鹽巖常規(guī)三軸蠕變實(shí)驗(yàn)及其對(duì)套管的影響

鹽巖常規(guī)三軸蠕變實(shí)驗(yàn)及其對(duì)套管的影響

1儲(chǔ)層通過兩軸重塑組織，以達(dá)到地層模糊控制目的的組織pcr載荷在氣田開發(fā)過程中，鹽層管道的破壞是一個(gè)普遍的國(guó)際問題。在國(guó)外，如埃及的蘇伊士灣、美國(guó)的北達(dá)科齊、懷俄明州、蒙托納州和洛山石雕、歐洲的北海油田、德國(guó)的西部和前蘇聯(lián)以及其他嚴(yán)重的聯(lián)合創(chuàng)始人報(bào)告。例如，20世紀(jì)60年代，美國(guó)石油公司（shell）在發(fā)展賽達(dá)河的背斜極時(shí)受到鹽層的影響。我國(guó)四川地區(qū)、中原、江漢、華北、塔里木等油田亦大量存在鹽層段套管產(chǎn)生變形破壞的情況。在油氣井套管的載荷計(jì)算中，多年來是以固井前井眼的靜液柱壓力作為套管上的唯一外擠壓力。實(shí)踐表明，生產(chǎn)井套管承受的外載比完井時(shí)大得多，這主要是由于地層蠕變特性引起的。地層蠕變是地層在原場(chǎng)地應(yīng)力下的應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。裸眼時(shí)，在蠕變地層中井眼將收縮；完井后，套管為抵抗井眼收縮會(huì)受到不斷增大的附加載荷。時(shí)間充分長(zhǎng)后，這個(gè)附加載荷趨于穩(wěn)定，此時(shí)的穩(wěn)定壓力稱為套管的蠕變載荷。鹽巖、泥巖、膏巖和頁(yè)巖地層均具有蠕變特性，而以鹽巖最為嚴(yán)重。四川地區(qū)三迭系地層含有豐富的鹽巖，掌握這一地層的蠕變特性和建立蠕變模型，對(duì)井下套管柱的合理設(shè)計(jì)極為重要。為此，作者研制了能加溫加壓的常規(guī)三軸蠕變實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)深層鹽巖進(jìn)行常規(guī)三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，獲得蠕變曲線和巖石參數(shù)，建立鹽巖的本構(gòu)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法研究鹽巖地層蠕變對(duì)井下套管的作用，得到蠕變載荷隨井深、非均布載荷井深系數(shù)、地應(yīng)力不均勻系數(shù)的變化關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。2鹽巖滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)2.1巖樣壓縮試驗(yàn)采用常規(guī)三軸壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)。試件取自四川地區(qū)三迭系鹽巖43塊，加工成直徑25mm、高50mm的圓柱體。試樣端面平整度和側(cè)面平整度控制在0.03mm范圍以內(nèi)，試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°。蠕變?cè)囼?yàn)前，首先按常規(guī)試驗(yàn)方法測(cè)得巖樣的瞬時(shí)破壞強(qiáng)度σf和破壞時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值εf，以此作為蠕變荷載的參考。實(shí)驗(yàn)應(yīng)考慮應(yīng)力和溫度水平對(duì)巖石材料蠕變性質(zhì)的共同影響，模擬巖石所處環(huán)境溫度和應(yīng)力狀態(tài)。采用3種圍壓水平(σc=σ2=σ3=30,40,50MPa)，3種溫度水平(T=60°C,75°C,90°C)的組合實(shí)驗(yàn)條件，軸向壓力在σc<σ1≤σf范圍內(nèi)取3～5個(gè)應(yīng)力水平值。每一條件下完成3個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)。每1試件的實(shí)驗(yàn)時(shí)間根據(jù)圍壓和溫度的大小而定，直至試件破壞。這里，T表示環(huán)境溫度，σc表示圍壓，σf表示巖石材料在σc下的最大軸向瞬時(shí)強(qiáng)度。制定這樣的試驗(yàn)方案和內(nèi)容，是考慮到在一定的地層深度，巖石處于某種溫度環(huán)境、某種側(cè)限壓力和上覆壓力的共同作用。2.2試樣的制作和測(cè)試系統(tǒng)對(duì)巖鹽的蠕變國(guó)外做了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，特別是西歐，但采用能加溫加壓的常規(guī)三軸作巖鹽的蠕變實(shí)驗(yàn)還是比較少的。