巨厚盐膏层钻井技术
在特厚盐膏层钻井技术中，通过对盐膏层三维蠕变压力变化规律、盐膏层溶解速率、套管受力不均等方面的研究，在合理确定钻井液体系和密度、准确设计套管强度和综合配套技术措施等方面有了新的认识和突破，安全高效钻遇盐膏层取得了显著进展。
3.3.5.1盐膏层蠕变规律
(1)盐岩的蠕变特性
在典型的盐岩蠕变曲线(图3-120)中，蠕变分为三个阶段。“A”表示第一阶段为瞬态蠕变期，在到达下一阶段之前，该阶段盐岩的蠕变应变率逐渐降低，呈现非线性；“b”表示第二阶段为稳态蠕变期，该阶段的蠕变应变速率保持不变，呈线性；“C”表示第三阶段是加速蠕变期，在此阶段应变速率增加直至试样破坏，这是非线性的。
图3-120盐岩典型蠕变曲线
对于盐岩等塑性材料，蠕变主要表现为“A”和“B”两个阶段，“B”阶段持续时间较长。对于石油工程，盐膏岩主要表现为瞬态蠕变和稳态蠕变两个阶段，主要受钻井和套管固井后稳态蠕变的影响。
(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和压力的关系，即蠕变方程。盐岩的蠕变机理和蠕变方程与温度和压力有关。盐岩蠕变模型有很多种，主要是指数和幂律。反映盐膏岩蠕变的几种主要模型如下。
1)幂律模型。该模型是一个纯经验公式，瞬态蠕变与应力、温度和时间的关系表达式为:
中国海洋油气勘探的理论与实践
其中:εp为瞬态蠕变应变；σ是差应力；t是温度；t是时间；m、p和n分别是应力、温度和时间的指数。
如果描述一般的应变定律，还应该加上一个稳态项，即:
中国海洋油气勘探的理论与实践
其中ε是总应变；是稳态应变率。它可以用Weertman位错滑移模式表示:
中国海洋油气勘探的理论与实践
其中:q为活化能；r是理想气体常数；β是应力系数(由实验确定)；A*是测试常数。
幂率模型以显式形式表达了应力、温度、时间和应变之间的关系。模型简单，对工程实践有一定的指导意义，但盐岩流变规律粗糙，现在很少使用。
2)指数温度定律。Senseny P.E等人在1983中提出它来描述艾弗里岛盐岩在高温下(熔化温度的一半以上)的流变规律，其具体表达式为:
中国海洋油气勘探的理论与实践
其中:b和λ为测试常数；其他符号同上。
中国海洋油气勘探的理论与实践
幂率模型和温度指数模型表达简单，使用方便，但存在很多缺陷，如在数据回归中有时稳态蠕变速率为负值，与实际不符，不能很好地反映复杂的应力和温度历史。
曾益金教授、杨春教授等人通过大量的蠕变试验，研究得出了考虑温度影响的盐膏层三维条件下的蠕变本构方程:
中国海洋油气勘探的理论与实践
最后一个因素考虑了温度的影响。在恒定的室温下，它可以表示为:
中国海洋油气勘探的理论与实践
其中:A2*，N，A1，B1*，B2可通过岩心的蠕变试验获得。
(3)盐膏层蠕变压力的计算与分析
1)盐膏层蠕变压力的计算方法。用显式有限差分法编制的FLAC3D有限差分计算软件提供了模拟材料蠕变特性的功能，即材料特性随时间变化。在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有很大影响。随着石膏层深度的增加，蠕变压力显著增加；随着时间的推移，蠕变压力趋于稳定，最终与上覆地层压力相同；盐膏层埋得越深，蠕变压力稳定的时间越短。
B.不同厚度水泥挡墙下盐膏岩蠕变压力分析。分析了一定埋深、不同厚度的挡土墙水泥环条件下盐膏层的蠕变压力。得出水泥环厚度对套管初始应力状态有影响，但不显著的结论。
C.不同厚度盐膏岩的蠕变压力分析。分析了不同埋深、不同厚度的盐膏层对套管径向压应力、周向应力和垂直应力的影响。得出盐层蠕变初期，盐层厚度对套管应力状态有明显影响，但随着时间的推移，不同厚度的盐层中套管应力状态趋于一致。
