李世遠(yuǎn) ，李扶搖，楊柳，盧運(yùn)虎

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 前言

鹽膏層是指以鹽或石膏為主要成分的地層。在石油鉆井行業(yè)中，我們通常把主要成分以氯化鈉或者其它水溶性無(wú)機(jī)鹽類(lèi)比如氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、石膏或者芒硝等為主的地層稱(chēng)為含鹽膏地層，即鹽膏層。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沉積盆地的鹽巖是最優(yōu)質(zhì)的蓋層，其下埋藏了世界上80%～90%的油氣資源，因此鹽膏層不僅是世界石油行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，更是我國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

鹽膏層主要由鹽巖、石膏和泥巖組成，在我國(guó)有著十分廣泛的分布，在我國(guó)的江漢油田、中原油田、青海油田、四川盆地、華北盆地、新疆油田、長(zhǎng)慶油田、勝利油田、吐哈油田、江蘇油田、塔里木盆地、渤海等都曾鉆遇過(guò)鹽膏層。截至目前的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)新探明的油氣資源的40%都位于深層鹽層之下。但是由于不同地區(qū)的沉積環(huán)境和沉積條件不同，導(dǎo)致不同的鹽膏層的埋藏深度、厚度和鹽膏層的組成成份也有較大的差異。有的鹽膏層的深度可以從地表到五千多米，其中單層的厚度從幾厘米到八十余米，總厚度更是可以從幾十米到二千多米，差異很大。

鹽巖和石油地質(zhì)與石油工程具有緊密的關(guān)系。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多地質(zhì)學(xué)家對(duì)鹽構(gòu)造進(jìn)行了研究[1-4]。更多的地質(zhì)和巖石力學(xué)或石油、礦業(yè)工作者集中研究了鹽巖的蠕變特性[5-8]。研究主要針對(duì)鹽礦的安全設(shè)計(jì)、鹽膏層鉆井、核廢料或油氣地下處置庫(kù)的設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鹽巖蠕變變形及損傷等研究也廣泛應(yīng)用到鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)[9-14]、鹽膏層鉆井工程[15-17]和鹽巖二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存[18]等方面。本文依據(jù)20～200 ℃鹽巖變形機(jī)理研究的數(shù)據(jù)庫(kù)，歸納了兩類(lèi)主要的變形機(jī)制[19-25]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%套管損壞發(fā)生在復(fù)合鹽膏層界面位置，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的復(fù)合鹽膏層套管設(shè)計(jì)與防護(hù)理論存在很大差異。因此，解決復(fù)合鹽膏層界面套管損壞這一技術(shù)難題, 研究復(fù)合鹽膏層套管損壞機(jī)理至關(guān)重要。

1 鹽膏層物理性質(zhì)

鹽膏層是指主要成分是由巖鹽(NaCl)和石膏(CaSO4或CaSO4·2H2O)所組成的地層。我國(guó)的鹽膏層主要分布于第三系、石炭系和寒武系地層中，一般是濱海相和澙湖陸相沉積[17]。一般來(lái)說(shuō)，在絕大部分的鹽膏層中，巖鹽和石膏的含量都是不相等的，同時(shí)鹽膏層中還存在著有大量的其他礦物，比如常見(jiàn)礦物有石英(SiO2)、長(zhǎng)石和碳酸鹽巖等，黏土礦物也經(jīng)常出現(xiàn)在鹽膏層中。鉆進(jìn)鹽膏層的時(shí)候，經(jīng)常發(fā)生鉆井事故如縮徑、卡鉆、固井質(zhì)量差以及易擠毀套管等，甚至導(dǎo)致油水井報(bào)廢。因此鉆井作業(yè)的設(shè)計(jì)與施工以及鉆井液的配套技術(shù)是保證鹽膏層順利鉆進(jìn)的關(guān)鍵，在鉆井設(shè)計(jì)之前對(duì)于鹽膏層巖石進(jìn)行礦物組分分析就顯得尤為重要。

1.1 鹽膏層的分類(lèi)

根據(jù)純鹽層厚度、鹽膏層特點(diǎn)以及夾層情況，可以將鹽膏層分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是純鹽膏層，第二類(lèi)是鹽、膏、泥復(fù)合鹽層，相應(yīng)的這兩類(lèi)鹽膏層的巖石礦物組成成分也有很大的差異[17]。

