在特厚鹽膏層鉆井技術中，通過對鹽膏層三維蠕變壓力變化規律、鹽膏層溶解速率、套管受力不均等方面的研究，在合理確定鉆井液體系和密度、準確設計套管強度和綜合配套技術措施等方面有了新的認識和突破，安全高效鉆遇鹽膏層取得了顯著進展。
3.3.5.1鹽膏層蠕變規律
(1)鹽巖的蠕變特性
在典型的鹽巖蠕變曲線(圖3-120)中，蠕變分為三個階段。“A”表示第壹階段為瞬態蠕變期，在到達下壹階段之前，該階段鹽巖的蠕變應變率逐漸降低，呈現非線性；“b”表示第二階段為穩態蠕變期，該階段的蠕變應變速率保持不變，呈線性；“C”表示第三階段是加速蠕變期，在此階段應變速率增加直至試樣破壞，這是非線性的。
圖3-120鹽巖典型蠕變曲線
對於鹽巖等塑性材料，蠕變主要表現為“A”和“B”兩個階段，“B”階段持續時間較長。對於石油工程，鹽膏巖主要表現為瞬態蠕變和穩態蠕變兩個階段，主要受鉆井和套管固井後穩態蠕變的影響。
(2)鹽膏層的蠕變方程
對於特定的鹽巖，研究其流變特性就是確定穩態蠕變速率與溫度和壓力的關系，即蠕變方程。鹽巖的蠕變機理和蠕變方程與溫度和壓力有關。鹽巖蠕變模型有很多種，主要是指數和冪律。反映鹽膏巖蠕變的幾種主要模型如下。
1)冪律模型。該模型是壹個純經驗公式，瞬態蠕變與應力、溫度和時間的關系表達式為:
中國海洋油氣勘探的理論與實踐
其中:εp為瞬態蠕變應變；σ是差應力；t是溫度；t是時間；m、p和n分別是應力、溫度和時間的指數。
如果描述壹般的應變定律，還應該加上壹個穩態項，即:
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其中ε是總應變；是穩態應變率。它可以用Weertman位錯滑移模式表示:
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其中:q為活化能；r是理想氣體常數；β是應力系數(由實驗確定)；A*是測試常數。
冪率模型以顯式形式表達了應力、溫度、時間和應變之間的關系。模型簡單，對工程實踐有壹定的指導意義，但鹽巖流變規律粗糙，現在很少使用。
2)指數溫度定律。Senseny P.E等人在1983中提出它來描述艾弗裏島鹽巖在高溫下(熔化溫度的壹半以上)的流變規律，其具體表達式為:
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其中:b和λ為測試常數；其他符號同上。
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冪率模型和溫度指數模型表達簡單，使用方便，但存在很多缺陷，如在數據回歸中有時穩態蠕變速率為負值，與實際不符，不能很好地反映復雜的應力和溫度歷史。
曾益金教授、楊春教授等人通過大量的蠕變試驗，研究得出了考慮溫度影響的鹽膏層三維條件下的蠕變本構方程:
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最後壹個因素考慮了溫度的影響。在恒定的室溫下，它可以表示為:
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其中:A2*，N，A1，B1*，B2可通過巖心的蠕變試驗獲得。
(3)鹽膏層蠕變壓力的計算與分析
1)鹽膏層蠕變壓力的計算方法。用顯式有限差分法編制的FLAC3D有限差分計算軟件提供了模擬材料蠕變特性的功能，即材料特性隨時間變化。在FLAC3D計算分析中，蠕變模型與其他本構模型的主要區別在於對時間問題的模擬。
2)鹽膏層蠕變壓力分析。
A.不同井深鹽膏層蠕變壓力分析。鹽膏層埋深對蠕變壓力有很大影響。隨著石膏層深度的增加，蠕變壓力顯著增加；隨著時間的推移，蠕變壓力趨於穩定，最終與上覆地層壓力相同；鹽膏層埋得越深，蠕變壓力穩定的時間越短。
