復(fù)合鹽膏層界面錯動的變形機理及數(shù)值模擬研究

李世遠 ，李扶搖，楊柳，盧運虎

1 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

2 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3 中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，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機鹽類比如氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、石膏或者芒硝等為主的地層稱為含鹽膏地層，即鹽膏層。經(jīng)統(tǒng)計發(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，更是我國油氣資源開發(fā)的重點。

鹽膏層主要由鹽巖、石膏和泥巖組成，在我國有著十分廣泛的分布，在我國的江漢油田、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、渤海等都曾鉆遇過鹽膏層。截至目前的統(tǒng)計資料，我國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80年代以來，許多地質(zhì)學家對鹽構(gòu)造進行了研究[1-4]。更多的地質(zhì)和巖石力學或石油、礦業(yè)工作者集中研究了鹽巖的蠕變特性[5-8]。研究主要針對鹽礦的安全設(shè)計、鹽膏層鉆井、核廢料或油氣地下處置庫的設(shè)計和長期穩(wěn)定性的評價。國內(nèi)學者對鹽巖蠕變變形及損傷等研究也廣泛應(yīng)用到鹽巖儲氣庫建設(shè)[9-14]、鹽膏層鉆井工程[15-17]和鹽巖二氧化碳地質(zhì)儲存[18]等方面。本文依據(jù)20～200 ℃鹽巖變形機理研究的數(shù)據(jù)庫，歸納了兩類主要的變形機制[19-25]。

據(jù)統(tǒng)計，50%套管損壞發(fā)生在復(fù)合鹽膏層界面位置，這一點與傳統(tǒng)的復(fù)合鹽膏層套管設(shè)計與防護理論存在很大差異。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]。一般來說，在絕大部分的鹽膏層中，巖鹽和石膏的含量都是不相等的，同時鹽膏層中還存在著有大量的其他礦物，比如常見礦物有石英(SiO2)、長石和碳酸鹽巖等，黏土礦物也經(jīng)常出現(xiàn)在鹽膏層中。鉆進鹽膏層的時候，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)致油水井報廢。因此鉆井作業(yè)的設(shè)計與施工以及鉆井液的配套技術(shù)是保證鹽膏層順利鉆進的關(guān)鍵，在鉆井設(shè)計之前對于鹽膏層巖石進行礦物組分分析就顯得尤為重要。

1.1 鹽膏層的分類

根據(jù)純鹽層厚度、鹽膏層特點以及夾層情況，可以將鹽膏層分為兩類，第一類是純鹽膏層，第二類是鹽、膏、泥復(fù)合鹽層，相應(yīng)的這兩類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)晶狀無機鹽(大部分為氯化鈉和硫酸鈣，也可含其他的無機鹽類，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2000 m以上[17]?？偟膩砜?，這類地層的巖性比較穩(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，第一類是以伊利石為主要成分(93%～99%)，另含有少量綠泥石(1%～7%)，但有時候綠泥石的含量可以達到100%；第二類是以伊利石(42%～59%)與伊蒙有序間層(21%～47%)為主。在我國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，一般來說是指鹽、膏、泥的復(fù)合鹽層，這一類地層的鹽層、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、泥頁巖等多種巖性組成[17]。對于復(fù)合鹽膏層的成因，一般認為復(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、晶塊以及化學物質(zhì)的沉淀結(jié)晶體，其中鹽巖和石膏通過機械破碎作用和化學作用，不僅改變碎屑巖和團塊的外觀結(jié)構(gòu)，同時也填充于碎屑或團塊的間隙之中，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：第一類是以伊利石為主(伊利石含量75%～90%)，另含綠泥石(10%～25%)；第二類是以伊利石為主(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

一般來說，鹽巖的強度相對于其他巖類是較低的，比如在其他條件相同的情況下，鹽巖的強度僅僅為大理巖的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講，強度和彈性模量都受到溫度及圍壓的影響。當溫度升高時，鹽巖的強度和彈性模量均會減小，泊松比則會隨溫度升高而增大；當圍壓增大時，鹽巖的強度、泊松比和彈性模量都會增加。

