本發(fā)明涉及油氣田鉆井中的壓力衰竭地層井壁穩(wěn)定性研究，具體地指一種適用于壓力衰竭地層的井壁穩(wěn)定的研究方法。

背景技術(shù)：

大部分油氣田在開采一段時(shí)間之后，地層能量都會有不同程度的下降。根據(jù)在壓力衰竭地層的現(xiàn)場鉆井情況統(tǒng)計(jì)，在壓力衰竭井段極易發(fā)生井漏、卡鉆等事故。例如在中國南海西部鶯歌海盆地MD氣田經(jīng)過二十多年的開采，儲集層壓力系數(shù)已經(jīng)下降至0.5左右。為了滿足生產(chǎn)計(jì)劃要求，并于2010年起增打多口調(diào)整井，在調(diào)整井的鉆進(jìn)過程中壓力衰竭井段井漏、卡鉆等事故發(fā)生率占整個(gè)井段的80％以上。針對該現(xiàn)象，為了減少壓力衰竭井段事故發(fā)生率，國內(nèi)外研究基本上集中于鉆井液性能優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，缺乏理論上深入研究壓力衰竭地層井壁失穩(wěn)原因。雖然目前也有國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對壓力衰竭地層的地應(yīng)力、坍塌破裂壓力變化進(jìn)行了研究，但是都是建立在巖石特性參數(shù)不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上得到的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，雖然據(jù)此得到的數(shù)學(xué)計(jì)算模型較簡介，但是坍塌破裂壓力預(yù)測精度低的同時(shí)還沒有形成一套具體成型的壓力衰竭地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測方法，在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中有諸多限制。如果不對壓力衰竭地層坍塌、破裂壓力進(jìn)行精確預(yù)測，而是沿用油氣田開發(fā)初期的安全泥漿密度窗口，極有可能因?yàn)殂@井液密度選用不準(zhǔn)確而導(dǎo)致井漏、卡鉆等事故的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)場越來越高的精度要求以及目前對壓力衰竭地層的研究不足，本發(fā)明綜合地下巖石力學(xué)、測井學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、彈性力學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科知識點(diǎn)，從地層壓力衰竭后巖石骨架顆粒的微觀變形情況入手，到巖石的宏觀聲波響應(yīng)表現(xiàn)、特性參數(shù)變化等，并充分利用該油田地層壓力未衰竭時(shí)的部分資料(如巖石骨架密度測井、泥質(zhì)含量測井、地層壓力以及坍塌破裂壓力實(shí)測點(diǎn)，地層巖心等)，最終建立了一個(gè)完整的壓力衰竭地層的安全泥漿密度窗口預(yù)測方法。利用該方法可以準(zhǔn)確預(yù)測壓力衰竭地層的坍塌、破裂壓力，預(yù)測精度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種適用于壓力衰竭地層的井壁穩(wěn)定的研究方法，包括以下步驟：

1)收集距離待鉆井位最近的已鉆井的儲層巖心，通過大量室內(nèi)巖心聲波實(shí)驗(yàn)，記錄巖石有效應(yīng)力與對應(yīng)的聲波傳播速度數(shù)據(jù)，通過對大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并標(biāo)識在坐標(biāo)紙上，得到巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間的關(guān)系；通過對大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并標(biāo)識在坐標(biāo)紙上，發(fā)現(xiàn)巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間呈現(xiàn)出良好的曲線關(guān)系，即存在著某種數(shù)學(xué)關(guān)系。為了找出巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分別假設(shè)兩者之間存在著二次關(guān)系、三次關(guān)系、對數(shù)關(guān)系，然后對其相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對數(shù)函數(shù)相關(guān)性高達(dá)0.85以上，因此最終確定巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間存在著對數(shù)關(guān)系；

