盐膏层合理钻井液密度的确定.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年8 月第3 1 卷 第4 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 4 盐膏层合理钻井液密度的确定 朱亮 ， 楼 一 珊 ， 黄 万 龙 莫 耋 毳 嘉 州 4。 刘瀚宇 渤 海钻探 大港油气合作开发公司， 天津3 0 0 2 8 0 梁昌健 塔里 木油田分 公司开 发事业部轮南作业区， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 李呈祥 胜利石油 管理局黄 河钻井总公司钻井四 公司， 山 东东营2 5 7 0 5 5 [ 摘要] 在 阐述盐膏层蠕变规律 的基础上 ，对某油 田X 区块 盐膏层蠕 变进行分 析 ，利用 有限差分 模拟计算 软件建立 计算模 型。通过数值模 拟计算得 出在不 同钻 井液 密度 下井 眼缩径 率随井 深的 变化规律 ，并绘制 出盐 膏层 岩段不同缩径 率下的钻 井液 密度 图版 ，从而确定 了顺利钻 穿该 区块 盐膏层 的合理钻 井液密度 。 [ 关键词 ]盐膏层；蠕变；缩径；钻井液 密度 [ 中图分类号]TE 2 5 4 ． 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 4 0 1 1 1 0 4 我 国江汉 、华北、中原、塔里木和克拉玛依等油 田都不同程度地分布着盐膏层 ，其厚度从几十米到 数百米不等 ，而且埋藏深度大。盐膏层处于较高温度和围压环境中，具有较强的蠕变性 ，井眼钻穿盐膏 岩层后 ，由于岩石蠕变会发生井眼缩径 ，常造成井眼失稳、卡钻、固井后挤毁套管等事故 ，导致大量 的人力 、物力和财力的损失。钻井施工中以上复杂情况 的产生都应归咎于钻井液密度不合适，未能有效 抑制盐膏岩地层蠕变。因此，确定合理 的钻井液密度对盐膏层井壁稳定至关重要。 1 盐膏层蠕变规律 1 ． 1 蠕 变特 性 ． 盐膏层的蠕变是指岩石材料的应力 、应变随时间变化的性质。所有 的岩石在受载时都要发生蠕变， 但普通岩石所产生的蠕变很小 ，以致可以忽略不计 ，而盐膏层 、泥岩等软岩对蠕变非常敏感 。典型的盐 越 蝎 O 5 0 1 O O l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 蠕变时间／ h a - 0 s 鱼 蓦 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 蠕变 时间／ h b 图 1 盐膏层的蠕变 曲线 [ 收稿日期]2 0 0 9～0 42 5 [ 作者简介]朱亮 1 9 8 o 一 ，男，2 0 0 3 年大学毕业，硕士，助教，现主要从事油气井工程方面的教学与研究工作。 5 4 3 2 ● 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 8 月 膏层蠕变特性见图 1 a 。蠕变要经历 A瞬态蠕变 、 B 稳态蠕变以及 C 加速蠕变 3个阶段， 并最终 由于蠕变而开始破坏 。 一般来说 ， 对于脆性材料， 主要表现为 A、 C两个阶段 ； 而对盐膏层蠕变类材料 ， 则主 要表现为A、 B两个 阶段 ， 而且 B阶段持续的时间比较长 引。 图 1 6 装示瞬态蠕变、 稳态蠕变以及加速蠕变 3 个 阶段蠕变应变率随时间的变化关系 。 1 ． 2 蠕变本构方程 大量试验研究表明L 2 ] ， 盐膏层的蠕变与最大和最小水平主地应力 。 ， 巩 的差应力 不成线性关系 。 考虑到温度 丁和时间 t ， 便可把蠕变的表达式写成 ￡ 一 f 2 丁 厂 3 1 式中， s ￡ 为盐膏岩层的蠕变应变， ； 、 f 2 、 厂 3 为其对应 自变量的函数 ， 可 由试验确定 。 