筆者根據(jù)試驗(yàn)方案和內(nèi)容，研制了能進(jìn)行溫度和壓力控制的常規(guī)三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)裝置(圖1)。裝置由軸向加載/檢測(cè)系統(tǒng)、徑向加載(圍壓)/檢測(cè)系統(tǒng)、加熱/控溫系統(tǒng)、變形檢測(cè)系統(tǒng)所組成。軸向壓力由螺旋加載裝置提供。圍壓由SSY-90-1手動(dòng)試壓泵和圍壓缸內(nèi)油液提供，壓力表讀取。試樣的變形值由安裝在機(jī)座并與加載裝置接觸的千分表檢測(cè)。環(huán)境溫度由電加熱元件(電熱棒或電熱絲)加熱液體介質(zhì)得到，溫度控制由與加熱元件及熱電耦串接的溫度控制器保證。電加熱元件及熱電耦裝在巖石試樣附近，使得所加熱及控制的溫度恰為試樣所處溫度。采用若干特殊密封方法，使得壓力室在高壓力及給定溫度下無泄漏，給定圍壓值在長(zhǎng)時(shí)間的蠕變實(shí)驗(yàn)中保持恒定。為保證在蠕變過程中載荷的穩(wěn)定性，在軸向加載系統(tǒng)中串聯(lián)了蝶形彈簧以減少由于蠕變變形導(dǎo)致的壓力損失。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)調(diào)整3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，每2h記錄一次變形數(shù)據(jù)，24h連續(xù)值班記錄，據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到數(shù)十個(gè)蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件。去掉因試件質(zhì)量和操作誤差等因素所造成的失敗實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(即蠕變曲線)，可以了解巖鹽材料在給定條件下的蠕變特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合，可寫出多項(xiàng)式形式的不同溫度和應(yīng)力水平下鹽巖蠕變擬合方程：式中：ε為蠕變變形，t為蠕變時(shí)間，Ci為擬合參數(shù)，由最小二乘法得到的結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)文件Y407557A的擬合情況見圖2。3.2鹽巖的動(dòng)態(tài)社會(huì)形態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，巖石的蠕變與材料種類、載荷大小、性質(zhì)以及所處的環(huán)境(溫度、圍壓等)有關(guān)。在不同恒定載荷和不同環(huán)境下，即使是同一種巖石，也會(huì)有不同的蠕變曲線，但曲線形狀大致類似，可以劃分3個(gè)特征階段(見圖2)：(Ⅰ)蠕變開始階段也稱瞬態(tài)蠕變階段，蠕變速率迅速遞減；(Ⅱ)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變速率基本保持不變；(Ⅲ)蠕變加速階段，蠕變速率迅速增加，巖石隨即發(fā)生破壞。一般來說，對(duì)于鹽巖，其蠕變主要表現(xiàn)為Ⅰ，Ⅱ段。由于過渡蠕變階段相對(duì)于穩(wěn)態(tài)蠕變階段來說其持續(xù)時(shí)間極短，在工程上可以不考慮，因此，延性材料的蠕變特性可用穩(wěn)態(tài)蠕變速率來恒量。雖然鹽巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率受許多因素的影響，但其主要影響因素是溫度和壓力。根據(jù)四川地區(qū)三迭系鹽巖的蠕變特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，可按如下方法得到鹽巖的穩(wěn)態(tài)速率與溫度、壓力的關(guān)系(即本構(gòu)方程)：先根據(jù)ε&-?σσc/T曲線的性態(tài)，確定為指數(shù)形式，并擬合得到其中參數(shù)ia和ib，即然后，假定ia與圍壓相關(guān)，ib與溫度相關(guān)，并再次擬合得到ai(σc)和bi(t)。從而得到四川地區(qū)三迭系鹽巖蠕變本構(gòu)方程：式中：ε&為鹽巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率(1/h)，?σ為鹽巖材料所受軸壓與圍壓差值(MPa)。4氧指數(shù)和平均密度、非均布載荷不均勻系數(shù)利用有限元方法，可以得到非均勻地應(yīng)力下鹽巖蠕變載荷PH(最大地應(yīng)力方向)、Ph(最小地應(yīng)力方向)與井深H、泥漿密度ρ、非均布載荷井深系數(shù)λ、非均布載荷不均勻系數(shù)δ的變化規(guī)律。4.1水泥環(huán)彈性模量四川地區(qū)某參數(shù)井，井深H=0～8000m。泥漿密度ρ=1.4～2.0g/cm3，地溫T=.0014H+20°C。