2)首先根據(jù)巖石密度測井?dāng)?shù)據(jù)積分得到上覆巖層壓力，再根據(jù)油氣田儲集層地層壓力衰竭情況，確定出地層巖石有效應(yīng)力大小，然后確定上覆巖層壓力、地層壓力、有效應(yīng)力三者之間的關(guān)系如下(油田卡開采一段時(shí)間后地層能量下降導(dǎo)致地層壓力衰竭，但是不會影響地層巖石礦物含量，不會影響巖石骨架顆粒密度。因此，可以充分利用油田地層壓力未衰竭時(shí)所測的測井資料，比如地層巖石泥質(zhì)含量測井?dāng)?shù)據(jù)、地層巖石密度測井?dāng)?shù)據(jù)。)：

σ_c＝p_u-αp_p (2)

其中σ_c為有效應(yīng)力、p_u為上覆巖層壓力、p_p為地層壓力、α為應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)，α為0.8～0.9；

3)根據(jù)步驟2)得到的地層有效應(yīng)力帶入到步驟1)中得到的巖石有效應(yīng)力與聲波速度的對數(shù)關(guān)系，即得到壓力衰竭地層的地層聲波速度數(shù)據(jù)，結(jié)合該聲波數(shù)據(jù)，最終得到壓力衰竭后巖石彈性模量、泊松比

a、彈性模量與聲波速度關(guān)系

b、泊松比與聲波速度關(guān)系

其中E₁—壓力衰竭后巖石彈性模量；μ₁—壓力衰竭后巖石泊松比；V_p—縱波速度；V_s—橫波速度；

4)建立地應(yīng)力計(jì)算模型：

a.為了得到方便應(yīng)用于現(xiàn)場的地應(yīng)力計(jì)算模型，特假設(shè)地層巖石為各向同性彈性體，壓力衰竭前地層巖石變形公式為：

壓力衰竭后地層巖石變形公式為：

式中ε為巖石形變；i、j、k分別代表空間直角坐標(biāo)中三個(gè)不同的方向，同時(shí)σ_x＝σ_H(水平最大主應(yīng)力)、σ_y＝σ_h(水平最小主應(yīng)力)、σ_z＝σ_v(垂向主應(yīng)力)；

b.地層壓力下降后，基巖應(yīng)力必然增加將導(dǎo)致巖石顆粒擠壓變形，油氣田地表會出現(xiàn)一定程度的下沉，但是下沉量一般遠(yuǎn)小于儲集層埋深，認(rèn)為上覆巖層壓力在油氣壓力衰竭前后不變，即σ_v0＝σ_v1＝σ_v；同時(shí)由于致密圈閉層的存在，限制了巖石在水平方向上的變形，即ε_H1-ε_H0＝ε_h1-ε_h0＝0，建立了地應(yīng)力計(jì)算模型：

其中σ_v、σ_H、σ_h為三個(gè)主地應(yīng)力；P為孔隙壓力；α為應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)；物理量下標(biāo)0、1分別表示物理量處于壓力衰竭前、后狀態(tài)；

5)利用步驟3)得到的壓力衰竭后巖石特性參數(shù)值，即壓力衰竭后巖石彈性模量和泊松比，及其油田原始地層數(shù)據(jù)，即原始地應(yīng)力、原始彈性模量、泊松比、原始孔隙壓力及衰竭后孔隙壓力，計(jì)算得到壓力衰竭后地層地應(yīng)力值；

6)根據(jù)壓力衰竭地層井段的井壁應(yīng)力分析公式，結(jié)合步驟5)得到壓力衰竭后的地應(yīng)力值，最終確定出壓力衰竭地層的坍塌、破裂壓力，當(dāng)在壓力衰竭地層鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度小于所計(jì)算的坍塌壓力將會導(dǎo)致井壁坍塌，當(dāng)鉆井密度大于所計(jì)算的破裂壓力時(shí)將會導(dǎo)致井壁破裂，從而為壓力衰竭地層鉆井的鉆井液密度選擇提供指導(dǎo)依據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中，對于單組室內(nèi)巖心聲波實(shí)驗(yàn)，巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間的關(guān)系為對數(shù)關(guān)系，其公式為：

v_p＝Aln(σ_c)+B (1a)

