（油气井工程专业论文）滨里海地区巨厚盐膏层蠕动规律研究.pdf

s t u d yo nt h ec r e e pl a wo f s u p e rt h i c ks a l tb e d si np r e c a s p i a nb a s i n z h a n gk u i l i n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fz h o ug u a n g c h e n a b s t r a c t s a l td r i l l i n g ，i nd e e pw e l l sp a r t i c u l a r l y , i sab i gc h a l l e n g et ot h ew o r l d d u et ot h ec r e e p o ft h es a l t ，l o t so fd e e pw e l l sw e r ef i n i s h e db e f o r et a r g e tz o n eo ra c c i d e n t l yf i n i s h e do rc a s i n g c o l l a p s e ，l e a d i n gt og r e a te c o n o m i cl o s s p r e c a s p i a nb a s i ni sv e r yr i c hi no i la n dg a s ，b u t t 1 1 i c k l a y e ro fs a l tw i d e s p r e a di nt h er e g i o n ( r a n g i n gf r o ms e v e r a lh u n d r e dt os e v e r a l k i l o m e t e r s ) ，w h i c hi sab i gc h a l l e n g et od r i l l i n g t h e r e f o r e ，t h ep r i o r i t yo fo i la n dg a s e x p l o r a t i o ni nt h eb a s i ni sh o wt od r i l lt h r o u g ht h es a l ts a f e l ya n df a s t t h ek e y t os o l v et h e d r i l l i n gp r o b l e mi st op r o p e r l ya n a l y s et h ec r e e pl a wo ft h es a l t ，w h i c hi st h en e c e s s a r yb a s i s f o rd r i l l i n gf l u i dd e n s i t yd e s i g n ，w e l ls t u c t u r ed e s i g na n dc a s i n gd e s i g n s a l ts a m p l ea n dc o r e w e r eg a t h e r e df r o mk a z a k h s t a np r e c a s p i a nb a s i n ，a n da f t e ra n a l y s i n gp h y s i c a l ，c h e m i c a l a n dc r e e pp r o p e r t ye x p e r i m e n t a l l y , t h ec r e e pm o d e lf o rt h es u p e rt h i c ks a l ta tp r e c a s p i a n b a s i nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n da l s o ，t h ed r i l l i n gf l u i dd e n s i t yd e s i g nm e t h o df o rd r i l l i n gs a l ti n t h i sa r e aw a sp r e s e n t e d d r i l l i n gp r a c t i c eo ft h r e ew e l l sp r o v e dt h a tt h ed e n s i t yf r o mt h i s m e t h o dc o u l de n s u r es a f e t yd r i l l i n g a n ds ot h i sd e s i g nm e t h o dp r o v i d e sar e l i a b l et e c h n i c a l s u p p o r tf o rt h eo i la n dg a se x p l o r a t i o nb e n e a t h s a l ta tp r e c a