純鹽膏層，是由大段的結(jié)晶狀無(wú)機(jī)鹽(大部分為氯化鈉和硫酸鈣，也可含其他的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，如氯化鉀、氯化鈣和芒硝等)組成的，其單層厚度一般較大，從幾米到幾十米，總厚度從幾十米到上千米，最厚可達(dá)2000 m以上[17]。總的來(lái)看，這類(lèi)地層的巖性比較穩(wěn)定，鹽層夾層通常為不易坍塌的白云巖、石灰?guī)r以及層理裂隙不發(fā)育、不易坍塌的硬泥巖等。純鹽膏層所含的黏土礦物可以大致分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是以伊利石為主要成分(93%～99%)，另含有少量綠泥石(1%～7%)，但有時(shí)候綠泥石的含量可以達(dá)到100%；第二類(lèi)是以伊利石(42%～59%)與伊蒙有序間層(21%～47%)為主。在我國(guó)較為典型的純鹽膏層區(qū)塊是江漢油田的潭口地區(qū)和四川川中地區(qū)。

復(fù)合鹽膏層，一般來(lái)說(shuō)是指鹽、膏、泥的復(fù)合鹽層，這一類(lèi)地層的鹽層、膏層、泥層相間，互層多而薄，巖性的變化較大，并且含有例如鹽膏軟泥巖、碎泥與鹽結(jié)合物以及以鹽為膠結(jié)物的角礫巖等復(fù)雜成分，往往由鹽巖、鹽膏、石膏、芒硝、泥巖、含膏泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥頁(yè)巖等多種巖性組成[17]。對(duì)于復(fù)合鹽膏層的成因，一般認(rèn)為復(fù)合鹽膏層是鹽湖沉積的產(chǎn)物，其基本的組成物質(zhì)是碎屑和顆粒、晶塊以及化學(xué)物質(zhì)的沉淀結(jié)晶體，其中鹽巖和石膏通過(guò)機(jī)械破碎作用和化學(xué)作用，不僅改變碎屑巖和團(tuán)塊的外觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)也填充于碎屑或團(tuán)塊的間隙之中，形成了鹽膏泥的混合物，也就是復(fù)合鹽膏巖。其巖性復(fù)雜多變，泥巖層理發(fā)育，軟泥巖含水量較高。黏土礦物也可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是以伊利石為主(伊利石含量75%～90%)，另含綠泥石(10%～25%)；第二類(lèi)是以伊利石為主(伊利石含量43%～100%)，含有伊蒙有序的間層、高嶺石、綠泥石等。

1.2 鹽膏層的物理特性

一般來(lái)說(shuō)，鹽巖的強(qiáng)度相對(duì)于其他巖類(lèi)是較低的，比如在其他條件相同的情況下，鹽巖的強(qiáng)度僅僅為大理巖的25%，石英巖的5.9%。然而，鹽巖的泊松比較高，少數(shù)接近到0.5。從鹽巖的彈性特性上來(lái)講，強(qiáng)度和彈性模量都受到溫度及圍壓的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，鹽巖的強(qiáng)度和彈性模量均會(huì)減小，泊松比則會(huì)隨溫度升高而增大；當(dāng)圍壓增大時(shí)，鹽巖的強(qiáng)度、泊松比和彈性模量都會(huì)增加。

另外，研究表明，鹽巖的蠕變特性與溫度、應(yīng)力水平有關(guān)。蠕變特性，即在應(yīng)力不變情況下，應(yīng)變?cè)黾拥那闆r，會(huì)受到溫度和應(yīng)力兩個(gè)主要控制因素的影響。一般情況下，溫度和應(yīng)力水平升高均會(huì)使得鹽巖的蠕變速率增大。不同的溫度和應(yīng)力條件下，鹽巖的蠕變規(guī)律會(huì)有差異[17]。

本文主要通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和數(shù)值模擬的研究方法，研究復(fù)合鹽膏層由于界面錯(cuò)動(dòng)造成套損的機(jī)理，并進(jìn)行復(fù)合鹽膏層條件下套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少在復(fù)合鹽膏層鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的套損，增加套管的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益，為鉆完井提供合理的指導(dǎo)。

