一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，属于石油天然气勘探开发钻井领域，包括步骤：模拟环境下，在不同时间内钻井液浸入实验岩心后，测量岩心弱面的强度参数，确定岩心弱面在钻井液渗流作用下的强度变化曲线；基于所测量的岩心弱面的强度参数，计算井壁坍塌压力。根据设计的钻井液密度和井深设定实验流体压力，模拟不同时间内钻井液侵入岩心状态，再测量钻井液侵入不同时间后的岩心弱面内聚力、内摩擦角。通过计算得到钻井液侵入条件下井壁坍塌压力随时间变化曲线，判断井壁稳定状态，从而优化不同时间段的钻井液密度，解决了钻井现场仅凭经验调整钻井液密度的做法存在的问题，能够保障钻井安全，降低钻井成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气勘探开发钻井领域，具体涉及一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法。
技术介绍
井壁坍塌失稳易导致埋钻事故，甚至造成井眼报废，因此井壁稳定是影响钻井成败和快慢的重要因素之一。层理发育的泥页岩地层的井壁失稳是一个世界性难题，层理弱面发育的泥页岩地层井壁失稳占总数的70％以上。长期以来，现场钻井液密度的调整方法多基于经验的预计方法或是坍塌发生的补救方法。在理论研究方面主要基于弹性理论及泥页岩的本构关系，考虑地应力、温度、孔隙压力、水化等因素的作用，得到泥页岩本体失稳坍塌压力或是不同泥浆密度下泥页岩井壁的坍塌周期。泥页岩地层失稳的特征是岩石中的层理、裂缝既是容易失稳发生的位置(滑移、剥落面)，又是钻井时钻井液滤液进入地层内部的主要通道。钻井液在毛细管力以及流体正压差的作用下会从渗透性较好的层理、微裂缝进入地层内部，引发后续钻井液滤液与硬脆性泥页岩的一系列物理化学反应，地层颗粒间结合力降低，层理、微裂缝摩擦强度下降，井壁在应力作用下沿着层理弱面失稳，造成掉块、井塌等工程难题。长期以来，坍塌压力的确定方法多基于经验的预计方法或是坍塌发生的补救方法。目前的井壁稳定技术对水敏性较强的地层取得了较好的效果，但是仍然解决不了层理性结构弱面发育地层的井壁稳定问题。而弱面发育的泥页岩地层井壁失稳占总数的70％以上。目前尚未形成符合实际钻井过程中钻井液侵入后岩石状态的井壁坍塌压力计算方法，不利于现场钻井液密度的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，克服现有井壁坍塌压力确定方法的不足，定量分析层理弱面、钻井液密度、钻井液侵入地层时间、地应力、井眼轨迹等因素对井壁稳定的影响，计算钻井液侵入后的井壁坍塌压力系数。优化钻开地层不同时间段的钻井液密度的选择，解决钻井现场仅凭经验调整钻井、钻井液参数存在的问题，并判断井壁失稳周期，保障钻井安全，降低钻井成本。本专利技术提供一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：模拟环境下，在不同时间内钻井液浸入实验岩心后，测量岩心弱面的强度参数，确定岩心弱面在钻井液渗流作用下的强度变化曲线；基于所测量的岩心弱面强度参数，计算井壁坍塌压力。进一步地，所述方法包括确定坍塌压力当量系数，基于坍塌压力当量系数优化钻井液密度。优选地，设计钻井液密度，使钻井液密度值位于坍塌压力当量系数的最小值和最大值之间。进一步地，可获得地层的层理弱面的方位角Azim、弱面倾角Dip，根据井眼轨迹与地层层理的夹角，钻取同样夹角的实验岩心。进一步地，所述岩心弱面的强度参数包括内聚力Cwp和内摩擦角通过Mohr-Column方程计算井壁坍塌压力Pcr：其中，τN是层理弱面剪应力，σN是层理弱面正应力，τN和σN是井筒压力Pi以及地应力、井轨迹、弱面产状的函数，通过求解上述方程得到的Pi即为坍塌压力Pcr。进一步地，使用三轴压力试验机每隔固定时间测量实验岩心的抗压强度，包括：无围压下的单轴抗压强度σc，围压σ3下岩心的三轴抗压强度σ1，岩心弱面的内聚力Cwp、内摩擦角由下式计算：进一步地，所述τN和σN的计算方法如下：σN=l·XN+m·YN+n·ZNτN=XN2+YN2+ZN2-σN2]]>其中l，m，n为层理弱面方向向量，可根据井眼轨迹的井斜角方位角Ψ和弱面方位角Azim、弱面倾角Dip计算得到：l=cos(ψ)cos(φ)sin(Dip)cos(Azim)+cos(ψ)sin(φ)sin(Dip)sin(Azim)-sin(ψ)cos(Dip)m=-sin(φ)sin(Dip)cos(Azim)+cos(φ)sin(Dip)sin(Azim)n=sin(ψ)cos(φ)sin(Dip)cos(Azim)+sin(ψ)sin(φ)sin(Dip)sin(Azim)+cos(ψ)cos(Dip)]]>(XN，YN，ZN)为层理弱面上应力向量，计算方法如下：其中σxτxyτzxτxyσyτyzτzxτyzσz]]>为直角坐标系下井周应力张量，计算方法如下：σx=[cos(θ)σγγ-sin(θ)σγθ]cos(θ)-[cos(θ)σγθ-sin(θ)σθθ]sin(θ)σy