s p i a nb a s i n k e yw o r d s ：c r e e pl a w ，d r i l l i n gf l u i dd e n s i t y ，s u p e rt h i c ks a l tb e d s ，p r e - c a s p i a nb a s i n 关于学位论文的独创陛声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壹盏墨左也 日期：年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：主垒墨丛 指导教师签名： 孝毛摹犯 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 盐膏层是盐岩地层和膏岩地层的统称。按照盐膏层化学成分的不同，可将盐膏层分 为两大类：第一类为较纯的盐膏层，主要成分n a c i 达9 0 以上，岩性相对较稳定，盐 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岩层，除晶态n a c i 外，还有光卤石、溢晶石、芒硝、石膏、方解石、碳酸盐岩等，其溶解与再结晶问题比 较复杂。 盐膏层与泥页岩往往交互或混杂形成复合盐膏层，是不稳定的。一般来讲，单层厚 度超过2 m 就是厚盐膏层，超过5 0 m 就是中厚盐膏层，超过1 0 0 m 就是特厚盐膏层，超 过2 0 0 m ，就是巨厚盐膏层。一般来说，复合盐膏层中的较稳定夹层不超过2 m 时，上 下盐膏层厚度可合并计算，这样更适合深井钻井设计和施工的需要。 盐膏层易发生蠕变引起井眼缩径，特别是在深井、高温条件下的蠕变速率可高到立 即闭合卡死钻头的程度。硬石膏吸水膨胀也可导致井眼缩径，而充填在泥页岩裂缝中的 硬石膏吸水膨胀后，则导致井壁剥落、掉块或垮塌。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。 盐膏层在世界范围内分布广泛。美国的威利斯盆地、北达科他少h d , 刀油田、得克萨 斯州l o u a r m 岩盐层、怀俄明州和犹他州的逆掩断层带、墨西哥湾地区；德国西部蔡希 斯坦( z e c h t e i n ) 盆地；乌兹别克斯坦及东土库曼斯坦的拜什根特克古坳陷区油田和波 尔迈夫油气勘探托管油区；n a m 地区镁灰盐层( 分布在芬兰、英国、挪威北海、德国、 波兰) 等石油勘探开发区都富含盐膏层，给石油工程带来很多难题。 盐膏层在我国江汉盆地、中原油田、胜利油田、华北油田、河南油田、江苏油田、 四川盆地、柴达木盆地和塔里木盆地等地区均有分布。我国盐膏层主要分布在第三系、 白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、寒武系。国外盐膏层主要分布在第三系、侏罗系、 二叠系、石炭系。 盐膏层钻井的主要技术包括：盐膏层岩石理化性能分析；盐膏层蠕变规律研究；盐 膏层钻井合理井身结构的确定和套管的设计；盐膏层钻井液密度的确定和钻井液体系的 设计；盐膏层钻井工程技术措施的优化【1 】。盐膏层岩石理化性能的分析和蠕变规律的研 究是其它各项技术的基础。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 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 在一起的不同成分、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。 早在1 9 3 6 年，s t o c ka n dh o r c h a r t 在2 5 2 0 m p a 压力下进行单轴蠕变实验。l e c o m t ( 1 9 6 5 ) 首次研究温度效应( 室温至1 9 3 ) 对盐岩蠕变率的影响，同时进行了小围 压三轴盐岩蠕变试验。第一个高压三轴盐岩蠕变试验是由h e a r d 于1 9 7 2 年完成，最大 围压至2 0 0 m p a 。随着工程研究的需要，大批量的盐岩蠕变实验包括现场及室内试验研 究是近2 0 年内才开展的研究工作，l u xa n dh e u s e r m a n n ( 19 8 3 ) 对a s s e 盐岩进行大量单 轴及三轴试验研究。h u n s c h e ( 1 9 9 3 ) 总结近2 0 0 个单轴及三轴蠕变试验结果，提出复合幂 指数模型。w a w a r s i ka n dh a n n u m ( 1 9 9 3 ) ，s t o r m o n ta n dd a e m a n ( 1 9 9 0 ) c h u n h ey a n ga n d d a n m a n ( 1 9 9 9 ) 等为了更好分析盐岩的蠕变物性方程，进行分步加压蠕变与松弛交叉及 应力路径实验研究，以适应复杂应力条件下的岩石蠕变模型及其参数的研究。 在这近2 0 年间，为了适应石油、天然气地下储存的研究，许多研究工作者提出了 一些精细、能够反映盐岩蠕变全过程的本构理论。