Missan油田鹽膏巖地層安全定向鉆井研究

李軍偉，楊鴻波，馬德新，劉軍波 （中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司，天津300452）

Missan油田位于伊拉克東南部Missan省，毗鄰伊朗邊界，構(gòu)造上處于美索不達(dá)米亞地區(qū)。地層自上而下分別是第三系的Upper Fars、Lower Fars、Jeribe組和白堊系，其中Lower Fars組為鹽膏地層，厚約800m，埋藏深度2000～3000m，上述巨厚鹽膏層的蠕變性導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生縮徑卡鉆、套管擠壞、固井管外水泥被擠走等事故，施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大。此外，按照設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)該段為定向增斜段，與直井相比，其施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大。為此，筆者對(duì)Missan油田鹽膏巖地層安全定向鉆井進(jìn)行了研究。

圖1 典型鹽膏巖蠕變曲線圖

1 鹽膏巖蠕變方程的建立及蠕變參數(shù)的確定

蠕變是指巖石材料的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化的性質(zhì)。所有的巖石在受載時(shí)都會(huì)發(fā)生蠕變，普通巖石所產(chǎn)生的蠕變很小，基本上可以忽略不計(jì)，而鹽膏巖對(duì)蠕變非常敏感。典型鹽膏巖蠕變特性如圖1所示。蠕變要經(jīng)歷瞬態(tài)蠕變 （A）、穩(wěn)態(tài)蠕變 （B）以及加速蠕變 （C）3個(gè)階段。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于脆性材料，主要表現(xiàn)為A、C階段，而對(duì)鹽膏巖等蠕變類材料，則主要表現(xiàn)為A、B階段，而且B階段持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)。

在蠕變學(xué)中，蠕變性主要研究材料蠕變過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系，用應(yīng)變和時(shí)間組成的蠕變方程來(lái)表達(dá)。在一系列的巖石蠕變?cè)囼?yàn)基礎(chǔ)上或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)模擬的基礎(chǔ)上建立反映巖石蠕變性質(zhì)的蠕變方程，筆者采用冪律模型對(duì)鹽膏巖的蠕變特性進(jìn)行計(jì)算分析，其本構(gòu)關(guān)系通常用來(lái)模擬鹽膏巖以及其他軟巖的蠕變特性，其蠕變速率標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)形式如下：

式中，˙εcr為蠕變速率，%；A、n分別為蠕變參數(shù)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料反演來(lái)確定［1］，其中A＝3.289×10－3，n＝3.64；σ－為差應(yīng)力，MPa。

2 鹽膏巖地層力學(xué)模型的建立

由于實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，鉆成井眼的形狀和井眼軌跡一般不是規(guī)則的圓形。為了便于研究，作如下基本假設(shè)：①井眼為規(guī)則的圓柱形井筒；②鹽膏巖地層為各向同性、均勻連續(xù)的熱彈性蠕變介質(zhì)；③鹽膏巖地層為水平分布，無(wú)地層傾角。在一定溫度和壓力條件下，鹽膏巖具有類似流體的特性，對(duì)邊界條件較為敏感。因此，鹽膏巖地層力學(xué)模型在縱向上不能太薄。此外，力學(xué)模型的橫向直徑必須足夠大，以消除水平地應(yīng)力的邊界效應(yīng)，而模型太大又不利于求解計(jì)算。為此，必須對(duì)模型進(jìn)行精簡(jiǎn)和優(yōu)化，在保證一定精度的條件下，盡量采用最少的單元。

根據(jù)上述基本假設(shè)和基本原則，選取1900m處鹽膏巖地層為研究對(duì)象，建立鹽膏巖地層定向井力學(xué)模型（見(jiàn)圖2～圖3）。由于鹽膏巖地層厚度不一，取厚度為50m，選取50m×50m×25m的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模，井眼直徑根據(jù)實(shí)際情況確定。井眼鉆穿鹽膏巖地層后，原地應(yīng)力場(chǎng)的平衡遭到破壞。此時(shí)，鹽膏巖地層井壁受到地應(yīng)力和井內(nèi)泥漿液柱壓力的共同作用。模型計(jì)算域的上表面作用有上覆巖層壓力，4個(gè)側(cè)面分別作用有最大、最小水平地應(yīng)力，下表面受垂直于該面的豎向簡(jiǎn)支約束，井內(nèi)泥漿密度對(duì)井壁變形的抑制作用轉(zhuǎn)化為井內(nèi)泥漿液柱壓力作用于井眼內(nèi)壁。

圖2 計(jì)算模型力學(xué)示意圖

圖3 整體網(wǎng)格圖

依據(jù)地應(yīng)力及上覆巖層壓力計(jì)算模型，得到該深度的計(jì)算參數(shù)如下：上覆巖層壓力σv＝43.06MPa，水平最大主地應(yīng)力σH＝45.76MPa，水平最小主地應(yīng)力σh＝31.45MPa。

圖4 井斜角對(duì)鹽膏巖地層蠕變影響規(guī)律圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由于三維有限差分軟件FLAC3D采用顯式拉格朗日算法和混合－離散分區(qū)技術(shù)，因而能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)［2－4］。 因 此， 筆 者 運(yùn) 用FLAC3D軟件對(duì)鹽膏巖蠕變特性進(jìn)行分析，得到了該區(qū)塊鹽膏巖地層不同井斜角和蠕變速率關(guān)系曲線 （見(jiàn)圖4）。從圖4可以看出，以一定的井斜角鉆井時(shí)，隨著泥漿密度的增加，鹽膏巖地層的蠕變速率逐漸減小，因而泥漿密度的增加能夠抑制鹽膏巖地層的蠕變；以一定泥漿密度鉆井時(shí)，隨著井斜角的增加，鹽膏巖地層的蠕變速率逐漸增大。因此，鹽膏巖地層鉆大斜度定向井的風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 結(jié) 論

（1）以一定的井斜角鉆井時(shí)，隨著泥漿密度的增加，鹽膏巖地層的蠕變速率逐漸減小，因而泥漿密度的增加能夠抑制鹽膏巖地層的蠕變；以一定泥漿密度鉆井時(shí)，隨著井斜角的增加，鹽膏巖地層的蠕變速率逐漸增大。

（2）鹽膏巖地層鉆大斜度定向井風(fēng)險(xiǎn)較大，在鹽膏巖地層鉆斜井時(shí)應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)選井斜角，以減小鉆井事故的發(fā)生。