鹽膏層造斜段井壁穩(wěn)定性研究

周啟成（中原石油工程井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

鹽膏層造斜段井壁穩(wěn)定性研究

周啟成（中原石油工程井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

西部油氣開(kāi)發(fā)是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)，由于油層埋藏較深，存在較厚鹽膏層，使得造斜困難，井塌和卡鉆時(shí)常發(fā)生，因此，本文針對(duì)這一問(wèn)題，首先，對(duì)鹽巖的力學(xué)特性進(jìn)行分析；然后，計(jì)算出斜井段的應(yīng)力場(chǎng)分布；最后，結(jié)合鹽巖的擴(kuò)容損傷機(jī)理，建立斜井段鹽膏層的蠕變壓力剖面。通過(guò)實(shí)例分析，計(jì)算結(jié)果符合工程實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)以上幾個(gè)方面研究，為加快該區(qū)域勘探開(kāi)發(fā)提供理論和技術(shù)支撐。

鹽膏層；造斜段；井壁穩(wěn)定；蠕變壓力剖面

井壁穩(wěn)定是指鉆進(jìn)過(guò)程中環(huán)空壓力能夠保持井壁不發(fā)生坍塌和破裂，是安全鉆井的前提。傳統(tǒng)的井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)只是針對(duì)井壁巖石瞬時(shí)彈性應(yīng)變，沒(méi)有考慮到復(fù)雜巖層的蠕變影響，對(duì)于鹽膏層造斜段的井壁穩(wěn)定分析仍不全面，故本文通過(guò)分析鹽巖的力學(xué)特性和斜井段應(yīng)力場(chǎng)分布，結(jié)合鹽巖的擴(kuò)容損傷機(jī)理，建立斜井段的鹽膏層蠕變壓力剖面，為復(fù)雜地區(qū)鉆井工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 造斜段應(yīng)力場(chǎng)模型

深部地層主要受三向主地應(yīng)力作用，上覆地應(yīng)力σv，水平最大主地應(yīng)力σH和水平最小地應(yīng)力σh。選取坐標(biāo)系(1,2,3)分別與主地應(yīng)力σH,σh,σv方向一致（圖1），利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將原地應(yīng)力轉(zhuǎn)換到井軸坐標(biāo)系。

圖1 斜井井軸坐標(biāo)變換

主地應(yīng)力坐標(biāo)系（1，2，3）按圖1.1所示旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)系(x,y,z)并得到如下應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系：

其中：

在井斜角為Ψ，最大水平主地應(yīng)力方位角與井斜角之間夾角為Ω時(shí)，則此時(shí)三向應(yīng)力分別為：

2 鹽巖擴(kuò)容損傷邊界的確定

通過(guò)鹽巖的內(nèi)在變形機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)鹽巖的壓縮變形和損傷擴(kuò)容之間存在邊界值，為了明確鹽巖的損傷邊界，我們?nèi)∥鞑磕秤吞锵嚓P(guān)鹽巖試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定鹽巖的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)鹽巖受載過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)確定損傷擴(kuò)容邊界。

在不同的圍壓條件下，同時(shí)測(cè)定鹽巖三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中的體積應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)，得出最小體積應(yīng)變點(diǎn)和聲發(fā)射信號(hào)突變結(jié)果，并將鹽巖的擴(kuò)容損傷邊界擬合為方程。

式中，τmax=14 MPa，ζ=0.1。

圖2 鹽巖的壓縮極限邊界線

在八面體應(yīng)力空間，隨著平均應(yīng)力的增加，擴(kuò)容邊界趨向一條水平線，即：

在保持平均應(yīng)力不變條件下，隨著剪應(yīng)力的增加，鹽巖的應(yīng)力狀態(tài)從擴(kuò)容面過(guò)渡到破壞面是一個(gè)孔隙或裂隙逐漸增加，損傷度逐漸增大的過(guò)程。在擴(kuò)容邊界線和破壞邊界線所圍成的區(qū)域，隨著應(yīng)力的不斷增加，鹽巖不僅會(huì)產(chǎn)生由位錯(cuò)支配的純?nèi)渥?，同時(shí)鹽巖的微裂隙將不斷增多；損傷程度不斷加強(qiáng)；鹽巖的滲透率不斷增大，最后導(dǎo)致鹽巖的破壞。

3 實(shí)例分析

圖2根據(jù)井眼井壁八面體應(yīng)力等于擴(kuò)容損傷邊界，我們?cè)O(shè)計(jì)了A井鉆井液密度和實(shí)際鉆井液密度隨深度的變化，由于該井段為造斜井段，曲率和方位隨井深發(fā)生變化，在計(jì)算過(guò)程中我們采用鉆井設(shè)計(jì)報(bào)告里面的造斜井段井斜角和方位角數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)變曲率變方位蠕變失穩(wěn)模型得出的鉆井液密度在瞬時(shí)彈性情況下的安全密度窗口內(nèi)。根據(jù)A井的鉆井日?qǐng)?bào)，造斜井段復(fù)合鹽膏層在4200m前比較穩(wěn)定；在4300-4500m之間，鹽層不穩(wěn)定，在鉆井的過(guò)程中出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象；當(dāng)鉆井液密度由2.2g/cm3提高到2.3g/cm3，井段4500m到4700m卡鉆和劃眼次數(shù)減少，但局部出現(xiàn)不穩(wěn)定。顯然，根據(jù)鹽巖擴(kuò)容損傷的方法設(shè)計(jì)鉆井液密度是安全的，核心是如何確定復(fù)合鹽膏巖的擴(kuò)容損傷邊界，即鹽巖晶粒的剪切屈服值。

圖3 A井設(shè)計(jì)鉆井液密度與實(shí)際鉆井液密度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于復(fù)合鹽膏層獨(dú)特的物化性質(zhì)和力學(xué)特性，必須考慮井壁穩(wěn)定的時(shí)間效應(yīng)，在瞬時(shí)彈性的安全密度窗口下考慮復(fù)合鹽膏層的蠕變效應(yīng)。結(jié)合蠕變效應(yīng)進(jìn)行鉆井液密度設(shè)計(jì)，建立鹽巖蠕變壓力剖面符合工程實(shí)際情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了變曲率變方位蠕變失穩(wěn)模型的工程可靠性。

（2）鹽下造斜井段井壁蠕變失穩(wěn)是地層地質(zhì)力學(xué)特性、井壁力學(xué)狀態(tài)和井眼軌跡等因素的綜合響應(yīng)。在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，井眼井壁的蠕變特性除了具有時(shí)間效應(yīng)，井眼軌跡對(duì)縮徑有著重要的影響。

[1]金衍，陳勉，柳貢慧.鹽膏巖地層的井眼縮徑變形分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(2):37-39.

[2]候冰，陳勉，金衍，等.基于鹽巖損傷機(jī)理的深部巨厚鹽層鉆井液密度設(shè)計(jì)方法[J].石油學(xué)報(bào)，2009,30（5）：778-780.

[3]盧運(yùn)虎，陳勉，袁建波，等.各向異性地層中斜井井壁失穩(wěn)機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào)，2013.34（3）：563-566.

周啟成（1988-），男，助理工程師，油氣井工程，中原石油工程公司，從事鉆完井及井下壓裂工藝研究。