由于瞬态时间较 短 ， 这里只研究盐膏层的稳态蠕变。 根据前人 的研究结果 ， 盐膏层晶体蠕变的本构方程可用下式表达 ] 一 A e x p 一 2 在实际计算 中， 可将式 2 简化为 。 A a 3 式 中， 为盐膏岩地层 的稳态蠕变速率 ， y r ； Q为盐膏岩地层的激活能， k J ／ too l K； 为单位应力 ， MP a ； R为普适气体常数 ， 一般取 8 ． 3 1 4 3 k J ／ mo l ； T为试验温度 ， K； 为应力指数。 2 盐膏层蠕变力学计算模型的建立 盐膏层的蠕变是一个复杂 的力学行为 ，通 过解 析解是很难获得其规律 的，利用数值模拟则 是一个 有效的手段。为了对盐膏层蠕变特性进行模拟研究 ， 根据井眼形状 和井 眼轨迹 ，建立合适 的力学计算模 型 是必 须 的 。 在建立模型时，作如下基本假设 ①井眼为 规则 的圆柱形井筒；②盐膏层为各 向同性 、均匀连 续的热弹性蠕变介质；③盐膏层为水平分 布，无地 层倾角 。在一定温度和压力条件下 ，盐 膏层具有类 似流体 的特性 ，对边界条件较为敏感。因此 ，盐膏 层力学计算模型在纵 向上不能太薄。此外 ，模型 的 图 2 计算模 型的力学示意图 横向直径必须足够大 ，以消除水平地应力的边界效应，而模型太大又不利于求解计算 ，所以必须对模型 进行精简和优化 ，在保证一定精度的条件下 ，尽量采用最少的单元。 根据上述基本假设和基本原则 ，建立了盐膏层直井井壁力学计算模型 ，如图 2所示 。考虑到所研究 的井壁变形是轴对称问题 ，选取井眼平面的 1 ／ 4建立计算模型 ，井眼直径根据实际情况确定。在钻穿盐 膏层后 ，原地应力场的平衡遭到破坏 。此时 ，盐膏层井眼、井壁受到地应力和井内钻井液液柱压力的共 同作用 。模型计算域 的上表 面作用有 上覆岩层压力 ，4个侧 面作 用最大 、最 小水平地应力 ，前、后、 左 、右 4 个表面均作用有法 向约束 ，下表面受垂直于该面的竖 向简支约束 ，井 内钻井液密度对井壁变形 的抑制作用转化为井 内钻井液液柱压力作用于井眼内壁。 3 计算结果及分析 针对某油 田 X区块盐膏层埋藏深度在 4 0 0 0 6 0 0 0 m左右 ，根据上 述方法 ，利用有限差分模拟计算 软件建立计算模型 取盐膏层厚度为 5 0 m，模型尺寸为 2 5 m2 5 m5 0 m，如 图 3所示。计算时 ，每隔 2 0 0 m取一个深度点进行模拟计算 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 4期 朱亮等盐膏层合理钻井液密度的确定 首先 ，通 过岩 心 蠕变 试验 获 得试 验数 据 ，将数据代 人式 3 可以拟合得 到该 区 块盐膏层蠕变参数 A 一 2 ． 9 x 1 0 MP a y r - ， 4 ． 5 。 再通 过有 限差 分模 拟计算软 件 ， 可以计算得到不同埋深、 不 同钻井液密度 下盐膏岩地层井 眼单位 时间内的位移 ， 见表 1。 然后将 A D代人式 4 ， 可计算 出不 同埋 深、 不 同钻井液密度下盐膏层 井眼在单位时 间内的缩径率， 并据此绘制 出不 同埋深下盐 膏层井眼缩径率图谱 ， 见图 4 。 ． 7 c D 7 c D 一 △D ， n 一 一 式 中， 为缩径率 ， h _ ； △ D 为井 眼单位 时间 内的位移， mm／ h D为井 眼直径 ， mm。 图 3 计算模型整体网格 表 1 不 同埋 深、不 同钻 井液密 度下盐膏岩井 眼单 位时间内的位 移 由图 4可见 ，当使用 钻井 液密度一定时 ，随着井深 的增 加 ，盐膏层井 眼缩径率逐 渐增 大 ；井深一定 时，盐 膏层 井眼 缩径率随钻井液密度 的减 小而 逐渐增大。 