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)變增加的情況，會受到溫度和應(yīng)力兩個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)律會有差異[17]。

本文主要通過文獻調(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動造成套損的機理，并進行復(fù)合鹽膏層條件下套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以減少在復(fù)合鹽膏層鉆井過程中產(chǎn)生的套損，增加套管的使用壽命，提高經(jīng)濟效益，為鉆完井提供合理的指導(dǎo)。

2 復(fù)合鹽膏層界面錯動套損分析

2.1 復(fù)合鹽膏層界面錯動引起套管破壞機理

自然界鹽構(gòu)造運動時鹽巖應(yīng)變速率由位錯蠕變和溶解沉淀蠕變兩種機制共同控制。位錯蠕變控制下的穩(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)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，而位錯蠕變控制下的應(yīng)變速率與顆粒尺寸無關(guān)。兩種主要關(guān)系：(1)與位錯蠕變相關(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)實驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，包含了兩種蠕變機制在內(nèi)[27]。

引起套管變形的主要機理包括以下幾點：高強度的地應(yīng)力釋放、鹽膏層蠕變和地層界面錯動產(chǎn)生剪切應(yīng)力、泥頁巖等易吸水膨脹的巖類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?shù)?。目前通常認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)該是兩類應(yīng)變速率之和：三類。第一類：套管變形但未漏或未穿孔；第二類：套管變形并且穿孔；第三類：套管破裂但沒有變形。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，更有甚者會導(dǎo)致油井報廢，因此，套管損壞會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟損失[28-29]。

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

界面錯動是指，不同的相鄰地層間產(chǎn)生了相對的位移，也稱為地層滑移。地層滑移將會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，作用在套管上，將會對套管產(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)生界面錯動的機理主要有以下幾種，分別是由于蠕變速率不同而產(chǎn)生的界面錯動、由于重力作用而產(chǎn)生的錯動、因注采壓差而產(chǎn)生的地層界面錯動以及因側(cè)向地應(yīng)力和其他地質(zhì)因素而導(dǎo)致的地層錯動。

對于復(fù)合鹽膏層，近來的研究發(fā)現(xiàn)由于界面錯動而引發(fā)的套管破壞是這一類地層產(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，故而在鉆井過程中這一類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)了地層的界面錯動，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，重力的影響也可以使地層發(fā)生界面錯動。如果油田構(gòu)造類型為背斜構(gòu)造，地層具有一定的傾角，這樣的地層在重力的作用下會有沿著地層傾角而下滑的趨勢，但是只有在地層的傾角大于等于巖層內(nèi)部的摩擦角時才會產(chǎn)生有位移的滑動。在開發(fā)過程中，由于油田的注水壓力會不斷提高，巖層的孔隙壓力不斷升高，當孔隙壓力等于地層的垂向地應(yīng)力時，巖層的臨界傾角變?yōu)榱愣龋@時原本就已經(jīng)傾斜的地層就會在自身重力的作用下向下滑移，從而對地層中的套管施加剪切應(yīng)力。

除了以上兩種原因，注采壓差同樣會使地層產(chǎn)生滑移。一般來說，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)油動力。但是對于像復(fù)合鹽膏層這一類的低滲地層來說，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，這個壓力作用在巖石骨架上，當超過巖層的剪切強度時，局部地層在這個壓差的作用下沿著從注水井到油井的方向產(chǎn)生界面錯動，而位于界面錯動地層部分的套管就會受到剪切作用，當剪切力超過套管的剪切強度時將會使套管產(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，即套管發(fā)生變形且出現(xiàn)穿孔或漏液。

目前，我國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在鉆遇鹽膏層時發(fā)生卡鉆、套管擠毀，甚至油井報廢的事故，造成了很嚴重的經(jīng)濟損失，對現(xiàn)場施工也產(chǎn)生了重要的影響。