c r i s t r s c u ( 1 9 9 3 ) 基于弹粘一塑理论框 架，提出能反映盐岩扩容现象的盐岩物性方程。a u b s e r t i n ( 1 9 9 3 ) 、m u n s o n ( 1 9 9 8 ) 基于 盐岩位错理论建立多一位错机理的本构关系，对三轴蠕变试验结果进行了模拟。 c h e n ( 1 9 9 7 ) 基于损伤力学原理对m u n s o n 模型进行了修正，提出一种能反映盐岩蠕变破 坏的全过程的本构方程。c h u n h e y a n ga n dd a w m e n ( 1 9 9 9 ) 考虑温度和损伤两方面的因 素，建立一种更带有普遍性本构关系。 基于多数岩盐蠕变试验研究和理论分析结果，作为盐岩蠕变三阶段瞬态蠕变、 稳态蠕变以及加速度蠕变，在压力较高的条件( 如轴压 i o m p a ，围压 3 m p a ) ，一般认 为瞬态蠕变在很短的时候就发展成稳态蠕变。而且由于盐岩具有良好的蠕变特性，稳态 蠕变在很大的范围内保持不变，甚至可以高达2 0 而不产生破坏。因此，作为工程应用 范围，人们对盐岩稳态蠕变本构关系较为重视，c h e n 、c h u r t h ey a n ga n dd a e m e n 等在总 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 结前人的实验资料和理论研究成果，提出盐岩稳态蠕变的物性方程： 气= a e x p ( r t q ) ( q 一吒) ”( 4 + ee x p ( o - 3 垦) ) 该本构方程能在较宽的应力状态范围内反映盐岩稳态蠕变本构特性。并可根据不同 的工程应用背景，进行二、三维数值计算分析简化和推演。 近5 0 年来，国外为征服盐膏层钻探复杂问题，进行了广泛深入的研究。国内近3 0 年来通过攻关研究也取得很大成绩。 按照研究领域划分，可将主要技术进展归结到六个方面： ( 1 ) 岩盐的流变特征和流变模式研究。国外经过大量试验研究，提出了岩盐层的 蠕变模式，并用三种方法测量或计算出岩盐层的蠕变速率。h e a r d 计算岩盐层稳态蠕变 速率模型为： = a e x p 一e ( r t ) s i nh ( b 6 ) ( 1 1 ) 式中，、t 、h 、6 分别为蠕变速率、温度、井深、差应力；a 、b 、e 为实验确定 的系数。我国9 0 年代在塔里木盆地深井盐膏层钻探中也开展了同样的试验研究。 ( 2 ) 井眼的扩缩问题及解决办法研究。美国的e e l n f a n t e 等人利用八方体应力理 论研究塑性变形。对井眼冲蚀，国外提出用物理方法而不是化学方法解决，并进行了井 下试验和预测研究；对付缩径主要有两条经验，一是适当提高泥浆密度( 塔指根据英8 井岩盐层h t h p 三轴蠕变试验结果绘制出岩盐层钻井液密度图版指导现场施工) ，二是 加强戈i j 眼和扩眼。 ( 3 ) 钻井液体系选择和性能控制研究。目前主要研究和试验了七八类盐膏层钻井 液体系，包括：油基体系、油包水乳化体系、欠饱和盐水体系、膨润土饱和盐水体系、 聚合物钾盐饱和盐水体系、m m h 聚合物饱和盐水体系、阳离子聚合物盐水体系等。应 用最广泛的还是饱和盐水体系( 结合使用盐重结晶抑制剂和耐高温的钻具缓蚀剂) 。 ( 4 ) 钻进工具的改进及优选研究。包括：随钻扩眼工具( 如双心p d c 钻头) ；盐 层防卡工具( 如倒划眼器，液力变径牙轮钻头，钻头体带切削刃的防卡钻头，随钻安全 接头) ；高性能钻头( 如金属金属密封轴承牙轮钻头) ；光钻铤；大尺寸钻杆( 中上部井 段用) 和斜台肩钻杆( 预防深部井段“应力集中”致钻杆断裂) ；钻杆护箍；稳定器；钻 头喷嘴组合；浅层大眼钻井工具；深层取心工具；深井打捞、侧钻及加深工具等。 ( 5 ) 盐膏层套管挤毁问题及解决途径研究。已经认识到非均匀载荷( 点载荷) 是 套管损坏的重要原因，并提出采用上覆岩层压力作为套管外压的计算载荷以及采用高强 度、厚壁套管和多层( 组合) 套管或尾管等措施，防止或减少套损。国外研究表明，采 第一章绪论 用三轴应力法改善套管柱设计，比静力法设计有很多优点。而迭代法设计套管柱既费时 又昂贵。我国江汉油田1 9 8 0 年后套管柱设计按上覆岩层压力梯度o 0 2 4 p a m 计算外压， 并运用全面质量管理方法提高固井质量。中原油田则通过系统分析，自1 9 9 6 年以来总 结出一套较好的复合盐岩层钻井技术和固井技术。中石化西北分公司沙4 2 井封固盐层 套管设计按上覆压力梯度0 0 2 3 5 m p a m x l 1 2 5 不均匀系数计算。 ( 6 ) 弹性水泥、零失水淡水水泥浆固井技术。 总的来说，我国盐膏层钻探技术设计水平与国外先进国家基本同步，只是理论水平 不高，管理水平低，设计往往达不到预期效果，实际水平与国外平均先进水平相差较多。 1 3 研究的目的和意义 盐膏层虽然不是钻探的主要目的层，却是良好的油气层顶部盖层。地质学家研究表 明，巨厚盐膏层下面往往蕴藏着大型油气田，盐下油气藏的勘探开发已成为当今油气勘 探的重要趋势。