D.不同温度下盐膏层的蠕变压力分析。温度对套管应力状态的影响非常显著。温度越高，盐膏蠕变初期套管的蠕变压力、周向应力和垂直应力越高。随着时间的推移，套管的蠕变压力和垂直应力趋于一致，但周向应力趋于一致的速度较慢。
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的蠕变特性和钻井液的盐饱和度有关。盐膏层合理钻井液密度的确定是基于地层特性和力学、化学平衡。
(1)钻井液密度谱
钻井液密度图是盐层井眼缩径与钻井液密度的相关曲线。根据蠕变压力和蠕变实验，利用FLAC3D软件计算不同井深和不同钻井液密度下盐岩层的缩径率，并通过拟合合成曲线建立缩径率。还可以根据盐膏层钻井实测蠕变速率数据，利用FLAC3D软件绘制钻井液密度图。图3-121是根据实测蠕变速率绘制的钻井液密度图。
(2)盐膏层的钻孔溶解速率
钻井过程中，钻井液会溶解地下盐层。曾益金教授和邓教授的研究表明，在一定温度下，盐岩的溶解速率与钻井液的含盐量之间有很好的对数相关性。
不同温度下盐岩溶解速率随[Cl-]的变化曲线进一步表明，在钻井液含盐量一定的情况下，温度对盐岩溶解速率的影响不是简单的线性关系，而是存在一个临界点。当温度低于临界点，钻井液盐浓度不变时，盐岩溶解速率会随着温度的升高而增大。当温度高于临界点，钻井液含盐浓度不变时，盐岩的溶解速率随温度的升高而降低(图3-122)。
图3-121收缩率对应的不同井深下的钻井液密度谱
图3-122不同温度下盐岩溶解速率随[C1-]的变化曲线。
同样，根据盐岩的溶解速率，可以得到不同温度下钻井液含盐量与井径扩大率相关性的回归曲线(图3-123)。
(3)钻井液密度和盐饱和度的测定
根据盐岩溶解速率与井径扩大率和[C1-]关系的回归曲线和钻井液密度图，综合考虑蠕变和溶解的影响，确定钻井液密度和盐饱和度。首先根据使用的钻井液密度，从钻井液密度图(图3-121)中找出对应的蠕变速率，然后从井径扩大率与[C1-](图3-123)的曲线中确定井径扩大率对应的盐饱和度来平衡蠕变速率。
此外，根据实测的盐膏层蠕变速率、所用钻井液的盐饱和度和钻井液密度谱，还可以确定一个地区安全钻遇盐膏层所需的钻井液密度。这种方法的基本思想是，可以将使用中的钻井液密度与密度谱进行对比，确定该密度下的收缩率，将测得的收缩率与求出的收缩率之差作为收缩率，重新求出对应的钻井液密度，收缩率对应的钻井液密度就是安全钻井所需的钻井液密度。
图3-井径扩大率与[C1-] 123的回归曲线
3.3.5.3盐膏层钻井配套技术
(1)井身结构设计方案
针对盐膏层超深的深井，有效防止盐膏层蠕变引起的套管挤毁损坏是保证完井安全的关键。目前，深层盐膏层常用的井身结构有两种(以塔河油田为例)。
图3-124非均匀外载荷下套管强度设计表
1)专用印章和专用玩法。下244.5mm套管到盐层顶约5000米，用206.3mm套管封盐层；φ139.7mm尾管用于下部盐穴固井。实践证明，对于盐层分布明确或盐下压力系统一致的井，该方案是可行的，但对于井况特殊、钻井地质目的多的井，井径的选择和井眼的延伸受到限制。目前通常采用套管程序增加一级的方法。这种方案更适合于熟悉各种情况的生产井。
2)裸眼长揭露盐膏层的方案。为保证钻探地质任务的实现，优化了揭露盐膏层的长裸眼钻探方案，即大尺寸开孔的长裸眼钻探方案，与上覆低压地层同孔揭露盐膏层，封盐膏层采用大壁厚、高抗挤套管，用φ 244.5 mm或φ 273.0 mm+φ 244.5 mm组合套管悬挂后封盐膏层；盐井下段采用φ177.8mm尾管，尾管与盐顶重叠100m；使用密度约为1.65g/cm3的不饱和盐水钻井液，结合检漏堵漏技术揭示盐膏层，提高地层承载力。采用随钻扩孔或水力扩孔技术，确保盐膏层钻井安全。