其中，v_p為聲波速度，Km/s；σ_c為巖石有效應(yīng)力，MPa；A、B為常數(shù)A為0～1，B為1～3。

再進(jìn)一步地，所述步驟1)中，對于多組室內(nèi)巖心聲波實(shí)驗(yàn)，將存在多組A、B值，為了盡量地層聲波速度預(yù)測誤差，在選用A、B系數(shù)值時(shí)，選用其平均值，即：

最終該區(qū)塊巖石有效應(yīng)力與聲波速度之間的關(guān)系：

其中v_p為聲波速度，Km/s；σ_c為巖石有效應(yīng)力，MPa；A、B為常數(shù)，與地區(qū)地層性質(zhì)有關(guān)，A為0～1，B為1～3；n為實(shí)驗(yàn)組數(shù)，A_i、B_i分別為第i組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸公式系數(shù)值。

再進(jìn)一步地，所述步驟2)中，上覆巖層壓力根據(jù)不同條件下，計(jì)算方式不同：

a、陸地上，并且有整個(gè)井段的密度測井資料

其中p_u為上覆巖層壓力；ρ_i為測井資料中第i個(gè)密度測井值；g為重力加速度；Δh為密度測井值間距；d是微分符號，dh是h的微分；

b、陸地上，但是只有下部井段的密度測井資料

根據(jù)部分井段的密度測井資料通過數(shù)學(xué)回歸得到地層巖石密度與井深之間的函數(shù)關(guān)系ρ＝f(h)，則

c、海上

海上油氣井井段上部地層特別是深水情況下的井段上部地層不能簡單的通過下部井段密度測井資料數(shù)學(xué)回歸得到密度與井深之間的關(guān)系，必須選用目前應(yīng)用比較普遍的Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ對淺部地層密度擬合，則

其中V_Int為地層層速度，m、n為常系數(shù)，均為0～1。

再進(jìn)一步地，所述步驟6)中，

若壓力衰竭地層井段為直井段，則直井井段的井壁的坍塌壓力、破裂壓力公式如下：

p_f＝3σ_h-σ_H-αp_p+S_t (5b)

其中p_t、p_f分別為坍塌、破裂壓力，g/cm³；η為應(yīng)力非線性修正系數(shù)，范圍0～1；σ_H、σ_h分別為最大、最小水平主地應(yīng)力，MPa；F_c為巖石粘聚力，MPa；H為井深，m；p_p為地層孔隙壓力，g/cm³；S_t為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；K＝cot(45°-φ/2)，φ為巖石內(nèi)摩擦角。

再進(jìn)一步地，所述步驟6)中，

斜井坍塌壓力、破裂壓力的計(jì)算公式：

a、斜井井壁上的三個(gè)主應(yīng)力

σ_r＝p_i-δφ(p_i-p_p)

其中σ_1,2、σ_r為斜井井壁上的三個(gè)主應(yīng)力；σ_z為井壁軸向應(yīng)力；σ_θ為井壁周向應(yīng)力；σ_θz為軸向切應(yīng)力；φ為巖石孔隙度，0～1；p_i為井底壓力；p_p為孔隙壓力；當(dāng)斜井井壁滲漏時(shí)，δ＝1；當(dāng)井壁無滲漏時(shí)，δ＝0；

b、巖石剪切破壞

c、拉伸破壞準(zhǔn)則

σ_min-δα(p_i-p_p)-αp_p＝-T (6c)

其中T為巖石抗拉強(qiáng)度；

d、坍塌壓力確定

(1)給定一個(gè)初值p_i值；

(2)根據(jù)計(jì)算出θ值；

(3)根據(jù)式(6a)計(jì)算出σ_1,2、σ_r；

(4)比較σ₁、σ₂、σ_r的大小，看其滿足式(6b)哪一個(gè)條件，然后帶入相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)式中看其是否滿足式(6b)選中的那個(gè)條件；如果滿足，則p_i值即為坍塌壓力；如果不滿足，則改變p_i值重復(fù)上述計(jì)算過程，直至滿足為止；

e、破裂壓力計(jì)算

(1)給定一個(gè)初值p_i值；

(2)根據(jù)計(jì)算出θ值

(3)根據(jù)式(6a)計(jì)算出σ_1,2、σ_r；

(4)比較σ₁、σ₂、σ_r的大小，令其最小值等于σ_min，然后帶入式(6c)中看其是否滿足式(6c)等式；如果滿足，則p_i值即為破裂壓力；如果不滿足，則改變p_i值重復(fù)上述計(jì)算過程，直至滿足為止。