2 復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)套損分析

2.1 復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)引起套管破壞機(jī)理

自然界鹽構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)鹽巖應(yīng)變速率由位錯(cuò)蠕變和溶解沉淀蠕變兩種機(jī)制共同控制。位錯(cuò)蠕變控制下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，可歸納為與應(yīng)力相關(guān)的冪次率(非牛頓體流動(dòng))方程：

其中是穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率， Δσ=σ?σ13是偏應(yīng)力(或差應(yīng)力)，是鹽巖的黏性參數(shù)，A0是材料屬性參數(shù)，Q是激活能，R是氣體參數(shù)(R=8.314 J/(mol·K)),T是溫度。溶解沉淀(擴(kuò)散)蠕變控制下的鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率，可歸納為與應(yīng)力有關(guān)的牛頓體流動(dòng)率：

其中穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率取決于顆粒尺寸D，Δσ=σ1?σ3是偏應(yīng)力(或差應(yīng)力)，是鹽巖黏

比較方程(1)和(2)，兩類(lèi)穩(wěn)態(tài)蠕變速率的不同之處在于：(1)冪次的數(shù)值n影響應(yīng)變速率(溶解沉淀蠕變?nèi)=1，位錯(cuò)蠕變?nèi)=5)；(2)溶解沉淀蠕變控制下的應(yīng)變速率取決于鹽巖顆粒尺寸，而位錯(cuò)蠕變控制下的應(yīng)變速率與顆粒尺寸無(wú)關(guān)。兩種主要關(guān)系：(1)與位錯(cuò)蠕變相關(guān)的冪次率關(guān)系；(2)與壓力溶解相關(guān)的線性關(guān)系[26]。圖1展示了世界范圍內(nèi)鹽巖蠕變室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，包含了兩種蠕變機(jī)制在內(nèi)[27]。

引起套管變形的主要機(jī)理包括以下幾點(diǎn)：高強(qiáng)度的地應(yīng)力釋放、鹽膏層蠕變和地層界面錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生剪切應(yīng)力、泥頁(yè)巖等易吸水膨脹的巖類(lèi)成分的吸水膨脹和一些其他的施工因素如頻繁的修井作業(yè)和施工方式不當(dāng)?shù)取Ｄ壳巴ǔＵJ(rèn)為石油鉆井中的套管損壞主要有以下幾種形式：套管變形、套管錯(cuò)斷、套管縮徑、套管擠毀、套管脫扣、套管的腐蝕和磨損等，也可以分為性參數(shù)，B0是材料屬性參數(shù)，Q是激活能，R是氣體參數(shù)(R=8.314 J/(mol·K))，T是溫度。作用于顆粒尺寸的指數(shù)m影響著應(yīng)變速率的大小?？傮w的應(yīng)變速率應(yīng)該是兩類(lèi)應(yīng)變速率之和：三類(lèi)。第一類(lèi)：套管變形但未漏或未穿孔；第二類(lèi)：套管變形并且穿孔；第三類(lèi)：套管破裂但沒(méi)有變形。由于套管的變形，導(dǎo)致卡鉆事故經(jīng)常發(fā)生，甚至被迫回填側(cè)鉆，更有甚者會(huì)導(dǎo)致油井報(bào)廢，因此，套管損壞會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失[28-29]。

圖1 世界范圍內(nèi)鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[27]Fig. 1 Data statistics of salt rock creep tests worldwide[27]

界面錯(cuò)動(dòng)是指，不同的相鄰地層間產(chǎn)生了相對(duì)的位移，也稱(chēng)為地層滑移。地層滑移將會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，作用在套管上，將會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生剪切破壞，使套管變形。在鹽膏層中，尤其是復(fù)合鹽膏層中，由于其地層中存在大量的鹽層、膏層、泥層等組成的既多又薄的互層，這樣的復(fù)合鹽膏層巖性多變不一。

目前，產(chǎn)生界面錯(cuò)動(dòng)的機(jī)理主要有以下幾種，分別是由于蠕變速率不同而產(chǎn)生的界面錯(cuò)動(dòng)、由于重力作用而產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)、因注采壓差而產(chǎn)生的地層界面錯(cuò)動(dòng)以及因側(cè)向地應(yīng)力和其他地質(zhì)因素而導(dǎo)致的地層錯(cuò)動(dòng)。

