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.     

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。     

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。     

基于盐岩损伤机理的深部巨厚盐层钻井液密度设计方法

为防止钻井过程中盐层蠕变发生塑性变形而导致卡钻等事故,传统的方法是建立蠕变本构方程及用实验确定蠕变参数,但是得到的控制盐层蠕变的钻井液密度不能很好地反映实际钻井情况.因而提出一种控制近井筒盐岩不产生扩容损伤变形的新方法,并利用该方法设计了深部巨厚盐层钻井液密度.通过室内试验分析了盐岩损伤变形过程中的声发射信号,确定了盐岩的扩容损伤边界.对于深部盐岩钻井工程中的井壁稳定性问题,根据八面体剪应力准则,井壁盐岩的应力状态控制在扩容损伤边界以内,设计了深部盐层安全钻井液密度窗口.与实际钻井对比分析表明,用该方法设计的钻井液密度窗口能够保证盐层安全钻井,且方法简单而有效,便于现场应用.     

含薄夹层盐岩地层套管等效应力分析

采用FLAC3D三维有限差分软件,建立了套管-水泥环-层状地层三维有限差分模型,分别研究了泥岩夹层弹性参数、厚度对含薄夹层盐岩地层界面处以及层内套管等效应力的影响。夹层厚度对上下岩层中的套管等效应力都有影响,泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近套管受力不均衡;夹层较厚时,套管等效应力相对较小;与泥岩相比,盐岩中套管等效应力较大,套管更容易发生屈服;夹层弹性参数不同时,夹层弹性模量越低,界面处以及夹层层内套管等效应力越大。该研究为含薄夹层盐岩地层套管设计和井筒安全性评价提供了理论依据。     

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。     

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.     

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。     

盐岩地层蠕变的应力场计算分析

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应力场进行定量研究。采用盐岩组合流变的本构关系．同时考虑扩散蠕变和位错蠕变的动力学过程．对中原油田文78井-文81井油藏剖面进行数值模拟计算。得到该剖面的蠕变位移图、沿井身横向推挤力图等结果,对钻井及盐岩层的套损防治工作有着广泛的指导意义。     

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。     

盐穴储气库溶腔收缩规律分析

盐穴储气库在运行过程中溶腔周围的盐层受到地层压力和溶腔内压的多重作用而产生应力变化。由于盐层具有蠕变特性，并且溶腔内压力始终小于周围岩层的地层压力，因此溶腔周围盐层会产生指向溶腔内部的位移而导致溶腔收缩，从而引发储气库单腔库容和工作气量的变化。溶腔的收缩可以通过盐层蠕变测试结合数值模拟进行预测。通过对国内某盐穴储气库实际岩石力学参数测定和溶腔运行模拟预测发现，溶腔建成初期有一个短暂的快速收敛阶段，后期收敛速度较为平稳并有逐步减缓的趋势。运行10年，溶腔的体积缩小逾8%，对应的储气库库容和工作气量也将减少8%以上。因此在盐穴储气库运行的初期，必须密切注意溶腔蠕变，制定合理的运行参数，确保溶腔快速收缩阶段的溶腔稳定。在中后期必须新建溶腔，以弥补因溶腔收缩而减少的库容量及工作气量。     

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.     

地下盐穴储气库盐岩热损伤机理

基于变质量热力学原理，建立盐穴储气库注采过程中的工程热力学分析数学模型，给出了单个注气和采气过程中温度和压力随时间变化的解析解，作为数值模拟的边界条件。根据金坛储气库的基本数据和盐岩实验研究参数，利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立单腔盐穴注采过程的温度-应力耦合模型，模拟恒定注采速率下盐腔围岩的拉伸损伤、剪切损伤和膨胀损伤分布情况，研究夹层和热应力对围岩损伤的影响。基于热应力理论，结合模拟结果分析盐穴储气库注、采气过程中围岩的热损伤机理。模拟结果表明：在热应力存在的情况下，夹层的存在促进了围岩损伤的产生，无夹层时围岩无损伤发生，有夹层时围岩存在损伤；注气过程和采气过程的损伤发生位置存在差别：注气过程损伤多发生在夹层附近的盐岩中，采气过程损伤多发生在夹层中；膨胀损伤的范围最广，且损伤范围覆盖了前2种损伤，因此实际生产过程中推荐使用膨胀损伤判据，损伤评价结果更为保守。     

