一種預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于油氣鉆探工程技術領域，涉及預測地層坍塌壓力窗口的方法，尤其涉 及一種預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法。
【背景技術】
[0002] 我國大部分油氣資源集中在裂縫型儲層，此類地層鉆井是制約我國石油鉆探的關 鍵技術難題。由于地層受構造擠壓變形等作用，形成多套裂縫體系，且區(qū)域構造應力差較 大，存在高壓水層，因此導致鉆井過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)。當鉆井液密度較低時，無法支 撐井壁圍巖，從而導致井壁失穩(wěn)；當鉆井液密度較高時，鉆井液侵入裂縫內(nèi)部，降低壁面正 應力和縫內(nèi)粘聚力，同樣導致井壁失穩(wěn)。這表明弱面地層坍塌壓力自身存在當量密度窗口， 若鉆井液密度選擇不當，將給鉆井作業(yè)帶來不同程度的人力、物力損失，因此在鉆井前事先 預測鉆井液密度是非常必要的，它可以有效阻止井壁失穩(wěn)，防止井下復雜情況的發(fā)生。
[0003] 目前，人們采用多種方法預測鉆井前地層坍塌壓力，僅中國石油大學就申請了多 篇相關專利，比如，公開號為1966934A的發(fā)明專利公開了一種隨鉆預測鉆頭底下地層坍塌 壓力的方法，包括：提取待鉆井和與該待鉆井相鄰的已鉆井旁若干道地震記錄，加權處理得 到該待鉆井和已鉆井的地震記錄；對已鉆井進行聲波時差和密度測井，得到已鉆井不同層 段的測井數(shù)據(jù)；利用測井數(shù)據(jù)和地震記錄，建立預測地層聲波速度、波阻抗的分層模型；預 測待鉆井鉆頭底下地層的測井曲線；結(jié)合井壁穩(wěn)定力學模型預測該待鉆井鉆頭底下地層的 坍塌壓力。公開號為CN1588127A的發(fā)明專利公開了一種利用地震層速度鉆前預測坍塌壓 力的方法。無論是上述兩篇專利的技術方案，還是其他現(xiàn)有技術方案，雖然都取得了一定的 技術效果，但是僅考慮了鉆井液密度較低時導致井壁失穩(wěn)的狀態(tài)，而忽略了鉆井液密度較 高時也會導致井壁失穩(wěn)的問題，因此不能全面預測地層坍塌壓力窗口，從而使現(xiàn)場操作受 到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種預測弱面地層坍塌壓力當量密度 窗口的方法，其按照先后順序包括以下步驟：
[0005] 步驟一：根據(jù)弱面地層的特點，將其分為致密段和裂縫段；
[0006] 步驟二：利用巖石三軸壓縮試驗測試巖石彈性力學參數(shù)、巖石本體強度、巖石弱面 強度，利用聲發(fā)射試驗測試地層地應力分布，利用測井參數(shù)反演得到地層孔隙壓力分布，利 用氣測滲透率儀測試地層滲透率，利用測井成像觀測地層裂縫產(chǎn)狀；
[0007] 步驟三：利用流固耦合力學理論反演致密型地層井周圍巖的應力分布和孔隙壓力 分布，并結(jié)合摩爾庫倫破壞準則確定致密型地層坍塌壓力當量密度的下限;
[0008] 步驟四：利用巖石弱面破壞準則分析弱面地層井周圍巖的破壞狀態(tài)，并確定裂縫 型地層坊塌壓力當星浩度窗口的下限P裂縫型，下限和上限P裂縫型，上限；
[0009] 步驟五：根據(jù)致密型地層和裂縫型地層的特點，建立弱面地層坍塌壓力當量密度 窗口的計算板型為Pc={max(P致密型，下限，P裂縫型，下限），P裂縫型，上限}，并將測試得到的各參數(shù) 值代入計算模型中，即可確定弱面地層坍塌壓力當量密度窗口。
[0010] 本發(fā)明的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，通過測井資料和室內(nèi)試驗 確定模型計算所需要的巖石力學參數(shù)，綜合致密型地層孔隙彈性模型和裂縫型地層弱面破 壞模型，在給定某一允許的井徑擴大率下，得到弱面地層坍塌壓力當量密度窗口，并繪制井 壁圍巖失穩(wěn)程度預測圖示，以便在鉆井設計和現(xiàn)場施工時為確定安全鉆井液密度提供科學 依據(jù)，可有效阻止井壁失穩(wěn)，防止井下復雜情況的發(fā)生。
[0011] 優(yōu)選的是，所述步驟一中，致密段地層與裂縫段地層呈互層形式存在于弱面地層 中。弱面地層具有強度各向異性的特點。
[0012] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，巖石彈性力學參數(shù)包括彈性模量和 泊松比。
[0013] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，巖石本體強度包括巖石本體粘聚力 和巖石本體內(nèi)摩擦角。
[0014] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，巖石弱面強度包括巖石弱面粘聚力 和巖石弱面內(nèi)摩擦角。
[0015] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，地層地應力包括上覆巖層壓力、水平 最大主應力和水平最小主應力。
[0016] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟二中，地層裂縫產(chǎn)狀包括裂縫傾向和裂縫 傾角。
[0017] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述步驟三中，利用流固耦合力學理論的基本方程 和拉普拉斯變換原理解析井周圍巖的孔隙壓力分布和應力分布。
