盐岩蠕变对固井质量的影响

谢关宝

(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室， 北京 100101； 2.中国石化石油工程技术研究院， 北京 100101)

盐岩具有较好的可塑性，在钻井及固井过程中易发生塑性变形或蠕动流动。在固井施工及固井质量评价过程中，经常发现盐岩层段出现固井质量不好层位，从而影响井筒气密性；但经过一段时间后固井质量又有明显变好趋势，对井筒整体性安全性评估带来困惑。针对盐岩的蠕变变形，陈正[1]建立了盐岩储气库稳定性模糊综合评价模型；刘蔚等[2]进行了盐岩蠕变测井资料综合分析应用；杜超等[3]、马纪伟等[4]构建了不同类型的盐岩蠕变模型；文献[5-7]分析了盐岩层大位移井的蠕变规律；文献[8-12]基于声发射实验，构建了盐岩蠕变本构模型；谢关宝等[13]探讨了时间推移测井分析了在固井质量分析中的应用。目前针对盐岩蠕变对固井质量评价与分析的研究较少，也缺少相关理论依据与实践。为此，基于盐岩力学实验、蠕变实验和数值模拟，构建了盐岩蠕变本构方程，分析了盐岩蠕变对固井第一界面、第二界面的影响，且给出了工程实践与应用分析，以期在类似研究区针对盐岩层固井质量分析与评价提供理论指导。

1 盐岩力学特性分析

1.1 盐岩三轴实验

将盐岩加工成高径比为2∶1试样，盐岩三轴压缩实验试样尺寸及施加围压如表1所示，实验所得的偏应力-应变曲线如图1所示。

由图1可知，相同应变条件下，围压越大，盐岩的承载能力越强，直线段斜率越大(即弹性模量越大)；不同围压条件下，盐岩均表现为典型弹塑性变形特征，盐岩破坏类型均为扩容破坏，此类破坏不会形成宏观的易于观察的破裂面如图2所示，盐岩发生扩容后其承载能力依然存在。

表1 三轴试样尺寸及围压Table 1 Triaxial specimen size and confining pressure

图1 不同围压条件下的偏应力-应变曲线Fig.1 Deviatoric stress-strain curves under different confining pressures

图2 盐岩扩容图Fig.2 Salt rock expansion map

盐岩单轴压缩实验的应力-应变曲线如图3所示，计算可得盐岩弹性模量为1.8 GPa、泊松比为0.38。

假定盐岩符合摩尔-库伦准则，三轴抗压强度和围压可表示为

σ1=Aσ3+B

(1)

(2)

(3)

式中：σ1为轴压，MPa；σ3为围压，MPa；A、B为材料参数；τ0岩石内聚力，MPa；φ为岩石内摩擦角，(°)。

取不同围压条件下，轴向应变为4%时的围压与轴压值，如表2所示。

图3 盐岩单轴压缩应力-应变曲线Fig.3 Stress strain curve of salt rock under uniaxial compression

表2 不同围压条件偏应力和轴压Table 2 Deviatoric stress and axial pressure under different confining pressure conditions

对表2中不同围压条件下的轴压值进行拟合，得到A=1.538，B=27.58，R2=0.998 4，则可计算得到τ0为11.12 MPa，φ为12.24°。

1.2 盐岩巴西劈裂实验

实验采用高径比为1的圆柱岩样。假设材料为均匀各向同性的弹性体，根据弹性力学理论，抗拉强度σt计算公式为

(4)

式(4)中：d为试件直径，mm；l为试件长度，mm；P为破坏载荷，N；σt为抗拉强度，MPa。

当岩样反生破坏时，岩样沿中心处被劈裂成两半，如图4所示。实验获得抗拉强度如表3所示。三块岩样的抗拉强度有所差异，可能原因为岩心非均质性以及实验误差。取三块岩样抗拉强度的平均值得盐岩抗拉强度为3 MPa。

图4 盐岩巴西劈裂实验Fig.4 Brazilian splitting experiment of salt rock

表3 盐岩抗拉强度Table 3 Tensile strength of salt rock

2 盐膏层蠕变特性分析

2.1 定围压盐膏层蠕变特性实验

定围压蠕变实验岩心试样高径比为2∶1，高度为50.2 mm、直径为25.3 mm，实验不加围压，轴压分级五级加载，分别为8、12、15、19、22 MPa，分级加载时间-应变曲线如图5所示。可以看出，轴压越大，轴向应变越大；轴压越大，蠕变速率越大。

图5 五级加载蠕变Fig.5 Five stage loading creep

2.2 变围压盐膏层蠕变特性实验

变围压蠕变实验岩心试样高径比为2∶1，试样载荷及尺寸如表4所示，实验所得的时间-应变曲线如图6所示。可以看出，偏应力越大，瞬时弹性应变越大，稳定蠕变应变率越大。偏应力10 MPa时间-应变曲线位于偏应力5 MPa时间-应变曲线下方，其可能由盐岩岩心的非均质性或实验引起的误差所致。70 000 s(19.44 h)时，偏应力5 MPa轴向应变为0.005 825；偏应力10 MPa轴向应变0.004 522；偏应力15 MPa轴向应变为0.012 41；偏应力20 MPa轴向应变为0.016 91；偏应力25 MPa轴向应变为0.055 32。不同偏应力下的瞬时弹性应变、稳定蠕变应变率如表5所示。

