对四川三迭系盐岩层套管挤毁问题的研究

四川地区三迭系盐岩层分布广泛，盐岩层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。围绕异常压力这一主要矛盾，首先确定非均布载荷下套管强度的变化规律，得到套管强度的计算方法；其次描述盐岩层的蠕变规律，给出蠕变外挤载荷数值；按照非均布载荷下套管实际强度大于盐岩层蠕变外挤载荷的原则，确保井内套管安全。应用实例表明上述技术思路是可行的。     

复合盐层套管外挤压力动态变化规律研究

盐岩地层套管外挤压力通常按上覆岩层压力进行设计。现场资料表明，以此为依据所设计的套管有时仍然不能满足盐层套管抗外挤强度的要求。利用研究区块复合盐岩地层上、下泥岩的岩石力学参数及地应力值，运用数值模拟方法，反演得到盐层地应力，在试验获得盐岩蠕变特性参数基础上，对套管支护的盐层井壁围岩进行蠕变分析，得到盐岩地层套管外挤压力动态变化规律。在构造应力的作用下，盐层的地应力场是非均匀的，盐岩蠕变导致套管受到的外挤压力是动态变化的。对于复合盐岩地层的套管柱设计，应该充分考虑构造应力场的非均匀性、盐岩的蠕变特性以及套管的设计寿命。     

适用于多夹层盐穴储气库的改进Mohr-Coulomb准则

考虑到多夹层盐岩在三轴压缩和拉伸应力状态下破坏强度的差别较大,对盐岩破坏的Mohr-Coulomb准则进行修正,得到改进后的Mohr-Coulomb准则,利用室内盐岩实验数据回归出相应的公式,并与已有的两种准则的计算结果进行对比。建立了多夹层盐穴储气库有限元模型,分析了储气库的埋深、顶跨、顶部盐岩厚度、顶部相邻非盐岩层厚度及弹性模量等参数对储气库最小许可运行压力的影响规律,并对比了改进Mohr-Coulomb准则与已有准则的计算结果。综合研究表明：改进Mohr-Coulomb准则与实验数据具有很好的一致性,能够反映盐岩从三轴压缩应力状态转换为三轴拉伸应力状态时破坏强度变化对储气库最小许可运行压力的影响;储气库最小许可运行压力梯度随着顶跨的增加而增加,随着顶部相邻非盐岩层弹性模量的增加而降低,而顶部盐岩和相邻非盐岩厚度对其影响不显著。     

盐岩全过程蠕变试验及模型参数辨识

对国内拟建地下盐穴储库的岩心进行三轴蠕变试验,得到泥质盐岩全过程蠕变试验曲线。基于试验的非线性蠕变特点和损伤力学理论,借助伯格斯模型建立了可以反映盐岩加速蠕变阶段的本构模型,并给出参数辨识方法,同时与试验曲线进行了比较研究。结果表明：较高轴向力下进行分级蠕变试验能够加快第三蠕变阶段（加速蠕变阶段）破坏,轴向力越大,加速蠕变起始应变值及蠕变破坏时应变值越小;增大围压时,加速蠕变起始应变值及蠕变破坏时应变值会变大。该本构方程能够很好地反映盐岩蠕变全过程,表明所建模型的正确性及合理性。     

盐岩蠕变地层的油水井套管损坏机理

中原油田大部分油水井的套管损坏发生在盐膏层段。在盐膏岩层的蠕动、变形、滑移和流动过程中,对阻碍其运动的套管施加的非对称挤压力和剪切力往往超过套管的强度,这是造成套管损坏的主要原因。通过盐岩的三轴蠕变实验,描述盐岩蠕变的有效粘性系数,给出盐岩蠕变计算中使用的具体理论公式和数值计算方法,采用控制容积方法计算盐岩蠕变的速度、位移及作用在套管上的非均匀外挤力。     

川东深层盐膏岩蠕变特性实验研究

埋藏深度较深的盐膏层受到高温和较大地应力的作用,会表现出塑性特性,在井眼钻开后发生蠕变,引起阻卡、套管变形等问题.掌握盐膏岩的蠕变参数是进行钻井液密度设计和套管选材的基础工作之一.通过对普光气田3 920～3 950 m盐膏岩进行蠕变实验,表明该气田深层盐膏岩蠕变规律符合Heard模式,并得出了Heard模式下的蠕变参数.根据力学模型分析,若在盐膏岩层段采用饱和盐水钻井液体系,保证钻井安全条件下需要较高的钻井液密度.     