B.不同厚度水泥擋墻下鹽膏巖蠕變壓力分析。分析了壹定埋深、不同厚度的擋土墻水泥環條件下鹽膏層的蠕變壓力。得出水泥環厚度對套管初始應力狀態有影響，但不顯著的結論。
C.不同厚度鹽膏巖的蠕變壓力分析。分析了不同埋深、不同厚度的鹽膏層對套管徑向壓應力、周向應力和垂直應力的影響。得出鹽層蠕變初期，鹽層厚度對套管應力狀態有明顯影響，但隨著時間的推移，不同厚度的鹽層中套管應力狀態趨於壹致。
D.不同溫度下鹽膏層的蠕變壓力分析。溫度對套管應力狀態的影響非常顯著。溫度越高，鹽膏蠕變初期套管的蠕變壓力、周向應力和垂直應力越高。隨著時間的推移，套管的蠕變壓力和垂直應力趨於壹致，但周向應力趨於壹致的速度較慢。
3.3.5.2鉆井液密度設計技術
鉆井液密度的確定與鹽膏層的蠕變特性和鉆井液的鹽飽和度有關。鹽膏層合理鉆井液密度的確定是基於地層特性和力學、化學平衡。
(1)鉆井液密度譜
鉆井液密度圖是鹽層井眼縮徑與鉆井液密度的相關曲線。根據蠕變壓力和蠕變實驗，利用FLAC3D軟件計算不同井深和不同鉆井液密度下鹽巖層的縮徑率，並通過擬合合成曲線建立縮徑率。還可以根據鹽膏層鉆井實測蠕變速率數據，利用FLAC3D軟件繪制鉆井液密度圖。圖3-121是根據實測蠕變速率繪制的鉆井液密度圖。
(2)鹽膏層的鉆孔溶解速率
鉆井過程中，鉆井液會溶解地下鹽層。曾益金教授和鄧教授的研究表明，在壹定溫度下，鹽巖的溶解速率與鉆井液的含鹽量之間有很好的對數相關性。
不同溫度下鹽巖溶解速率隨[Cl-]的變化曲線進壹步表明，在鉆井液含鹽量壹定的情況下，溫度對鹽巖溶解速率的影響不是簡單的線性關系，而是存在壹個臨界點。當溫度低於臨界點，鉆井液鹽濃度不變時，鹽巖溶解速率會隨著溫度的升高而增大。當溫度高於臨界點，鉆井液含鹽濃度不變時，鹽巖的溶解速率隨溫度的升高而降低(圖3-122)。
圖3-121收縮率對應的不同井深下的鉆井液密度譜
圖3-122不同溫度下鹽巖溶解速率隨[C1-]的變化曲線。
同樣，根據鹽巖的溶解速率，可以得到不同溫度下鉆井液含鹽量與井徑擴大率相關性的回歸曲線(圖3-123)。
(3)鉆井液密度和鹽飽和度的測定
根據鹽巖溶解速率與井徑擴大率和[C1-]關系的回歸曲線和鉆井液密度圖，綜合考慮蠕變和溶解的影響，確定鉆井液密度和鹽飽和度。首先根據使用的鉆井液密度，從鉆井液密度圖(圖3-121)中找出對應的蠕變速率，然後從井徑擴大率與[C1-](圖3-123)的曲線中確定井徑擴大率對應的鹽飽和度來平衡蠕變速率。
此外，根據實測的鹽膏層蠕變速率、所用鉆井液的鹽飽和度和鉆井液密度譜，還可以確定壹個地區安全鉆遇鹽膏層所需的鉆井液密度。這種方法的基本思想是，可以將使用中的鉆井液密度與密度譜進行對比，確定該密度下的收縮率，將測得的收縮率與求出的收縮率之差作為收縮率，重新求出對應的鉆井液密度，收縮率對應的鉆井液密度就是安全鉆井所需的鉆井液密度。
圖3-井徑擴大率與[C1-] 123的回歸曲線
3.3.5.3鹽膏層鉆井配套技術
(1)井身結構設計方案
針對鹽膏層超深的深井，有效防止鹽膏層蠕變引起的套管擠毀損壞是保證完井安全的關鍵。目前，深層鹽膏層常用的井身結構有兩種(以塔河油田為例)。
圖3-124非均勻外載荷下套管強度設計表
1)專用印章和專用玩法。下244.5mm套管到鹽層頂約5000米，用206.3mm套管封鹽層；φ139.7mm尾管用於下部鹽穴固井。實踐證明，對於鹽層分布明確或鹽下壓力系統壹致的井，該方案是可行的，但對於井況特殊、鉆井地質目的多的井，井徑的選擇和井眼的延伸受到限制。目前通常采用套管程序增加壹級的方法。這種方案更適合於熟悉各種情況的生產井。
2)裸眼長揭露鹽膏層的方案。為保證鉆探地質任務的實現，優化了揭露鹽膏層的長裸眼鉆探方案，即大尺寸開孔的長裸眼鉆探方案，與上覆低壓地層同孔揭露鹽膏層，封鹽膏層采用大壁厚、高抗擠套管，用φ 244.5 mm或φ 273.0 mm+φ 244.5 mm組合套管懸掛後封鹽膏層；鹽井下段采用φ177.8mm尾管，尾管與鹽頂重疊100m；使用密度約為1.65g/cm3的不飽和鹽水鉆井液，結合檢漏堵漏技術揭示鹽膏層，提高地層承載力。采用隨鉆擴孔或水力擴孔技術，確保鹽膏層鉆井安全。
