基于积分本构方程的盐膏岩蠕变参数反演

正确认识盐膏层蠕变规律是进行盐膏层钻井设计、合理确定起下钻时间及预防井下事故发生的关键。文中以相关系数作为盐膏岩本构模型辨识的准则函数,建立了井下盐膏岩蠕变模型的辨识方法。通过引入积分算子,建立了常见蠕变模型的积分型本构方程,并以此为基础提出了根据井径测量信息反演确定盐膏岩蠕变特性参数的位移反分析法。应用该方法可较好地预测井下盐膏层的蠕变规律,并由此确定井径缩小规律与钻井液密度的关系。在英买力区块的应用结果表明．理论预测结果和实际测试结果吻合较好。为盐膏层钻井工艺设计的合理编制提供了理论依据。     

深层盐膏岩蠕动规律研究

盐层蠕动变形规律的分析是成功地进行盐膏层钻井设计和井下事故预防和治理的关键。用新疆塔里木盆地兰尕等构造的20多块岩心对盐膏层蠕动规律开展单轴、三轴、阶梯蠕变试验和循环卸载、加载蠕变试验等,并对蠕变试验结果进行了分析,提出了模拟蠕变应变从瞬态蠕变到稳态蠕变的方程式,较好地拟合了从瞬态到稳态对时间的不依赖性;得出了蠕变应变率不依赖于应力路径,仅是应力状态的函数,同时还得出了描述变形的本构方程,为分析盐膏层蠕动规律和计算蠕动压力提供了科学依据。     

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在我国油气钻井工程中，常遇到大量岩盐层。在钻井过程中，容易产生缩径卡钻或起下钻遇阻，在下套管时容易出现下套管遇阻，同时套管下入井后易产生随时间而变化的不均匀外载并挤毁套管。因此，为了确定其蠕变规律并为岩盐层钻井和下套管提供依据，需确定其力学参数。以前的研究方法主要是靠取心做实验来获取，其成本高、周期长。为此，文章提出了用岩盐层反演理论来反演岩盐层力学参数的方法，避免了大量取心，节省大量成本和时间。江汉油田现场使用表明此方法可靠、实用。     

深层盐膏岩蠕变特性研究及其在钻井中的应用

由于盐膏层易发生蠕变，钻井过程中易发生井眼闭合、卡钻等井下事故和复杂情况。为此，通过盐膏岩蠕变试验研究，分析了深井盐膏层三维蠕变压力，建立了蠕动方程及钻井液密度图谱，结合对盐膏层溶解规律的研究，从力学和化学两方面提出了确定钻井液密度的方法，并优选出了适合塔河油田盐膏层钻井的聚磺硅酸盐欠饱和盐水钻井液体系。研究成果在30多口井盐膏层钻井中得到了成功应用。     

塔北隆起盐下油气藏井眼缩径研究

采用Heard非线性蠕变模型作为深井段盐岩蠕变本构方程,并建立含盐膏岩夹层的有限元模型,得到了塔里木羊塔克区块巨厚盐膏层变形及井眼缩径规律.研究表明,由于上覆岩层应力的作用,羊塔克隆起构造盐岩层翘曲段逐渐趋于平缓;在同一盐膏层井段不同井深处井眼蠕变缩径的程度明显不同,顶部和底部盐膏层井眼缩径速率最快,缩径量较大.据此,现场钻井工程师在进行盐膏层井段钻进的时候要特别注意打开盐膏层和钻出盐膏层井段时的钻井液密度控制,优选钻井方案,防止盐岩层井段发生卡钻等井下事故.     

深井岩盐层套管外载的三维有限元分析

深埋于地下的岩盐在一定地应力和温度作用下发生蠕变,对井中的套管产生随时间而变化的外载,致使套管变形甚至挤毁,为此,针对塔里木油田羊塔地区岩盐层的温度、应力状态及其蠕变特性,建立了岩盐层、水泥环和套管耦合的三维有限元力学模型,研究了地应力状态及其大小、井内液体支撑压力对岩盐层套管受力的影响规律。研究表明,非均匀地应力作用下,盐岩蠕变产生的套管外载是非均匀的,在最小地应力方向的套管外载最大,此时若按上覆地层压力计算套管外挤载荷局限性较大。应用新模型对深井、超深井封固岩盐层的?250.83 mm套管、?177.8 mm套管和?206.38 mm 3种技术套管的强度进行了分析,计算结果与该油田技术套管挤毁的情况吻合,可见新建模型是合理的,可为深井岩盐层套管强度设计提供理论依据。     

