盐岩常规三轴蠕变实验及其对套管的影响

盐岩常规三轴蠕变实验及其对套管的影响

1储层通过两轴重塑组织，以达到地层模糊控制目的的组织pcr载荷在气田开发过程中，盐层管道的破坏是一个普遍的国际问题。在国外，如埃及的苏伊士湾、美国的北达科齐、怀俄明州、蒙托纳州和洛山石雕、欧洲的北海油田、德国的西部和前苏联以及其他严重的联合创始人报告。例如，20世纪60年代，美国石油公司（shell）在发展赛达河的背斜极时受到盐层的影响。我国四川地区、中原、江汉、华北、塔里木等油田亦大量存在盐层段套管产生变形破坏的情况。在油气井套管的载荷计算中，多年来是以固井前井眼的静液柱压力作为套管上的唯一外挤压力。实践表明，生产井套管承受的外载比完井时大得多，这主要是由于地层蠕变特性引起的。地层蠕变是地层在原场地应力下的应变随时间变化的特性。裸眼时，在蠕变地层中井眼将收缩；完井后，套管为抵抗井眼收缩会受到不断增大的附加载荷。时间充分长后，这个附加载荷趋于稳定，此时的稳定压力称为套管的蠕变载荷。盐岩、泥岩、膏岩和页岩地层均具有蠕变特性，而以盐岩最为严重。四川地区三迭系地层含有丰富的盐岩，掌握这一地层的蠕变特性和建立蠕变模型，对井下套管柱的合理设计极为重要。为此，作者研制了能加温加压的常规三轴蠕变实验装置，对深层盐岩进行常规三轴蠕变实验，获得蠕变曲线和岩石参数，建立盐岩的本构关系。在此基础上，采用有限元分析方法研究盐岩地层蠕变对井下套管的作用，得到蠕变载荷随井深、非均布载荷井深系数、地应力不均匀系数的变化关系。研究结果对生产实践有重要的指导意义。2盐岩滑动实验2.1岩样压缩试验采用常规三轴压缩蠕变实验。试件取自四川地区三迭系盐岩43块，加工成直径25mm、高50mm的圆柱体。试样端面平整度和侧面平整度控制在0.03mm范围以内，试样中心线与端面的垂直度误差小于0.25°。蠕变试验前，首先按常规试验方法测得岩样的瞬时破坏强度σf和破坏时相对应的应变值εf，以此作为蠕变荷载的参考。实验应考虑应力和温度水平对岩石材料蠕变性质的共同影响，模拟岩石所处环境温度和应力状态。采用3种围压水平(σc=σ2=σ3=30,40,50MPa)，3种温度水平(T=60°C,75°C,90°C)的组合实验条件，轴向压力在σc<σ1≤σf范围内取3～5个应力水平值。每一条件下完成3个试件的实验。每1试件的实验时间根据围压和温度的大小而定，直至试件破坏。这里，T表示环境温度，σc表示围压，σf表示岩石材料在σc下的最大轴向瞬时强度。制定这样的试验方案和内容，是考虑到在一定的地层深度，岩石处于某种温度环境、某种侧限压力和上覆压力的共同作用。2.2试样的制作和测试系统对岩盐的蠕变国外做了大量的实验研究和理论分析，特别是西欧，但采用能加温加压的常规三轴作岩盐的蠕变实验还是比较少的。笔者根据试验方案和内容，研制了能进行温度和压力控制的常规三轴压缩蠕变试验装置(图1)。装置由轴向加载/检测系统、径向加载(围压)/检测系统、加热/控温系统、变形检测系统所组成。轴向压力由螺旋加载装置提供。围压由SSY-90-1手动试压泵和围压缸内油液提供，压力表读取。试样的变形值由安装在机座并与加载装置接触的千分表检测。环境温度由电加热元件(电热棒或电热丝)加热液体介质得到，温度控制由与加热元件及热电耦串接的温度控制器保证。电加热元件及热电耦装在岩石试样附近，使得所加热及控制的温度恰为试样所处温度。采用若干特殊密封方法，使得压力室在高压力及给定温度下无泄漏，给定围压值在长时间的蠕变实验中保持恒定。为保证在蠕变过程中载荷的稳定性，在轴向加载系统中串联了蝶形弹簧以减少由于蠕变变形导致的压力损失。3实验结果的数据调整3.1实验结果拟合分析实验时，每2h记录一次变形数据，24h连续值班记录，据此进行数据处理，得到数十个蠕变实验数据文件。去掉因试件质量和操作误差等因素所造成的失败实验，得到实验结果。利用实验数据(即蠕变曲线)，可以了解岩盐材料在给定条件下的蠕变特性。根据实验结果，采用多项式进行曲线拟合，可写出多项式形式的不同温度和应力水平下盐岩蠕变拟合方程：式中：ε为蠕变变形，t为蠕变时间，Ci为拟合参数，由最小二乘法得到的结果见表1。数据文件Y407557A的拟合情况见图2。3.2盐岩的动态社会形态实验表明，岩石的蠕变与材料种类、载荷大小、性质以及所处的环境(温度、围压等)有关。在不同恒定载荷和不同环境下，即使是同一种岩石，也会有不同的蠕变曲线，但曲线形状大致类似，可以划分3个特征阶段(见图2)：(Ⅰ)蠕变开始阶段也称瞬态蠕变阶段，蠕变速率迅速递减；(Ⅱ)稳态蠕变阶段，蠕变速率基本保持不变；(Ⅲ)蠕变加速阶段，蠕变速率迅速增加，岩石随即发生破坏。