与盐层特殊封钻相比，长裸眼钻井风险更大，钻井工艺一般分两步进行，即盐下钻井工艺和盐层钻井工艺。盐下钻井技术的关键是钻完盐层后立即停钻，重新进行地层破裂压力测试，以确定裸眼井段的承载能力。对低压点的裸眼井段采取一次性封堵措施。如果在盐膏层钻井时，地层具有(或封堵后具有)承受高密度的能力，则切换适合在盐膏层钻井的钻井液体系，然后在盐膏层钻井。如果封堵后在盐层钻进时地层无法承受高密度，则应调整方案，转为在盐膏层特殊封堵钻进的方案。
该方案的优点是:第一，隔离多套压力系统；其次，通过衬管的搭接，避免了盐层段的套管变形现象；三是简化了井身结构，使完井井眼更大，比特殊封钻方案多提供了一层备用套管空间。该方案更适用于探井。
(2)套管强度设计
盐膏层套管设计的关键是抗挤强度的计算。过去盐膏层套管设计一般采用盐膏层的最大蠕变压力，即上覆地层压力，套管受均布载荷。套管按40%掏空和安全系数1.125或根据经验更大的安全系数计算。然而，这种方法在实际应用中经常发生套管变形事故，因此在盐膏层套管设计中必须考虑非均匀外载荷。
1)套管强度设计图及其应用。根据套管强度设计图，可以进行非均匀外载荷下的套管强度设计。如果已知椭圆分布载荷及其轴比，就可以判断套管是否安全，或者需要什么样的套管来抵抗这种载荷。例如，已知K=0.4，载荷周围的面积为5=1690.0MPa2，则Pc=23.2MPa，如果选用壁厚为9.19mm(D/t=19.3)的P110套管，则Pc/σs=0.03，大于最大极限载荷(Pc/σ= 65433为了应用方便，将等效失效载荷Pc与套管材料屈服极限之比Pc/σs与套管直径与厚度之比D/t的关系绘制成曲线，即套管强度设计版本(图3-124)。图中还画出了套管在径向载荷和均匀外载荷下的强度曲线。径向载荷的等效载荷定义为单位直径长度上的集中力。根据套管强度设计图，可以设计盐层套管。
2)盐膏层套管强度的设计步骤。
A.根据盐层流变特性、盐层地应力和固井过程中井内静液柱压力，利用粘弹性有限元计算程序计算盐层套管盐层蠕变外载荷随时间的变化规律和分布规律，得到套管外载荷的最终稳定值。这个稳定值的大小和不均匀性用卡西尼椭圆函数的短轴B和长轴A来表示。
B.根据B和A的值，计算套管上载荷的面积S和轴比K，找出套管上的实际等效失效载荷。
C.根据K和Pr，按图3-124，可以设计或试验套管强度。
A.根据k、Pr和套管钢级(即σs)选择套管壁厚:首先计算Pr/σs，然后根据k和Pr/σs的值，在图中可以查到套管的临界径厚比(D/t)，可以计算出套管的最小壁厚。
b、根据K、Pr和套管壁厚选择套管钢级:首先根据K和D/t值从图表中求出Pc/σs(Pc为套管所能承受的最大有效载荷)，然后用实际载荷Pr去掉Pc/σs，得到套管所需的最小屈服极限σs，根据σs值选择套管钢级。
C.如果已知所使用的套管钢级(σs已知)和壁厚(径厚比D/t可以计算出来)，则检查套管的安全性:首先得到Pr/σs，然后根据K和D/t值从图上得到套管损坏时的Pc/σs。如果PC/σ s小于PR/σ s，说明套管强度不足，会导致套管非正常损坏；如果PC/σ s > PR/σ s，则套管是安全的。
D.设计套管强度时，假设套管内压为零，即按全部掏空计算。如果套管的内压不为零，其抵抗均匀外压的强度将大大提高。然而，当套管外压不均匀时，套管强度随内压增加的增加并不明显。
(3)扩孔技术
1)随钻扩孔和钻后扩孔相结合的方案。盐膏层上层采用φ 311.15 mm钻头钻进，在盐膏层顶界以上60m处采用φ241.3mm导向钻头偏心扩眼工具，扩眼尺寸为374.65mm
2)钻孔后水力扩孔方案。先用φ 311.15 mm钻头钻孔。钻穿盐膏层后，用水力扩孔器扩大盐层。要求平均孔径扩大到φ 349.25 mm。