本發(fā)明的核心思想如下，地層壓力衰竭后基巖應(yīng)力增加則必然會導(dǎo)致地層巖石發(fā)生微小變形，接下來宏觀導(dǎo)致巖石聲波響應(yīng)、地應(yīng)力、特性參數(shù)等發(fā)生改變，最終表現(xiàn)在地層坍塌、破裂壓力的變化，直接體現(xiàn)在油氣田地層壓力發(fā)生衰竭后安全泥漿密度窗口的變化。

本發(fā)明的核心思想如下，地層壓力衰竭后基巖應(yīng)力增加則必然會導(dǎo)致地層巖石發(fā)生微小變形，接下來宏觀導(dǎo)致巖石聲波響應(yīng)、地應(yīng)力、特性參數(shù)等發(fā)生改變，最終表現(xiàn)在地層坍塌、破裂壓力的變化，直接體現(xiàn)在油氣田地層壓力發(fā)生衰竭后安全泥漿密度窗口的變化。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)地層壓力衰竭后坍塌破裂壓力預(yù)測精度高，壓力衰竭井段安全泥漿密度窗口準(zhǔn)確性強(qiáng)，能夠推薦更精確的鉆井液密度；

2)多學(xué)科知識點(diǎn)綜合應(yīng)用，形成完整的研究體系，現(xiàn)場應(yīng)用方便，可操作性強(qiáng)。

3)根據(jù)室內(nèi)巖心聲波實(shí)驗(yàn)的大量數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)確定了在一定的巖石有效應(yīng)力范圍內(nèi)有效應(yīng)力與聲波速度之間具有對數(shù)關(guān)系，為國內(nèi)首創(chuàng)。

4)考慮壓力衰竭后巖石特性參數(shù)變化改進(jìn)完善地應(yīng)力計(jì)算模型，得到新的地應(yīng)力計(jì)算模型。

綜上所述：本發(fā)明計(jì)算方法的精確度較高，只有破裂壓力的預(yù)測上稍微有點(diǎn)誤差。

附圖說明

圖1為井深1301m處地層巖心聲波實(shí)驗(yàn)圖；

圖2為井深1345.89m處地層巖心聲波實(shí)驗(yàn)圖；

圖3為井深1346.19m處地層巖心聲波實(shí)驗(yàn)圖；

圖4為壓力衰竭后地層聲波時(shí)差與未衰竭時(shí)的地層聲波時(shí)差對比圖；圖5為地層壓力衰竭前后巖石特性參數(shù)對比圖；

圖6為地層壓力衰竭前后最大水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度對比圖；

圖7為地層壓力衰竭前后最小水平主地應(yīng)力當(dāng)量密度對比圖；

圖8為地層壓力衰竭后坍塌破裂壓力計(jì)算值。

具體實(shí)施方式

為了更好地解釋本發(fā)明，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的主要內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于以下實(shí)施例。

中國南海西部某盆地D氣田于20世紀(jì)末投入生產(chǎn)，該氣藏地質(zhì)分層自上而下分別為第四系、鶯歌海組、黃流組，儲層為Y2段Ⅲ氣段。儲層上部以泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，儲層段以粉砂巖為主，夾有灰色泥巖隔層。開采初期儲層與上部地層都屬于正常壓力系統(tǒng)，經(jīng)過近二十年的衰竭式開采，儲層壓力衰竭非常嚴(yán)重。DF111井1997年投入生產(chǎn)，儲層Y2段Ⅲ氣組壓力衰竭至0.46g/cm³，DF211井為2012年增加的調(diào)整井，兩口井相距較近。

