鹽巖蠕變對(duì)固井質(zhì)量的影響

謝關(guān)寶

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101； 2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101)

鹽巖具有較好的可塑性，在鉆井及固井過(guò)程中易發(fā)生塑性變形或蠕動(dòng)流動(dòng)。在固井施工及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鹽巖層段出現(xiàn)固井質(zhì)量不好層位，從而影響井筒氣密性；但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后固井質(zhì)量又有明顯變好趨勢(shì)，對(duì)井筒整體性安全性評(píng)估帶來(lái)困惑。針對(duì)鹽巖的蠕變變形，陳正[1]建立了鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性模糊綜合評(píng)價(jià)模型；劉蔚等[2]進(jìn)行了鹽巖蠕變測(cè)井資料綜合分析應(yīng)用；杜超等[3]、馬紀(jì)偉等[4]構(gòu)建了不同類(lèi)型的鹽巖蠕變模型；文獻(xiàn)[5-7]分析了鹽巖層大位移井的蠕變規(guī)律；文獻(xiàn)[8-12]基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了鹽巖蠕變本構(gòu)模型；謝關(guān)寶等[13]探討了時(shí)間推移測(cè)井分析了在固井質(zhì)量分析中的應(yīng)用。目前針對(duì)鹽巖蠕變對(duì)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)與分析的研究較少，也缺少相關(guān)理論依據(jù)與實(shí)踐。為此，基于鹽巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，構(gòu)建了鹽巖蠕變本構(gòu)方程，分析了鹽巖蠕變對(duì)固井第一界面、第二界面的影響，且給出了工程實(shí)踐與應(yīng)用分析，以期在類(lèi)似研究區(qū)針對(duì)鹽巖層固井質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。

1 鹽巖力學(xué)特性分析

1.1 鹽巖三軸實(shí)驗(yàn)

將鹽巖加工成高徑比為2∶1試樣，鹽巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)試樣尺寸及施加圍壓如表1所示，實(shí)驗(yàn)所得的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

由圖1可知，相同應(yīng)變條件下，圍壓越大，鹽巖的承載能力越強(qiáng)，直線段斜率越大(即彈性模量越大)；不同圍壓條件下，鹽巖均表現(xiàn)為典型彈塑性變形特征，鹽巖破壞類(lèi)型均為擴(kuò)容破壞，此類(lèi)破壞不會(huì)形成宏觀的易于觀察的破裂面如圖2所示，鹽巖發(fā)生擴(kuò)容后其承載能力依然存在。

表1 三軸試樣尺寸及圍壓Table 1 Triaxial specimen size and confining pressure

圖1 不同圍壓條件下的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Deviatoric stress-strain curves under different confining pressures

圖2 鹽巖擴(kuò)容圖Fig.2 Salt rock expansion map

鹽巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，計(jì)算可得鹽巖彈性模量為1.8 GPa、泊松比為0.38。

假定鹽巖符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，三軸抗壓強(qiáng)度和圍壓可表示為

σ1=Aσ3+B

(1)

(2)

(3)

式中：σ1為軸壓，MPa；σ3為圍壓，MPa；A、B為材料參數(shù)；τ0巖石內(nèi)聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，(°)。

取不同圍壓條件下，軸向應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的圍壓與軸壓值，如表2所示。

圖3 鹽巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress strain curve of salt rock under uniaxial compression

表2 不同圍壓條件偏應(yīng)力和軸壓Table 2 Deviatoric stress and axial pressure under different confining pressure conditions

對(duì)表2中不同圍壓條件下的軸壓值進(jìn)行擬合，得到A=1.538，B=27.58，R2=0.998 4，則可計(jì)算得到τ0為11.12 MPa，φ為12.24°。

1.2 鹽巖巴西劈裂實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用高徑比為1的圓柱巖樣。假設(shè)材料為均勻各向同性的彈性體，根據(jù)彈性力學(xué)理論，抗拉強(qiáng)度σt計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：d為試件直徑，mm；l為試件長(zhǎng)度，mm；P為破壞載荷，N；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa。

當(dāng)巖樣反生破壞時(shí)，巖樣沿中心處被劈裂成兩半，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)獲得抗拉強(qiáng)度如表3所示。三塊巖樣的抗拉強(qiáng)度有所差異，可能原因?yàn)閹r心非均質(zhì)性以及實(shí)驗(yàn)誤差。取三塊巖樣抗拉強(qiáng)度的平均值得鹽巖抗拉強(qiáng)度為3 MPa。

