一种深井、超深井井壁稳定评价模型的建立方法

技术领域

本发明涉及油气地质和开发领域，具体涉及一种深井、超深井井壁稳定评价模型的建立方法。

背景技术

随着我国浅层油气开发进入中后期，油气的勘探开发开始面向深层地层，深部地层所处的环境十分复杂，若无法准确的预测地层的破裂压力及坍塌压力，很容易造成井漏、井塌等事故，影响钻井过程的正常进行以及后期的投产，造成巨大的经济损失。传统的井壁稳定评价模型的线性Mohr-Coulomb强度准则判据未考虑高围压条件下岩石强度的非线性特征，所预测的井壁坍塌压力当量密度过于保守，从而导致低钻速、高伤害、粘附卡钻、压漏地层等问题。钻井液密度是钻井施工中最关键的参数之一，密度过低，井喷井涌，井壁坍塌，密度过高，降低钻速，伤害储层，粘附卡钻，诱发井漏。

针对这些问题，国内外学者已经进行了大量研究，例如：分析不同的强度准则以及强度准则参数选取等对井壁稳定性的影响等(张明明,范翔宇,杨博仲,肖振华,赵鹏斐,么勃卫.基于修正Mogi-Coulomb准则的井周剪切失稳区域分析[J].断块油气田,2020,27(05):647-652.席境阳.深井超深井岩石强度准则适用性的理论研究[A].中国力学学会、北京理工大学.中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大会论文集(A)[C].中国力学学会、北京理工大学:中国力学学会,2017:9.朱玺玺,陈从新,夏开宗.基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数确定方法[J].长江科学院院报,2015,32(09):111-117.)。

发明内容

本发明针对现有井壁稳定评价模型的不足，提出一种深井、超深井井壁稳定评价模型的建立方法。

本发明采用的技术方案是：

一种深井、超深井井壁稳定评价模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤1：获取采集岩样开展岩石力学实验，获取岩石力学参数；

步骤2：根据步骤1得到的实验数据，绘制强度-围压曲线；

步骤3：获取笛卡尔坐标系下井周应力分布模型，得到井壁上三个主应力的表达式；

步骤4：根据强度准则判据得到井壁坍塌压力判据，将步骤3得到的主应力表达式，代入强度准则判据，得到井壁坍塌压力当量密度计算模型；

步骤5：根据钻井参数和步骤4得到的井壁坍塌压力当量密度计算模型对井壁稳定性进行评价。

进一步的，所述步骤1中的力学实验为单轴和三轴岩石力学参数测试；得到的岩石力学参数包括：岩样单轴抗压强度、不同围压下岩样三轴抗压强度、弹性模量、泊松比。

进一步的，所述步骤4中的强度准则判据包括Mohr-Coulomb直线型准则、Hoke-Brown非线性屈服准则、Bieniawski幂函数准则。

进一步的，所述步骤3中的笛卡尔坐标系下应力分布模型如下：

式中，σ

井壁上三个主应力表达式如下：

式中：p

进一步的，所述步骤5中的钻井参数包括最大水平主应力、最小水平主应力，垂向应力，孔隙压力，井径半径，井深，泊松比，有效应力系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明建立的井壁稳定评价模型提高了深井、超深井条件下地层坍塌压力计算的精确度；

(2)本发明可以根据井壁稳定评价模型确定钻井液的临界密度，在高围压环境下远远低于由M-C准确确定的实际钻井液临界密度，大大减少了钻井成本，有效提高了钻速，避免了由于钻井液密度过大导致地层剪切破坏，从而使钻井液大量侵入井壁，降低井壁围岩的强度，造成井壁失稳；

(3)本发明井壁稳定性评价方法更加合理，能够更加准确的评价井壁稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例不同强度准则的拟合结果。