长宁页岩气井钻井复杂情况及钻井液工艺技术

阐述了长宁页岩气区块嘉陵江组至韩家店组钻井过程中时常出现的复杂情况:在大段泥岩段钻井钻头被泥包;部分地层层理发育,易发生力学坍塌,上部裸眼井段垮塌,出现卡钻;裂缝发育较好,地层连通性强,易发生井下漏失;在蠕变地层钻井易造成井径扩大;泥岩污染,同时提出了钻井液维护处理存在的难题以及解决措施。根据在嘉陵江至韩家店组钻井遇到的复杂情况进行分析和实践应用,对水基钻井液配方进行优化,在长宁区块应用十余井次,大大减少了复杂情况出现的概率,顺利钻穿嘉陵江石膏层,克服了飞仙关泥岩段,避免了长兴-龙潭区域性垮塌,杜绝了因钻井液维护处理不当导致的井下复杂情况。长宁区块不同地理位置井场的地层变化较大,加深对长宁区块地层的认识,尽可能在钻井设计时更有针对性地提出建议与措施,减小复杂情况出现的频率,为页岩气优质、高效、低成本的钻井提供一定技术参考。      

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。     

塔河油田盐膏层钻井技术

由于盐膏层塑性蠕变，钻进时易发生井下事故或复杂情况，严重影响了钻井地质目标的实现。要顺利钻穿盐膏层，首先在进行设计时就要考虑盐膏层的特点，科学合理地进行单井设计。详细论述了钻进盐膏层时，所采用的承压堵漏、钻井液转换、扩孔技术，并详细介绍了钻进盐膏层所采取的技术措施、钻井液维护与处理措施和固井技术措施。     

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。     

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.     

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.     

盐穴地下储气库盐岩力学参数的校准方法

盐穴地下储气库具有调配灵活、垫层气量需求量少、吞吐能力强等优点,但同时也面临着诸如地表沉陷、盐岩破坏、气体渗漏以及腔体收缩过快等安全稳定性问题。盐穴稳定性评价中一些关键力学参数的选择和校准极为重要,评价所涉及的岩石力学参数主要包括盐岩弹性参数和黏塑性参数。在盐穴腔体设计阶段,关键的力学参数的选择只能通过室内岩心试验来确定,其数值的大小可能与实际的原岩参数有较大出入,这在其他的地下岩体开挖工程中也经常碰到,需要进一步对盐岩力学参数进行校准。为此,在国内盐穴储气库造腔和注采运行的多年经验和数据积累的基础上,应用造腔和注采运行回归法,利用现场数据校准蠕变参数,建立了盐穴地下储气库岩石力学参数校准的试验方法。应用该方法对江苏金坛盐穴地下储气库的盐岩的弹性和黏塑性参数进行了校准,所获得的力学参数现场应用效果良好。校准后的力学参数对优化已运行腔体注采方案、提高储气库运行经济性和安全性都有重要作用。     

盐岩蠕变对水泥环气密封完整性影响规律研究

盐岩具有可溶性和可塑性,钻井及固井过程中易发生塑性变形或蠕动流动,导致井眼呈不规则形状,使套管发生变形或被挤毁,影响盐岩层段井筒气密性,从而影响油(气)井的正常生产及安全.为了给盐岩层段的井筒气密性评价提供理论依据,基于岩石物理试验及三维有限元法,分析了盐岩地层对固井一界面、二界面气密性的影响.分析得知:固井一界面对气...     

气体介质条件下盐膏层井段蠕变规律分析

盐膏层是指以盐和石膏为主要成分的地层,在钻井过程中经常遇到这类地层.盐膏层钻开后,其原始地层应力状态被破坏并进行应力二次分布,使得岩体发生蠕变变形,井眼缩径,进而造成卡钻、挤毁套管等钻井事故.从力学角度建立了井筒内为气体介质时的蠕变数学模型,并用计算机模拟分析了相关的蠕变规律.     

Rheology of rock salt for salt tectonics modeling

Numerical modeling of salt tectonics is a rapidly evolving field; however, the constitutive equations to model long-term rock salt rheology in nature still remain controversial. Firstly, we built a database about the strain rate versus the differential stress through collecting the data from salt creep experiments at a range of temperatures(20–200 ℃) in laboratories. The aim is to collect data about salt deformation in nature, and the flow properties can be extracted from the data in laboratory experiments.Moreover, as an important preparation for salt tectonics modeling, a numerical model based on creep experiments of rock salt was developed in order to verify the specific model using the Abaqus package. Finally, under the condition of low differential stresses, the deformation mechanism would be extrapolated and discussed according to microstructure research. Since the studies of salt deformation in nature are the reliable extrapolation of laboratory data, we simplified the rock salt rheology to dislocation creep corresponding to power law creep(n = 5) with the appropriate material parameters in the salt tectonic modeling.     

考虑泥页岩黏弹性的钻井液密度计算方法

泥页岩地层受到外来流体侵入后，岩石具有明显的流变效应，易造成井壁坍塌。为了研究泥页岩井壁受入井流体影响产生的黏弹性力学行为对井壁稳定性的影响，建立了黏弹蠕变本构模型来反映井壁流变失稳破坏的力学机理与演化规律。根据井壁围岩受力推导出平衡方程、几何方程，结合物理方程和边界条件，得到考虑泥页岩黏弹性特性的钻井液密度方程。结合现场钻井数据给出不同时间、不同收缩速率下泥页岩的钻井液密度图版。结果表明:泥页岩地层钻进时，井眼的收缩速率越小，则所需的钻井液密度越大；井越深，钻井时间越长，所需钻井液密度越大。