层状盐岩蠕变变形差异性及附加应力

基于伯格斯（M-K）蠕变模型,根据三维压缩蠕变实验条件,建立了层状盐岩轴向蠕变本构方程;推导出各单层岩性蠕变参数与整个层状盐岩样的蠕变参数关系表达式;同时,在建立层状盐岩径向蠕变本构方程的基础上,推导出层状盐岩各岩层由于蠕变变形差异产生的附加力求解公式;依据淮安库区某层状盐岩蠕变实验数据对所得到的结果进行了部分验证。研究表明,层状盐岩的蠕变破坏是岩层由于蠕变变形差异产生附加力与其作用方向上应力共同作用的结果,只有当其合应力超过夹层抗拉强度时,才会使盐岩夹层发生张拉破坏。研究结果为层状盐岩体中地下盐穴储气库的长期稳定性评价提供了理论分析基础。     

四川地区膏盐层对套管的影响分析

四川地区膏盐层广泛分布，膏盐层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。但是实钻资料表明，四川地区膏盐层套管挤毁现象需要满足一定条件才会发生。根据实钻资料和盐岩蠕变实验数据，利用相关分析方法，就四川地区膏盐层对套管的影响问题进行研究，指出大厚度、高纯度盐岩和非均布地应力以及不当的工程措施是蠕变挤毁套管的基本条件。分析结果为解决套管挤毁问题提供了良好的基础。     

相对湿度对盐膏岩蠕变规律影响的机理研究

为了弄清盐膏岩在井下环境下的蠕变规律,对盐膏岩蠕变规律影响机理进行了研究。采用调节盐溶液中含盐量的方法来控制岩样周围环境的相对湿度值,并在相对湿度为35%,65%,95%的条件下,进行围压分别为0,2,5 MPa的三轴短期压缩试验和单轴应力为10 MPa的蠕变试验。相对湿度从35%增加到95%,盐膏岩岩样强度由38.2 MPa降至35.2 MPa;弹性模量和泊松比变化量小。相对湿度为95%时,盐膏岩岩样产生负向的体积应变(膨胀);相对湿度为35%时,盐膏岩岩样产生正向体积应变(收缩)。研究结果表明,盐膏岩的强度对于相对湿度的变化不很敏感;结合Heard模型,利用蠕变激活能可以解释相对湿度对体应变速率的影响;晶体到毛细管空间的水分子相互运移的机械化学机制,可以解释相对湿度对体应变的影响。研究得到盐膏岩井下真实的蠕变规律,为盐膏层安全钻井提供了理论依据。      

深部盐膏层蠕变关系研究

盐膏层蠕变有瞬态、稳态和加速度蠕变3个阶段。对于石油工程．盐膏层蠕变主要表现为瞬态蠕变和稳态蠕变。在大量现场盐膏层岩心力学试验的基础上，对盐膏层的蠕变进行了研究，分析了稳态蠕变规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，为更准确地计算蠕变压力，合理设计套管程序和钻井液密度奠定了基础。     

An Experimental Study on Creep Characteristics of Salt Rock and Gypsum-salt Rock in Puguang Gas Field

Abstract

Through the determination of mineralogical compositions of the salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field and the creep experiments on these rocks, the authors analyze the impacts of mineralogical compositions, deviatoric stress, temperature, and confining pressure on creep behavior and proposes the constitutive equation of steady-state creep rate by combining with the creep curve and rock parameters obtained by the experiments. The experiment results indicate that the main mineralogical compositions of the salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field are sodium chloride and calcium sulfate, where the content of sodium chloride can be up to more than 93%; the inherent mineralogical compositions are the internal factors that impact the creep characteristics of rock, along with the content of sodium chloride increasing, the rates of transient creep and steady-state creep increase accordingly; and as the deviatoric stress and temperature increase, the steady-state creep rate increases too. However, the impact of confining pressure is very small. The authors obtain the parameters of Heard's creep constitutive equation by fitting test data, working out the steady-state creep rates of salt rock and gypsum-salt rock under different deviatoric stresses and temperatures, which provides the theoretical basis of the calculation of safe mud density window and the analysis of abnormal casing deformation for the formations of salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field.     

盐岩层钻大斜度井的井壁稳定性研究

针对盐岩井段易发生蠕变缩径,引起卡钻、固井后又易发生挤毁套管等事故的现象,应用有限元方法,建立了描述盐岩层中斜井井眼蠕变缩径的空间力学模型,从岩石力学角度分析了塔里木油田羊塔克地区盐岩层钻大斜度井的井壁稳定性,论述了一定地应力状态下井斜角和方位角对井眼缩径的影响规律.该研究成果为盐层段定向井井眼轨迹设计、合理确定泥浆密度和盐岩层钻井施工提供了理论参考,已成功应用于塔里木地区钻遇盐岩层时钻井工程的设计和施工.     