图6 不同偏应力下的时间-应变曲线Fig.6 Time strain curves under different deviatoric stresses

表5 不同偏应力蠕变特征表Table 5 Creep characteristics of different deviatoric stresses

3 盐岩蠕变数值模拟

3.1 本构方程构建

由于盐岩蠕变的热激活能未知，用幂率规律表示盐岩的蠕变规律为

(5)

对变围压蠕变数据进行处理拟合，如表6所示。数据表明：分析所选用时间硬化幂率模型与实验所得的蠕变数据拟合后确定系数均接近于1，可以很好地反映盐岩的真实蠕变规律。在长期蠕变过程中，过渡蠕变段与稳定蠕变段相比占据的时间很短，因此，在长期蠕变过程中可以只分析稳定蠕变段。由表6可以看出，偏应力不同对应的A、n、m值均不同。盐岩的稳态蠕变率与偏应力之间的关系可表示为

(6)

对不同偏应力下的稳态蠕变率进行拟合，得A=3.743×10-10，n=1.876，R2=0.96，相关系数接近于1，因此在研究区可以用式(6)反映稳态蠕变速率与偏应力之间的关系。

表6 时间硬化蠕变模型参数Table 6 Parameters of time hardening creep model

3.2 蠕变时间对固井二界面影响

采用三维有限元法模拟，使用力学实验、盐岩蠕变实验所获取的盐岩特征参数及蠕变模型，模拟蠕变时间对井筒气密性的影响，模拟时在盐岩外侧施加一定的均匀地应力载荷，模拟结果如图7所示。可以看出，随蠕变时间的增加，盐岩地层固井二界面对气体的密封能力在短时间内迅速增大，1 000 h(41.7 d)后增速变缓并以一较小的稳定速度继续增大；随着地层深度的增加，水平地应力增加，盐岩地层固井二界面对气体的密封能力亦增大。

图7 蠕变时间-气体密封能力关系Fig.7 Relationship between creep time and gas sealing capacity

图8 气体密封能力随地层深度变化Fig.8 The gas sealing capacity varies with the depth of the formation

进一步模拟井下盐岩蠕变一年之后，不同深度处气体密封能力，如图8所示。可以看出，随着地层深度的增加，固井一二界面的气体密封能力均随之增大，且固井一界面的气体密封能力大于固井二界面的气体密封能力。

4 工程实践分析

为在实践中验证实验及数值模拟结果，选择研究区的W6-4及W7-7井进行固井质量时间推移测井分析。W6-4井如图9所示，盐岩层段为2 417.00～2 896.50 m，该井2018年2月14日固井，2月17日第一次固井质量测井，在盐岩层段固井平均声幅值多在40%以上，变密度显示套管波强，八扇区以中白色、浅灰色为主，局部呈中灰色或者深灰色，故第一界面水泥胶结以差为主，局部胶结中等；第二界面以差为主。

2月28日进行了第二次固井质量测井，盐岩段固井质量平均声幅值多在40%以上，变密度显示大部分井段套管波强，八扇区以中白色为主，局部呈浅灰色或者中灰色，故第一界面水泥胶结以差为主，局部胶结中等；第二界面以差为主。

6月1日进行了第三次固井质量测井，在盐段，固井质量明显变好，固井质量很差的井段也有明显变好的趋势。整体来看，随着时间的推移，固井质量在逐渐变好，地层波信号明显变强。

W7-7井，盐岩层段为2 278.00～2 839.00 m，该井2018年3月16日固井，3月19日第一次固井质量测井固井质量测井显示平均声幅中高值，多大于40%，变密度显示套管波较强，地层波信号弱，八扇区以白色和浅灰色为主，局部中灰色，少量深灰色，故第一界面和第二界面固井质量均以胶结差为主，局部胶结中等。4月20日进行了第二次测井，5月5日在盐层段进行了第三次测井，三次测井结果统计对比结果如表7所示。随着时间的推移，胶结中等的井段固井质量明显变好，固井质量很差的井段也有明显变好的趋势。盐层段累计优质段已达到50 m。

表7 测井结果统计对比Table 7 Statistical comparison of logging results

5 结论

基于实验与数模分析可知，在盐岩层段，盐岩蠕变对固井质量产生了积极的影响，得出如下结论。

(1)相同应变条件下，围压越大，盐岩的承载能力越强，弹性模量越大；不同围压条件下，盐岩均表现为典型弹塑性变形特征，盐岩破坏类型均为扩容破坏。

(2)蠕变实验表明，偏应力越大，瞬时弹性应变越大，稳定蠕变应变率越大。

(3)随着蠕变时间的增加，盐岩地层固井二界面对气体的密封能力在短时间内迅速增大，1 000 h(41.7 d)后增速变缓并以一较小的稳定速度继续增大；随着地层深度的增加，水平地应力增加，盐岩地层固井二界面对气体的密封能力亦增大。

(4)时间推移测井显示，在盐层段，随着时间的推移，在40 d后，固井质量有较明显的改善，与数值模拟有很好的吻合性。