巨厚鹽膏巖蠕變特性實驗研究

焦 明，謝 濤，張 磊，竇 蓬，劉海龍.

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，廣東深圳 518000；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

鹽膏巖屬于一種蒸發沉積巖，主要成分為巖鹽，還有一部分石膏、脫水石膏、硬石膏等。鹽膏層由于其特定性質，是良好的蓋層，并且在特定情況下可以發揮油氣儲存的作用。根據H. D. Klemme的統計結果，世界范圍內的334個大油氣田中，鹽巖、石膏作為蓋層的比例為33%，世界上大約35%的油氣儲量與鹽膏層有密切關系[1]。鹽膏巖地層可塑性強，具有很大的流動性以及蠕變性能，鹽膏巖蠕變性容易導致鉆進過程中縮徑卡鉆、套管擠壞、固井管外水泥被擠走等事故的發生，給鉆完井施工作業增加了極大風險[2]。國內外學者對蠕變特性進行了大量實驗研究，建立了更具有普遍性的鹽膏巖穩態蠕變本構關系，能在較寬的應力狀態范圍內很好地反映鹽膏巖的穩態蠕變特性[3-8]。但針對巨厚鹽膏巖地層，關于鹽膏巖礦物組成對鹽膏巖蠕變規律影響的研究還很少。因此，需要通過室內實驗得出礦物組分對蠕變特性的影響規律，從而為鉆井液密度設計和套管選材提供理論參考[2]。

1 鹽膏巖的蠕變特性

巖石的蠕變是指在恒定載荷作用下，變形隨時間變化的力學現象。巖石在受外載作用時都會發生蠕變，普通巖石所產生的蠕變很小，基本上可以忽略不計，但鹽膏巖的蠕變現象非常明顯。典型的蠕變曲線由3部分組成，如圖1所示。其中Ⅰ為瞬態蠕變階段，應變速率隨時間的增加而減小；Ⅱ為穩態蠕變階段，應變速率不隨時間變化；Ⅲ為加速蠕變階段，應變速率逐漸增加，最后造成巖石的剪切破壞。在石油工程中，鹽膏巖地層井眼鉆開后，井周原有的應力平衡被打破，井壁周圍地層中要重新建立平衡，當井壁應力狀態超過鹽膏巖地層所能承受的極限應力狀態后，井周地層向井眼內塑性流動，并且應力向地層內部傳遞，鹽膏巖地層表現出蠕變特性，造成井徑不斷縮小。鹽膏巖主要表現出瞬態蠕變和穩態蠕變特性，在鉆井過程中和下套管固井后主要受穩態蠕變的影響[9]。

圖1 軟巖典型蠕變曲線Fig.1 Typical creep curve of soft rock

2 相關實驗及結果分析

2.1 巖樣礦物組分測定

實驗巖芯取自西南油田Y井3 818.49～3 953.88 m井段4個層位的鹽膏巖，共取4個巖樣。樣品采用XRD衍射儀(型號：D/MAX2500)在管壓40 kV、管流100 mA條件下進行掃描，掃描范圍為2.6～45，礦物組分測定標準執行SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》，實驗設備如圖2所示，組分測定結果見表1。

圖2 XRD-射線衍射儀器Fig.2 Instrument of X-ray diffraction

編號井深/m礦物種類和含量/%NaClCaSO4SiO2CaCO3MgCO35-13 912.4261.220.311.53.63.45-23 922.3590.26.52.31.005-33 932.7271.528.50005-43 949.1083.613.41.20.81.0

2.2 鹽膏巖蠕變實驗

為探索不同NaCl含量的鹽膏巖等等蠕變特性，取與礦物組分測定的相同位置的巖心進行蠕變實驗。蠕變實驗中采用的實驗設備主要有三軸高壓釜、圍壓恒壓控制系統、軸壓的加載和控制系統，以及位移測量自動采集系統。蠕變實驗采用液壓恒載、恒溫的方式，每塊巖心的實驗時間為20～40 h。實驗巖樣如圖3所示，實驗結束后首先緩慢地卸掉軸壓，再卸掉圍壓，取出巖心并觀察分析巖樣受壓的狀況。

圖3 蠕變實驗巖樣5-1(井深3 912.42 m)Fig.3 The sample 5-1 of creep test (depth 3 912.42 m)

通過實驗記錄下巖心軸向應變ε隨實驗時間t的變化，即得到砂巖蠕變過程的應變與時間t的關系[10-12]。假設鹽膏巖軸向應變ε與時間t的關系方程為：

y=ε=c1+c2t+c3ec4t

(1)

式中c1,c2,c3,c4——待定系數。

利用式(1)對實驗曲線進行非線性擬合，直到誤差達到允許的范圍，其中c1為瞬態蠕變；c2為穩態蠕變速率，l/s。

2.3 蠕變實驗結果分析

將同一溫度、偏應力及圍壓條件(應力20 MPa，圍壓15 MPa)下巖鹽和硬石膏含量不同的鹽膏巖蠕變曲線進行比較，具體實驗結果后的ε-t曲線如圖4、圖5所示。

圖4 巖樣5-1實驗和擬合曲線(偏應力20 MPa，圍壓15 MPa)Fig.4 Creep test curve and fitting curve of core 5-1(deviatoric stress is 20 MPa, confining is 15 MPa)

由圖5可知，在相同的實驗條件下，不同NaCl含量的鹽膏巖在相同時間內最終的總蠕變量不同，且隨著NaCl含量的增大，鹽膏巖在相同時間內的總蠕變量增加。

圖5 不同NaCl含量的應變—時間曲線(偏應力20 MPa，圍壓15 MPa)Fig.5 Strain-time curves change with different NaCl content (deviatoric pressure is 20 MPa, confining pressure is 15 MPa)

由不同NaCl含量的鹽膏巖蠕變實驗結果以及初步分析的情況可以看出，鹽巖及鹽膏巖的流變特性基本符合時間指數函數的形式，可以得到鹽膏巖實驗巖樣的瞬態蠕變和穩態蠕變速率，結果見表2。

根據c1、c2隨NaCl含量的變化趨勢，分別作出c1、c2實際實驗數據曲線的趨勢線，并將兩條曲線擬合，發現冪律模式的趨勢線與實際實驗數據曲線可以很好地擬合。得出c1、c2與NaCl含量的關系式分別為式(2)、式(3)：

c1:y=10-18x9.501 5

(2)

c2:y=9×10-15x7.468 8

(3)

表2 巖心擬合實驗曲線中各參數取值Table 2 Fitting result of parameters value for cores

圖6 c1、c2隨NaCl含量的變化曲線Fig.6 c1,c2change curves with different NaCl content

由圖6可知，隨著NaCl含量的增高，瞬態蠕變和穩態蠕變速率都會增加，且NaCl含量越高，瞬態蠕變和穩態蠕變速率增加得越快。

3 結論

(1)鹽膏巖地層固有的礦物組成差異導致鹽膏巖蠕變特性的差異性，在相同實驗條件下，NaCl含量越高，鹽膏巖瞬態蠕變及穩態蠕變速率越大。

(2)建立了鹽膏巖瞬態蠕變及穩態蠕變速率與NaCl含量的冪律模式，隨著NaCl含量增加，鹽膏巖瞬態蠕變及穩態蠕變速率均增加。

(3)鹽膏巖地層鉆井需要關注鹽膏巖地層的蠕變速率，考慮井眼的縮徑率，建議對探井所鉆鹽膏巖礦物組成進行分析，同時采用欠飽和鹽水鉆井液抵消縮徑的影響，獲得較寬的安全泥漿密度窗口。