第一章 绪论
1.1 本文研究目的及意义
随着我国经济的突飞猛进以及人类生态文明的可持续发展，地球物理勘探开发工业不断前进，合理开发地下空间和地球资源愈演愈烈，特别是当今时代下，世界各国对深层油气井和地热资源的开发更是青睐有加，我国也紧跟世界潮流，甚至在相关技术领域走在世界前列。与此同时，地下空间稳定性、井筒力学完整性、岩层控制安全性等问题也相伴相生，不得不受到人类的重视[1]。
油气资源开发是地下工程领域中的重要一支，在勘探、钻井、固井、完井等各个过程中对地层的破坏和扰动均有影响，不同程度的改变初始地应力场和变形场，改变地层活动规律，改变岩石力学参数等。油气开发还可能导致井壁面围岩破裂，更为严重的情况下会发生围岩失稳和破坏，进而作用在套管，甚至油管上，使其产生变形破坏等。初始地应力场的改变直接影响地层应力场重新分布，决定了对井筒的完整性的影响程度，同时也是影响地下工程岩体变形和破坏的重要因素。因此，对盐岩原始地应力场的精准把握，是进行地下工程安全有效开发、生产和保护的重要前提。此外，搭建完备可靠的井筒环境，是实现安全工作和可持续生产的先决条件，目前，油气井筒系统内套管的强度安全性分析主要依赖于套管强度安全计算校核以及对安全系数的评价方法，对于复杂载荷作用下地层应力对井筒以及套管的作用机理、变形和应力分布规律，还需进一步研究[2]。
因此，需要围绕套管力学行为与安全性分析这一问题，结合盐岩岩石力学性质的研究，特别是蠕变本构参数，以及地应力的模拟计算，对复杂盐岩地层原始地应力场和井筒进行数值模拟，确定出更符合实际的套管周围的外挤作用应力。针对注入工况下的套管载荷进行分析，确定不同井深处套管的等效应力，判断套管的承载能力，考虑地层蠕变作用在井筒上的外力对套管承载能力的影响。分析套管在水泥环工程缺陷下受非均匀地应力作用下的力学行为，对套管强度进行安全性分析，保证生产及相关作业过程中井筒系统的安全可靠[3]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 流变本构模型的研究进展
岩石流变试验作为研究岩石力学性质的基础性试验，是研究地下工程领域问题的实验基础，为地下工程数值模拟分析提供有力支撑。特别是在石油工程领域，在研究岩体对井筒的力学影响方面有非常重要的意义。1980 年代的十年时间[4]，Wallner、Lux、Hunsche 以及 Hansen 等人对深部岩层的盐岩体进行了单轴压缩、三轴压缩以及岩石剪切等试验，分析试验结果计算出盐岩的力学参数，并以此为依据，研究了盐岩在较短时限下的强度、变形和破坏等力学性能变化，认为盐岩的性质表现为软岩，建立了一系列强度理论。20 世纪 80 年代左右，Farmer 等人为探索盐岩在外力作用下的变形特征，对盐岩进行了三轴压缩试验，试验的结果显示盐岩表现出应变的软化和硬化特征；在盐岩应变软化过程中，裂纹扩展时伴随着比较快的扩容变形，而随着围压的升高，扩容速率及现象逐渐减小，此时盐岩发生从脆性特征到延展性特征的转变。另外，盐岩的强度变化还受加载速率和变形速率的影响，加载变形速率升高，将增强盐岩的脆性特征。Skrotzki 的研究结论也表明：在特定温度下，纯度越高的盐岩在拉伸试验中越能表现出强烈的脆-延转化特性。后来，谢又新等人[5]针对常规井身结构设计的情况下，结合塔里木油田深井、超深井下盐岩层的实际情况，建立了一系列适用于深井及超深井的，考虑盐岩流变作用下的井身结构较为合理的设计方法。他还建立流变下岩石剖面，再以纵向范围内的复杂地层压力和漏失岩层为背景，通过对盐岩地层流变规律的研究，探索和构建出复杂地层条件下深井、超深井井身结构的合理设计方法及数学模型。刘绘新等人[6]研发出了能加温加压的三轴蠕变试验台，并对较深地层的盐岩试样进行三轴蠕变试验，获取蠕变曲线和岩石力学参数，建立盐岩蠕变的本构关系。
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第二章 盐膏岩地层岩石力学性质分析
2.1 盐膏岩地层岩石流变特性研究
岩石的流变性质包括蠕变、松弛和弹性后效三种特征[45-46]。岩石的蠕变特征是当应力保持不变时，变形随时间增加而增长的现象，在石油工程领域，岩石的蠕变特性对岩石工程的稳定性和石油工程的安全性有重要意义，因此重点讨论蠕变性质。
研究蠕变现象，主要根据蠕变曲线进行岩石各个阶段的分析，典型的岩石蠕变曲线如图 2-1 所示，包括蠕变减速阶段 ab 段，蠕变等速阶段 bc 段，蠕变加速阶段 cd 段。
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2.2 盐膏岩地层地应力及数值模拟