一般来说，对于盐岩，其蠕变主要表现为Ⅰ，Ⅱ段。由于过渡蠕变阶段相对于稳态蠕变阶段来说其持续时间极短，在工程上可以不考虑，因此，延性材料的蠕变特性可用稳态蠕变速率来恒量。虽然盐岩的稳态蠕变速率受许多因素的影响，但其主要影响因素是温度和压力。根据四川地区三迭系盐岩的蠕变特性实验测定结果，可按如下方法得到盐岩的稳态速率与温度、压力的关系(即本构方程)：先根据ε&-Äσσc/T曲线的性态，确定为指数形式，并拟合得到其中参数ia和ib，即然后，假定ia与围压相关，ib与温度相关，并再次拟合得到ai(σc)和bi(t)。从而得到四川地区三迭系盐岩蠕变本构方程：式中：ε&为盐岩的稳态蠕变速率(1/h)，∆σ为盐岩材料所受轴压与围压差值(MPa)。4氧指数和平均密度、非均布载荷不均匀系数利用有限元方法，可以得到非均匀地应力下盐岩蠕变载荷PH(最大地应力方向)、Ph(最小地应力方向)与井深H、泥浆密度ρ、非均布载荷井深系数λ、非均布载荷不均匀系数δ的变化规律。4.1水泥环弹性模量四川地区某参数井，井深H=0～8000m。泥浆密度ρ=1.4～2.0g/cm3，地温T=.0014H+20°C。井眼直径Dh=357.82mm，套管外径D=244.48mm，套管壁厚t=13.84mm。非均布载荷井深系数λ=0.023，非均布载荷不均匀系数δ=0.6～0.9。最大地应力σH=λHMPa，最小地应力σn=δσHMPa。盐岩弹性模量E=6250MPa，盐岩泊松比µ=.03。水泥环弹性模量E=20GPa，水泥环泊松比µ=.025。套管弹性模量E=210GPa，套管泊松比µ=.025，套管屈服极限Yp=773.9MPa。4.2井段结构及约束计算地层蠕变产生的套管外载时作如下假设：(1)地层水平，且从宏观而言可视为均质、各向同性的连续介质；(2)地层钻开后，井眼围岩卸载产生应力重新分布，随后产生粘性蠕变，以下入套管并封固好水泥作为时间坐标零点，此刻套管不受地层蠕变载荷作用，其初始外载为注入水泥时的井内液柱压力；(3)套管、水泥环、地层紧密接触，相互间不能滑动，水泥环封固良好，井眼规则。为保证计算精度所需的纵横比，如果用典型的有限元网格来划分所计算的井段，则需大量单元。为使问题简化，可将其作为平面应变问题来研究，由于对称性，模型只取横截面的1/4(图3)，对称面上不得有垂直于对称面的位移。本研究在SGI工作站上采用大型非线性结构分析软件MARC进行，该软件能适应盐岩的这种本构关系，并具有蠕变分析模块。4.3非均布载荷不均匀性以及ph根据有限元计算结果，可以得到盐岩蠕变稳定后整体模型变形图(见图4)；图5为ρ=1.75g/cm3，δ=0.9，λ=0.023时蠕变载荷Ph和PH随时间变化曲线，图6表示稳定蠕变载荷随井深的变化曲线。从图6可以看出，蠕变载荷随井深H的增加而增加；PH随非均布载荷不均匀系数δ的增加(即非均布载荷的不均匀性减小)而增加，Ph随非均布载荷不均匀系数δ的增加而减小；当δ=1(即均布载荷)时，蠕变载荷PH,Ph将相等。研究蠕变载荷PH,Ph随井深H、非均布载荷井深系数λ、地应力不均匀系数δ的变化关系，得到了最大与最小地应力方向的最大稳态蠕变载荷PHmax,Phmax随这些参数变化的关系式如下：如果已知井深H、非均布载荷井深系数λ、非均布载荷不均匀系数δ，即可利用上式计算出最大和最小地应力方向上的最大蠕变载荷PHmax,Phmax，从而定量地确定套管在盐岩地层所受外载的大小。5岩石组分及构造时期特征(1)同时考虑温度和围压变化的盐岩蠕变实验研究在国内进行得很少。本研究首先研制成功能加温加压和控制的岩石常规三轴蠕变试验装置，在此基础上针对四川地区三迭系盐岩试样完成了考虑温度和围压变化的岩石常规三轴蠕变试验研究，得到不同温度和压力水平下的蠕变变形规律。(2)四川地区三迭系盐岩有着较为明显的岩石时效特征，在较低应力水平下有比较明显的蠕变变形的3个阶段，即瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段。(3)围压对蠕变曲线产生影响，即岩样的变形快慢与岩石所受的侧限压力有关，围压(侧限压力)越大，变形率越小，进入稳态蠕变和加速蠕变的时间越晚，第Ⅱ阶段越明显，越不容易进入加速蠕变阶段。(4)温度也将对蠕变曲线产生影响，岩样的变形率随岩样所处温度的增加而增大。温度越高，发生稳定蠕变和加速蠕变的时间越早，岩石的长期强度越低，