图2为本发明实施例的井周应力分布。

图3为本发明实施例的井壁稳定性评价得到的井壁稳定分析结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

下面以须家河组某井为例，进行井壁稳定性分析评价。具体包括以下步骤：

首先确定须家河组某井层位，并收集相应的钻井资料；钻井资料包括最大水平主应力σ

然后找到地下岩层的地面露头，避开断裂带和高构造应力带，清楚表面风化带，制取大块岩样或岩心。在研究区区域寻找地层露头的原因是，石油行业有着完全不同于其他行业的特殊性，作业目标都是地下几千米的深层或超深层岩体。因此对岩石参数的测试有着范围宽、精度高、参数多、高温高压、目标岩体种类多、岩体性质差异大等特点。这就要求测试次数特别多，所需样本数量大；同时，石油行业的目标岩体埋深深、作业空间小，样本获取成本高、难度大、体积小、数量少。当无法获取井下岩心或者井下岩心数量不够时，找到地下岩层的地面露头，避开断裂带和高构造应力带，清除表面风化带，制取直径×长度为25mm×50mm的岩样。

步骤1：获取采集岩样开展岩石力学实验，获取岩石力学参数。

首先对所制取的岩样进行均质性筛选，包括其纵横波速测量、孔渗参数测试、密度测试，从而剔除非均质岩石，减小岩样非均质性对实验结果的影响。然后对岩样开展单轴和三轴岩石力学参数测试，需要获取的岩石参数包括：岩样单轴抗压强度、不同围压条件下岩样三轴抗压强度、弹性模量、泊松比。

本实施例中选取的岩样参数如下表所示。

表1.岩样力学参数表

步骤2：根据步骤1得到的实验数据，绘制强度-围压曲线，并探讨直线型Mohr-Coulomb直线型准则、Hoke-Brown非线性屈服准则、Bieniawski幂函数准则；Bieniawski幂函数准则在不同围压条件下对岩石强度评价的准确性及适用性。

在井深5000m的条件下，井壁围岩处于高围压状态下，在此状态下，Hoke-Brown强度准则对于岩石强度的评价更加准确。因此，本实施例中采取基于Hoke-Brown强度准则，建立坍塌压力井壁稳定模型。强度准则拟合结果如图1所示。

步骤3：获取笛卡尔坐标系下井周应力分布模型，如图2所示，推导得到井壁上三个主应力的表达式。

笛卡尔坐标系下应力分布模型如下：

式中，σ

在多孔隙连续介质中，地层矿物颗粒的作用力和孔隙压力一起支持着外部的总应力，即有效应力等于总压力与孔隙压力差；因此有效应力越大，岩石抵抗变形能力越强。根据有效应力理论，对任意井斜角和井斜方位角的地层，钻井后井壁径向、轴向和周向有效应力三个主应力表达式如下：

式中：p

步骤4：根据强度准则判据得到井壁坍塌压力判据，将步骤3得到的主应力表达式，代入强度准则判据，得到井壁坍塌压力当量密度计算模型；

将最大主应力和最小水平主应力带入Hoke-Brown强度准则判据，得到井壁稳定坍塌压力当量密度计算新模型，如下式：

步骤5：根据钻井参数(本实施例选择的是须家河某井的钻井参数)和步骤4得到的井壁坍塌压力当量密度计算模型对井壁稳定性进行评价，如图3所示。

钻井液密度ρ＝1.2g/cm

表2须家河组某井参数

其中井壁稳定性评价分析指的是井壁坍塌压力当量密度随井斜角、方位角的变化，如图3所示。本实施例选取的井壁稳定分析软件为MathCAD软件，该软件作为工程计算的专用软件，可以采用接近在黑板写公式的方式表述所要求解的问题。通过地层计算引擎返回结果并显示在屏幕上。在MathCAD软件中输入地层参数，包括：最大水平主应力σ

分析结果显示，该地层条件下井壁坍塌压力当量密度随着井斜角的增加而减小；本发明方法确定的钻井液临界密度，在高围压环境下远远低于由M-C准则确定的实际钻井液临界密度，大大减少了钻井成本，有效提高了钻速，避免了由于钻井液密度过大导致地层剪切破坏，从而使钻井液大量侵入井壁，降低井壁围岩的强度，造成井壁失稳。所以本发明方法提出的坍塌压力预测方法更加合理，能够更加准确的评价井壁稳定性。