Missan油田盐膏岩地层安全定向钻井研究

2013-12-01李军伟杨鸿波马德新刘军波中海油田服务股份有限公司天津分公司天津300452

长江大学学报(自科版) 2013年16期

李军伟，杨鸿波，马德新，刘军波（中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津300452）

Missan油田位于伊拉克东南部Missan省，毗邻伊朗边界，构造上处于美索不达米亚地区。地层自上而下分别是第三系的Upper Fars、Lower Fars、Jeribe组和白垩系，其中Lower Fars组为盐膏地层，厚约800m，埋藏深度2000～3000m，上述巨厚盐膏层的蠕变性导致钻进过程中容易发生缩径卡钻、套管挤坏、固井管外水泥被挤走等事故，施工作业风险极大。此外，按照设计要求，施工时该段为定向增斜段，与直井相比，其施工作业风险极大。为此，笔者对Missan油田盐膏岩地层安全定向钻井进行了研究。

图1 典型盐膏岩蠕变曲线图

1 盐膏岩蠕变方程的建立及蠕变参数的确定

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会发生蠕变，普通岩石所产生的蠕变很小，基本上可以忽略不计，而盐膏岩对蠕变非常敏感。典型盐膏岩蠕变特性如图1所示。蠕变要经历瞬态蠕变（A）、稳态蠕变（B）以及加速蠕变（C）3个阶段。一般来说，对于脆性材料，主要表现为A、C阶段，而对盐膏岩等蠕变类材料，则主要表现为A、B阶段，而且B阶段持续的时间比较长。

在蠕变学中，蠕变性主要研究材料蠕变过程中的应力、应变和时间的关系，用应变和时间组成的蠕变方程来表达。在一系列的岩石蠕变试验基础上或现场数据模拟的基础上建立反映岩石蠕变性质的蠕变方程，笔者采用幂律模型对盐膏岩的蠕变特性进行计算分析，其本构关系通常用来模拟盐膏岩以及其他软岩的蠕变特性，其蠕变速率标准指数形式如下：

式中，˙εcr为蠕变速率，%；A、n分别为蠕变参数，可通过现场钻井资料反演来确定［1］，其中A＝3.289×10－3，n＝3.64；σ－为差应力，MPa。

2 盐膏岩地层力学模型的建立

由于实际地质构造比较复杂，钻成井眼的形状和井眼轨迹一般不是规则的圆形。为了便于研究，作如下基本假设：①井眼为规则的圆柱形井筒；②盐膏岩地层为各向同性、均匀连续的热弹性蠕变介质；③盐膏岩地层为水平分布，无地层倾角。在一定温度和压力条件下，盐膏岩具有类似流体的特性，对边界条件较为敏感。因此，盐膏岩地层力学模型在纵向上不能太薄。此外，力学模型的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。为此，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，选取1900m处盐膏岩地层为研究对象，建立盐膏岩地层定向井力学模型（见图2～图3）。由于盐膏岩地层厚度不一，取厚度为50m，选取50m×50m×25m的计算区域进行建模，井眼直径根据实际情况确定。井眼钻穿盐膏岩地层后，原地应力场的平衡遭到破坏。此时，盐膏岩地层井壁受到地应力和井内泥浆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个侧面分别作用有最大、最小水平地应力，下表面受垂直于该面的竖向简支约束，井内泥浆密度对井壁变形的抑制作用转化为井内泥浆液柱压力作用于井眼内壁。

图2 计算模型力学示意图

图3 整体网格图

依据地应力及上覆岩层压力计算模型，得到该深度的计算参数如下：上覆岩层压力σv＝43.06MPa，水平最大主地应力σH＝45.76MPa，水平最小主地应力σh＝31.45MPa。

图4 井斜角对盐膏岩地层蠕变影响规律图

3 计算结果及分析

由于三维有限差分软件FLAC3D采用显式拉格朗日算法和混合－离散分区技术，因而能够准确地模拟材料的塑性破坏和流动［2－4］。因此，笔者运用FLAC3D软件对盐膏岩蠕变特性进行分析，得到了该区块盐膏岩地层不同井斜角和蠕变速率关系曲线（见图4）。从图4可以看出，以一定的井斜角钻井时，随着泥浆密度的增加，盐膏岩地层的蠕变速率逐渐减小，因而泥浆密度的增加能够抑制盐膏岩地层的蠕变；以一定泥浆密度钻井时，随着井斜角的增加，盐膏岩地层的蠕变速率逐渐增大。因此，盐膏岩地层钻大斜度定向井的风险较大。