2.2 利用ABAQUS軟件對復(fù)合鹽膏層界面錯動的有限元分析

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，來分析不同的變量在相同的條件下對地層界面錯動的影響。

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。為了分析的準確度將每一塊地層沿x方向均分為50個分析元。經(jīng)過文獻調(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，以方便計算，僅研究地層彈性模量、泊松比和地層傾角對于界面錯動的影響。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。同時將第三層的底邊設(shè)置為不可移動，以便計算。本模型是擬三維模型，既模型是軸對稱圖形，對稱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，通過改變不同參數(shù)，建立了以下11個模型并進行對比分析，從而探究不同參數(shù)對套管變形的影響。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為初步建立的比對模型。在圖中，U1為x方向，其中藍色表示向x軸負方向位移最大，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)了明顯的界面錯動，在與套管交界面處的最大錯動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，地層的界面錯動量變小。在與套管交界面處的最大錯動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)果做對比，在其他邊界條件不變的情況下，增大地層的彈性模量會使界面錯動量變小。與套管交界面處的最大錯動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動的影響

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做對比，發(fā)現(xiàn)模型4中的第二層、第三層界面錯動量較層序變化前變大，而第一層界面錯動量則變小。在與套管交界面處的最大錯動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做對比，模型5模擬結(jié)果如圖7所示。

對比模型1和模型4，模型5各個層的界面錯動量均變大。在與套管交界面處的最大錯動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)過對比模型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動量變得更大，地層三層左半部分幾乎無錯動。在與套管交界面處的最大錯動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 泊松比對于復(fù)合鹽膏層界面錯動的影響

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，界面錯動量變小，第二層與第三層在縱向上的錯動量趨于均勻。在與套管交界面處的最大錯動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，各層的界面錯動均變小了，同時第二、三層的錯動量更加均勻，趨于一致。在與套管交界面處的最大錯動量從第一層到第三層依次為1.53 cm、2.62 cm、2.61 cm。

2.2.4 地層傾角對復(fù)合鹽膏層界面錯動的影響

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，當?shù)貙觾A角變大后，地層界面錯動量變小。在與套管交界面處的最大錯動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?shù)貙觾A角減小后，地層的界面錯動量增大，且在各個地層與套管的接觸面處的錯動量更加均衡。在與套管交界面處的最大錯動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，各層的界面錯動量繼續(xù)變大，同時，各層與套管的接觸面處的界面錯動量更加均勻。在與套管交界面處的最大錯動量從第一層到第三層依次為1.93 cm、3.21 cm、3.20 cm。

2.2.5 蠕變對于地層錯動的影響

針對蠕變對于地層錯動的影響，建立了兩個模型進行對比實驗。由于蠕變過程很漫長，為了方便計算，本文簡化了模型的邊界條件，用位移代替載荷的方式來建立模型。模型12是蠕變模型的比對模型實驗，同樣用位移代替載荷，蠕變時間為10 000 s。模型12和蠕變模型實驗結(jié)果如圖14和圖15所示。

模型12產(chǎn)生的地層錯動為1.75 cm，而加入蠕變后，地層的錯動量為1.77 cm，蠕變加劇了地層錯動。

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

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

圖15 蠕變產(chǎn)生的錯動Fig. 15 Dislocation caused by creep

3 復(fù)合鹽膏層界面錯動模型結(jié)果分析

經(jīng)過大量的文獻調(diào)研和對典型案例的分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合鹽膏層發(fā)生界面錯動的主要影響因素有：(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)、抗擠強度和等效外擠載荷等施工參數(shù)。本文針對地層因素，以鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v以及地層傾角θ為變量進行模型建立，結(jié)合建模結(jié)果，對鹽膏層地層彈性模量E、泊松比v以及地層傾角θ對于界面錯動的影響進行分析。

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于復(fù)合鹽膏層界面錯動的影響，繪制了地層彈性模量與地層界面錯動量變化關(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，復(fù)合鹽膏層各個層的界面錯動量會隨之變小。因此，在地層彈性模量越小的地層中，因界面錯動而產(chǎn)生套損的可能性越大。

圖16 地層彈性模量與地層界面錯動量變化關(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于復(fù)合鹽膏層界面錯動的影響，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動量變化關(guān)系曲線如圖17所示。