[0018] 打開井壁瞬間，井周圍巖應力重新分布，孔隙形狀和體積發(fā)生變化，地層內(nèi)部流體 與固體之間發(fā)生強烈的相互作用，因此，在弱面地層的致密段采用流固耦合力學模型預測 坍塌壓力當量密度?；诋厞W特（Biot)流固耦合理論，可得到非均勻地應力場下的井周圍 巖應力分布和孔隙壓力分布，結(jié)合摩爾庫倫破壞準則，即可判斷某一鉆井液密度下井壁是 否失穩(wěn)。
[0019] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述流固耦合力學理論的基本方程包括本構方程和 其他方程。本構方程中，流體壓力與致密段巖石基質(zhì)變形是雙向耦合在一起的。
[0020] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述流固耦合力學理論的本構方程為
【主權項】
1. 一種預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其按照先后順序包括以下步驟： 步驟一：根據(jù)弱面地層的特點，將其分為致密段和裂縫段； 步驟二：利用巖石三軸壓縮試驗測試巖石彈性力學參數(shù)、巖石本體強度、巖石弱面強 度，利用聲發(fā)射試驗測試地層地應力分布，利用測井參數(shù)反演得到地層孔隙壓力分布，利用 氣測滲透率儀測試地層滲透率，利用測井成像觀測地層裂縫產(chǎn)狀； 步驟三：利用流固耦合力學理論反演致密型地層井周圍巖的應力分布和孔隙壓力分 布，并結(jié)合摩爾庫倫破壞準則確定致密型地層坍塌壓力當量密度的下限; 步驟四：利用巖石弱面破壞準則分析弱面地層井周圍巖的破壞狀態(tài)，并確定裂縫型地層坊塌壓力當星浩度窗口的下限P裂_，T限和上限P裂麵，上限； 步驟五：根據(jù)致密型地層和裂縫型地層的特點，建立弱面地層坍塌壓力當量密度窗口 的計算板型為Pc= {max (P a密型，下限，P裂縫型，下限），P裂縫型，上限}，并將測試得到的各參數(shù)值代 入計算模型中，即可確定弱面地層坍塌壓力當量密度窗口。
2. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟一中，致密段地層與裂縫段地層呈互層形式存在于弱面地層中。
3. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟二中，巖石彈性力學參數(shù)包括彈性模量和泊松比。
4. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟二中，巖石本體強度包括巖石本體粘聚力和巖石本體內(nèi)摩擦角。
5. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟二中，巖石弱面強度包括巖石弱面粘聚力和巖石弱面內(nèi)摩擦角。
6. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟二中，地層地應力包括上覆巖層壓力、水平最大主應力和水平最小主應力。
7. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟二中，地層裂縫產(chǎn)狀包括裂縫傾向和裂縫傾角。
8. 如權利要求1所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步驟三中，利用流固耦合力學理論的基本方程和拉普拉斯變換原理解析井周圍巖的孔隙 壓力分布和應力分布。
9. 如權利要求8所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述流固耦合力學理論的基本方程包括本構方程和其他方程。
10. 如權利要求9所述的預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，其特征在于：所 述流固耦合力學理論的本構方程為
其中，P 井周圍巖孔隙壓力，MPa ; M^.一一剛度矩陣系數(shù)； 〇--井周圍巖應力，MPa; e--井周圍巖應變； a一一平行于層里面的畢奧特系數(shù)； a r 一一垂直于層里面的畢奧特系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預測弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的方法，按照先后順序包括以下步驟：根據(jù)弱面地層特點，將其分為致密段和裂縫段；利用巖石三軸壓縮試驗測試巖石本體強度、巖石弱面強度；利用流固耦合模型反演致密型地層井周圍巖的應力分布和孔隙壓力分布，結(jié)合摩爾庫倫破壞準則確定致密型地層坍塌壓力當量密度的下限；利用巖石弱面破壞準則分析弱面地層井周圍巖的破壞狀態(tài)，確定裂縫型地層坍塌壓力當量密度窗口的下限和上限；建立弱面地層坍塌壓力當量密度窗口的計算模型，將各參數(shù)值代入模型，即可確定弱面地層坍塌壓力當量密度窗口。本發(fā)明可在鉆井前預測到弱面地層坍塌壓力當量密度窗口，以便合理選擇鉆井液密度，有效阻止井壁失穩(wěn)的發(fā)生。
【IPC分類】E21B49-00
【公開號】CN104806233
【申請?zhí)枴緾N201510077224
【發(fā)明人】盧運虎, 金衍, 陳勉, 劉銘
【申請人】中國石油大學(北京)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年2月12日