一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法技术

一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法，首先收集准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料；对岩心进行烘干并测量电阻率、声波时差值，再浸泡获得水化后的对应值；再分别测量干燥岩样和浸泡岩样的断裂韧性值；之后测量岩样的润湿接触角、水化膨胀线应力，在上述基础上，根据应力强度因子计算模型求得井底液柱压力，该压力即为裂缝扩展压力；本申请还通过与现场测井资料结合，得到扩展压力剖面。本发明专利技术综合考虑水化作用和毛细管效应的影响，能够更加真实获取页岩地层井壁天然裂缝扩展压力，进而可以获得更为精确的钻井安全密度窗口。精确的钻井安全密度窗口。精确的钻井安全密度窗口。

【技术实现步骤摘要】
一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法


[0001]本专利技术属于页岩地层钻井
，具体涉及一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法。

技术介绍

[0002]页岩储层勘探开发过程中，井眼的形成打破了原地应力的平衡状态，井周应力将发生重新分布，造成应力集中形成新的井周应力场，这将对井壁稳定性产生影响。钻井过程中，井壁垮塌和地层漏失均是井下复杂事故类型之一，特别是对于具有“窄安全密度窗口”的地层，在钻井中，用于地层的钻井液密度选择至关重要。当钻井液密度低于坍塌压力密度时，地层可能发生垮塌，造成井眼不规则严重造成井报废，而当钻井液密度高于漏失压力或破裂压力密度时，地层将被压开，造成地层发生较严重漏失。地层安全密度窗口由坍塌压力和破裂压力共同确定，而当地层中发育天然裂缝时，地层漏失压力将低于破裂压力，地层安全密度窗口将由坍塌压力和漏失压力确定，因此，地层的漏失压力或者地层天然裂缝扩展压力的确定至关重要。页岩地层与钻井液相互作用，将发生水化作用，将弱化岩石的强度，其裂缝扩展压力是随水化时间动态变化的。传统计算页岩地层天然裂缝扩展压力时均没有考虑水化作用的影响。另外，页岩地层的毛细管效应又会使得水化作用变得更加复杂。目前还没有针对这方面的系统研究报道。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提出一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法，综合考虑水化作用和毛细管效应的影响，能够更加真实获取页岩地层井壁天然裂缝扩展压力，进而可以获得更为精确的钻井安全密度窗口。
[0004]本专利技术采取的技术方案是：
[0005]一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料；
[0007]步骤二：对获取的研究工区井下实验样品进行岩心描述，描述岩样的裂缝特征，统计分析储层裂缝的发育情况，或依据成像测井资料，统计分析储层裂缝的发育特征；钻取标准岩样30
‑
50块，烘干岩样后，测量干燥岩样的电阻率和超声波波速，获取原岩岩样的电阻率和声波时差；
[0008]步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验，之后，测量并获得浸泡后岩样的电阻率、声波时差，结合步骤二的测量结果，得到电阻率改变量、声波时差改变量；以电阻率改变量为自变量，以声波时差改变量为因变量，拟合二者之间的数学关系式，
[0009]Δ(Δt)＝f(ΔR)＝aΔR+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0010]式中：Δ(Δt)为水化作用导致岩样的声波时差改变量；ΔR为水化作用导致岩样的电阻率改变量；a、b为待定系数；
[0011]步骤四：按照人字型切槽巴西圆盘试样对步骤二的干燥岩样进行加工，并对加工岩样进行超声波测试，获取加工岩样的声波时差；在此基础上进行加工岩样断裂韧性测试，获取加工岩样断裂韧性值，并拟合得到岩样断裂韧性值的预测模型：
[0012]K
IC
＝dΔt
c
+e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]式中：K
IC
为加工的干燥岩样的断裂韧性值，MPa
·
m
1/2
；
△
t
c
为室内实验测量的纵波时差，μs/ft；d、e为待定系数；
[0014]步骤五：对步骤四加工后的岩样进行浸泡时间，并测试浸泡后岩样的断裂韧性，获取不同浸泡时间下岩样的断裂韧性值，进而获取不同浸泡时间下岩样断裂韧性值与未浸泡岩样的断裂韧性值的比例系数，并拟合比例系数与时间关系式：
[0015][0016]式中：t为浸泡时间，d；K
IC
(t)/K
IC
为比例系数；f、g为待定系数；
[0017]步骤六：利用光接触角法测量并获得不同浸泡时间下岩样的润湿接触角，页岩岩样润湿接触角与浸泡时间的关系式为：
[0018]θ＝k+i
×
exp(j
×
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0019]式中：θ为润湿接触角，
°
；k、i、j为待定系数；
[0020]步骤七：将步骤二的干燥岩样进行室内水化膨胀实验，测量页岩岩样水化膨胀线应力随时间的变化规律，并拟合水化膨胀线应力与时间的关系式为：
[0021]P/h＝m+n
×
exp(q
×
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]式中：P/h为水化膨胀线应力，MPa/m；h为岩样的长度，m；m、n、q为待定系数；