圖4 鹽巖巴西劈裂實(shí)驗(yàn)Fig.4 Brazilian splitting experiment of salt rock

表3 鹽巖抗拉強(qiáng)度Table 3 Tensile strength of salt rock

2 鹽膏層蠕變特性分析

2.1 定圍壓鹽膏層蠕變特性實(shí)驗(yàn)

定圍壓蠕變實(shí)驗(yàn)巖心試樣高徑比為2∶1，高度為50.2 mm、直徑為25.3 mm，實(shí)驗(yàn)不加圍壓，軸壓分級(jí)五級(jí)加載，分別為8、12、15、19、22 MPa，分級(jí)加載時(shí)間-應(yīng)變曲線如圖5所示?？梢钥闯?，軸壓越大，軸向應(yīng)變?cè)酱?；軸壓越大，蠕變速率越大。

圖5 五級(jí)加載蠕變Fig.5 Five stage loading creep

2.2 變圍壓鹽膏層蠕變特性實(shí)驗(yàn)

變圍壓蠕變實(shí)驗(yàn)巖心試樣高徑比為2∶1，試樣載荷及尺寸如表4所示，實(shí)驗(yàn)所得的時(shí)間-應(yīng)變曲線如圖6所示。可以看出，偏應(yīng)力越大，瞬時(shí)彈性應(yīng)變?cè)酱?，穩(wěn)定蠕變應(yīng)變率越大。偏應(yīng)力10 MPa時(shí)間-應(yīng)變曲線位于偏應(yīng)力5 MPa時(shí)間-應(yīng)變曲線下方，其可能由鹽巖巖心的非均質(zhì)性或?qū)嶒?yàn)引起的誤差所致。70 000 s(19.44 h)時(shí)，偏應(yīng)力5 MPa軸向應(yīng)變?yōu)?.005 825；偏應(yīng)力10 MPa軸向應(yīng)變0.004 522；偏應(yīng)力15 MPa軸向應(yīng)變?yōu)?.012 41；偏應(yīng)力20 MPa軸向應(yīng)變?yōu)?.016 91；偏應(yīng)力25 MPa軸向應(yīng)變?yōu)?.055 32。不同偏應(yīng)力下的瞬時(shí)彈性應(yīng)變、穩(wěn)定蠕變應(yīng)變率如表5所示。

圖6 不同偏應(yīng)力下的時(shí)間-應(yīng)變曲線Fig.6 Time strain curves under different deviatoric stresses

表5 不同偏應(yīng)力蠕變特征表Table 5 Creep characteristics of different deviatoric stresses

3 鹽巖蠕變數(shù)值模擬

3.1 本構(gòu)方程構(gòu)建

由于鹽巖蠕變的熱激活能未知，用冪率規(guī)律表示鹽巖的蠕變規(guī)律為

(5)

對(duì)變圍壓蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合，如表6所示。數(shù)據(jù)表明：分析所選用時(shí)間硬化冪率模型與實(shí)驗(yàn)所得的蠕變數(shù)據(jù)擬合后確定系數(shù)均接近于1，可以很好地反映鹽巖的真實(shí)蠕變規(guī)律。在長(zhǎng)期蠕變過(guò)程中，過(guò)渡蠕變段與穩(wěn)定蠕變段相比占據(jù)的時(shí)間很短，因此，在長(zhǎng)期蠕變過(guò)程中可以只分析穩(wěn)定蠕變段。由表6可以看出，偏應(yīng)力不同對(duì)應(yīng)的A、n、m值均不同。鹽巖的穩(wěn)態(tài)蠕變率與偏應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為

(6)

對(duì)不同偏應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變率進(jìn)行擬合，得A=3.743×10-10，n=1.876，R2=0.96，相關(guān)系數(shù)接近于1，因此在研究區(qū)可以用式(6)反映穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力之間的關(guān)系。

表6 時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)Table 6 Parameters of time hardening creep model

3.2 蠕變時(shí)間對(duì)固井二界面影響

采用三維有限元法模擬，使用力學(xué)實(shí)驗(yàn)、鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)所獲取的鹽巖特征參數(shù)及蠕變模型，模擬蠕變時(shí)間對(duì)井筒氣密性的影響，模擬時(shí)在鹽巖外側(cè)施加一定的均勻地應(yīng)力載荷，模擬結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨蠕變時(shí)間的增加，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，1 000 h(41.7 d)后增速變緩并以一較小的穩(wěn)定速度繼續(xù)增大；隨著地層深度的增加，水平地應(yīng)力增加，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力亦增大。

