曾德智，林元華，盧亞鋒，2，朱達(dá)江，李留偉，3

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，成都610500; 2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300; 3.北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100083)

復(fù)合巖鹽層井眼蠕變縮徑的數(shù)值模擬

曾德智1，林元華1，盧亞鋒1，2，朱達(dá)江1，李留偉1，3

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，成都610500; 2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300; 3.北京溫菲爾德石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100083)

鹽巖在深部高溫高壓環(huán)境下具有很強(qiáng)的蠕變特性，在巖鹽層鉆井經(jīng)常出現(xiàn)井眼縮徑、卡鉆等復(fù)雜事故。目前關(guān)于巖鹽層井段安全鉆進(jìn)泥漿密度的計(jì)算方法主要適用于均勻地應(yīng)力的情況，難以在非均勻地應(yīng)力條件下應(yīng)用。為此研究建立了三向地應(yīng)力作用下鹽巖和砂泥巖相互交錯(cuò)的復(fù)合巖鹽層井眼蠕變縮徑的三維有限元模型，并以塔里木油田羊塔克地區(qū)深井為例，研究了非均勻地應(yīng)力條件下，復(fù)合巖鹽層井眼隨時(shí)間變化的蠕變縮徑規(guī)律，得出了一定泥漿密度下巖鹽層井眼在不同時(shí)刻的井徑值。計(jì)算結(jié)果表明，安全泥漿密度有限元模擬值與羊塔克地區(qū)巖鹽層井段實(shí)際采用的安全泥漿密度非常接近，驗(yàn)證了所建數(shù)值模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的可靠性，研究成果為巖鹽層井段的安全鉆進(jìn)提供了技術(shù)支撐。

深井;巖鹽層;蠕變;井徑;有限元模擬

0 引言

隨著世界油氣資源的不斷開采，淺層油氣資源已接近枯竭，為了滿足社會(huì)發(fā)展的需求，深部地層及復(fù)雜地層已成為目前尋找油氣資源的主戰(zhàn)場(chǎng)。巖鹽層是油氣成藏的很好蓋層，其下蘊(yùn)含著大量的油氣資源，美國墨西哥灣，前蘇聯(lián)班長(zhǎng)達(dá)勒威油田，土庫曼斯坦阿姆河地區(qū)，中國塔里木、江漢、中原、四川等地區(qū)均已發(fā)現(xiàn)了這類鹽下油氣資源［1～3］。但是，鹽膏巖在地層高溫高壓的環(huán)境下具有很強(qiáng)的流變特性，當(dāng)鉆開井眼后，如果泥漿性能選擇不當(dāng)，在很短時(shí)間內(nèi)便可引起井眼縮徑、卡鉆、井壁坍塌等井下事故［4～8］。對(duì)于純巖鹽層可采用適當(dāng)欠飽和鹽水鉆井液，復(fù)合巖鹽層段應(yīng)更加注意對(duì)鉆井液密度的控制，如果不能及時(shí)調(diào)整復(fù)合巖鹽層井段的泥漿密度，會(huì)出現(xiàn)一系列井下事故［9～11］。

目前，關(guān)于巖鹽層井段泥漿密度計(jì)算的方法主要有兩種:一是根據(jù)巖鹽層反演理論取得相關(guān)力學(xué)參數(shù)，采用粘彈性力學(xué)模型建立相關(guān)泥漿密度公式計(jì)算，該方法的難點(diǎn)是必須獲得不同時(shí)刻的井徑曲線進(jìn)行反演分析［12］;二是通過巖石力學(xué)試驗(yàn)取得相關(guān)力學(xué)參數(shù)，采用理論公式獲得巖鹽層井眼在安全蠕動(dòng)速率下的泥漿密度，該方法按上覆巖層壓力計(jì)算，只適用于均勻水平地應(yīng)力地層［11，13］，難以在非均勻地應(yīng)力條件下應(yīng)用。為此，本文建立了模擬復(fù)合巖鹽層井眼蠕變縮徑的有限元模型，以巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同泥漿密度下巖鹽層井徑隨時(shí)間變化的蠕變曲線，獲得塔里木盆地羊塔克區(qū)塊控制巖鹽層井眼縮徑的泥漿密度。