膏盐岩地层地质特征与录井技术

石油勘探实践和研究结果表明，许多油气藏的形成都与膏盐岩地层有关，也常与膏盐岩地层伴生，成功钻穿膏盐岩地层是钻井难题之一，录井技术成为钻进安全监测、膏盐岩地层准确预报的重要手段。针对上述情况，介绍了膏盐岩地层的主要类型、沉积模式以及与油气的关系，归纳总结了膏盐岩地层的录井技术经验，包括：在随钻录井过程中熟悉地质设计与邻井资料；在没有预测钻遇膏盐岩地层的情况下，通过钻井液中Cl^-的变化判定是否钻遇膏盐岩地层；预计钻遇膏盐岩地层时，使用饱和盐水钻井液；钻遇膏盐岩地层后观察盐岩是否以岩屑形式返出；同时，把握膏盐岩地层的岩性、岩性组合、层位、顶底界和厚度是非常重要的。通过S1井实例分析，论述了在膏盐岩地层中钻进时，防卡、防漏是录井人员监测和预报的重点。     

盐岩蠕变三维数值模拟计算方法及应用

盐岩层在蠕动、变形过程中,对套管产生非均匀外挤力,造成盐岩层套管损坏。中原油田盐岩层厚度为50~200m。统计结果表明,文13东块套损发生在盐岩层的井占油田套损井总数的37%。为从根本上解决盐岩层中套管损坏问题,必须对盐岩层的蠕变速度、位移量等进行定量研究。通过盐岩的三轴蠕变试验,建立了盐岩变形的本构关系,给出了在盐岩蠕变计算中所使用的具体的理论公式、数值计算方法。采用控制容积法,通过模拟实际地层情况,得出纵向油藏剖面盐岩层的蠕变速度、位移量、应力场及套管所承受的横向推挤力分布规律。文13东油藏计算结果表明,作用在套管柱上的横向推挤压力随着盐膏层蠕变速度的增加而增加,尤其表现在盐岩层边界部位,这些部位是剪切应力的集中区,是套管柱极易发生错断的部位。此项研究成果可用于钻遇盐岩层时调整钻井参数、套管柱的工程设计、套损井防治等多项油田开发工程中。     

岩盐层蠕变规律的反演方法研究

在岩盐层钻井过程中,井眼易发生蠕变缩径从而引起卡钻;固井后,又易发生套管挤毁等事故。为此预测岩盐层的蠕变规律尤为重要。研究了井下岩盐本构关系的辨识方法,建立了岩盐本构模型辨识的目标函数,并提出了以井径测量信息为基础反演确定岩盐层蠕变特性参数的位移反分析法。利用该方法较好地预测了井下岩盐的蠕变规律,并由此可确定井径缩小规律和钻井液的密度。在江汉油田的应用结果表明,理论预测结果和实际结果能较好地吻合。     

采用随钻扩眼技术提高海相气藏盐岩夹层套管服役的安全性

随着以南方海相碳酸盐岩储层为主要勘探目标的中国石油工业二次创业的展开,气井服役套管全寿命期内的完整性管理必将成为长期、高效开采海相气藏资源过程中一个不可回避的难点。为此,基于四川盆地川东地区三叠系现场地质资料和岩心蠕变试验数据建立了套管、水泥环和盐岩夹层耦合三维力学模型,耦合应力场、温度场及非线性蠕变,研究了深部海相气藏盐岩夹层服役套管的安全性变化规律;提出了采用随钻扩眼技术提高海相气藏盐岩夹层服役套管安全性的新思路、基于附加载荷和等效抵抗强度的扩眼尺寸设计方法,以及海相气藏盐岩夹层服役套管剩余强度和剩余寿命的定量预测方法,研究了扩眼对套管服役安全性的影响情况。结果表明:(1)扩眼可增大服役套管的剩余强度,扩眼率40%时的完整套管剩余强度为无扩眼时的1.57倍,且在一定程度上能改善腐蚀套管应力集中的状况;(2)套管设计服役寿命越长,扩眼对提高服役套管安全性的贡献就越明显。该研究成果可为海相气藏井服役套管全寿命期内的完整性管理提供新的思路及定量决策依据。