盐膏层造斜段井壁稳定性研究

周启成（中原石油工程井下特种作业公司，河南 濮阳 457001）

盐膏层造斜段井壁稳定性研究

周启成（中原石油工程井下特种作业公司，河南 濮阳 457001）

西部油气开发是国家能源战略的重点，由于油层埋藏较深，存在较厚盐膏层，使得造斜困难，井塌和卡钻时常发生，因此，本文针对这一问题，首先，对盐岩的力学特性进行分析；然后，计算出斜井段的应力场分布；最后，结合盐岩的扩容损伤机理，建立斜井段盐膏层的蠕变压力剖面。通过实例分析，计算结果符合工程实际情况，通过对以上几个方面研究，为加快该区域勘探开发提供理论和技术支撑。

盐膏层；造斜段；井壁稳定；蠕变压力剖面

井壁稳定是指钻进过程中环空压力能够保持井壁不发生坍塌和破裂，是安全钻井的前提。传统的井壁稳定性评价只是针对井壁岩石瞬时弹性应变，没有考虑到复杂岩层的蠕变影响，对于盐膏层造斜段的井壁稳定分析仍不全面，故本文通过分析盐岩的力学特性和斜井段应力场分布，结合盐岩的扩容损伤机理，建立斜井段的盐膏层蠕变压力剖面，为复杂地区钻井工程设计提供了理论依据。

1 造斜段应力场模型

深部地层主要受三向主地应力作用，上覆地应力σv，水平最大主地应力σH和水平最小地应力σh。选取坐标系(1,2,3)分别与主地应力σH,σh,σv方向一致（图1），利用坐标转换将原地应力转换到井轴坐标系。

图1 斜井井轴坐标变换

主地应力坐标系（1，2，3）按图1.1所示旋转到坐标系(x,y,z)并得到如下应力转换关系：

其中：

在井斜角为Ψ，最大水平主地应力方位角与井斜角之间夹角为Ω时，则此时三向应力分别为：

2 盐岩扩容损伤边界的确定

通过盐岩的内在变形机制，可以发现盐岩的压缩变形和损伤扩容之间存在边界值，为了明确盐岩的损伤边界，我们取西部某油田相关盐岩试样进行三轴压缩试验，同时测定盐岩的声发射信号，进而通过盐岩受载过程中的声发射信号确定损伤扩容边界。

在不同的围压条件下，同时测定盐岩三轴压缩试验过程中的体积应变和声发射信号，得出最小体积应变点和声发射信号突变结果，并将盐岩的扩容损伤边界拟合为方程。

式中，τmax=14 MPa，ζ=0.1。

图2 盐岩的压缩极限边界线

在八面体应力空间，随着平均应力的增加，扩容边界趋向一条水平线，即：

在保持平均应力不变条件下，随着剪应力的增加，盐岩的应力状态从扩容面过渡到破坏面是一个孔隙或裂隙逐渐增加，损伤度逐渐增大的过程。在扩容边界线和破坏边界线所围成的区域，随着应力的不断增加，盐岩不仅会产生由位错支配的纯蠕变，同时盐岩的微裂隙将不断增多；损伤程度不断加强；盐岩的渗透率不断增大，最后导致盐岩的破坏。

3 实例分析

图2根据井眼井壁八面体应力等于扩容损伤边界，我们设计了A井钻井液密度和实际钻井液密度随深度的变化，由于该井段为造斜井段，曲率和方位随井深发生变化，在计算过程中我们采用钻井设计报告里面的造斜井段井斜角和方位角数据，可以发现根据变曲率变方位蠕变失稳模型得出的钻井液密度在瞬时弹性情况下的安全密度窗口内。根据A井的钻井日报，造斜井段复合盐膏层在4200m前比较稳定；在4300-4500m之间，盐层不稳定，在钻井的过程中出现卡钻现象；当钻井液密度由2.2g/cm3提高到2.3g/cm3，井段4500m到4700m卡钻和划眼次数减少，但局部出现不稳定。显然，根据盐岩扩容损伤的方法设计钻井液密度是安全的，核心是如何确定复合盐膏岩的扩容损伤边界，即盐岩晶粒的剪切屈服值。

图3 A井设计钻井液密度与实际钻井液密度对比

4 结语

（1）由于复合盐膏层独特的物化性质和力学特性，必须考虑井壁稳定的时间效应，在瞬时弹性的安全密度窗口下考虑复合盐膏层的蠕变效应。结合蠕变效应进行钻井液密度设计，建立盐岩蠕变压力剖面符合工程实际情况，进一步验证了变曲率变方位蠕变失稳模型的工程可靠性。

（2）盐下造斜井段井壁蠕变失稳是地层地质力学特性、井壁力学状态和井眼轨迹等因素的综合响应。在一定的应力状态下，井眼井壁的蠕变特性除了具有时间效应，井眼轨迹对缩径有着重要的影响。

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[2]候冰，陈勉，金衍，等.基于盐岩损伤机理的深部巨厚盐层钻井液密度设计方法[J].石油学报，2009,30（5）：778-780.

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周启成（1988-），男，助理工程师，油气井工程，中原石油工程公司，从事钻完井及井下压裂工艺研究。