岩体作为一种地质结构体材料，处于复杂的地质环境中，存在复杂的外载条件和边界条件，因而岩石力学问题通常无法用一般的解析法求解，目前针对上述问题最广泛、适用性最强的解决办法是数值分析法。
在石油工程领域，岩石力学数值分析方法用于研究岩石工程活动和地质环境变化过程中岩体及井筒结构的力学行为和工程活动。
2.2.1 原始地层地应力计算
地应力在地层中的变化非常复杂，通常认为地应力的产生主要与地球的各种运动过程相关。学者普遍认为地应力场主要包括构造应力场和重力场。在油田地质活动中，地层的地应力场在未受钻井开采影响下时，原始地层地应力的产生主要是重力场作用下的原因。在我国，地应力值的大小在东西部地区也是不同的，一般情况下，西部地区普遍大于东部地区。
根据某油田实际地质数据和测井资料可知，该井区盐膏岩蠕变地层东西埋深为3522～4468m，最大厚度为 220m，最薄厚度为 142m，南北埋深为 3768～4428m，厚度平均在 142～168m 范围内，地层密度为 2.186g/cm3，屈服强度取 65.4MPa，在该井区盐膏层上部为泥岩夹层，下部为泥膏岩夹层。该地层中取出的岩样如图 2-6 所示。
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3.1 井下套管载荷分析 .................................. 18
3.2 井下套管应力分析 ................................. 20
第四章 盐膏岩地层中套管强度数值模拟分析 ....................................38
4.1 套管力学模型的建立及理论 ....................................38
4.2 非均匀载荷作用下水泥环性质对套管承载能力的影响 .......................42
第五章 结论与展望 ...................................51
第四章 盐膏岩地层中套管强度数值模拟分析
4.1 套管力学模型的建立及理论
为了方便分析套管在地层中的受力情况，主要考虑井筒在地层中的应力分布状况，本论文主要讨论分析盐膏岩流变地层的地应力对井筒的影响和对套管作用力的情况。由于考虑的流变地层作用是在发生变形之后的地层，因此，在进行模型分析和短期内的建模时对井筒周围的岩石进行下列条件的假设：（1）岩石在变形后的短期内是处在线弹性状态阶段的介质；（2）岩石均匀且各向同性；（3）岩石在发生流变过程中保持其力学性质不变。套管及固井水泥构成的多层组合系统在非均匀地应力作用下，产生非均匀挤压与弹性变形。应用 Solid Works 建模软件建立的三维基本模型如图 4-1 所示。
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第五章 结论与展望
套管作为石油工业井筒中对油管保护的最后一道屏障，起着非常重要的作用。复杂且多变的地层特点随着油气井深度的延伸也各有不同，因此作用在井筒上的载荷也不同。另外，随着油气井服役时间的推移，石油工程中作业方式的不断改变，也会对油套管柱管造成不同的影响。所以说套管所受载荷及其强度安全性一直以来都是石油工业中不断探索和改进的重要问题。本论文在对套管承载性能等相关文献进行调研后，提出盐膏岩地层中套管载荷及强度安全性分析这一论题，并从盐膏岩地层岩石力学性质、盐膏岩地层中套管载荷以及盐膏岩地层中套管强度数值模拟三部分对该问题进行了分析。得到以下结论：
（1）通过对原有西原体模型描述岩石蠕变现象的改进，得到岩石蠕变加速阶段的方程，完成了岩石蠕变全过程的描述。根据油气井流变地层的特点，结合流变地层与井筒在油气井生产过程中相互作用的实际，对该工程背景下的岩石流变现象进行推测和创新，推算出岩石在发生蠕变现象后一段时间内发生松弛现象的方程，并证明了该方程的准确性。推断出盐膏岩地层中的岩石松弛现象是在蠕变过程发生后的一小段时间内的流变特征，之后再发生弹性、塑性等变形和蠕变、松弛等流变现象的复杂交替过程。
（2）根据该地层中岩石的屈服强度，对推导的岩石流变现象中的松弛方程进行赋值计算地应力，取该地层岩石的屈服强度为 65.4MPa。当初始应力为 136.94MPa 时，计算得到的应力值在一定时间内稳定在 128.72MPa；当初始应力为 95.86MPa 时，计算得到的应力值在一定时间内稳定在 97.44MPa。与地应力公式计算结果相比，误差分别为6%和 1.65%，说明推导的岩石松弛方程具有一定的准确性。
参考文献（略）