深埋于巖鹽層的溫度、應(yīng)力狀態(tài)及其蠕變特性研究

深埋于巖鹽層的溫度、應(yīng)力狀態(tài)及其蠕變特性研究

在中原、江漢、勝利、華北、四川、塔里木等油田中，巖鹽開采導(dǎo)致變形、擠壓和破壞。國外有關(guān)巖鹽層對套管的變形、擠毀作用的報道較多。巖鹽層技術(shù)套管擠毀的事故,套管擠毀使油田經(jīng)濟損失巨大。因此,許多學(xué)者對巖鹽層套管外擠載荷進(jìn)行了研究。S.M.Willson模擬了巖鹽層蠕變縮徑對下入井眼中的套管產(chǎn)生的接觸擠壓載荷;曾義金等以均勻水平地應(yīng)力為前提,研究了塔河油田外徑為177.8mm套管在巖鹽層的蠕變載荷;劉繪新等研究了四川地區(qū)巖鹽的蠕變特性及其對外徑為244.5mm套管產(chǎn)生的蠕變載荷;宋勝利等研究了中原油田巖鹽的蠕變規(guī)律及其對外徑為152.4mm套管產(chǎn)生的蠕變載荷。而不同地區(qū)巖鹽蠕變特性有一定差異,且在不同條件下對套管產(chǎn)生的外擠力也不同。筆者以塔里木油田羊塔地區(qū)巖鹽層的溫度、應(yīng)力狀態(tài)及其蠕變特性為基礎(chǔ),應(yīng)用有限元方法計算巖鹽對?250.83mm×15.88mm套管、?177.8mm×12.65mm套管、?206.38mm×16mm3種套管產(chǎn)生的蠕變載荷,為深井巖鹽層套管的選材和巖鹽層鉆井的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。1管道模型幾何尺寸根據(jù)塔里木油田某地區(qū)深井、超深井的井身結(jié)構(gòu),對?177.8mm套管,巖鹽層井眼直徑取為215.9mm;對?250.83mm套管,巖鹽層井眼直徑取為311.15mm;對?206.38mm套管,巖鹽層井眼直徑取為241.3mm。假設(shè)水泥環(huán)、套管均為均勻壁厚圓筒,且與井眼中心同心。由于對稱性,取實際模型的1/4進(jìn)行分析,并考慮到模型邊界對計算精度的影響,根據(jù)圣維南原理,模型長度取為48m、高度取為48m。顯然,模型幾何尺寸較套管尺寸大得多,而工程中主要關(guān)心的是套管的應(yīng)力和變形。因此,在套管附近網(wǎng)格必須進(jìn)行精細(xì)劃分,遠(yuǎn)離套管的幾何實體可稀松劃分。該力學(xué)耦合系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示,采用8結(jié)點6面體單元,共7500個結(jié)點。2地層密度和邊界條件在上述三維力學(xué)模型中,套管和水泥環(huán)考慮為彈性材料,巖鹽為赫德蠕變材料。根據(jù)塔里木油田地區(qū)的相關(guān)資料和水泥環(huán)的力學(xué)實驗資料,取材料的力學(xué)特性參數(shù)為:套管彈性模量210GPa;套管泊松比0.3;水泥環(huán)彈性模量7GPa;水泥環(huán)泊松比0.18;巖鹽彈性模量5GPa;巖鹽泊松比0.45。巖鹽的本構(gòu)關(guān)系為ε˙=Aexp(?ERT)sinh(Bσ)ε˙=Aexp(-ERΤ)sinh(Bσ)式中,A為35.275,B為0.603,E為19887卡/克分子。由塔里木油田相關(guān)資料給出相應(yīng)的力學(xué)邊界條件為:套管內(nèi)鉆井液密度1.3g/cm3;最大水平地應(yīng)力145MPa;最小水平地應(yīng)力分別取143MPa、141MPa、139MPa。3非均勻地應(yīng)力作用下的套管受力情況為研究地應(yīng)力狀態(tài)及其大小、井內(nèi)液體支撐壓力對塔里木油田現(xiàn)行3種高抗擠套管受力的影響規(guī)律,對12個的具體有限元模型進(jìn)行了數(shù)值計算,計算結(jié)果見圖2~6。由圖2可知,在均勻地應(yīng)力145MPa作用下,3種套管的等效應(yīng)力都小于700MPa。3種VM140鋼級套管材料的屈服強度為965MPa,在該均勻地應(yīng)力作用下都不會被擠毀?？梢?塔里木油田羊塔5-1T井巖鹽層段?250.83mm×15.88mm套管不是在均勻載荷下失效的。由圖2可知,在相同工況下?250.83mm×15.88mm套管受力最差;?206.38mm×16mm套管受力最好;?177.8mm×12.65mm套管受力情況居中。由圖3和圖4可知,當(dāng)系統(tǒng)承受非均勻地應(yīng)力作用時,最小地應(yīng)力方向套管應(yīng)力不斷增加,最大水平地應(yīng)力方向套管應(yīng)力先增加后減小,且最小地應(yīng)力方向套管外載較大,是套管承載的危險區(qū)?？梢?非均勻地應(yīng)力作用下,在最小地應(yīng)力方向套管的外載最大,其應(yīng)力狀態(tài)可作為套管失效的判斷依據(jù)。對比圖2~圖6可知,當(dāng)系統(tǒng)受均勻地應(yīng)力作用時,套管等效應(yīng)力較小,在較短的時間內(nèi)套管載荷趨于穩(wěn)定;當(dāng)系統(tǒng)受非均勻地應(yīng)力作用時,套管等效應(yīng)力急劇增加,且載荷在很長時間內(nèi)趨于上升趨勢,且其值遠(yuǎn)大于均勻地應(yīng)力下套管的等效應(yīng)力。在相同工況下,?250.83mm×15.88mm套管受力最差;?206.38mm×16mm套管受力最好;?177.8mm×12.65mm套管受力情況居中。表1為固井432d后,非均勻載荷作用下套管的受力狀況對比數(shù)據(jù)。由表1可見,在非均勻地應(yīng)力(σH=145MPa,σh=139MPa,ρ=1.3g/cm3)作用下,對于VM140鋼級的套管,對應(yīng)鋼材的屈服強度是965MPa。顯然,在該應(yīng)力狀態(tài)下,?250.83mm×15.88mm套管將被擠毀,而?177.8mm×12.65mm套管和?206.38×16mm套管不會損壞。這與塔里木油田某地區(qū)鹽層段技術(shù)套管擠毀的情況吻合。并可推斷塔里木油田羊塔5-1T井鹽層段?250.83mm×15.88mm套管正是由于非均勻地應(yīng)力太強,加之固井質(zhì)量局部較差,使鹽層對套管產(chǎn)生較大非均勻載荷致使套管擠毀?？梢?按上覆巖層壓力為基礎(chǔ)的常規(guī)套管柱設(shè)計方法局限性較大,在巖鹽層套管強度設(shè)計中應(yīng)充分考慮非均勻載荷對套管強度的影響。4非均勻地應(yīng)力作用下的外載(1)建立了深井、超深井巖鹽層套管外載計算的三維有限元模型,對當(dāng)前用于深井巖鹽層段的3種套管隨時間變化的外載進(jìn)行了計算。研究表明,在相同工況下,?250.83mm×15.88mm套管最易被擠毀,?206.38mm×16mm套管最不易被擠毀,?177.8mm×12.65mm套管安全程度居中。(2)在均勻地應(yīng)力作用下,鹽巖地層蠕變產(chǎn)生的套管外載也是均勻的,隨著時間的推移不斷增大,其最終趨于某一穩(wěn)定值;非均