为方便 技术人员制定 技术 方案 ，更好 地 指导 现 场施 工 ， 将图 4所示 的数据关 系转 变为 以井深 为横 坐标 ，以钻井 液密 度为纵坐标 的形式 ，绘 出了该 区块盐膏层不 同井眼缩径率 下 钻井 液密 度 图 版 ，如 图 5所 示 。由图 5所 示 的 曲 线 关 系 可 以看出，同一井眼缩径率 的情 曼 { 醚 { 9 | 攥 采 撂 O O1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 05 井眼缩径率 ／ h 。 1 图 4 不同埋深 、不 同钻 井液密度下盐膏层井眼缩径率 图谱 9 8 7 6 5 4 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 8月 况下 ，钻井液密度 随着 井深 的增大而逐渐 增大 ，且增 大 趋势逐渐平缓 。 结合所研究 区块 某井 的 钻井施工情况和钻 井事故 分 析，依据 图 5推荐井 跟缩 径 率为 0 ． O 0 2 h - 1 时对 应 的钻井 液密度为该地 区安全 钻井液 密度 ，以避免井 眼 失稳 、卡 钻等事故 的发生 ，保证 该 区 块盐 膏层安 全顺 利地 钻 进 。 4 结 论 吕 翻 { I 苎 米 据 4 0 0 0 4 2 0 0 4 40 0 4 6 0 0 4 8 0 0 5 0 0 0 5 2 0 0 5 4 00 5 6 0 0 5 8 0 0 6 0 0 0 深度／ m 图 5盐 膏 层 不 同井 眼缩 径 率 下 钻 井 液 密 度 图版 1 通过 分析 ，认 为 发生 缩径卡钻复杂情况的主要因素可归结为钻井液密度不合理 ，导致盐膏层在地应力作用下发生蠕变 ，引起 卡钻等复杂情况的发生。经过研究证明，采用合适的钻井液密度 ，可有效控制盐膏层的蠕变 ，防止卡钻 等复杂情况 的发生 。 2 运用有限差分数值模拟软件，建立了盐膏层 的蠕变模型 ，并根据计算结果绘出了不 同缩径率下 钻井液密度 图版。并结合实际工况要求 ，推荐井眼缩径率为 0 ． O 0 2 h - 1 时对应的钻井液密度为钻穿该油 田 X区块盐膏层的合理钻井液密度 。 [ 参考文献] [ 1 3唐继平 ，王书琪 ，陈勉 ．盐膏层钻井理论与实践 [ M]． 北 京 石油工业出版社 ，2 0 0 4 ． ． [ 2 ]曾义金 ．钻井液密度对盐 膏层 蠕变影 响的三维分析 E 1 ]．石油钻采工艺 ，2 0 0 1 ，2 3 6 ；1 ～4 ． [ 3 ]梁卫国，徐素 国，赵 阳升 ，等 ．盐膏 岩地层蠕变特性的试验研究 [ J ]．岩石力 学与工程学报 ，2 0 0 6 ，2 5 7 ；1 3 8 6 ～ 1 3 9 0 ． [ 4 ]，鄙保平 ，徐素 国，赵延林 ，等 ．盐膏 岩地层 夹层蠕 变特性 实验 研究 与 理论 分析 [ J ] ．太 原理工 大学 学报 ，2 0 0 6 ，3 7 2 1 2 3 ～ 1 2 6 ． [ 5 ]杨春和，曾义金 ，吴文 ，等 ．深层盐 膏岩地层本 构关系及其 在石油 钻井工 程 中的应用研究 [ J ]．岩石力学 与T程 学报 ，2 0 0 3 ，2 2 1 0 1 6 7 8 ～ 1 6 8 2 ． [ 6 3高小平 ，杨春 和，吴文 ，等 ．盐膏岩地层蠕 变特性温度效应的实验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 2 2 0 5 4 2 0 5 9 ． [ 7 ]曾德智 ，林元华 ，李 留伟 ，等 ，盐 岩层钻 大斜度井 的井壁稳定性研究 [ J ]．石油学报，2 0 0 7 ，2 8 3 1 2 4 ～1 2 6 ． [ 编辑] 萧雨 9 8 7 6 5 4 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m