哈萨克斯坦滨里海盆地盐膏层下蕴藏着极其丰富的油气资源，其中绝大 部分位于盐膏层下，如何安全快速地钻穿巨厚盐膏层是实现该盆地油气勘探突破的首要 问题。 由于盐膏层岩石性能的特殊性，盐膏层钻井完井复杂和井下事故频繁。特别是当钻 开井眼后盐膏层蠕动，常造成井眼失稳、卡钻、固井后挤毁套管等事故，钻井完井复杂 情况和井下事故形态可概括为“溶、缩、塌、胀、漏、卡、喷、损”八个字，给钻井带来 重大经济损失。从而造成井眼扩大或缩小；泥浆或水泥浆被污染。从起因和后果相结合 来看，主要是两个方面：一是盐膏层蠕变，造成井眼失稳，引起卡钻、缩经或形成“大 肚子”井眼或井眼坍塌；二是下套管固井质量差，水泥环不能支撑套管，使套管受高应 力非均匀载荷的作用，导致变形或挤毁。由于盐膏层蠕动变形，国内外许多深井未钻达 目的层都提前完钻或钻穿盐膏层后事故完钻或套管挤毁，由此浪费了大量的人力和物 力，造成重大经济损失。如我国胜利油田寻找东营凹陷盐下深层油气藏，1 9 7 6 - - 1 9 8 3 年共钻探1 2 口井，大多是事故完钻，1 9 9 7 年耗巨资钻成井深5 8 0 7 8 1 m 的郝科1 井，但 也出现了上百次复杂情况和1 0 次较大事故。塔里木盆地的克参1 井和民参1 井等因盐 膏层出现漏失和卡钻等事故。中石化西北分公司的沙2 4 井下套管后一周，盐膏层套管 就被挤毁。其它油田如中原、胜利、大庆、江汉等在盐膏层钻井中的事故不断，造成报 废井上千口，套管挤毁上万口。据统计，盐膏层钻井几乎二分之一的井没有达到设计目 的。 开展盐下油气藏的勘探开发，必须解决盐膏层钻井难题，提高理论研究与工艺技术 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 水平，顺利钻穿盐膏层，建立稳定的井眼。而解决盐膏层钻井问题，关键是准确地分析 盐膏层蠕变变形和蠕变压力变化规律、研究套管所受外载，从而为钻井液密度的确定、 井身结构的确定和套管的设计等提供可靠的依据。 1 4 研究内容 本文主要针对哈萨克斯坦滨里海盆地深井巨厚盐膏层特点，建立滨里海盆地巨厚盐 膏层蠕动模型，提出适合该地区巨厚盐膏层深井钻井液密度的设计方法，为盐下油气藏 资源的勘探开发提供技术支持。 本文的主要研究内容如下： ( 1 )滨里海盆地含盐构造形成及分布规律资料调研 ( 2 ) 滨里海盆地盐膏层理化性能分析 ( 3 ) 盐膏层蠕变模型的选择与蠕变特性研究 ( 4 ) 盐膏层井壁盐岩蠕动压力变化规律研究 第二章演里海盆地吉盐构造形成及分布规律 第二章滨里海盆地含盐构造形成及分布规律 2 l 概况 滨里海盆地为东欧地台东南边缘的古生代盆地，是前苏联陆上油气瓷源潜力最大的 深层含油气盆地- 也是世界上重要产油区。盆地大部分位于哈萨克斯坦西部，小部分属 于俄罗斯。盆地位于里海北部，东西长1 0 0 0 1 0 n ，南北宽5 0 0 k i n ，总面积约5 0 1 0 4 i o n z 。 沉积岩最大厚度达2 2 k i n ，沉积岩体积约5 3 0 x 1 0 4 k m 3 。盆地中盐丘构造极为发育，已发 现1 5 0 0 多个盐丘，占盆地总面积的2 5 3 0 。盐丘幅度在盆地边部为几百米，至坳陷 内部可达5 0 0 0 m 。如图2 - 1 所示。 j 图 1 瀛里海盆地盐构造鞠面 f i 9 2 - 1 s a l ts t r u c t u r e p r o f i l e a tp r m s p j m b a s i n 2 2 滨里海盆地含盐构造形成 东欧板块和哈萨克斯坦板块冲撞形成乌拉尔山二叠纪将滨里海盆地东部与海洋的 连接隔断，同时，海西运动形成的缝合线限制了盆地的南部。由于与海洋的隔绝及全干 早气候，滨里海盆地形成了巨厚的盐岩沉积。盐丘及丘间盐岩沉积的总体积估算结果表 明，盆地中心的盐岩沉积原始厚度超过4 k m 。如此厚度的盐岩沉积为盐底辟构造奠定了 基础。盐底辟构造，简称盐构造或盐丘构造，因其底辟核是盐岩而取名盐丘。盐构造在 中新生带沉积茹地中有着广泛的分布，是一种与油气密切相关的构造类型。据统计，目 前世界上4 5 的天然气和1 1 的石油与盐丘有关。 底辟作用是指深部的塑性物质向上运移及其对上覆岩层的构造作用。沉积笳地中常 见的底辟构造是盐岩、膏盐岩、泥岩底辟作用形成的，其中又以赫岩形成的底辟构造最 普遍、最复杂。般认为，底辟构造的形成有二个必备条件： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一，要有足够厚度的低密度软弱岩层； 第二，低密度软弱岩层的密度相对小于上覆岩层密度； 第三，低密度软弱岩层顶面的负荷不均匀。 在发育有盐岩层的沉积盆地中，只要盐岩层原始厚度较大，随着上覆沉积岩层的发 育，一般都会具备这些条件。盐岩层的密度为2 o - 2 2 之间，一般的碎屑沉积物经压实 成岩后的密度都大于盐岩层的密度。如果盐岩层原始厚度不均匀、或是上覆岩层厚度不 均匀，盐岩层顶面的静岩压力的分布总是不均匀的，并且随着盆地演化和盐底辟构造的 形成这种负荷的不均匀性更加明显，促使了盐底辟构造的形成和发展。