岩盐蠕变套管柱服役边界条件确定

娄尔标，刘洪涛， 李 宁， 杨尚谕， 周 波，曹立虎， 赵 力，何仁清

(1.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000； 2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

岩体尤其是软岩，其强度、变形及破坏特性与时间效应密切相关，因此其力学特性的时效性对钻完井过程井筒稳定性及完整性等有着重要影响。与时间有关的岩体力学行为主要包括蠕变、松弛及弹性后效等，其中蠕变是实际岩体工程中最为常见和重要的一种现象，因此不少学者从试验、理论及数值计算等多个方面对其进行了相关研究[1-2]。张玉[3]等对泥岩开展了高温高压的三轴压缩蠕变试验，结果表明应力和持续时间对泥岩蠕变特性有显著影响。G.J.Wang[4]等采用三轴蠕变损伤试验研究了盐岩的蠕变破坏过程，并获得了完整的蠕变损伤曲线。塔里木油田盐岩蠕变模型主要基于本构关系确立，在早期主要是采用Maxwell模型、Kelvin模型等。

大量研究结果表明[5-8]，研究盐岩蠕变需先采用标准试样确定一定温度、围压、轴压工况下蠕变应变率和时间对应关系，通过数值拟合的方式确定盐岩蠕变本构关系。再通过数值仿真方法建立盐岩地层模型，确定不同温度、不同载荷工况下盐岩蠕变位移。

本文基于现场取样岩芯(Ф50 mm×100 mm)开展了不同温度(20～100 ℃)和不同压力(60～80 MPa)工况下的三轴蠕变试验，确定了岩盐蠕变应变率，建立盐岩蠕变Heard模型，借助有限元方法建立套管-水泥环-岩盐有限元模型，分析不同时间工况下岩盐蠕变宏观位移量，即套管服役位移边界条件，为井筒穿越岩盐蠕变地层套管柱变形问题的防治提供技术支撑。

1 岩盐蠕变试验研究

从现场岩心进行标准化取芯加工，取得岩芯的尺寸直径25 mm，高度30～50 mm。按照不同的温度工况90、120和150 ℃进行研究，围压选取90、120和150 MPa，改变轴向压力与围压的差值，研究确定岩盐稳定蠕变速率试验曲线如图1所示。

图1 三轴工况岩盐蠕变曲线

蠕变试验结果表明：在考察的温度和围压范围内，稳定蠕变速率主要受温度和差应力(轴向压力与围压之差)控制，蠕变速率随温度升高增加，随差应力增加而增加，而与围压绝对值关系不大。

2 岩盐蠕变损伤模型研究

众多研究表明[9-12]，盐岩所处的应力状态和温度不同，其蠕变机理不同，因而反映其蠕变特性的蠕变本构关系也不同。钻井中岩盐层井筒附近地层应力差较高且温度一般小于250 ℃，盐岩的蠕变一般为晶格的位错滑移，此时盐岩的蠕变可以采用Heard模式。

盐岩的蠕变Heard模式指数方程如公式(1)所示：

(1)

结合图1中的蠕变应变率数据，通过非线性回归，确定上述3个参数分别为：A=36.02、B=0.603和Q=19 887。

3 岩盐蠕变工况下套管位移边界条件确定

采用有限元方法模拟套管-岩盐地层的有限元模型，如图2所示。考虑非均匀地应力工况，地层温度100 ℃，P110套管Ф177.8 mm×12.65 mm弹性模量206 GPa，泊松比0.29，盐层初始弹性模量4.9 GPa，泊松比0.43，蠕变方程满足公式(1)的Heard模式。

图2 岩盐层蠕变套管位移边界条件确定有限元模型

随着岩盐蠕变时间的增加，岩盐弹性模量随蠕变时间的变化规律如图3所示，岩盐蠕变套管外径方向最大位移量随蠕变时间的变化规律如图4所示。

图3 岩盐弹性模量随蠕变时间的变化规律

套管在温度和非均匀地应力共同作用下，蠕变应变呈现先小后大的趋势，导致不同时间段套管所受外挤载荷在实时变化，选取套管外挤载荷非均匀程度选取极限工况，基于此，优选套管，保证套管服役安全。

图3结果表明，随着蠕变时间的增加，盐岩弹性模量依次降低，在钻井阶段(<100 d)，盐岩层弹性模量从5 GPa降低到4.25 GPa，采用数值仿真算法求解蠕变地层宏观位移时，需考虑盐岩层弹性模量改变的影响。

图4 岩盐蠕变工况套管外径变形量变化规律

图4给出了穿越岩盐地层套管外径方向位移载荷随蠕变时间的变化规律，蠕变时间为20 d时，套管外径位移载荷为5 mm；蠕变时间为40 d时，套管外径位移载荷为7 mm。

4 结 论

通过对现场取样岩芯在不同温度和围压工况的蠕变特性研究，构建了盐岩蠕变本构模型，借助数值仿真软件建立了套管-水泥环-盐岩地层蠕变模型，分析了盐岩蠕变对套管变形的影响规律，确立了盐岩地层工况套管服役位移边界条件，为套变防治提供了优化目标值。主要结论有：

1)基于室内岩盐三轴蠕变试验确定了载荷、温度蠕变速率变化随着温度升高增加，随差应力增加而增加。

2)采用Heard模型本构关系研究岩盐蠕变损伤过程，借助数值仿真方法确定了岩盐蠕变工况套管服役边界条件。

3)盐岩层段套管优选时需采用位移控制方法，短时间内(<40 d)盐岩地层最大滑移量为7 mm。