一．实验技术和方法岩石蠕变实验和高温高压实验岩石力学一直受到人们重视。在本世纪初,T.VonKarman<1911>,F.D.Adams<1912>和R.Boker<1915>等人发表了岩石高压三轴实验的最初一批结果后,高温高压岩石力学的试验技术和理论水平上经历了相当长时期的酝酿发展过程。本世纪三十~四十年代诺贝尔物理奖获得者BridgmanP.W在高温高压准静态岩石力学器的发展和高压剪切试验探索方面所作出的贡献,对以后高温高压岩石力学的发展有着深远影响。特别是五十~六十年代以来,GriggsD.T<1951>、HeardH.G等<1968、1980>和PatersonM.S<1970>等人发展的气体介质三轴试验装置,以及六十年代GriggsD.T<1967>建立的固体围压介质的三轴试验装置大大地推动了高温高压岩石力学实验技术的发展。自五十年代后期研制"长江500型"液体介质三轴试验系统以来,经过了几十年的努力,我国的高温高压岩石力学在实验技术、微观观测和理论分析等方面都已有了相当程度的发展,尤其中国科学院地球物理所3Gpa固体围压三轴试验系统的筹建,在温度、压力和应力等指标方面都已达到和超过国际水平。通过对岩石施加恒定的应力,观察岩石变形随时间的发展得到岩石的蠕变曲线。目前已经有多种岩石在各种变形条件下的蠕变实验。例如,正在进行的常温常压条件下的花岗岩实验已经持续28年,蠕变速率；单轴高温蠕变可延续数周,温度上限可达上地幔岩石的熔融温度,应变速率,高温高压岩石温度上限已经超过1000。从对岩石的物理、化学环境的模拟方面来说,岩石力学的研究可分为：温度和围压效应的研究,进行的岩石变形试验表明：温度升高将降低岩石强度,增加其流动能力；围压的增加将降低蠕变速率、延长稳态蠕变时间和提高蠕变强度〔Poirier,1985。介质结构和矿物组分析研究,及川洪进行纯铜蠕变试验表明：样品的粒度和均匀性对其蠕变行为影响较大,但是当蠕变是位错机制或多边化过程,晶粒平均直径显著大于位错平均滑移距离时,晶粒的影响可予以忽略,反之则不然。在子解岩石结构效应的同时,人们也十分重视地壳岩石和造岩矿物蠕变的研究,对地壳岩石的蠕变研究表明岩石矿物蠕变行为存在着一定程度的共同性和差异性。流体及化学环境效应的研究,流体效应指地壳中流体对岩石蠕变的影响〔Kirby,1984。其机制有：<a>吸附作用。液体缓慢渗透,降低破裂表面能引起脆性蠕变破坏。<b>溶解作用。受定向作用的岩石在流体作用下溶解和沉淀。<c>流体组分浓度差引起晶格扩散、生长及杂质组分进入晶格导致岩石强度缓慢降低,形成脆蠕破坏。总的来说,地壳中的水一岩相互作用可以归纳为机械和化学的两种效应,Price详细地总结了这方面的研究进展。应力效应的研究,一般认为,作用于岩石的差应力越高,得到的蠕变速率高。最早提出的蠕变应力和稳态蠕变速率经验关系是Norton型幂律关系〔F.HNorton<3.1.1>式中：A为材料常数；n为蠕变应力指数；为蠕变应力；为稳态蠕变速率。以后的实验表明：在差应力大于200MPa,温度低于800时,应变速率与差应力之间具有关系式：〔3.1.2式中：为材料的有效激