1 鹽巖的蠕變及其控制方法

鹽巖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)。所有的巖石在受到載荷作用下都會(huì)發(fā)生變形，普通巖石變形很小，基本可以忽略;但泥巖、鹽膏巖等軟巖卻非常敏感。鹽巖蠕變主要經(jīng)歷瞬態(tài)蠕變(AB段)、穩(wěn)態(tài)蠕變(BC段)和加速蠕變(CD段)3個(gè)階段(見圖1)。對(duì)鉆井工程而言，巖鹽層被鉆開后，將發(fā)生瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變。

圖1 巖石的蠕變?cè)囼?yàn)曲線Fig.1 Curve of rock creep test

鹽巖的蠕變是其固有特性，與溫度、應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。對(duì)某特定工區(qū)而言，地層溫度、垂直地應(yīng)力和水平地應(yīng)力都是固有特性，在鉆井過程中只能通過提高泥漿密度改善鹽巖所處的應(yīng)力狀態(tài)，控制其蠕變速度，進(jìn)而避免由于蠕變縮徑導(dǎo)致的卡鉆。然而泥漿密度過大又易導(dǎo)致壓差卡鉆，在深井中尤其如此。減緩巖鹽層蠕變縮徑還可采用欠飽和鹽水泥漿，溶蝕鹽巖，但此法對(duì)復(fù)合巖鹽層并不適用，因?yàn)榍凤柡望}水泥漿易導(dǎo)致復(fù)合管巖鹽層井壁坍塌。因此，合理確定鉆井泥漿密度是確保復(fù)合巖鹽管層安全鉆進(jìn)的關(guān)鍵問題。

2 有限元力學(xué)模型

從塔里木油田羊塔克地區(qū)巖鹽層井段井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可知，井眼呈橢圓形，這反映出巖鹽層井段地應(yīng)力是非均勻的。非均勻地應(yīng)力作用下鹽巖蠕變井眼縮徑和套管載荷理論計(jì)算方法還不太完善，目前主要依賴于數(shù)值模擬計(jì)算［14］，且以往建立的二維平面模型不能反應(yīng)砂巖—鹽巖—砂巖復(fù)合巖鹽層的蠕變特性及井眼縮徑規(guī)律。鹽巖蠕變具有很強(qiáng)的非線性特征，本文采用ADINA有限元力學(xué)分析軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)利用FORTRAN語言對(duì)ADINA進(jìn)行了二次開發(fā)，將Heard蠕變本構(gòu)方程引入，建立了復(fù)合巖鹽層井眼縮徑分析的三維有限元模型。

2.1 復(fù)合巖鹽層蠕變分析的三維有限元模型

與二維平面模型不同，本模型考慮了上下砂巖層對(duì)巖鹽層的限制，如圖2所示。筆者建立了多個(gè)尺寸模型，并對(duì)幾何模型的大小及其網(wǎng)格劃分進(jìn)行了優(yōu)化，最終選擇模型長(zhǎng)度48 m，高度48 m。鹽巖層厚度以羊塔克地區(qū)地質(zhì)資料為準(zhǔn)，為2.9 m?？紤]鹽巖蠕變非線性較強(qiáng)，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用8結(jié)點(diǎn)6面體單元，如圖3所示。

圖2 井眼蠕變縮徑力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of borehole creep shrinkage

圖3 有限元網(wǎng)格模型Fig.3 FEA meshing model

2.2 材料本構(gòu)模型選擇和計(jì)算參數(shù)選取

對(duì)巖鹽層可取熱彈性蠕變材料，根據(jù)羊塔克地區(qū)的巖心試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其蠕變特性可采用Heard蠕變模式近似擬合。Heard模型的本構(gòu)關(guān)系如下［11］:

E——鹽巖的激能，cal/mol;

R——摩爾氣體常數(shù)，1.987 cal/mol·K;

σ——差應(yīng)力，MPa;

T——熱力學(xué)溫度，K;

A，B——流變常數(shù)。

對(duì)YT502/E鹽巖巖心進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定出鹽巖的彈性模量為4920 MPa，泊松比為0.45，對(duì)蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用式(1)進(jìn)行回歸，確定出該鹽巖蠕變參數(shù)，如表1所示。

表1 鹽巖的蠕變力學(xué)參數(shù)Table1 Mechanical parameters of salt rock creeps

砂泥巖的彈性模量為11549 MPa，泊松比為0.27;通過測(cè)試或解釋復(fù)合鹽層上、下砂泥巖地層的地應(yīng)力，可反演出復(fù)合鹽層的地應(yīng)力狀態(tài)，如表2所示;根據(jù)羊塔克地區(qū)的地溫梯度，巖鹽層溫度為363 K。

表2 鹽巖和砂巖地層的地應(yīng)力Table2 Crustal stress of salt rock and surrounding rock layers

3 數(shù)值模擬結(jié)果及礦場(chǎng)驗(yàn)證

為研究鉆井液密度對(duì)井眼蠕變縮徑的影響，為鉆井施工提供泥漿密度設(shè)計(jì)參數(shù)，分別取泥漿密度為1.7 g/cm3、1.9 g/cm3、2.1 g/cm3，2.3 g/cm3，鉆頭尺寸分別取8?2″、9?2″，對(duì)井深5250 m處復(fù)合巖鹽層的蠕變進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

當(dāng)鉆井液密度為2.1 g/cm3時(shí)，8?2″鉆頭井眼鉆開24 h后，井眼縮徑變形情況如圖4所示。由圖可知，在巖鹽層的上部和下部由于受到砂泥巖的位移約束，因而縮徑較小，鹽層中部縮徑最大。

圖4 復(fù)合巖鹽層的蠕變縮徑特征Fig.4 Creep shrinkage characteristics of composite rock salt layer

記X方向?yàn)闄E圓短軸方向，Y方向?yàn)闄E圓長(zhǎng)軸方向。選取鹽層中部井壁節(jié)點(diǎn)為考察對(duì)象，可得出不同泥漿密度下X方向和Y方向上井徑隨時(shí)間蠕變的曲線(見圖5—圖8)。

圖5 泥漿密度對(duì)短軸方向上井眼縮徑的影響(8?2″鉆頭)Fig.5 Effect of mud density to hole shrinkage in the brachy-axis direction(8?2″bit)

從圖5—圖8縮徑曲線可見，隨著泥漿密度的增大，井眼縮徑程度減小，且當(dāng)泥漿密度為2.3 g/cm3時(shí)，基本可以抑制巖鹽層井眼的縮徑，但是仍然存在由于鹽巖初始蠕變導(dǎo)致的瞬態(tài)縮徑。這與鉆遇巖鹽層的現(xiàn)場(chǎng)施工情況是吻合的，為避免井壁初始蠕變導(dǎo)致的卡鉆，通常采用的辦法是反復(fù)劃眼或采用隨鉆擴(kuò)眼工具［11，15］。

通過對(duì)比圖5—圖8的縮徑曲線可知，隨著時(shí)間的推移，井眼縮徑趨于穩(wěn)定，且泥漿密度越大，趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間越短。顯然，增加泥漿密度，可有效地減少井眼縮徑量，順利安全下入套管。

圖6 泥漿密度對(duì)長(zhǎng)軸方向上井眼縮徑的影響(8?2″鉆頭)Fig.6 Effect of mud density to hole shrinkage in the major axis direction(8?2″bit)

圖7 泥漿密度對(duì)短軸方向上井眼縮徑的影響(9?2″鉆頭)Fig.7 Effect of mud density to hole shrinkage in the brachy-axis direction(9?2″bit)