井眼直徑Dh=357.82mm，套管外徑D=244.48mm，套管壁厚t=13.84mm。非均布載荷井深系數(shù)λ=0.023，非均布載荷不均勻系數(shù)δ=0.6～0.9。最大地應(yīng)力σH=λHMPa，最小地應(yīng)力σn=δσHMPa。鹽巖彈性模量E=6250MPa，鹽巖泊松比μ=.03。水泥環(huán)彈性模量E=20GPa，水泥環(huán)泊松比μ=.025。套管彈性模量E=210GPa，套管泊松比μ=.025，套管屈服極限Yp=773.9MPa。4.2井段結(jié)構(gòu)及約束計(jì)算地層蠕變產(chǎn)生的套管外載時(shí)作如下假設(shè)：(1)地層水平，且從宏觀而言可視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；(2)地層鉆開后，井眼圍巖卸載產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，隨后產(chǎn)生粘性蠕變，以下入套管并封固好水泥作為時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)，此刻套管不受地層蠕變載荷作用，其初始外載為注入水泥時(shí)的井內(nèi)液柱壓力；(3)套管、水泥環(huán)、地層緊密接觸，相互間不能滑動(dòng)，水泥環(huán)封固良好，井眼規(guī)則。為保證計(jì)算精度所需的縱橫比，如果用典型的有限元網(wǎng)格來劃分所計(jì)算的井段，則需大量單元。為使問題簡(jiǎn)化，可將其作為平面應(yīng)變問題來研究，由于對(duì)稱性，模型只取橫截面的1/4(圖3)，對(duì)稱面上不得有垂直于對(duì)稱面的位移。本研究在SGI工作站上采用大型非線性結(jié)構(gòu)分析軟件MARC進(jìn)行，該軟件能適應(yīng)鹽巖的這種本構(gòu)關(guān)系，并具有蠕變分析模塊。4.3非均布載荷不均勻性以及ph根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可以得到鹽巖蠕變穩(wěn)定后整體模型變形圖(見圖4)；圖5為ρ=1.75g/cm3，δ=0.9，λ=0.023時(shí)蠕變載荷Ph和PH隨時(shí)間變化曲線，圖6表示穩(wěn)定蠕變載荷隨井深的變化曲線。從圖6可以看出，蠕變載荷隨井深H的增加而增加；PH隨非均布載荷不均勻系數(shù)δ的增加(即非均布載荷的不均勻性減小)而增加，Ph隨非均布載荷不均勻系數(shù)δ的增加而減?。划?dāng)δ=1(即均布載荷)時(shí)，蠕變載荷PH,Ph將相等。研究蠕變載荷PH,Ph隨井深H、非均布載荷井深系數(shù)λ、地應(yīng)力不均勻系數(shù)δ的變化關(guān)系，得到了最大與最小地應(yīng)力方向的最大穩(wěn)態(tài)蠕變載荷PHmax,Phmax隨這些參數(shù)變化的關(guān)系式如下：如果已知井深H、非均布載荷井深系數(shù)λ、非均布載荷不均勻系數(shù)δ，即可利用上式計(jì)算出最大和最小地應(yīng)力方向上的最大蠕變載荷PHmax,Phmax，從而定量地確定套管在鹽巖地層所受外載的大小。5巖石組分及構(gòu)造時(shí)期特征(1)同時(shí)考慮溫度和圍壓變化的鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)研究在國(guó)內(nèi)進(jìn)行得很少。本研究首先研制成功能加溫加壓和控制的巖石常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)裝置，在此基礎(chǔ)上針對(duì)四川地區(qū)三迭系鹽巖試樣完成了考慮溫度和圍壓變化的巖石常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究，得到不同溫度和壓力水平下的蠕變變形規(guī)律。(2)四川地區(qū)三迭系鹽巖有著較為明顯的巖石時(shí)效特征，在較低應(yīng)力水平下有比較明顯的蠕變變形的3個(gè)階段，即瞬態(tài)蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段、加速蠕變階段。(3)圍壓對(duì)蠕變曲線產(chǎn)生影響，即巖樣的變形快慢與巖石所受的側(cè)限壓力有關(guān)，圍壓(側(cè)限壓力)越大，變形率越小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變的時(shí)間越晚，第Ⅱ階段越明顯，越不容易進(jìn)入加速蠕變階段。(4)溫度也將對(duì)蠕變曲線產(chǎn)生影響，巖樣的變形率隨巖樣所處溫度的增加而增大。溫度越高，發(fā)生穩(wěn)定蠕變和加速蠕變的時(shí)間越早，巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度越低，