鹽膏層合理鉆井液密度的確定

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1、學(xué)兔兔www.xuetutu.com石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))2009年8月第31卷第4期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Aug．2009Vo1．31No．454鹽膏層合理鉆井液密度的確定朱亮，樓一珊，黃萬龍(莫耋毳嘉州4。)劉瀚宇(渤海鉆探大港油氣合作開發(fā)公司，天津300280)梁昌健(塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部輪南作業(yè)區(qū)，新疆庫爾勒841000)李呈祥(勝利石油管理局黃河鉆井總公司鉆井四公司，山東東營257055)[摘要]在闡述鹽膏層蠕變規(guī)律的基

2、礎(chǔ)上，對某油田X區(qū)塊鹽膏層蠕變進(jìn)行分析，利用有限差分模擬計(jì)算軟件建立計(jì)算模型。通過數(shù)值模擬計(jì)算得出在不同鉆井液密度下井眼縮徑率隨井深的變化規(guī)律，并繪制出鹽膏層巖段不同縮徑率下的鉆井液密度圖版，從而確定了順利鉆穿該區(qū)塊鹽膏層的合理鉆井液密度。[關(guān)鍵詞]鹽膏層；蠕變；縮徑；鉆井液密度[中圖分類號]TE254．1[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1000—9752(2009)04—0111—04我國江漢、華北、中原、塔里木和克拉瑪依等油田都不同程度地分布著鹽膏層，其厚度從幾十米到數(shù)百米不等，而且埋藏深度大。

3、鹽膏層處于較高溫度和圍壓環(huán)境中，具有較強(qiáng)的蠕變性，井眼鉆穿鹽膏巖層后，由于巖石蠕變會發(fā)生井眼縮徑，常造成井眼失穩(wěn)、卡鉆、固井后擠毀套管等事故¨，導(dǎo)致大量的人力、物力和財(cái)力的損失。鉆井施工中以上復(fù)雜情況的產(chǎn)生都應(yīng)歸咎于鉆井液密度不合適，未能有效抑制鹽膏巖地層蠕變。因此，確定合理的鉆井液密度對鹽膏層井壁穩(wěn)定至關(guān)重要。1鹽膏層蠕變規(guī)律1．1蠕變特性．鹽膏層的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)都要發(fā)生蠕變，但普通巖石所產(chǎn)生的蠕變很小，以致可以忽略不計(jì)，而鹽膏層、泥巖等軟巖對

4、蠕變非常敏感。典型的鹽越-0蝎s魚驀0O501OOl50200250300050100150200250300蠕變時(shí)間／h蠕變時(shí)間／h(a)(b)圖1鹽膏層的蠕變曲線[收稿日期]2009～04—25[作者簡介]朱亮(198o一)，男，2003年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助教，現(xiàn)主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與研究工作。學(xué)兔兔www.xuetutu.com石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))2009年8月膏層蠕變特性見圖1(a)。蠕變要經(jīng)歷(A)瞬態(tài)蠕變、(B)穩(wěn)態(tài)蠕變以及(C)加速蠕變3個(gè)階段，并最終由于蠕變

5、而開始破壞。一般來說，對于脆性材料，主要表現(xiàn)為A、C兩個(gè)階段；而對鹽膏層蠕變類材料，則主要表現(xiàn)為A、B兩個(gè)階段，而且B階段持續(xù)的時(shí)間比較長引。圖1(6)裝示瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變以及加速蠕變3個(gè)階段蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間的變化關(guān)系。1．2蠕變本構(gòu)方程大量試驗(yàn)研究表明L2]，鹽膏層的蠕變與最大和最小水平主地應(yīng)力(。，鞏)的差應(yīng)力不成線性關(guān)系。考慮到溫度丁和時(shí)間t，便可把蠕變的表達(dá)式寫成：￡()一()·f2(丁)·廠3()(1)式中，s(￡)為鹽膏巖層的蠕變應(yīng)變，；、f2、廠3為其對應(yīng)自變量的函數(shù)，可由試驗(yàn)確

6、定。由于瞬態(tài)時(shí)間較短，這里只研究鹽膏層的穩(wěn)態(tài)蠕變。根據(jù)前人的研究結(jié)果，鹽膏層晶體蠕變的本構(gòu)方程可用下式表達(dá)]：一Aexp(一)()(2)在實(shí)際計(jì)算中，可將式(2)簡化為：=A'a(3)。式中，為鹽膏巖地層的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，yr；Q為鹽膏巖地層的激活能，kJ／tool·K；為單位應(yīng)力，MPa；R為普適氣體常數(shù)，一般取8．3143kJ／mol；T為試驗(yàn)溫度，K；為應(yīng)力指數(shù)。2鹽膏層蠕變力學(xué)計(jì)算模型的建立鹽膏層的蠕變是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)行為，通過解析解是很難獲得其規(guī)律的，利用數(shù)值模擬則是一個(gè)有效的手段。為了

7、對鹽膏層蠕變特性進(jìn)行模擬研究，根據(jù)井眼形狀和井眼軌跡，建立合適的力學(xué)計(jì)算模型是必須的。在建立模型時(shí)，作如下基本假設(shè)：①井眼為規(guī)則的圓柱形井筒；②鹽膏層為各向同性、均勻連續(xù)的熱彈性蠕變介質(zhì)；③鹽膏層為水平分布，無地層傾角。在一定溫度和壓力條件下，鹽膏層具有類似流體的特性，對邊界條件較為敏感。因此，鹽膏圖2計(jì)算模型的力學(xué)示意圖層力學(xué)計(jì)算模型在縱向上不能太薄。此外，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，所以必須對模型進(jìn)行精簡和優(yōu)化，在保證一定精度的條件下，盡

8、量采用最少的單元。根據(jù)上述基本假設(shè)和基本原則，建立了鹽膏層直井井壁力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示?？紤]到所研究的井壁變形是軸對稱問題，選取井眼平面的1／4建立計(jì)算模型，井眼直徑根據(jù)實(shí)際情況確定。在鉆穿鹽膏層后，原地應(yīng)力場的平衡遭到破壞。此時(shí)，鹽膏層井眼、井壁受到地應(yīng)力和井內(nèi)鉆井液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)面作用最大、最小水平地應(yīng)力，前、后、左、右4個(gè)表面均作用有法向約束，下表面受垂直于該面的豎向簡支約束，井內(nèi)鉆井液密度對井壁變形的抑制作用轉(zhuǎn)化為井內(nèi)鉆井液液柱壓力作