盐底辟构造的演 化主要有以下三种模式： ( 1 ) 差异负荷模式 在盐岩层密度相对小于上覆岩层密度的情况下，上覆不均匀的压力促使盐岩层发生 横向流动，形成波状的低幅度褶皱。压力相对较大部位的盐岩向压力相对较小部位流动 使局部盐岩总体厚度增大成为盐枕构造的核部并向上发生底辟作用，上覆岩层在盐岩底 辟作用下形成横弯褶皱，盐枕核项部形成背斜，盐枕核翼部形成向斜，即原始周缘向斜。 盐枕构造的形成会促使盐岩层上覆岩层的差异压力的增大和地表沉降一沉积作用差异 性的增大，这将进一步促使盐岩底辟作用的发展。当盐枕幅度增大到一定程度时，底辟 核顶部上覆的核上岩层局部受到的水平引张作用也相应增大，致使核上岩层破裂，为底 辟核刺穿核上岩层打下基础。底辟核刺穿部分核上岩层后，底辟核顶部的上覆岩层依然 受到底辟核向上位移诱导出的横弯褶皱作用和水平引张作用，底辟核侧翼形成第二序次 的周缘向斜。如果盐源充沛，且上覆同生岩层沉积厚度不断加大，盐底辟作用还可以继 续进行，底辟构造在递进变形过程中进一步发生复杂的演化。沉积盆地中的盐岩底辟作 用往往是与上覆岩层的沉积作用同时进行，而且盐底辟构造核上岩层中发育有局部剥蚀 和地层厚度变化等现象。底辟核之间的龟背式背斜构造就是盐底辟构造递进变形和上覆 岩层沉积演化的成果。 ( 2 ) 断层促发模式 很多底辟构造的形成过程与核上岩层或是核下岩层中的断层活动有关。断层活动引 起上覆负荷的不均衡分布。上覆岩层中的超压状态下可以形成一些破裂带，局部超压同 时也是负荷压力相对较小的部位，诱发盐岩层发生底辟作用。核下岩层的断层位移引起 盐岩层变形，断层带附近通常造成盐岩层厚度发生变化，同时上覆岩层由于核下岩层的 断层活动造成负荷差异，这些因素都可以促发盐岩层发生底辟作用。因此，单个盐底辟 第= 章j 竞里簿盆地吉盐构造形成厦分布规律 的形态可能是孤立的圆形、椭圆形等，但它们的根部往往是沿区域构造线方向分布。有 些盐墙构造则直接与断层联系在一起。 ( 3 ) 断层阻挡的顺层流动模式 在上覆岩层密度也相对较小或负荷压力相对均衡的情况下也可以形成盐底辟构造。 盐岩层在盆地中大面积分布，盐岩层在上覆岩层压力作用下总是会发生侧向流动。伴随 着盆地的演化，盐岩层一般都向盆地中心倾斜。一种情况是盆地中心压力较大，盐岩层 自深层向浅层流动，另一种情况是盆地中心有超压负荷，盐岩层在自重作用下自盆地浅 层向深层流动。这种侧向流动如果遇到上覆岩层中断层的阻挡，盐岩层就会在局部加积 增厚，发生底辟作用。 图2 0 盐底辟构造的演化模式 f i 9 2 - 2e v o l v e m e n tu l o d e o fs a l tc l i a p | rs t r u c t u r e 23 滨里海盆地地层分布特征 滨里海盆地地层自下而上为前寒武系基底、古生界泥笳系、石炭系和二叠系，中生 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 界的三叠系、侏罗系、白垩系以及新生界地层。从整体上看，地层可划分为三套层系： 盐下层系( 泥盆系下二叠统阿尔丁斯克组) 、孔谷组盐岩层系( 下二叠统的上部) 、盐 上层系( 上二叠统新生界) ，地层三分性十分明显，如图2 3 所示。 滨里海含油气盆地内部最大的特点是，广泛发育下二叠统孔谷组盐层。以盐岩沉积 为界，它把整个剖面划分为盐上层系( 以碎屑岩为主的含油层系) 和盐下层系( 以碳酸 盐岩为主含油层系) 的两个大的含油气层系。沉积岩包括上古生界至第四系，有巨厚的 下二叠统孔谷组盐岩地层，该盐岩地层将剖面分为盐下组与盐上组，其间为强烈不整合。 地层岩性厚度层系 烃 源 运移 储盖 ( m ) 石 层层 10 0 第_ 一系+ 第四系 - ，1 、_ ，、- ，、，、_ ，一 ii 10 0 0 2 0 0 0 地衰教失l 及油菌i jljl 上统3 0 0 7 0 0 白 一：一：一：式一一 一 i 垩 盐上 ljl 系 下统 4 0 2 0 0 0 j j 孑 l 移 一 上统 l j2 _ 保罗系 ，、，_ 、芦，、l - ，_ _ - 一r _ 一，- 、- ，一 1 0 0 6 0 0 中统 一，、7 、- ，、_ ，、_ ，、_ ， 上统2 0 0 6 0 0 内 一 l 叠 中统 2 0 1 3 0 0 _ 打次 系 ij 运 下统2 0 0 一5 0 0 i l r 上 t a t a r l a n 一“一一 h移，无 _ 统 k a z ：a r l i 8 n 2 0 0 2 0 0 0 l 影 险淫 一 l j f l m i a n 叠 盐岩 系下 k u n g u r l a n 统 人 瑚勘绷 a r t l i l s k l a n 一、4 、- 、，、，_ 、 、， s a k m a r i a nl a s s e i i a n ，卜一_ 0 - ，- 一一h - 一_ r 翼 j 初 痧 上统 n 一5 n n，、_ ，、止 、，、，、- ， 石 中统 0 1 0 0 0 炭 7 。1 4 。、1 、” 盐下l f 次 il l 系下统6 0 0 13 0 0 ：运l i-i 移 iil 泥上统0 1 3 0 0l 盆 ili 系中统il 0 7 0 0 一毫武暮 一1 4 。