對(duì)于復(fù)合鹽膏層，近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)由于界面錯(cuò)動(dòng)而引發(fā)的套管破壞是這一類(lèi)地層產(chǎn)生套管損壞的主要原因之一。在純石膏層或是純鹽層，其整體的蠕變速率相差不大，故而在鉆井過(guò)程中這一類(lèi)地層遇阻的情況較少。但是在復(fù)合鹽膏層中，巖性極為復(fù)雜，鹽、泥、膏相間，互層既多又薄，而不同的巖性有著不同的蠕變速率且差異較大，如純石膏層的蠕變速率較大，混合層巖性次之，而泥巖的蠕變速率最低。由于復(fù)合鹽膏層巖性變化頻繁，石膏層、鹽層、泥層以及混合巖性交替出現(xiàn)，相應(yīng)的蠕變指數(shù)也就呈現(xiàn)頻繁的交替現(xiàn)象，就導(dǎo)致出現(xiàn)了地層的界面錯(cuò)動(dòng)，從而產(chǎn)生了剪切應(yīng)力作用在套管上，使套管產(chǎn)生了剪切破壞。

同時(shí)，重力的影響也可以使地層發(fā)生界面錯(cuò)動(dòng)。如果油田構(gòu)造類(lèi)型為背斜構(gòu)造，地層具有一定的傾角，這樣的地層在重力的作用下會(huì)有沿著地層傾角而下滑的趨勢(shì)，但是只有在地層的傾角大于等于巖層內(nèi)部的摩擦角時(shí)才會(huì)產(chǎn)生有位移的滑動(dòng)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于油田的注水壓力會(huì)不斷提高，巖層的孔隙壓力不斷升高，當(dāng)孔隙壓力等于地層的垂向地應(yīng)力時(shí)，巖層的臨界傾角變?yōu)榱愣?，這時(shí)原本就已經(jīng)傾斜的地層就會(huì)在自身重力的作用下向下滑移，從而對(duì)地層中的套管施加剪切應(yīng)力。

除了以上兩種原因，注采壓差同樣會(huì)使地層產(chǎn)生滑移。一般來(lái)說(shuō)，注水井井底圍壓一般要高于生產(chǎn)井的井底圍壓，才能產(chǎn)生注水的驅(qū)油動(dòng)力。但是對(duì)于像復(fù)合鹽膏層這一類(lèi)的低滲地層來(lái)說(shuō)，注入水并不能夠良好的滲入油井中，因此注水井的井底圍壓要高過(guò)油井很多，從而產(chǎn)生了從注水井到油井的很大的壓差，這個(gè)壓力作用在巖石骨架上，當(dāng)超過(guò)巖層的剪切強(qiáng)度時(shí)，局部地層在這個(gè)壓差的作用下沿著從注水井到油井的方向產(chǎn)生界面錯(cuò)動(dòng)，而位于界面錯(cuò)動(dòng)地層部分的套管就會(huì)受到剪切作用，當(dāng)剪切力超過(guò)套管的剪切強(qiáng)度時(shí)將會(huì)使套管產(chǎn)生剪切破壞。

地層滑移導(dǎo)致的剪切型套管損壞事故時(shí)常大范圍發(fā)生，如塔里木盆地玉科區(qū)的YK3井、YK5井以及YK6井等。在這種情形下，套管的破壞通常屬于第二類(lèi)，即套管發(fā)生變形且出現(xiàn)穿孔或漏液。

目前，我國(guó)的大部分油田如塔里木、中原、江漢、華北、吉林、遼河和勝利等油田都曾有過(guò)在鉆遇鹽膏層時(shí)發(fā)生卡鉆、套管擠毀，甚至油井報(bào)廢的事故，造成了很?chē)?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工也產(chǎn)生了重要的影響。

2.2 利用ABAQUS軟件對(duì)復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的有限元分析

利用ABAQUS/CAE軟件建立二維地層模型，模型尺寸為300 m×450 m，據(jù)此建立的有限元模型采用300×450的幾何尺度。通過(guò)改變復(fù)合鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v、地層傾角θ，來(lái)分析不同的變量在相同的條件下對(duì)地層界面錯(cuò)動(dòng)的影響。

