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1、气体介质条件下盐膏层井段蠕变规律分析2011正第5卷?第4期天然气技术与经济NaturalGasTechnologyandEconomyVo1.5.NO.4Aug.201ldoi:10.3969/j.issn.2095—1132.2011.04.010气体介质条件下盐膏层井段蠕变规律分析李果杨海波(1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院,四川德阳618000;2.四川省地质矿产勘查开发局一0六地质队,四川成都611130)摘要盐膏层是指以盐和石膏为主要成分的地层,在钻井过程中经常遇到这类地层.盐膏层钻开后,其原始地层应力状态被破坏并进行应
2、力--&分布,使得岩体发生蠕变变形,井眼缩径,进而造成卡钻,挤毁套管等钻井事故.从力学角度建立了井筒内为气体介质时的蠕变数学模型,并用计算机模拟分析了相关的蠕变规律.关键词盐膏层气体钻井蠕变缩径中图分类号:TE258+.3文献标识码:B文章编号:2095—1132(2011)07—0033—030引言我国从20世纪60年代就开始对钻穿盐膏层进行研究.盐膏层钻开后,在高温高压下极易发生蠕变流动,造成井眼缩径遇阻,遇卡等情况,可能造成埋钻具或大段井眼报废等重大经济损失.由于保护储层,提速效果明显的优点,目前国内气体钻井正蓬勃发展,国内已
3、有研究.但是,气体钻进过程中盐膏层蠕变的速度,位移,井眼缩径的整个过程的定量计算,以及气体对盐膏层三维蠕变的控制作用等方面的研究在国内外仍是空白.因此,开展盐膏层井段蠕变缩径规律的研究非常必要.l蠕变规律分析1.1蠕变位移数学模型地层钻开后,在井眼围岩内形成的应力集中现象正是地应力作用的结果12].地应力是以外载的方式作用于井眼附近的地层中而使井眼缩径,其中地应力主要是由上覆地层压力,地层温度变化和地质构造运动的作用而产生.根据应力应变方程和叠加原理,井眼钻开后,在最大水平地应力,最小水平地应力,上覆地层压力和气(液)柱压力共同作用下井壁上
4、产生的总位移为:u总=去[2pm一(H+^)一(3—4g)(一^)c.s20]一(1)式中"为蠕变位移,m;E为弹性模量,GPa;/x为地层泊松比;pm为液柱压力,Pa;or为最大水平应力,Pa;为最小水平应力,Pa;为上覆地层压力,Pa;r为井眼半径,m;0为与最大水平主力方向的夹角(.).1.2蠕变模拟分析采用FLAC3D软件模拟三维盐膏层蠕变[3-41,模型参数如下:水平方向长为6m;宽为6m;埋深为3000～3060m;盐膏层模型密度均匀为2300kg/m;钻井液为气体(忽略气体对井壁的压力),温度为100℃;体积模量(6M)为22
5、.6GPa;剪切模量(s)为11.1GPa;蠕变指数()为5;蠕变常数(a)为4.56;蠕变常数(b)为127;活化能(Q)为15.9kJ/mol;黏性系数(77)为7.09xl0"mPa?S;地层中垂向应力(or)为6.76xl0Pa;最大水平应力(or)为6.2xlOPa;最小水平应力()为5.8xl0Pa.通过模型模拟,取得的实验数据如表1所示.从表1可以看出,在前10h内模型在初始阶段蠕变位移收稿日期:2011—05—17修订日期:201l一07—06作者简介:~(1981一),硕士,从事钻井设计及欠平衡(气体)钻井技术研究]_作.
6、E-iliail:24879229@q.m天然气技术与经济/33第5卷李果,等:气体介质条件下盐膏层井段蠕变规律分析第4期增加较快,其原因是盐膏岩中的孔隙,裂隙等初始缺陷受力后闭合,岩石中孔隙减小,从而产生瞬间轴向压缩变形.随着蠕变时间的发展岩体逐渐被压实,蠕变速度逐渐降低进入蠕变稳定阶段.同时还可看出,由于地层中两个水平地应力大小不等,不同方向的蠕变位移大小也不一样.随着时间的推移,井眼将逐步变为一个椭圆形.表1模拟结果表从模拟的位移分布图(图1)来看,经过2.4h后,图1中蓝色和黄色区域的位移值最大为一2.76x10m,方向指向井眼,其
7、中"一"表示位移沿着坐标轴的负方向,即井眼方向.1oo~oo3o1,50eq~l1.t图1垂直于井眼的一个剖面的位移分布图在实际的盐膏层钻进过程中,井眼扩大率一般为l0%～20%.当初始井眼尺寸为0-3m时,按照20%的扩大率计算,蠕变的平均速率为0.91ram/h,经过65.9h后,井眼尺寸将缩小到钻头尺寸大小.如果在这段时间内未完成盐膏层段钻井工作(即把钻具取出完成该井段的固井工作),就将造成卡钻事故.所以,在钻井过程中,应根据盐膏层厚度来控制机械34/NaturalGasTechnologyandEconomy钻速,保证在上部井眼尺寸
8、缩小到钻头尺寸大小之前穿过盐膏层,以免上提或下放钻具时卡钻.2影响因素分析2.1上覆地层压力的影响为了分析上覆地层压力对井眼缩径的影响,对上覆地层压力为68MPa,70MPa,8