彳。7 一_ 、_ 一一 初次运移7 二次蓬移局部盖层 厂油和气的初次运移= ，r 油和气的二次运移1 区域盖层 图2 3滨里海盆地地层综合柱状图 f i 9 2 3 s t r a t u mh i s t o g r a mo fp r e - c a s p i a nb a s i n 第二章滨里海盆地含盐构造形成及分布规律 2 4 科尔占尤阿里区块 根据肯基亚克油田的地层分布情况，如表2 1 ，预计科尔占尤阿里s l k 3 井的下二 叠统孔谷阶盐层深度从六七百米开始，厚度近4 0 0 0 m ，盐层底深度约为5 0 0 0 m 。 表2 - 1 肯基亚克油田地层分布表 t a b l e 2 - 1s t r a t u mo fk e n j i y a ko i lf i e l d 统阶( 亚阶、层) 组厚度( m )岩性备注 第四系q 2 - 4 砂质土、粘土、砂 白垩系k砂岩、粉砂岩 浅层 侏罗系j 1 5 0砂岩、泥岩 油气层 下三叠统t砂岩、泥岩 上二叠统p 2 0 3 0 9 0 砂岩、泥岩、粉砂岩 硫酸岩盐层 孔谷阶p 1 k 4 6 3 5 7 8卤盐 硫酸岩盐层 二 叠p i 下二叠统p 1 系 阿尔琴阶p l ap i i 2 5 6 4 4 8 砂岩、砂质砾岩、砾岩 p 一 盐下 萨克马尔阶p l sp 9 0 2 0 0 砂岩、泥岩、砂砾岩 油气层 阿塞尔阶p l a s p v6 5 2 3 2砂岩、泥岩、石灰岩 中石炭系c 2 巴什基尔阶c 2 p l i i5 4 1 0 4生物碎屑灰岩 石 炭 谢尔普霍夫阶c l s 2 5 0灰岩、泥岩 下石炭系c 1 系 维宪阶c l v 2 7 8灰岩、白云岩 泥盆系d碳酸盐岩、泥岩 i o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章盐膏层理化性能分析 研究井壁失稳的原因及技术对策必须搞清井壁不稳定地层的组构特征和理化性能。 目前，分析评价地层的组构特征和理化性能方法很多，如肉眼观查、x 光衍射分析、红 外光谱吸收、差热分析、扫描电镜分析、薄片分析、阳离子交换容量、吸附等温线试验、 比表面积、毒电位等等。尽管这些分析评价的侧重点不同，但主要目的是要了解研究对 象的特别上泥页岩层理、裂隙发育、地层倾角、地层软硬、遇水变化、孔隙、密度等。 由于我们研究的对象是盐岩，没有必要进行所有的实验分析，而只是进行必要的分析手 段。知道了这些基本情况，就可以分析井壁失稳的原因，提出稳定井壁的对策。 通过对s l k 3 井盐层矿物组分、理化性能等实验结果，分析不同矿物成分对蠕变的 影响规律，研究并诊断井壁失稳的力学作用机理。 3 1x 光衍射分析 井壁失稳可以发生在各种岩性的地层中。一般来讲，岩石均由非粘土矿物( 如石英、 长石、方解石、白云石、黄铁矿等) 、晶态粘土矿物( 如蒙脱石、伊利石、伊蒙间层、 绿泥石、绿蒙间层、高岭石等) 和非晶态粘土矿物( 蛋白石等) 所组成，但不同的岩性 地层所含的矿物类型和含量不完全相同。对井壁稳定性产生影响的主要成份是地层中所 含的粘土矿物。 3 2 电镜扫描分析 仪器型号：l e o 4 3 5 v p 表3 - 1 电镜扫描分析 t a b l e 3 - 1e l e c t r o nm i c r o s c o p es c a n n i n ga n a l y s i s 井号 井深( m ) 岩性分析内容放大倍数 s l k 39 6 8 9 7 2盐膏岩全貌，样品较致密，晶间孔隙 3 0 0 s l k 39 6 8 9 7 2 盐膏岩氯化钠晶体与晶间孔隙1 0 2 0 z m 1 1 3 0 s l k 39 6 8 9 7 2盐膏岩样品团状氯化钠晶体8 4 0 s l k 39 6 8 9 7 2 盐膏岩团状氯化钠晶体放大及溶孔 8 0 5 0 t a s k u t u k w l2 3 9 7盐岩氯化钠晶面溶蚀坑3 0 0 t a s k u t u k wl 2 3 9 7 盐岩氯化钠晶面溶蚀坑 1 0 0 0 t a s k u t u k w12 3 9 7盐岩立方体状氯化钠，见微裂缝 1 4 0 0 t a s k u t u k w12 3 9 7盐岩氯化钠品面溶蚀现象8 0 0 t a s k u t u k w12 3 9 7盐岩品间溶孔与品面溶孔 7 0 0 第= i 盐膏层4 化性分析 圈孓1 盐膏岩电镑扫描全貌( 3 0 0 x ) f i 9 3 - 1e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a 加i n g p a n o r a m ao fs a l ts t o r e ( 3 0 0 x ) 图3 - 2 盐膏岩电镜扫描氯化钠晶体与晶问孔隙( 1 1 3 0 ) e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a n n i n go f n a c ic r y s t a la n d i n t