圖7 蠕變時(shí)間-氣體密封能力關(guān)系Fig.7 Relationship between creep time and gas sealing capacity

圖8 氣體密封能力隨地層深度變化Fig.8 The gas sealing capacity varies with the depth of the formation

進(jìn)一步模擬井下鹽巖蠕變一年之后，不同深度處氣體密封能力，如圖8所示?？梢钥闯?，隨著地層深度的增加，固井一二界面的氣體密封能力均隨之增大，且固井一界面的氣體密封能力大于固井二界面的氣體密封能力。

4 工程實(shí)踐分析

為在實(shí)踐中驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果，選擇研究區(qū)的W6-4及W7-7井進(jìn)行固井質(zhì)量時(shí)間推移測(cè)井分析。W6-4井如圖9所示，鹽巖層段為2 417.00～2 896.50 m，該井2018年2月14日固井，2月17日第一次固井質(zhì)量測(cè)井，在鹽巖層段固井平均聲幅值多在40%以上，變密度顯示套管波強(qiáng)，八扇區(qū)以中白色、淺灰色為主，局部呈中灰色或者深灰色，故第一界面水泥膠結(jié)以差為主，局部膠結(jié)中等；第二界面以差為主。

2月28日進(jìn)行了第二次固井質(zhì)量測(cè)井，鹽巖段固井質(zhì)量平均聲幅值多在40%以上，變密度顯示大部分井段套管波強(qiáng)，八扇區(qū)以中白色為主，局部呈淺灰色或者中灰色，故第一界面水泥膠結(jié)以差為主，局部膠結(jié)中等；第二界面以差為主。

6月1日進(jìn)行了第三次固井質(zhì)量測(cè)井，在鹽段，固井質(zhì)量明顯變好，固井質(zhì)量很差的井段也有明顯變好的趨勢(shì)。整體來(lái)看，隨著時(shí)間的推移，固井質(zhì)量在逐漸變好，地層波信號(hào)明顯變強(qiáng)。

W7-7井，鹽巖層段為2 278.00～2 839.00 m，該井2018年3月16日固井，3月19日第一次固井質(zhì)量測(cè)井固井質(zhì)量測(cè)井顯示平均聲幅中高值，多大于40%，變密度顯示套管波較強(qiáng)，地層波信號(hào)弱，八扇區(qū)以白色和淺灰色為主，局部中灰色，少量深灰色，故第一界面和第二界面固井質(zhì)量均以膠結(jié)差為主，局部膠結(jié)中等。4月20日進(jìn)行了第二次測(cè)井，5月5日在鹽層段進(jìn)行了第三次測(cè)井，三次測(cè)井結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果如表7所示。隨著時(shí)間的推移，膠結(jié)中等的井段固井質(zhì)量明顯變好，固井質(zhì)量很差的井段也有明顯變好的趨勢(shì)。鹽層段累計(jì)優(yōu)質(zhì)段已達(dá)到50 m。

表7 測(cè)井結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 7 Statistical comparison of logging results

5 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)與數(shù)模分析可知，在鹽巖層段，鹽巖蠕變對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生了積極的影響，得出如下結(jié)論。

(1)相同應(yīng)變條件下，圍壓越大，鹽巖的承載能力越強(qiáng)，彈性模量越大；不同圍壓條件下，鹽巖均表現(xiàn)為典型彈塑性變形特征，鹽巖破壞類(lèi)型均為擴(kuò)容破壞。

(2)蠕變實(shí)驗(yàn)表明，偏應(yīng)力越大，瞬時(shí)彈性應(yīng)變?cè)酱?，穩(wěn)定蠕變應(yīng)變率越大。

(3)隨著蠕變時(shí)間的增加，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，1 000 h(41.7 d)后增速變緩并以一較小的穩(wěn)定速度繼續(xù)增大；隨著地層深度的增加，水平地應(yīng)力增加，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力亦增大。

(4)時(shí)間推移測(cè)井顯示，在鹽層段，隨著時(shí)間的推移，在40 d后，固井質(zhì)量有較明顯的改善，與數(shù)值模擬有很好的吻合性。