結(jié)合控制變量的原則，本文模型使用了以下的邊界條件：上覆地層壓力4×106Pa，側(cè)向壓力4.5×106Pa，第一層與第二層之間的摩擦系數(shù)μ1=0.37，第二層與第三層之間的摩擦系數(shù)μ2=0.35，所有地層均為彈性地層。為了分析的準(zhǔn)確度將每一塊地層沿x方向均分為50個(gè)分析元。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，確定了泥巖層的彈性模量取值范圍是：2～16 GPa，泊松比為0.14～0.42。鹽巖的彈性模量取值范圍是1～9 GPa，泊松比為0.2～0.4。石膏層的彈性模量為0.5～2 GPa，泊松比為 0.2～0.35。

模型不考慮地層蠕變的影響，忽略地層本身的重力，以方便計(jì)算，僅研究地層彈性模量、泊松比和地層傾角對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響。將地層分為三部分，分別是鹽層、泥層以及石膏層，在地層右邊施加均勻的地應(yīng)力，側(cè)向應(yīng)力大小為4.5×106Pa，在地層的上方施加大小均勻的上覆巖層壓力4×106Pa。同時(shí)將第三層的底邊設(shè)置為不可移動(dòng)，以便計(jì)算。本模型是擬三維模型，既模型是軸對(duì)稱(chēng)圖形，對(duì)稱(chēng)軸即為套管的中心軸，故地層的左側(cè)面為與套管的接觸面。

根據(jù)圖2所建立的模型及其邊界條件，通過(guò)改變不同參數(shù)，建立了以下11個(gè)模型并進(jìn)行對(duì)比分析，從而探究不同參數(shù)對(duì)套管變形的影響。不同模型的具體參數(shù)如表1所示。

圖2 模型建立示意圖Fig. 2 Schematic diagram of model establishment

2.2.1 以彈性模量為變量的二維地層模型

a．模型1

模型1為初步建立的比對(duì)模型。在圖中，U1為x方向，其中藍(lán)色表示向x軸負(fù)方向位移最大，紅色表示向x軸正方向位移最大。在模型1的模擬結(jié)果圖(圖3)中，可以發(fā)現(xiàn)第一層與二層交界部分出現(xiàn)了明顯的界面錯(cuò)動(dòng)，在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.89 cm、3.15 cm、3.13 cm。

b．模型2

在模型1的基礎(chǔ)上改變地層的彈性模型E，保持地層泊松比v、地層傾角θ和受力大小不變，建立模型2。

提高地層彈性模量后，地層的界面錯(cuò)動(dòng)量變小。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.51 cm、2.51 cm、2.01 cm(圖4)。

c．模型3

在模型2的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增大彈性模量E，保持其他參數(shù)不變，建立模型3。

將模型3與模型1、模型2結(jié)果做對(duì)比，在其他邊界條件不變的情況下，增大地層的彈性模量會(huì)使界面錯(cuò)動(dòng)量變小。與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為0.92 cm、1.54 cm、1.23 cm(圖5)。

2.2.2 地層不同排列層序?qū)τ诮缑驽e(cuò)動(dòng)的影響

a．模型4

表1 不同模型具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of different models

在模型1的基礎(chǔ)上，僅改變地層層序，建立模型4，模型4模擬結(jié)果如圖6所示。

圖3 模型1位移云圖Fig. 3 Displacement contour of model 1

圖4 模型2位移云圖Fig. 4 Displacement contour of model 2

將模型1與模型4做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型4中的第二層、第三層界面錯(cuò)動(dòng)量較層序變化前變大，而第一層界面錯(cuò)動(dòng)量則變小。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.59 cm、3.18 cm、3.97 cm。

b．模型5

繼續(xù)改變地層層序，建立模型5。并將模型5與模型1、模型4做對(duì)比，模型5模擬結(jié)果如圖7所示。

對(duì)比模型1和模型4，模型5各個(gè)層的界面錯(cuò)動(dòng)量均變大。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為4.13 cm、3.31 cm、2.48 cm。

c．模型6

改變地層層序，建立模型6，對(duì)比模型6、模型1、模型4和模型5的模擬結(jié)果，模型6的模擬結(jié)果如圖8所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比模型6、模型1、模型4和模型5的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型6的第二層和第三層界面錯(cuò)動(dòng)量變得更大，地層三層左半部分幾乎無(wú)錯(cuò)動(dòng)。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為4.37 cm、2.62 cm、0.87 cm。