圖8 泥漿密度對(duì)長(zhǎng)軸方向上井眼縮徑的影響(9?2″鉆頭)Fig.8 Effect of mud density to hole shrinkage in the major axis direction(9?2″bit)

羊塔克區(qū)塊是塔里木盆地第一個(gè)鹽下整裝凝析油氣藏，鹽下蘊(yùn)藏大量的油氣資源。YTK X井是該區(qū)塊的一口評(píng)價(jià)井，該井在4800～5200 m之間第三系層位鉆遇大段復(fù)合巖鹽層，地層溫度約100℃，根據(jù)本文的模擬結(jié)果，鉆井液密度應(yīng)取2.3 g/cm3以上。該井巖鹽層井段實(shí)際采用的泥漿密度為2.33 g/cm3，鉆井過程未發(fā)生卡鉆事故，較好地控制了鹽巖的蠕變縮徑，保證了套管順利下入。

4 結(jié)論

采用非線性有限元軟件，建立了模擬復(fù)合巖鹽層井眼蠕變縮徑的三維有限元力學(xué)模型。計(jì)算了在非均勻地應(yīng)力作用下控制井眼縮徑的最佳泥漿密度，計(jì)算結(jié)果與巖鹽層井段實(shí)際采用的泥漿密度非常接近。該研究成果已經(jīng)在塔里木油田羊塔克區(qū)塊得到驗(yàn)證和應(yīng)用，確保了羊塔克區(qū)塊巖鹽層鉆井安全，提高了鉆井時(shí)效。

［1］Holt C A，Johnson J B.A method for drilling moving salt formations-drilling and under reaming at the same time［R］.SPE 13488，1996.

［2］Willson S M，F(xiàn)ossum A F，F(xiàn)redrich J T.Assessment of salt loading on well casings［R］.SPE 81820，2003:13～21

［3］劉繪新，張鵬，蓋峰.四川地區(qū)鹽巖蠕變規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1290～1294.LIU Hui-xin，ZHANG Peng，GAI Feng.Study on creep rule of salt rock in Sichuan region［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1290～1294.

［4］何開平，張良萬，張正祿，等.鹽膏層蠕變粘彈性流體模型及有限元分析［J］.石油學(xué)報(bào)，2002，23(3):102～106.HE Kai-ping，ZHANG Liang-wan，ZHANG Zheng-lu，et al.Viscous and elastic flow module for gypseous salt creep and finite element analyses［J］.Acta Petrolei Sinica，2002，23(3):102～106.

［5］曾義金，楊春和，陳鋒，等.深井石油套管鹽膏巖層蠕變擠壓應(yīng)力計(jì)算研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(4):595～598.ZENG Yi-jin，YANG Chun-he，CHEN Feng，et al.Numerical analysis of creep pressing stress of casing in deep salt rock stratum［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(4):595～598.

［6］高德利，鄭傳奎，覃成錦.蠕變地層中含缺陷套管外擠壓力分布的數(shù)值模擬［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31(1):56～61.GAO De-li，ZHENG Chuan-kui，TAN Cheng-jin.Numerical simulation of external pressure distribution of casing string with wear in creep formation［J］.Journal of University of Petroleum，China，2007，31(1):56～61.

［7］楊恒林，陳勉，金衍，等.蠕變地層套管等效破壞載荷分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30(4):94～96.YANG Heng-lin，CHEN Mian，JIN Yan，et al.Analysis of casing equivalent collapse resistance in creep formations［J］.Journal of University of Petroleum，China，2006，30(4):94～96.

［8］林元華，曾德智，施太和，等.軟巖層引起的套管外載計(jì)算方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26 (3):538～543.LIN Yuan-hua，ZENG De-zhi，SHI Tai-he，et al.Study on computation method for casing load induced by soft rocks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(3):538～543.