第一步：收集地層原始資料(具體收集項(xiàng)見表1)，作為地層原始狀態(tài)；收集壓力衰竭后地層資料(具體收集項(xiàng)見表2)，作為地層壓力衰竭后地層狀態(tài)實(shí)際值，驗(yàn)證理論計(jì)算值。

DF111井為原始井(20世紀(jì)末完鉆)，收集該井的地應(yīng)力、坍塌破裂壓力作為該井附近地區(qū)的地層巖石原始狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 DF111井附近地層壓力未衰竭時(shí)的地層實(shí)際狀態(tài)

DF211井為調(diào)整井(2012年完鉆)，儲氣層地層壓力已經(jīng)下降至0.46g/cm3，收集該井的地應(yīng)力、坍塌破裂壓力作為該井附近地區(qū)壓力衰竭后的地層巖石狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 DF211井附近地層壓力衰竭后的地層實(shí)際狀態(tài)

第二步：收集地層巖心，通過聲波實(shí)驗(yàn)確定該油氣田區(qū)域有效應(yīng)力與聲波速度公式。

收集DF111井儲集層巖心(DF211井為探井，未取心)，通過室內(nèi)巖心聲波實(shí)驗(yàn)，得到多組模擬地層條件下的巖石有效應(yīng)力與聲波速度，如圖1—圖3。

根據(jù)三處不同井深點(diǎn)的聲波實(shí)驗(yàn)擬合出的有效應(yīng)力與縱波速度之間公式，得到該油氣田相關(guān)公式系數(shù)：

確定該油氣田區(qū)域的儲集層巖石有效應(yīng)力與聲波速度公式：

V_p＝0.2246ln(σ_c)+2.0942

第三步：

收集DF111井的地層密度測井，由于該氣田位于中國南海西部，地層密度測井缺少淺部地層密度測井，因此采用應(yīng)用較為廣泛的淺部地層密度擬合模型——Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ(其中ρ為地層密度，V_Int為地層層速度，m、n為常系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值)對淺部地層密度擬合。海水密度確定為1.07g/cm³。采用數(shù)學(xué)積分方法，求得地層上覆巖層壓力p_u：

其中，0～h1為水深，h1～h2為缺乏密度測井的淺部地層，h2～h3為具有密度測井井段。

并根據(jù)巖石有效應(yīng)力公式σ_c＝p_u-αp_p，得到地層壓力衰竭到0.46g/cm³時(shí)的地層聲波速度：

V_p＝0.2246ln(p_u-αp_p)+2.0942

地層聲波速度與聲波時(shí)差存在著倒數(shù)關(guān)系，因此得到壓力衰竭后地層聲波時(shí)差與未衰竭時(shí)的地層聲波時(shí)差對比圖，見圖4；

第四步：

根據(jù)前三步得到的壓力衰竭地層聲波時(shí)差并結(jié)合地層泥質(zhì)含量測井、密度測井、井徑測井等得到地層壓力衰竭后巖石特性參數(shù)值，并與原始值對比，見圖5；

第五步：

在考慮巖石特性參數(shù)隨地層壓力改變而變化的情況下，運(yùn)用廣義胡克定律推導(dǎo)出的壓力衰竭地層地應(yīng)力計(jì)算公式，見公式1。最終得到壓力衰竭后地層地應(yīng)力變化，見圖6-7。

第六步：

由于DF211井為直井，因此采用直井井壁應(yīng)力分析公式見公式5和公式6。將以上五步計(jì)算結(jié)果帶入到公式5、6中，得到壓力衰竭后地層坍塌、破裂壓力見圖8。

通過圖6至圖8可知，本發(fā)明計(jì)算方法的精確度較高，只有破裂壓力的預(yù)測上稍微有點(diǎn)誤差。

其它未詳細(xì)說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。盡管上述實(shí)施例對本發(fā)明做出了詳盡的描述，但它僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，人們還可以根據(jù)本實(shí)施例在不經(jīng)創(chuàng)造性前提下獲得其他實(shí)施例，這些實(shí)施例都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。