e r c r ) s t a l l i n es p a c e ( 1 1 3 0 x ) 中国5 油大学( 华束) 砸学位论文 图3 2 t 盐膏岩电镜扫描氯化钠晶体( 8 4 0 x ) f i 妇- 3e l e c t r o n “o s c a n n i n o f n a c ic r y s t a l ( 8 4 0 x ) 图3 4 盐膏岩电镜扫描氯化钠晶体放大厦溶孔( 8 0 5 0 x ) f i 9 3 - 4 e l e c t 阳n m i c r o s c o p es c a n n i n go f n a c c ds t a le n l a r g e m e l l ta n dd i s s o l u t i o np o le ( 8 0 5 0 ) 第二$ 盐膏层理化性能分析 黧，”暑，3 0 0 。n 、c iq 4 r 2 。$ 0 7 ：；篙暑篇i 2 ” 一一“。瞄 o e f，n 0 70 4025=r 盟 圈3 盐膏岩电镜扫描氧化钠晶面溶蚀坑( 3 0 0 x ) f i 9 3 - 5e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a 皿i n g o f n a c c r y s t a l l a n es o l u t i o nc o r n d o r ( 3 0 0 x ) s e mr a n g 10 ck y 0 e te s eo e t e c 。o r 0 0 n o c p ( m “j0 4 ，2 ：c 7j a 0 0 40 二5 t i f 圈3 盐膏岩电镜扫描氯化钠晶面搭蚀坑( 1 0 0 0 x ) e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a n n i n go f n a c ic r y s t a l f a c es o l u t i o n t o r r i d 。r 中目i 油大学( 华东) 顿学位* z 裂。：“，14 0 ”篱? s e e ) e l e c o 。r d z , 0 4 1 2 。0 7m0 70 40 2 5t ，”。酉d ec m) h 一 4f目 图3 4 盐膏岩电镱扫描立方体状氯化钠( 1 4 0 0 x ) h 9 3 7e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a 衄i n g o f c u b i c n a c i ( 1 4 0 0 x ) ：e mm n j 0 0d e e ：en t f e “o x 0 0u i = 一j ，、 o 日* 、r nd ，0 4 2 。，u j o i i 。一0 - 二7 、t 图3 - 8 盐膏岩电镜扫描氯化钠晶面溶蚀现象( 8 0 0 ) f i 9 3 - 8e l e c t r o n m i c r o s c o p es c a n n i n go f n a c ic r y s l a l f a c es o l u l i o n ( 8 0 0 x 第= 章盐膏层a 化性能分析 ：嚣竺蕊j 嬲。，“n m ”m 8 ：篙二0 “4 = “0 2 5 “6 + t l f ”6 “”“- i i id m o ( m 棚，n ：0 4 腔3 m 7 0 7 一 圈3 母盐膏岩电慵扫描晶问溶孔与晶面溶孔( 珈x ) f i 9 3 - 9e l e c t r o n m i c r e s c o p es c a n n i n go f i n t e r c w s t a l l i n ea n dc r y s t a l f a c es o l u t i o nh o l e ( 7 0 0 x ) 分析表明，所取s l k 3 井和t a s k u t u k w l 井岩样以非粘土矿物为主，见表3 - 2 。从表 3 2 可以看出岩样以纯盐为主。 表3 - 2 盐岩理化性能分析 t a b l e 3 - 2 c o m p o s i t i o no fs a l ts t o h e 矿物种类和古量，粘土 井号井深m 矿物 石英钾长石方解石石盐硬石膏重晶石总量 s l k 39 6 8 9 7 2 05 t a s k u t u k w l9 9 0 33 盐岩密度测定 按s y ，t5 6 1 32 0 0 0 中华人民共和国石油天然气行业标准，按照g b t5 0 0 5 1 9 9 4 ，用 李氏密度瓶法进行，岩样均平行测定3 次，取其平均值。 ( 1 ) 仪器材料 李氏密度瓶，如图3 - 1 0 所示，其分度值为ol c m 3 。容积2 2 0 2 5 0 c m 3 带有长 18 2 0 c m ，直径约为l c m 的细颈，上有刻度。 中国5 油大学( 华东) 顺学位论文 超级恒温水浴 无水煤油。 ( 2 ) 盐岩颗粒密度口的测定 用长颈漏斗往干燥、洁净的密度瓶中加入无水煤油至瓶颈部，然后用滤纸擦去 瓶颈部溅落的煤油，盖上瓶塞，故人玻璃恒温水浴中，使瓶颈部煤油的弯月面低于水面。 