［9］金衍，陳勉.鹽巖地層井眼縮徑控制技術(shù)新方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(增刊):1111～1114.JIN Yan，CHEN Mian.A new approach for controlling tight hole in salt formation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19(Supp.):1111～1114.

［10］鄭力會(huì)，陳勉，張民立，等.穩(wěn)定鹽膏層井眼的不飽和有機(jī)鹽水鉆井液新技術(shù)［J］.巖土力學(xué)，2005，26(11): 1829～1833.ZHENG Li-hui，CHEN Mian，ZHANG Min-li，et al.A new technology for controlling hole-stability in salt/gypsum stratum by unsaturated organic-salt liquor drilling fluid［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(11):1829～1833.

［11］唐繼平，王書琪，陳勉.鹽膏層鉆井理論與實(shí)踐［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004:29～46.TANG Ji-ping，WANG Shu-qi，CHEN Mian.Practice and theory of drilling in salt rocks［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2004:29～46.

［12］林元華，曾德智，施太和，等.鹽巖層蠕變規(guī)律的反演方法研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2005，26(5):111～114.LIN Yuan-hua，ZENG De-zhi，SHI Tai-he，et al.Inversion algorithm for creep laws of salt rocks［J］.Acta Petrolei Sinica，2005，26(5):111～114.

［13］楊春和，曾義軍，吳文，等.深層鹽巖本構(gòu)關(guān)系及其在石油鉆井工程中的應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(10):1678～1682.YANG Chun-he，ZENG Yi-jun，WU Wen，et al.Constitutive relationship of deep salt rock and its application to petroleum drilling engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(10):1678～1682.

［14］樓一珊，李忠慧，張春陽，等.油氣井眼井斜角、方位角對(duì)鹽巖蠕變的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(增2):3570～3574.LOU Yi-shan，LI Zhong-hui，ZHANG Chun-yang，et al.Influence on inclination angle and azimuth angle of borehole on creep of salt rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S2):3570～3574.

［15］吳應(yīng)凱，石曉兵，陳平，等.深部鹽膏層安全鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24 (2):67～69.WU Ying-kai，SHI Xiao-bing，CHEN Ping，et al.Status quo and development of safety drilling techniques for deep evaporate beds［J］.Nature Gas Industry，2004，24(2):67～69.

Abstract:Salt rocks have very strong creep behaviors in HTHP environment in deep formations，complex accidents such as hole shrinkage，drill pipe sticking，etc.occurring frequently.Current methods to calculate the safe drilling mud density are mainly used in circumstances of homogeneous earth stress.The 3-D finite element analysis(FEA)model of borehole creep shrinkage concerning salt rock and sand shale was established in this paper under triaxial earth stress.On the basis of deep wells of Yangtake in Tarim，laws of borehole creep shrinkage vs time were studied under the condition of heterogeneous earth stress，and values of borehole diameter in different times are obtained when the mud density is specified.Results calculated are very close to the safety drilling mud density field used in rock salt layers，thus verifying the reasonableness and reliability of the model established in the paper.Research results can provide technical support for safe drilling in rock salt layers.

Key words:deep well;rock salt layer;creep;hole shrinkage;finite element simulation

NUMERICAL SIMULATION OF HOLE CREEP SHRINKAGE FOR COMPOSITE ROCK SALT LAYERS

ZENG De-zhi1，LIN Yuan-hua1，LUYa-feng1，2，ZHU Da-jiang1，LI Liu-wei1，3
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China; 2.Gas Production Engineering Research Institute，PetroChina Southwest Oil and Gas Fields Company，Guanghan618300，China; 3.Beijing Winfield PetroleumTechnology Exploration Corporation，Beijing100083，China)

P554

A

1006-6616(2012)02-0158-07

2011-10-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51004084);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20105121120002)

曾德智(1980-)，男，副研究員，主要從事油氣鉆井工藝、石油管力學(xué)與環(huán)境行為方面的科研和教學(xué)工作。E-mail:zengdezhi1980@163.com