圖17 地層泊松比與地層界面錯動量變化關(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?shù)貙拥牟此杀仍龃髸r，復(fù)合鹽膏層各個層的界面錯動量變小。因此，在泊松比越大的地層，因界面錯動而產(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于復(fù)合鹽膏層界面錯動的影響，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動量變化關(guān)系曲線(圖 18）。

當?shù)貙訌椥阅Ａ?、地層泊松比與地應(yīng)力等其他條件不變時，地層傾角變大，界面錯動的位移量變??；地層傾角變小，界面錯動的位移量則隨之變大。但傾角對于界面錯動的影響較小，而且各層與套管的接觸面處的位移量趨于均勻。分析認為，當?shù)貙觾A角減小的時候，雖然因界面錯動而產(chǎn)生套管損壞的幾率減小，但是，套管被擠毀的可能性并沒有降低。

除了以上的結(jié)果，對比模型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動的位移大小同樣存在一定的影響，尤其是當彈性模量從上到下依次增大時，地層的界面錯動量會比其他排列次序更小。

綜上所述，地層彈性模量與界面錯動量成反比，即同等條件下地層彈性模量越大，界面錯動量越??；地層泊松比與界面錯動量成反比，即同等條件下地層泊松比越大，界面錯動量越??；地層傾角與界面錯動量成反比，即同等條件下地層傾角越大，界面錯動量越小。因此，在進行鉆井作業(yè)套管設(shè)計時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動可能對套管的影響。

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

3.4 蠕變條件對套管損壞的影響

對比彈性模型和蠕變模型的位移云圖可以看到，彈性產(chǎn)生的地層錯動1.75 cm，而加入蠕變后，在10 000 s蠕變時間條件下地層的錯動量為1.77 cm，蠕變加劇了地層的錯動?？梢灶A(yù)見，隨著時間的增長，蠕變模型產(chǎn)生的地層錯動量會越來越大。

因此，可以認為復(fù)合鹽膏層在蠕變條件下會產(chǎn)生更大的錯動量，從而導(dǎo)致套管損壞。在進行鉆井作業(yè)套管設(shè)計時要特別注意蠕變地層對套管的影響，并要特別針對蠕變進行相應(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)合鹽膏層中對于界面錯動的影響。其中地層彈性模量對于界面錯動的影響是：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?shù)貙拥膹椥阅Ａ吭龃髸r，復(fù)合鹽膏層的各個層的界面錯動量會隨之變小。地層泊松比對于界面錯動的影響是：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?shù)貙拥牟此杀仍龃髸r，復(fù)合鹽膏層各個層的界面錯動量變小。地層傾角對于界面錯動的影響是：當?shù)貙訌椥阅Ａ?、地層泊松比與地應(yīng)力等其他條件不變時，地層傾角變大，界面錯動的位移量變?。坏貙觾A角變小，界面錯動的位移量則隨之變大，同時各層與套管的接觸面處的位移量更加均勻。

4.2 對于套管設(shè)計的建議

復(fù)合鹽膏層中由于巖性變化多樣，夾層、互層多且薄，發(fā)生界面錯動而導(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時，應(yīng)該尤為注意可能發(fā)生的因界面錯動而產(chǎn)生的套管剪切破壞，應(yīng)該使用強度更大的套管，以此來降低產(chǎn)生鉆井事故的風險。而對于地層傾角較小的地層，則應(yīng)適當注意防止套管擠毀。因此，在油田鉆井作業(yè)正式開始之前，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、準確，以避免可能出現(xiàn)的鉆井事故或者套管損壞問題，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動的錯動量，合理選擇套管的材料、鋼級、壁厚以及直徑都能夠避免可能出現(xiàn)的套管剪切破壞。針對復(fù)合鹽膏層可能出現(xiàn)的界面錯動引發(fā)的套管剪切破壞提出以下幾點設(shè)計建議：

(1)提升套管強度

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

(2)適當增大套管直徑和壁厚

同樣的材料和鋼級的條件下，壁厚越大的套管抗剪切強度越大。因此，在界面錯動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，套管的直徑也對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動發(fā)生時，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)計水泥環(huán)，并且根據(jù)不同的現(xiàn)場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。