圖5 模型3位移云圖Fig. 5 Displacement contour of Model 3

圖6 模型4位移云圖Fig. 6 Displacement contour of Model 4

圖7 模型5位移云圖Fig. 7 Displacement contour of Model 5

圖8 模型6位移云圖Fig. 8 Displacement contour of Model 6

2.2.3 泊松比對(duì)于復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的影響

a．模型7

在模型1的基礎(chǔ)上，保持其他邊界條件不變，改變各個(gè)地層泊松比的大小，建立模型7，模型7模擬結(jié)果如圖9所示。

模型7與模型1相比，界面錯(cuò)動(dòng)量變小，第二層與第三層在縱向上的錯(cuò)動(dòng)量趨于均勻。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.63 cm、2.96 cm、2.71 cm。

b．模型8

繼續(xù)增大泊松比，建立模型8，模型8模擬結(jié)果如圖10所示。

繼續(xù)增大泊松比，各層的界面錯(cuò)動(dòng)均變小了，同時(shí)第二、三層的錯(cuò)動(dòng)量更加均勻，趨于一致。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.53 cm、2.62 cm、2.61 cm。

2.2.4 地層傾角對(duì)復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的影響

a．模型9

在模型1的基礎(chǔ)上，保持其他邊界條件不變，增大地層的傾角，建立模型9，模型9模擬結(jié)果如圖11所示。

圖9 模型7位移云圖Fig. 9 Displacement contour of Model 7

圖10 模型8位移云圖Fig. 10 Displacement contour of Model 8

圖11 模型9位移云圖Fig. 11 Displacement contour of Model 9

與模型1相比，在其他條件不變時(shí)，當(dāng)?shù)貙觾A角變大后，地層界面錯(cuò)動(dòng)量變小。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.87 cm、3.12 cm、3.10 cm。

b．模型10

在模型1的基礎(chǔ)上，減小地層傾角，建立模型10，模型10模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12 模型10位移云圖Fig. 12 Displacement contour of Model 10

當(dāng)?shù)貙觾A角減小后，地層的界面錯(cuò)動(dòng)量增大，且在各個(gè)地層與套管的接觸面處的錯(cuò)動(dòng)量更加均衡。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.87 cm、3.12 cm、3.10 cm。

c．模型11

在模型10的基礎(chǔ)上，繼續(xù)減小地層傾角，建立模型11，模型11模擬結(jié)果如圖13所示。

繼續(xù)減小地層傾角后，各層的界面錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)變大，同時(shí)，各層與套管的接觸面處的界面錯(cuò)動(dòng)量更加均勻。在與套管交界面處的最大錯(cuò)動(dòng)量從第一層到第三層依次為1.93 cm、3.21 cm、3.20 cm。

2.2.5 蠕變對(duì)于地層錯(cuò)動(dòng)的影響

針對(duì)蠕變對(duì)于地層錯(cuò)動(dòng)的影響，建立了兩個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由于蠕變過(guò)程很漫長(zhǎng)，為了方便計(jì)算，本文簡(jiǎn)化了模型的邊界條件，用位移代替載荷的方式來(lái)建立模型。模型12是蠕變模型的比對(duì)模型實(shí)驗(yàn)，同樣用位移代替載荷，蠕變時(shí)間為10 000 s。模型12和蠕變模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14和圖15所示。

模型12產(chǎn)生的地層錯(cuò)動(dòng)為1.75 cm，而加入蠕變后，地層的錯(cuò)動(dòng)量為1.77 cm，蠕變加劇了地層錯(cuò)動(dòng)。

圖13 模型11位移云圖Fig. 13 Displacement contour of Model 11

圖14 模型12產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)Fig. 14 The dislocation generated by model 12

圖15 蠕變產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)Fig. 15 Dislocation caused by creep

3 復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)模型結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研和對(duì)典型案例的分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合鹽膏層發(fā)生界面錯(cuò)動(dòng)的主要影響因素有：(1)地層因素，包括復(fù)合鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v以及地層傾角θ；(2)鉆完井工程因素，包括套管結(jié)構(gòu)、固井質(zhì)量、井筒尺寸、抗擠安全系數(shù)、抗擠強(qiáng)度和等效外擠載荷等施工參數(shù)。本文針對(duì)地層因素，以鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v以及地層傾角θ為變量進(jìn)行模型建立，結(jié)合建模結(jié)果，對(duì)鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v以及地層傾角θ對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響進(jìn)行分析。

3.1 地層彈性模量

建立模型1、模型2和模型3，分析了地層彈性模量對(duì)于復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的影響，繪制了地層彈性模量與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線(圖16)。