與鹽層特殊封鉆相比，長裸眼鉆井風險更大，鉆井工藝壹般分兩步進行，即鹽下鉆井工藝和鹽層鉆井工藝。鹽下鉆井技術的關鍵是鉆完鹽層後立即停鉆，重新進行地層破裂壓力測試，以確定裸眼井段的承載能力。對低壓點的裸眼井段采取壹次性封堵措施。如果在鹽膏層鉆井時，地層具有(或封堵後具有)承受高密度的能力，則切換適合在鹽膏層鉆井的鉆井液體系，然後在鹽膏層鉆井。如果封堵後在鹽層鉆進時地層無法承受高密度，則應調整方案，轉為在鹽膏層特殊封堵鉆進的方案。
該方案的優點是:第壹，隔離多套壓力系統；其次，通過襯管的搭接，避免了鹽層段的套管變形現象；三是簡化了井身結構，使完井井眼更大，比特殊封鉆方案多提供了壹層備用套管空間。該方案更適用於探井。
(2)套管強度設計
鹽膏層套管設計的關鍵是抗擠強度的計算。過去鹽膏層套管設計壹般采用鹽膏層的最大蠕變壓力，即上覆地層壓力，套管受均布載荷。套管按40%掏空和安全系數1.125或根據經驗更大的安全系數計算。然而，這種方法在實際應用中經常發生套管變形事故，因此在鹽膏層套管設計中必須考慮非均勻外載荷。
1)套管強度設計圖及其應用。根據套管強度設計圖，可以進行非均勻外載荷下的套管強度設計。如果已知橢圓分布載荷及其軸比，就可以判斷套管是否安全，或者需要什麽樣的套管來抵抗這種載荷。例如，已知K=0.4，載荷周圍的面積為5=1690.0MPa2，則Pc=23.2MPa，如果選用壁厚為9.19mm(D/t=19.3)的P110套管，則Pc/σs=0.03，大於最大極限載荷(Pc/σ= 65433為了應用方便，將等效失效載荷Pc與套管材料屈服極限之比Pc/σs與套管直徑與厚度之比D/t的關系繪制成曲線，即套管強度設計版本(圖3-124)。圖中還畫出了套管在徑向載荷和均勻外載荷下的強度曲線。徑向載荷的等效載荷定義為單位直徑長度上的集中力。根據套管強度設計圖，可以設計鹽層套管。
2)鹽膏層套管強度的設計步驟。
A.根據鹽層流變特性、鹽層地應力和固井過程中井內靜液柱壓力，利用粘彈性有限元計算程序計算鹽層套管鹽層蠕變外載荷隨時間的變化規律和分布規律，得到套管外載荷的最終穩定值。這個穩定值的大小和不均勻性用卡西尼橢圓函數的短軸B和長軸A來表示。
B.根據B和A的值，計算套管上載荷的面積S和軸比K，找出套管上的實際等效失效載荷。
C.根據K和Pr，按圖3-124，可以設計或試驗套管強度。
A.根據k、Pr和套管鋼級(即σs)選擇套管壁厚:首先計算Pr/σs，然後根據k和Pr/σs的值，在圖中可以查到套管的臨界徑厚比(D/t)，可以計算出套管的最小壁厚。
b、根據K、Pr和套管壁厚選擇套管鋼級:首先根據K和D/t值從圖表中求出Pc/σs(Pc為套管所能承受的最大有效載荷)，然後用實際載荷Pr去掉Pc/σs，得到套管所需的最小屈服極限σs，根據σs值選擇套管鋼級。
C.如果已知所使用的套管鋼級(σs已知)和壁厚(徑厚比D/t可以計算出來)，則檢查套管的安全性:首先得到Pr/σs，然後根據K和D/t值從圖上得到套管損壞時的Pc/σs。如果PC/σ s小於PR/σ s，說明套管強度不足，會導致套管非正常損壞；如果PC/σ s > PR/σ s，則套管是安全的。
D.設計套管強度時，假設套管內壓為零，即按全部掏空計算。如果套管的內壓不為零，其抵抗均勻外壓的強度將大大提高。然而，當套管外壓不均勻時，套管強度隨內壓增加的增加並不明顯。
(3)擴孔技術
1)隨鉆擴孔和鉆後擴孔相結合的方案。鹽膏層上層采用φ 311.15 mm鉆頭鉆進，在鹽膏層頂界以上60m處采用φ241.3mm導向鉆頭偏心擴眼工具，擴眼尺寸為374.65mm
2)鉆孔後水力擴孔方案。先用φ 311.15 mm鉆頭鉆孔。鉆穿鹽膏層後，用水力擴孔器擴大鹽層。要求平均孔徑擴大到φ 349.25 mm。