鹽膏層造斜段井壁穩定性研究

周啟成（中原石油工程井下特種作業公司，河南 濮陽 457001）

鹽膏層造斜段井壁穩定性研究

周啟成（中原石油工程井下特種作業公司，河南 濮陽 457001）

西部油氣開發是國家能源戰略的重點，由于油層埋藏較深，存在較厚鹽膏層，使得造斜困難，井塌和卡鉆時常發生，因此，本文針對這一問題，首先，對鹽巖的力學特性進行分析；然后，計算出斜井段的應力場分布；最后，結合鹽巖的擴容損傷機理，建立斜井段鹽膏層的蠕變壓力剖面。通過實例分析，計算結果符合工程實際情況，通過對以上幾個方面研究，為加快該區域勘探開發提供理論和技術支撐。

鹽膏層；造斜段；井壁穩定；蠕變壓力剖面

井壁穩定是指鉆進過程中環空壓力能夠保持井壁不發生坍塌和破裂，是安全鉆井的前提。傳統的井壁穩定性評價只是針對井壁巖石瞬時彈性應變，沒有考慮到復雜巖層的蠕變影響，對于鹽膏層造斜段的井壁穩定分析仍不全面，故本文通過分析鹽巖的力學特性和斜井段應力場分布，結合鹽巖的擴容損傷機理，建立斜井段的鹽膏層蠕變壓力剖面，為復雜地區鉆井工程設計提供了理論依據。

1 造斜段應力場模型

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

圖1 斜井井軸坐標變換

主地應力坐標系（1，2，3）按圖1.1所示旋轉到坐標系(x,y,z)并得到如下應力轉換關系：

其中：

在井斜角為Ψ，最大水平主地應力方位角與井斜角之間夾角為Ω時，則此時三向應力分別為：

2 鹽巖擴容損傷邊界的確定

通過鹽巖的內在變形機制，可以發現鹽巖的壓縮變形和損傷擴容之間存在邊界值，為了明確鹽巖的損傷邊界，我們取西部某油田相關鹽巖試樣進行三軸壓縮試驗，同時測定鹽巖的聲發射信號，進而通過鹽巖受載過程中的聲發射信號確定損傷擴容邊界。

在不同的圍壓條件下，同時測定鹽巖三軸壓縮試驗過程中的體積應變和聲發射信號，得出最小體積應變點和聲發射信號突變結果，并將鹽巖的擴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

在八面體應力空間，隨著平均應力的增加，擴容邊界趨向一條水平線，即：

在保持平均應力不變條件下，隨著剪應力的增加，鹽巖的應力狀態從擴容面過渡到破壞面是一個孔隙或裂隙逐漸增加，損傷度逐漸增大的過程。在擴容邊界線和破壞邊界線所圍成的區域，隨著應力的不斷增加，鹽巖不僅會產生由位錯支配的純蠕變，同時鹽巖的微裂隙將不斷增多；損傷程度不斷加強；鹽巖的滲透率不斷增大，最后導致鹽巖的破壞。

3 實例分析

圖2根據井眼井壁八面體應力等于擴容損傷邊界，我們設計了A井鉆井液密度和實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生變化，在計算過程中我們采用鉆井設計報告里面的造斜井段井斜角和方位角數據，可以發現根據變曲率變方位蠕變失穩模型得出的鉆井液密度在瞬時彈性情況下的安全密度窗口內。根據A井的鉆井日報，造斜井段復合鹽膏層在4200m前比較穩定；在4300-4500m之間，鹽層不穩定，在鉆井的過程中出現卡鉆現象；當鉆井液密度由2.2g/cm3提高到2.3g/cm3，井段4500m到4700m卡鉆和劃眼次數減少，但局部出現不穩定。顯然，根據鹽巖擴容損傷的方法設計鉆井液密度是安全的，核心是如何確定復合鹽膏巖的擴容損傷邊界，即鹽巖晶粒的剪切屈服值。

圖3 A井設計鉆井液密度與實際鉆井液密度對比

4 結語

（1）由于復合鹽膏層獨特的物化性質和力學特性，必須考慮井壁穩定的時間效應，在瞬時彈性的安全密度窗口下考慮復合鹽膏層的蠕變效應。結合蠕變效應進行鉆井液密度設計，建立鹽巖蠕變壓力剖面符合工程實際情況，進一步驗證了變曲率變方位蠕變失穩模型的工程可靠性。

（2）鹽下造斜井段井壁蠕變失穩是地層地質力學特性、井壁力學狀態和井眼軌跡等因素的綜合響應。在一定的應力狀態下，井眼井壁的蠕變特性除了具有時間效應，井眼軌跡對縮徑有著重要的影響。

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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。