=[sin(θ)σγγ+cos(θ)σγθ]sin(θ)+[sin(θ)σγθ+cos(θ)σθθ]cos(θ)σz=σbbτxy=[cos(θ)σγγ-sin(θ)σγθ]sin(θ)+[cos(θ)σγθ-sin(θ)σθθ]cos(θ)τyz=sin(θ)σbγ+cos(θ)σθbτzx=cos(θ)σbγ-sin(θ)σθb]]>其中θ为井周角；σγγτγθτbγτγθσθθτθbτbγτθbσbb]]>为柱坐标系下井周应力张量，计算方法如下：σγγ=Pi+δ(α(1-2ν)2(1-ν)(1-R2r2)-φp)(Pi-Pp)σθθ=(σxx-σyy)-2(σxx-σyy)cos(2θ)-4σxysin(2θ)-R2r2Pi+(α(1-2ν)2(1-ν)(1-R2r2)-φp)(Pi-Pp)σbb=σzz-v&ls本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：模拟环境下，在不同时间内钻井液浸入实验岩心后，测量岩心弱面的强度参数，确定岩心弱面在钻井液渗流作用下的强度变化曲线；基于所测量的岩心弱面强度参数，计算井壁坍塌压力。

【技术特征摘要】
1.一种适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：模拟环境下，在不同时间内钻井液浸入实验岩心后，测量岩心弱面的强度参数，确定岩心弱面在钻井液渗流作用下的强度变化曲线；基于所测量的岩心弱面强度参数，计算井壁坍塌压力。2.根据权利要求1所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，进一步包括确定坍塌压力当量系数，基于坍塌压力当量系数优化钻井液密度。3.根据权利要求2所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，设计钻井液密度，使钻井液密度值位于坍塌压力当量系数的最小值和最大值之间。4.根据权利要求1-3任一所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，获得地层的层理弱面的方位角Azim、弱面倾角Dip，根据井眼轨迹与地层层理的夹角，钻取同样夹角的实验岩心。5.根据权利要求1-3任一所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，所述岩心弱面的强度参数包括内聚力Cwp和内摩擦角通过Mohr-Column方程计算井壁坍塌压力Pcr：其中，τN是层理弱面剪应力，σN是层理弱面正应力，τN和σN是井筒压力Pi以及地应力、井轨迹、弱面产状的函数，通过求解上述方程得到的Pi即为坍塌压力Pcr。6.根据权利要求5所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，使用三轴压力试验机每隔固定时间测量实验岩心的抗压强度，包括：无围压下的单轴抗压强度σc，围压σ3下岩心的三轴抗压强度σ1，岩心弱面的内聚力Cwp、内摩擦角由下式计算：7.根据权利要求6所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，所述τN和σN的计算方法如下：{σN=l·XN+m·YN+n·ZNτN=XN2+YN2+ZN2-σN2.]]>8.根据权利要求7所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，其中l，m，n为层理弱面方向向量，可根据井眼轨迹的井斜角方位角Ψ和弱面方位角Azim、弱面倾角Dip计算得到：l=cos(ψ)cos(φ)sin(Dip)cos(Azim)+cos(ψ)sin(φ)sin(Dip)sin(Azim)-sin(ψ)cos(Dip)m=-sin(φ)sin(Dip)cos(Azim)+cos(φ)sin(Dip)sin(Azim)n=sin(ψ)cos(φ)sin(Dip)cos(Azim)+sin(ψ)sin(φ)sin(Dip)sin(Azim)+cos(ψ)cos(Dip)]]>(XN，YN，ZN)为层理弱面上应力向量，计算方法如下：XN=σxl+τxym+τzxnYN=σxyl+σym+τyznZN=τzxl+τyzm+σzn.]]>9.根据权利要求8所述的适用于层理裂隙地层的井壁坍塌压力计算方法，其特征在于，其中σxτxyτzxτxyσyτyzτzxτyzσz]]>为直角坐标系下井周应力张量，计算方法如下：σx=[cos(θ)σγγ-sin(θ)σγθ]cos(θ)-[cos(θ)σγθ-sin(θ)σθθ]sin(θ)σy=[sin(θ)σγγ+cos(θ)σγθ]sin(θ)+[sin(θ)σγθ+cos(θ)σ&theta...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曾伟，王怡，林永学，张凤英，李大奇，刘四海，刘金华，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11