在地層傾角、泊松比和地應(yīng)力等其他邊界條件不變的情況下，地層的彈性模量增大時(shí)，復(fù)合鹽膏層各個(gè)層的界面錯(cuò)動(dòng)量會(huì)隨之變小。因此，在地層彈性模量越小的地層中，因界面錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生套損的可能性越大。

圖16 地層彈性模量與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線Fig. 16 relation curve between formation elastic modulus and formation interface dislocation momentum

3.2 地層泊松比

為了研究地層泊松比對(duì)于復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的影響，建立了模型1、模型7和模型8。繪制了地層泊松比與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線如圖17所示。

圖17 地層泊松比與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線Fig. 17 Relation curve between poisson's ratio of formation and momentum change of formation interface

在地層傾角、地層的彈性模量和地應(yīng)力等其他邊界條件不變的情況下，當(dāng)?shù)貙拥牟此杀仍龃髸r(shí)，復(fù)合鹽膏層各個(gè)層的界面錯(cuò)動(dòng)量變小。因此，在泊松比越大的地層，因界面錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生套損的可能性越小。

3.3 地層傾角

為了研究地層傾角對(duì)于復(fù)合鹽膏層界面錯(cuò)動(dòng)的影響，建立了模型1、模型9、模型10和模型11。繪制了地層泊松比與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線(圖 18）。

當(dāng)?shù)貙訌椥阅Ａ俊⒌貙硬此杀扰c地應(yīng)力等其他條件不變時(shí)，地層傾角變大，界面錯(cuò)動(dòng)的位移量變?。坏貙觾A角變小，界面錯(cuò)動(dòng)的位移量則隨之變大。但傾角對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響較小，而且各層與套管的接觸面處的位移量趨于均勻。分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)貙觾A角減小的時(shí)候，雖然因界面錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生套管損壞的幾率減小，但是，套管被擠毀的可能性并沒(méi)有降低。

除了以上的結(jié)果，對(duì)比模型1、模型4、模型5和模型6可以發(fā)現(xiàn)，各層的彈性模量的排列次序?qū)τ诮缑驽e(cuò)動(dòng)的位移大小同樣存在一定的影響，尤其是當(dāng)彈性模量從上到下依次增大時(shí)，地層的界面錯(cuò)動(dòng)量會(huì)比其他排列次序更小。

綜上所述，地層彈性模量與界面錯(cuò)動(dòng)量成反比，即同等條件下地層彈性模量越大，界面錯(cuò)動(dòng)量越??；地層泊松比與界面錯(cuò)動(dòng)量成反比，即同等條件下地層泊松比越大，界面錯(cuò)動(dòng)量越小；地層傾角與界面錯(cuò)動(dòng)量成反比，即同等條件下地層傾角越大，界面錯(cuò)動(dòng)量越小。因此，在進(jìn)行鉆井作業(yè)套管設(shè)計(jì)時(shí)要注意地層彈性模量小、泊松比小、地層傾角小的地層的界面錯(cuò)動(dòng)可能對(duì)套管的影響。

圖18 地層泊松比與地層界面錯(cuò)動(dòng)量變化關(guān)系曲線Fig. 18 Relation curve between poisson's ratio of formation and dislocation momentum of formation interface

3.4 蠕變條件對(duì)套管損壞的影響

對(duì)比彈性模型和蠕變模型的位移云圖可以看到，彈性產(chǎn)生的地層錯(cuò)動(dòng)1.75 cm，而加入蠕變后，在10 000 s蠕變時(shí)間條件下地層的錯(cuò)動(dòng)量為1.77 cm，蠕變加劇了地層的錯(cuò)動(dòng)。可以預(yù)見(jiàn)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，蠕變模型產(chǎn)生的地層錯(cuò)動(dòng)量會(huì)越來(lái)越大。