[0023]步骤八：在页岩地层中，井壁天然裂缝受到地应力、液柱压力、毛细管效应和水化作用的综合作用，且地应力、井底液柱压力、毛细管力和水化膨胀应力在裂纹表面都将产生正应力作用；
[0024]根据叠加原理，页岩地层井壁天然裂缝的应力强度因子由四个部分组成，分别为地应力作用下的尖端应力强度因子K
I
(A)，井底液柱压力作用下的尖端应力强度因子K
I
(B)，毛细管力作用下的尖端应力强度因子K
I
(C)，水化作用下的尖端应力强度因子K
I
(D)，计算式为
[0025]K
I
＝K
I
(A)+K
I
(B)+K
I
(C)+K
I
(D)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026][0027][0028][0029][0030][0031]式中：σ
H
、σ
h
分别为水平最大、最小主应力，MPa；L为裂缝长度，mm；λ为水平最大、最小主应力的比值；R为井眼半径，mm；p
w
为井底液柱压力，MPa；β为裂纹面与裂纹中轴线的夹角，
°
；w为裂缝的半宽度，mm；c为裂缝中液柱长度，mm；γ为界面张力，mN/m；P为作用于裂纹面上水化膨胀力，MPa；
[0032]步骤九：当裂纹尖端的应力强度因子K
I
大于断裂韧度K
Ic
时，裂纹将发生扩展，即当K
I
＝K
Ic
时，裂缝发生破坏，此时井底液柱压力即为天然裂缝的扩展压力，通过公式12计算求得。
[0033][0034]进一步的，步骤九中计算井底液柱压力的过程分为以下步骤：
[0035]1)首先根据现场资料得到以下参数：裂缝长度L、井眼半径R、水平最小主应力σ
h
、水平最大主应力σ
H
、水平最大、最小主应力的比值λ；界面张力γ、裂纹面与裂纹中轴线的夹角β、裂缝中液柱长度c；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种页岩地层井壁天然裂缝扩展压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料；步骤二：对获取的研究工区井下实验样品进行岩心描述，描述岩样的裂缝特征，统计分析储层裂缝的发育情况，或依据成像测井资料，统计分析储层裂缝的发育特征；钻取标准岩样30
‑
50块，烘干岩样后，测量干燥岩样的电阻率和超声波波速，获取原岩岩样的电阻率和声波时差；步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验，之后，测量并获得浸泡后岩样的电阻率、声波时差，结合步骤二的测量结果，得到电阻率改变量、声波时差改变量；以电阻率改变量为自变量，以声波时差改变量为因变量，拟合二者之间的数学关系式，Δ(Δt)＝f(ΔR)＝aΔR+b
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(1)式中：Δ(Δt)为水化作用导致岩样的声波时差改变量；ΔR为水化作用导致岩样的电阻率改变量；a、b为待定系数；步骤四：按照人字型切槽巴西圆盘试样对步骤二的干燥岩样进行加工，并对加工岩样进行超声波测试，获取加工岩样的声波时差；在此基础上进行加工岩样断裂韧性测试，获取加工岩样断裂韧性值，并拟合得到岩样断裂韧性值的预测模型：K
IC
＝dΔt
c
+e
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(2)式中：K
IC
为加工的干燥岩样的断裂韧性值，MPa
·
m
1/2
；
△
t
c
为室内实验测量的纵波时差，μs/ft；d、e为待定系数；步骤五：对步骤四加工后的岩样进行浸泡时间，并测试浸泡后岩样的断裂韧性，获取不同浸泡时间下岩样的断裂韧性值，进而获取不同浸泡时间下岩样断裂韧性值与未浸泡岩样的断裂韧性值的比例系数，并拟合比例系数与时间关系式：式中：t为浸泡时间，d；K
IC
(t)/K
IC
为比例系数；f、g为待定系数；步骤六：利用光接触角法测量并获得不同浸泡时间下岩样的润湿接触角，页岩岩样润湿接触角与浸泡时间的关系式为：θ＝k+i
×
exp(j
×
t)
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(4)式中：θ为润湿接触角，
°
；k、i、j为待定系数；步骤七：将步骤二的干燥岩样进行室内水化膨胀实验，测量页岩岩样水化膨胀线应力随时间的变化规律，并拟合水化膨胀线应力与时间的关系式为：P/h＝m+n
×
exp(q
×
t)
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(5)式中：P/h为水化膨胀线应力，MPa/m；h为岩样的长度，m；m、n、q为待定系数；步骤八：在页岩地层中，井壁天然裂缝受到地应力、液柱压力、毛细管效应和水化作用的综合作用，且地应力、井底液柱压力、毛细管力和水化膨胀应力在裂纹表面都将产生正应力作用；根据叠加原理，页岩地层井壁天然裂缝的应力强度因子由四个部分组成，分别为地应力作用下的尖端应力强度因子K
I
(A)，井底液柱压力作用下的尖端应力强度因子K
I
(B)，毛细
管力作用下的尖端应力强度因子K
I
(C)，水化作用下的尖端应力强度因子K
I
(D)，计算式为K
I
＝K
I
(A)+K
I
(B)+K
I
(C)+K
I
(D)
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(6)F
λ
(s)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊健，林海宇，刘向君，万有维，余小龙，梁利喜，丁乙，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：