调节恒温水浴的温度，使其高于室温1 0 左右，但恒温温度变化应严格控制在00 54 c 范围内，恒温3 0 n f i n 后在玻璃恒温水浴中读出瓶中煤油体积的读数，此读数为煤油的最 初体积； 用洁净干燥的烧杯称取已在1 0 5 工3 烘干4 h 并冷却的试样( 称准至o o l g ) ， 通过短颈漏斗加入密度瓶中，盖上瓶塞。轻叩、滚动或晃动密度瓶1 0 m i n 排除带入的 空气。把密度瓶放回恒温水浴中，恒温3 0 m i n ； 取出密度瓶，再次轻叩、滚动或晃动密度瓶，排除剩余空气。然后把密度瓶再 放入恒温水浴中，恒温3 0 r a i n ，用读煤油的最初体积的同样方法读出最终体积； 泥页岩颗粒密度 p = m ( - ) 式中，p 泥页岩颗粒密度，g h a l ； m 试样的质量，g ： 一密度瓶中煤油的最初体积读数m l ； n 密度瓶中煤油的最终体积读数，m l 。 臼3 一i o 牟氏考度矾 f 1 2 3 1 0 l id e n s i t yl l a s k 第三章盐膏层理化性能分析 试验分析结果为盐岩密度：2 1 7 4 9 c m 3 。 3 4 小结 通过以上试验分析，s l k 3 井和t a s k u t u k w l 井岩样石盐含量分别占9 7 和9 9 ， 所以石盐是蠕变的主要因素，其他矿物成分对蠕变的影响可不作考虑。 对于纯盐层，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。 纯盐层的井壁失稳主要表现为盐岩蠕变，盐岩蠕变与下面几个因素密切相关： ( 1 ) 盐层的埋藏深度：埋藏越深，上覆岩层压力越大，蠕变越快； ( 2 ) 井下温度：温度越高，盐层蠕变越快，井眼收缩越快。要防止井眼收缩快， 就需加大钻井液密度； ( 3 ) 钻开盐层的时间：随着钻开盐层的时间的增加，盐层蠕变也跟着加大，从而 造成井眼缩径遇阻卡钻； ( 4 ) 盐层厚度：盐层厚度不同，盐层各处的井壁位移( 井眼缩径) 与时间基本成线性 关系。井眼附近应力场在短时间内变化有限，因此蠕变速度基本是稳定的。但在岩层厚 度不同的情况下，盐层的流动受到上下地层砂岩的共同牵制，从而降低了井眼截面和井 眼直径的收缩速率。 ( 5 ) 盐层组份和成因：各种盐类在相同压差下产生塑性变形的速率各不相同，氯 化纳的膨胀百分数高于氯化钾。复合盐较纯盐更易发生塑性变形，盐岩的塑性变形还与 盐岩成因有关。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第四章盐膏层蠕动特性分析及蠕变模型 盐岩是种不寻常的工程矿物，因为它在恒定载荷作用下会发生明显的蠕变变形， 这种变形是时间、加载条件和其本身物理特性的函数。一般情况下，温度、压差和盐岩 本身的物理特性基本上决定了盐岩的蠕变速率。 对于范围比较庞大的盐丘，一般认为盐岩地层水平地应力各向相等，并且等于上覆 岩层压力。如果钻井液的静液柱压力小于盐层压力，钻井时盐岩将向井简蠕动。盐岩闭 合速率的增加取决于盐岩的温度和盐层应力与钻井液柱压力之差。在浅层，温度和压差 较小，盐岩蠕变速率也较小；在深层，高温和高压差的结果使盐岩产生塑性流动，引起 井筒尺寸减小，导致卡钻或井眼坍塌。 4 1 盐岩蠕动特性 1 盐岩弹性力学特性 盐岩的短期强度主要根据盐岩在单轴和三轴应力作用下不考虑时间效应所进行的 试验和理论分析研究，建立盐岩的强度与变形理论。多数情况下，盐岩单轴压缩试验的 加载采用应变速率控制，即加载应变速率保持常数，单轴抗压强度的计算公式为： 铲等 ( 4 1 ) 式中，仃。为单轴抗压强度，单位：m p a 。 p 蕊为岩石试件最大破坏载荷，单位：n 。 a 为试件受压面积，单位：舢一 弹性模量e 计算公式为 e ：剿( 4 - 2 ) ( 5 0 0 ) 泊松比计算公式为 ：掣 ( 4 - 3 ) 胪；翮 弓 占。i ) u w o i 式中，仃，( 5 0 ) 为试件单轴抗压强度的5 0 ，单位m p a ：占。( 5 0 ) 、( 5 0 ) 分别为 仃，( 5 0 ) 处对应的轴向压缩应变和径向拉伸应变。 对于常规三轴抗压强度试验，设厚壁圆筒内压力p ，= 0 ，围压p 。= 盯：，轴向应力 为盯，圆筒内半径趋于零，就获得圆柱试件应力状态。 第四章盐膏层蠕动特性分析及蠕变模型 o r ，2o e20 2【4 。4 ， 口：= 0 - l ( 4 - 5 ) 把公式( 4 4 ) 、( 4 5 ) 代入圆柱座标系中的虎克定律，得出： 占。= 面1p 。一2 仃：) ( 4 - 6 ) 铲吉p ：一p 。嵋) 】( 4 - 7 ) 由式( 4 6 ) 、( 4 - 7 ) 可以得到弹性参数的计算表达式： e = 0 - 捌2 0 - 洚8 ， p 1 + 2 声1 2 s 2 、 2 o 2e1-ol k 7 2 ( 4 - 9 ) 0 - 14 - 0 - 2 ) e l - - 2 0 28 2 2 在常规三轴试验过程中观测得到仃。，0 - ：，毛，o c ：以后，即可按以上公式计算 盐岩