因此，可以認(rèn)為復(fù)合鹽膏層在蠕變條件下會(huì)產(chǎn)生更大的錯(cuò)動(dòng)量，從而導(dǎo)致套管損壞。在進(jìn)行鉆井作業(yè)套管設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意蠕變地層對(duì)套管的影響，并要特別針對(duì)蠕變進(jìn)行相應(yīng)的套管優(yōu)化。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文主要探究了地層傾角、地層彈性模量和地層泊松比在復(fù)合鹽膏層中對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響。其中地層彈性模量對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響是：在地層傾角、泊松比和地應(yīng)力等其他邊界條件不變的情況下，當(dāng)?shù)貙拥膹椥阅Ａ吭龃髸r(shí)，復(fù)合鹽膏層的各個(gè)層的界面錯(cuò)動(dòng)量會(huì)隨之變小。地層泊松比對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響是：在地層傾角、地層的彈性模量和地應(yīng)力等其他邊界條件不變的情況下，當(dāng)?shù)貙拥牟此杀仍龃髸r(shí)，復(fù)合鹽膏層各個(gè)層的界面錯(cuò)動(dòng)量變小。地層傾角對(duì)于界面錯(cuò)動(dòng)的影響是：當(dāng)?shù)貙訌椥阅Ａ?、地層泊松比與地應(yīng)力等其他條件不變時(shí)，地層傾角變大，界面錯(cuò)動(dòng)的位移量變小；地層傾角變小，界面錯(cuò)動(dòng)的位移量則隨之變大，同時(shí)各層與套管的接觸面處的位移量更加均勻。

4.2 對(duì)于套管設(shè)計(jì)的建議

復(fù)合鹽膏層中由于巖性變化多樣，夾層、互層多且薄，發(fā)生界面錯(cuò)動(dòng)而導(dǎo)致的套管剪切破壞的幾率極大。在地層彈性模量和地層泊松比較小、或者是地層傾角較大的地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)該尤為注意可能發(fā)生的因界面錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的套管剪切破壞，應(yīng)該使用強(qiáng)度更大的套管，以此來(lái)降低產(chǎn)生鉆井事故的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于地層傾角較小的地層，則應(yīng)適當(dāng)注意防止套管擠毀。因此，在油田鉆井作業(yè)正式開(kāi)始之前，應(yīng)該盡可能全面地收集油田的地質(zhì)數(shù)據(jù)，尤其是在復(fù)合鹽膏層中進(jìn)行鉆井作業(yè)前，地層的彈性模量、泊松比和地層傾角等參數(shù)應(yīng)盡可能的詳細(xì)、準(zhǔn)確，以避免可能出現(xiàn)的鉆井事故或者套管損壞問(wèn)題，節(jié)省鉆井成本，提高鉆井作業(yè)的安全性，保證油田的經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)合鹽膏層的彈性模量、泊松比和地層傾角都能夠影響界面錯(cuò)動(dòng)的錯(cuò)動(dòng)量，合理選擇套管的材料、鋼級(jí)、壁厚以及直徑都能夠避免可能出現(xiàn)的套管剪切破壞。針對(duì)復(fù)合鹽膏層可能出現(xiàn)的界面錯(cuò)動(dòng)引發(fā)的套管剪切破壞提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)建議：

(1)提升套管強(qiáng)度

套管的材料決定了套管的強(qiáng)度，合理選用套管材料，增加套管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將有效避免在錯(cuò)動(dòng)層處的套管出現(xiàn)剪切破壞而導(dǎo)致套管失效。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，界面錯(cuò)動(dòng)量最大的位置一般出現(xiàn)在上線兩種不同地層的交界處，在進(jìn)行套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)地層資料，在地層交界處設(shè)計(jì)使用強(qiáng)度更高的套管，提升套管的抗錯(cuò)動(dòng)能力。

(2)適當(dāng)增大套管直徑和壁厚

同樣的材料和鋼級(jí)的條件下，壁厚越大的套管抗剪切強(qiáng)度越大。因此，在界面錯(cuò)動(dòng)層采用大壁厚的套管，將有效避免套管剪切破壞事故的發(fā)生。

與此同時(shí)，套管的直徑也對(duì)套管的抗剪切能力有一定的影響，采用大直徑套管將有效降低套管損壞的概率。

(3)合理利用水泥環(huán)

在套管與地層之間，存在水泥環(huán)。水泥環(huán)的作用不僅僅是固定套管，還可以在地層界面錯(cuò)動(dòng)發(fā)生時(shí)，在套管和地層之間起到緩沖的作用，因此應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的水泥漿體系，合理設(shè)計(jì)水泥環(huán)，并且根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件合理選用水泥添加劑，提高水泥環(huán)的抗剪切能力，也就是降低了套管的剪切破壞概率。