盐穴储气库注采运行时温效应对腔体稳定性的影响

地下盐穴储气库注采周期的变化会导致腔内气体的温度、压力发生周期性变化,从而导致围岩中产生热应力,进而危及储气库注采过程中的安全运行。基于变质量热力学理论,推导出了注采过程中变注采速率的条件下腔内气体温度、压力随时间变化的微分方程,并结合已有的研究实例进行验证。基于单个腔体热固耦合模型,分别研究了注采气过程中,热效应、注采速率以及盐岩导热系数对腔体稳定性的影响。对于注气过程,热效应的存在、注气速率的增加以及盐岩导热系数的增大有助于避免围岩中发生拉伸损伤,维持腔体的稳定性;而对于采气过程,热效应的存在、采气速率的增加以及盐岩导热系数的增大会加剧围岩中的拉伸损伤,不利于腔体的稳定性。     

盐穴储气库全周期注采模拟——以JT储气库X1和X2盐腔为例

中国盐穴储气库建设运行时间短,与国外具有成熟技术的盐丘型地层建库相比,多为复杂层状盐岩地层建库,存在盐层品位低、夹层多、形成的盐腔不规则等问题,对盐腔的稳定性和储库运行的安全性评价提出了更高的要求.利用大型物理模拟实验装置,根据岩石力学相似性原理,研制相似性材料和相似模型,对盐穴储气库的注采进行全周期模拟,用以研究盐穴...     

基于盐腔时效收敛特征的密集地下储气库群地面变形动态预测

盐岩具有显著的蠕变特性,盐腔在内外压力相互作用下表现出较明显的收缩性。为了掌握密集地下盐穴储气库群地面变形的动态发展规律,在综合考虑影响腔体收敛的多种时效因素（腔体水溶速率、体积收敛系数以及收敛传递率等）的基础上,对盐腔建腔期和运营期的腔体时效收敛函数进行了合理简化,基于腔体收敛传递假设,推导出腔体收敛传递函数,并结合地面沉降高斯分布规律和变形叠加原理,建立起一套较为完整的密集盐岩地下储气库群地面变形动态预测计算模型,提出了基于盐腔时效收敛特征的密集地下储气库群地面变形动态预测方法。实际应用结果表明：①地面沉降平均速率会随着时间的增加由大变小并逐渐趋于稳定;②地面计算点距离盐腔中心越近,初始沉降速率越大,其速率降低得越快。     

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。     

填充介质对非均匀应力下双层套管所受应力的影响

采用双层套管是防止盐膏层套管变形和损坏的有效手段，而填充介质是影响双层套管整体力学性能的重要因素。以荆丘地区J45断块沙一段盐膏岩层段套管为研究对象，在确定盐膏岩蠕变本构方程的基础上，应用有限元方法建立了地层-水泥环-外层套管-填充介质-内层套管在非均匀地应力条件下的受载模型，得到内外层套管在不同填充介质厚度、不同填充介质类型条件下的等效应力分布，并进行比较分析。结果表明:增加介质厚度能减弱应力传递效果，但对双层套管整体所受等效应力影响较小；介质类型对套管所受等效应力影响较大，采用机油和天然橡胶介质时内层套管等效应力为使用水泥介质的33.55%和5.87%。基于以上规律，推荐采用正常钢级外层套管+液体介质+低钢级内层套管的双层套管，可以有效降低成本和保障油气生产安全。