一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法 |
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| 申请号 | CN201510077224.7 | 申请日 | 2015-02-12 | 公开(公告)号 | CN104806233A | 公开(公告)日 | 2015-07-29 |
| 申请人 | 中国石油大学(北京); | 发明人 | 卢运虎; 金衍; 陈勉; 刘铭; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种预测弱面 地层 坍塌压 力 当量 密度 窗口的方法，按照先后顺序包括以下步骤：根据弱面地层特点，将其分为致密段和裂缝段；利用 岩石 三轴压缩试验测试岩石本体强度、岩石弱面强度；利用流固耦合模型反演致密型地层井周围岩的 应力 分布 和孔隙压力分布，结合摩尔库伦破坏准则确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限；利用岩石弱面破坏准则分析弱面地层井周围岩的破坏状态，确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限和上限；建立弱面地层坍塌压力当量密度窗口的计算模型，将各参数值代入模型，即可确定弱面地层坍塌压力当量密度窗口。本发明可在钻井前预测到弱面地层坍塌压力当量密度窗口，以便合理选择 钻井液 密度，有效阻止井壁失稳的发生。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其按照先后顺序包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法技术领域[0001] 本发明属于油气钻探工程技术领域，涉及预测地层坍塌压力窗口的方法，尤其涉及一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法。 背景技术[0002] 我国大部分油气资源集中在裂缝型储层，此类地层钻井是制约我国石油钻探的关键技术难题。由于地层受构造挤压变形等作用，形成多套裂缝体系，且区域构造应力差较大，存在高压水层，因此导致钻井过程中井壁失稳现象频发。当钻井液密度较低时，无法支撑井壁围岩，从而导致井壁失稳；当钻井液密度较高时，钻井液侵入裂缝内部，降低壁面正应力和缝内粘聚力，同样导致井壁失稳。这表明弱面地层坍塌压力自身存在当量密度窗口，若钻井液密度选择不当，将给钻井作业带来不同程度的人力、物力损失，因此在钻井前事先预测钻井液密度是非常必要的，它可以有效阻止井壁失稳，防止井下复杂情况的发生。 [0003] 目前，人们采用多种方法预测钻井前地层坍塌压力，仅中国石油大学就申请了多篇相关专利，比如，公开号为1966934A的发明专利公开了一种随钻预测钻头底下地层坍塌压力的方法，包括：提取待钻井和与该待钻井相邻的已钻井旁若干道地震记录，加权处理得到该待钻井和已钻井的地震记录；对已钻井进行声波时差和密度测井，得到已钻井不同层段的测井数据；利用测井数据和地震记录，建立预测地层声波速度、波阻抗的分层模型；预测待钻井钻头底下地层的测井曲线；结合井壁稳定力学模型预测该待钻井钻头底下地层的坍塌压力。公开号为CN1588127A的发明专利公开了一种利用地震层速度钻前预测坍塌压力的方法。无论是上述两篇专利的技术方案，还是其他现有技术方案，虽然都取得了一定的技术效果，但是仅考虑了钻井液密度较低时导致井壁失稳的状态，而忽略了钻井液密度较高时也会导致井壁失稳的问题，因此不能全面预测地层坍塌压力窗口，从而使现场操作受到限制。 发明内容[0004] 为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其按照先后顺序包括以下步骤： [0005] 步骤一：根据弱面地层的特点，将其分为致密段和裂缝段； [0006] 步骤二：利用岩石三轴压缩试验测试岩石弹性力学参数、岩石本体强度、岩石弱面强度，利用声发射试验测试地层地应力分布，利用测井参数反演得到地层孔隙压力分布，利用气测渗透率仪测试地层渗透率，利用测井成像观测地层裂缝产状； [0007] 步骤三：利用流固耦合力学理论反演致密型地层井周围岩的应力分布和孔隙压力分布，并结合摩尔库伦破坏准则确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限P致密型,下限； [0008] 步骤四：利用岩石弱面破坏准则分析弱面地层井周围岩的破坏状态，并确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限P裂缝型,下限和上限P裂缝型,上限； [0009] 步骤五：根据致密型地层和裂缝型地层的特点，建立弱面地层坍塌压力当量密度窗口的计算模型为PC＝{max(P致密型,下限,P裂缝型,下限),P裂缝型,上限}，并将测试得到的各参数值代入计算模型中，即可确定弱面地层坍塌压力当量密度窗口。 [0010] 本发明的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，通过测井资料和室内试验确定模型计算所需要的岩石力学参数，综合致密型地层孔隙弹性模型和裂缝型地层弱面破坏模型，在给定某一允许的井径扩大率下，得到弱面地层坍塌压力当量密度窗口，并绘制井壁围岩失稳程度预测图示，以便在钻井设计和现场施工时为确定安全钻井液密度提供科学依据，可有效阻止井壁失稳，防止井下复杂情况的发生。 [0012] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，岩石弹性力学参数包括弹性模量和泊松比。 [0013] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，岩石本体强度包括岩石本体粘聚力和岩石本体内摩擦角。 [0014] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，岩石弱面强度包括岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角。 [0015] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，地层地应力包括上覆岩层压力、水平最大主应力和水平最小主应力。 [0016] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，地层裂缝产状包括裂缝倾向和裂缝倾角。 [0017] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，利用流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理解析井周围岩的孔隙压力分布和应力分布。 [0018] 打开井壁瞬间，井周围岩应力重新分布，孔隙形状和体积发生变化，地层内部流体与固体之间发生强烈的相互作用，因此，在弱面地层的致密段采用流固耦合力学模型预测坍塌压力当量密度。基于毕奥特(Biot)流固耦合理论，可得到非均匀地应力场下的井周围岩应力分布和孔隙压力分布，结合摩尔库伦破坏准则，即可判断某一钻井液密度下井壁是否失稳。 [0019] 在上述任一方案中优选的是，所述流固耦合力学理论的基本方程包括本构方程和其他方程。本构方程中，流体压力与致密段岩石基质变形是双向耦合在一起的。 [0020] 在上述任一方案中优选的是，所述流固耦合力学理论的本构方程为 [0021] [0022] 其中，p——井周围岩孔隙压力，MPa； [0023] Mij——刚度矩阵系数； [0024] σ——井周围岩应力，MPa； [0025] ε——井周围岩应变； [0026] α——平行于层里面的毕奥特系数； [0027] α′——垂直于层里面的毕奥特系数。 [0028] [0029] [0030] [0031] 其中，E——平行于层里面的弹性模量，GPa； [0032] E′——垂直于层里面的弹性模量，GPa； [0033] v——平行于层里面的泊松比； [0034] v'——垂直于层里面的泊松比； [0035] Ks——致密段岩石基质的体积模量，GPa。 [0036] 在上述任一方案中优选的是，所述井周围岩孔隙压力的本构方程为 [0037] p＝M[ζ-α(εxx+εyy)-α'εzz] [0038] 其中，M——毕奥模量，GPa； [0039] ζ——流体体积变化。 [0040] 在上述任一方案中优选的是，所述流固耦合力学理论的其他方程包括流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程和协调方程。 [0041] 在上述任一方案中优选的是，所述井周围岩应力分布的计算公式为 [0042] splap＝p0+S0[(cf/2Gκ)C1K2(ξ1r)+A1C2(rw2/r2)]cos2(θ) [0043] [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] 其中，Kn(x)——第n类修正贝塞尔函数，n为阶数； [0049] s——复频域下的时间因子； [0050] ζ——流体体积变化； [0051] θ——井周角，°； [0052] rw——井眼半径，cm； [0053] r——井眼中心至地层内部某一点的距离，cm； [0054] cf——流体扩散系数，m2/s； [0055] α——平行于层里面的毕奥特系数； [0056] α′——垂直于层里面的毕奥特系数； [0057] v——平行于层里面的泊松比； [0058] v'——垂直于层里面的泊松比； [0059] G——平行于层里面的剪切模量，GPa； [0060] G′——垂直于层里面的剪切模量，GPa； [0061] κ——地层渗透率，Darcy(达西)； [0062] pw——钻井液液柱压力，MPa； [0063] Sv——上覆岩层压力，MPa； [0064] SH——水平最大主应力，MPa； [0065] Sh——水平最小主应力，MPa。 [0066] 在上述任一方案中优选的是，所述井周围岩应力分布的计算公式中， [0067] P0＝(Sh+SH)/2 [0068] [0069] [0070] A1＝αM/(M11+α2M) [0071] A2＝M11+M12+2α2M/(M11+α2M) [0072] B1＝(M11/2Gα)K2(ξ1rw) [0073] B2＝[1/ξ1rw]K1(ξ1rw)+[6/(ξ1rw)2]K2(ξ1rw) [0074] B2＝2{[1/ξ1rw]K1(ξ1rw)+[3/(ξ1rw)2]K2(ξ1rw)} [0075] C1＝4/[2A1(B3-B2)-A2B1] [0076] C2＝-4B1/[2A1(B3-B2)-A2B1] [0077] C3＝[2A1(B2+B3)+3A2B1]/{3[2A1(B3-B2)-A2B1]} [0078] 其中，M——毕奥模量，GPa； [0079] Mij——刚度矩阵系数。 [0080] 通过流固耦合力学理论的基本方程相互代换，并结合拉普拉斯变换原理，即可得到拉普拉斯域下井周围岩应力分布的解析值。上述结果是在复频域下的解析值，后续还应通过拉普拉斯逆变换得到时域下井周围岩应力分布的解析值。 σrr,σθθ,σzz,σrθ,σrz,σθz为拉普拉斯逆变换后的井周围岩应力分布。 [0081] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，基于摩尔库伦破坏准则，建立井壁稳定力学模型为K≥0，给定某一允许的井径扩大率，即可确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限P致密型,下限，其中，K——致密型地层坍塌压力指数，MPa。 [0082] 在上述任一方案中优选的是，所述致密型地层坍塌压力指数为 [0083] [0084] [0085] [0086] 其中，σ1——井壁上的最大主应力，MPa； [0087] σ3——井壁上的最小主应力，MPa； [0088] φ——岩石本体内摩擦角，°； [0089] C——岩石本体粘聚力，MPa。 [0090] 上述结果为时域下井周围岩应力分布的解析值。 [0091] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口模型的建立，按照先后顺序包括以下步骤： [0092] (1)将井周围岩应力分布从极坐标系下变换至井筒直角坐标系下； [0093] (2)将井周围岩应力分布从井筒直角坐标系下变换至大地坐标系下； [0094] (3)将井周围岩应力分布从大地坐标系下变换至弱面坐标系下； [0095] (4)基于岩石弱面破坏准则，建立井壁稳定力学模型为N≥0，给定某一允许的井径扩大率，即可确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限P裂缝型,下限和上限P裂缝型,上限，其中，N——裂缝型地层坍塌压力指数，MPa。N<0，代表弱面地层发生剪切滑移破坏。 [0096] 弱面地层内部发育不规则的天然裂缝，其力学特性表现为一组强度较低的弱面。地层内部存在两种破坏形式：一种沿着岩石本体破坏，另一种沿着裂缝剪切破坏。基于弹性力学坐标变换技术，将井周围岩应力分布转换至弱面坐标系下，通过判断弱面剪切力与正应力引起的摩擦力之间的大小关系，判断某一钻井液密度下弱面地层是否发生剪切破坏而导致井壁失稳。 [0097] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中，在井筒直角坐标系下，井周围岩应力分布为 [0098] [0099] 其中， [0100] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中，在大地坐标系下，井周围岩应力分布为 [0101] σGCS＝ET×σCCS×E [0102] 其中， [0103] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中，在弱面坐标系下，井周围岩应力分布为 [0104] [0105] 其中， [0106] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中，裂缝型地层坍塌压力指数为[0107] [0108] 其中，φ——岩石弱面内摩擦角，°； [0109] Sw——岩石弱面粘聚力，MPa； [0110] θ——井周角，°； [0111] pw——钻井液液柱压力，MPa； [0112] αb——井筒方位角，°； [0113] βb——井筒斜角，°； [0114] ——岩石弱面倾向，°； [0115] βw——岩石弱面倾角，°。 [0116] 本发明的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，简单易懂、操作便捷、成本低廉，可以在钻井前预测到弱面地层坍塌压力当量密度的窗口，以便在钻井设计和现场施工时为确定安全钻井液密度提供科学依据，进而有效阻止井壁失稳，防止井下复杂情况的发生。附图说明 [0118] 图2为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中裂缝型致密砂岩地层测井成像图； [0119] 图3为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中打开井壁瞬间最小主应力处的孔隙压力分布曲线； [0120] 图4为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中打开井壁瞬间最小主应力处的坍塌压力指数分布曲线； [0121] 图5为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中不同坐标系之间的变换关系图； [0122] 图6为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中不同钻井液密度下裂缝型地层井周围岩坍塌程度对比图； [0123] 图7为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图1所示实施例中弱面地层坍塌压力当量密度窗口模型的分析图； [0124] 图8为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的另一优选实施例裂缝型致密页岩地层中打开井壁瞬间最小主应力处的坍塌压力指数分布曲线； [0125] 图9为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图8所示实施例中不同钻井液密度下裂缝型地层井周围岩坍塌程度对比图； [0127] 图11为按照本发明预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法的图10所示实施例中不同钻井液密度下裂缝型地层井周围岩坍塌程度对比图。 具体实施方式[0128] 为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。 [0129] 实施例一： [0130] 本实施例结合某区块裂缝型致密砂岩地层的实际情况，预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口。该地层厚度为100-400m，为一套红色碎屑岩，主要出露于某坳陷北部。该地层分为三岩性段，自上而下依次为一段、二段和三段。一段厚度为20-70m，以含砾砂岩、砂岩为主，裂缝不发育，为致密型砂岩段；二段厚度为40-260m，以细砂岩夹薄层泥岩为主，有相对质纯的泥岩薄层出现；三段厚度为45-100m，主要为褐红色砾岩、砂砾岩夹含砾砂岩、粉砂岩。二段和三段裂缝发育，为裂缝型砂岩段，裂缝宽度为0.1-2.0mm。该地层的砂岩基质总体属于低孔低渗-特低孔特低渗储层，渗透率在100纳米达西至100毫米达西之间。通常情况使用一套钻井液密度钻穿储层，因此钻井液密度应同时满足裂缝型和致密型砂岩地层的井壁稳定要求。 [0131] 如图1所示，一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其按照先后顺序包括以下步骤： [0132] 步骤一：根据弱面地层的特点，将其分为致密段和裂缝段； [0133] 步骤二：利用岩石三轴压缩试验测试岩石弹性力学参数、岩石本体强度、岩石弱面强度，利用声发射试验测试地层地应力分布，利用测井参数反演得到地层孔隙压力分布，利用气测渗透率仪测试地层渗透率，利用测井成像观测地层裂缝产状； [0134] 步骤三：利用流固耦合力学理论反演致密型地层井周围岩的应力分布和孔隙压力分布，并结合摩尔库伦破坏准则确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限P致密型,下限； [0135] 步骤四：利用岩石弱面破坏准则分析弱面地层井周围岩的破坏状态，并确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限P裂缝型,下限和上限P裂缝型,上限； [0136] 步骤五：根据致密型地层和裂缝型地层的特点，建立弱面地层坍塌压力当量密度窗口的计算模型为PC＝{max(P致密型,下限,P裂缝型,下限),P裂缝型,上限}，并将测试得到的各参数值代入计算模型中，即可确定弱面地层坍塌压力当量密度窗口。 [0137] 步骤一中，致密段地层与裂缝段地层呈互层形式存在于弱面地层中。 [0138] 步骤二中，岩石弹性力学参数包括弹性模量和泊松比；岩石本体强度包括岩石本体粘聚力和岩石本体内摩擦角；岩石弱面强度包括岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；地层地应力包括上覆岩层压力、水平最大主应力和水平最小主应力；地层裂缝产状包括裂缝倾向和裂缝倾角。本实施例的裂缝型致密砂岩地层测井成像如图2所示。砂岩弱面地层各参数值如表1.1所示。 [0139] 表1.1砂岩弱面地层各参数值 [0140] [0141] 步骤三中，利用流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理解析井周围岩的孔隙压力分布和应力分布。流固耦合力学理论的基本方程包括本构方程和其他方程。流固耦合力学理论的其他方程包括流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程和协调方程。本构方程中，流体压力与致密段岩石基质变形是双向耦合在一起的。 [0142] 流固耦合力学理论的本构方程为： [0143] [0144] 其中，p——井周围岩孔隙压力，MPa； [0145] Mij——刚度矩阵系数； [0146] σ——井周围岩应力，MPa； [0147] ε——井周围岩应变； [0148] α——平行于层里面的毕奥特系数； [0149] α′——垂直于层里面的毕奥特系数。 [0150] [0151] [0152] [0153] 其中，E——平行于层里面的弹性模量，GPa； [0154] E′——垂直于层里面的弹性模量，GPa； [0155] v——平行于层里面的泊松比； [0156] v'——垂直于层里面的泊松比； [0157] Ks——致密段岩石基质的体积模量，GPa。 [0158] 井周围岩孔隙压力的本构方程为： [0159] p＝M[ζ-α(εxx+εyy)-α'εzz] [0160] 其中，M——毕奥模量，GPa； [0161] ζ——流体体积变化。 [0162] 井周围岩应力分布的计算公式为：lap 2 2 [0163] sp ＝p0+S0[(cf/2Gκ)C1K2(ξ1r)+A1C2(rw/r)]cos2(θ) [0164] [0165] [0166] [0167] [0168] [0169] 其中，Kn(x)——第n类修正贝塞尔函数，n为阶数； [0170] s——复频域下的时间因子； [0171] ζ——流体体积变化； [0172] θ——井周角，°； [0173] rw——井眼半径，cm； [0174] r——井眼中心至地层内部某一点的距离，cm； [0175] cf——流体扩散系数，m2/s； [0176] α——平行于层里面的毕奥特系数； [0177] α′——垂直于层里面的毕奥特系数； [0178] v——平行于层里面的泊松比； [0179] v'——垂直于层里面的泊松比； [0180] G——平行于层里面的剪切模量，GPa； [0181] G′——垂直于层里面的剪切模量，GPa； [0182] κ——地层渗透率，Darcy(达西)； [0183] pw——钻井液液柱压力，MPa； [0184] Sv——上覆岩层压力，MPa； [0185] SH——水平最大主应力，MPa； [0186] Sh——水平最小主应力，MPa。 [0187] 井周围岩应力分布的计算公式中： [0188] P0＝(Sh+SH)/2 [0189] [0190] [0191] A1＝αM/(M11+α2M) [0192] A2＝M11+M12+2α2M/(M11+α2M) [0193] B1＝(M11/2Gα)K2(ξ1rw) [0194] B2＝[1/ξ1rw]K1(ξ1rw)+[6/(ξ1rw)2]K2(ξ1rw) [0195] B2＝2{[1/ξ1rw]K1(ξ1rw)+[3/(ξ1rw)2]K2(ξ1rw)} [0196] C1＝4/[2A1(B3-B2)-A2B1] [0197] C2＝-4B1/[2A1(B3-B2)-A2B1] [0198] C3＝[2A1(B2+B3)+3A2B1]/{3[2A1(B3-B2)-A2B1]} [0199] 其中，M——毕奥模量，GPa； [0200] Mij——刚度矩阵系数。 [0201] 通过流固耦合力学理论的基本方程相互代换，并结合拉普拉斯变换原理，即可得到拉普拉斯域下井周围岩应力分布的解析值。上述结果是在复频域下的解析值，后续还应通过拉普拉斯逆变换得到时域下井周围岩应力分布的解析值。 σrr,σθθ,σzz,σrθ,σrz,σθz为拉普拉斯逆变换后的井周围岩应力分布。 [0202] 基于毕奥特(Biot)流固耦合理论，可得到非均匀地应力场下井周围岩的应力分布和孔隙压力分布，结合摩尔库伦破坏准则，即可判断某一钻井液密度下井壁是否失稳，进而确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限。 [0203] 打开井壁后不同时间时，最小主应力处的孔隙压力分布情况如图3所示。不渗透井壁(泥饼渗透率很低)与渗透型井壁均会在围岩内产生异常高的孔隙压力。采用传统模型预测时，不考虑流固耦合作用，因此孔隙压力分布为原始地层压力。 [0204] 基于摩尔库伦破坏准则，建立井壁稳定力学模型为K≥0，给定某一允许的井径扩大率，即可确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限P致密型,下限，其中，K——致密型地层坍塌压力指数，MPa。 [0205] 致密型地层坍塌压力指数为： [0206] [0207] [0208] [0209] 其中，σ1——井壁上的最大主应力，MPa； [0210] σ3——井壁上的最小主应力，MPa； [0211] φ——岩石本体内摩擦角，°； [0212] C——岩石本体粘聚力，MPa。 [0213] 上述结果为时域下井周围岩应力分布的解析值。 [0214] 不同钻井液密度下，打开井壁瞬间坍塌压力指数分布情况如图4所示。当钻井液密度提高时，曲线逐渐上移，有利于井壁稳定。若给定一允许井径扩大率，则可确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限。 [0215] 步骤四中，裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口模型的建立，按照先后顺序包括以下步骤： [0216] (1)将井周围岩应力分布从极坐标系下变换至井筒直角坐标系下。 [0217] 在井筒直角坐标系下，井周围岩应力分布为： [0218] [0219] 其中， [0220] (2)将井周围岩应力分布从井筒直角坐标系下变换至大地坐标系下。 [0221] 在大地坐标系下，井周围岩应力分布为： [0222] σGCS＝ET×σCCS×E [0223] 其中， [0224] (3)将井周围岩应力分布从大地坐标系下变换至弱面坐标系下。 [0225] 在弱面坐标系下，井周围岩应力分布为： [0226] [0227] 其中， [0228] (4)基于岩石弱面破坏准则，建立井壁稳定力学模型为N≥0，给定某一允许的井径扩大率，即可确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限P裂缝型,下限和上限P裂缝型,上限，其中，N——裂缝型地层坍塌压力指数，MPa。N<0，代表弱面地层发生剪切滑移破坏。 [0229] 裂缝型地层坍塌压力指数为： [0230] [0231] 其中，φ——岩石弱面内摩擦角，°； [0232] Sw——岩石弱面粘聚力，MPa； [0233] θ——井周角，°； [0234] pw——钻井液液柱压力，MPa； [0235] αb——井筒方位角，°； [0236] βb——井筒斜角，°； [0237] ——岩石弱面倾向，°； [0238] βw——岩石弱面倾角，°。 [0239] 基于弹性力学坐标变换技术，将井周围岩应力分布转换至弱面坐标系下，如图5所示。通过判断弱面剪切力与正应力引起的摩擦力之间的大小关系，判断某一钻井液密度下弱面地层是否发生剪切破坏而导致井壁失稳。 [0240] 图6为不同钻井液密度下井周围岩坍塌程度对比图，该图表示井周围岩屈服区域随钻井液密度增加而发生变化。当钻井液密度较低时，坍塌区域在东偏南10度至东偏南90度和西偏北10度至西偏北90度的范围内。随钻井液密度的增大，之前的屈服区域变小，但是在正北和正南的位置，新的屈服区域诞生并不断扩大。结果显示钻井液密度过高或过低均导致井壁失稳，但是屈服区域分布于井周不同区域或位置。当给定某一允许井径扩大率时，比如20％，即可确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限和上限，P裂缝型,下限＝3 3 3 1.5g/cm，P裂缝型,上限＝1.9g/cm。1.7g/cm为最优选的钻井液密度。 [0241] 将表1.1中各参数值代入弱面地层坍塌压力当量密度窗口模型PC＝{max(P致密型,下限,P裂缝型,下限),P裂缝型,上限}中，经过计算，并由图6可知，若给定允许井径扩大率为20％，3 则致密型地层坍塌压力当量密度的下限为1.8g/cm，裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的 3 3 下限为1.5g/cm、上限为1.9g/cm。因此，本实施例的弱面地层坍塌压力当量密度窗口为 3 1.8-1.9g/cm，现场选用的钻井液密度在此窗口内，可确保井径扩大率小于等于20％。 [0242] 如图7所示，利用本实施例的预测方法分析钻进施工过程中的井壁失稳现象：某井6770m至6856m为裂缝型致密地层，发育一组天然裂缝。初期钻进时，钻井液密度为3 3 1.97g/cm，后期增大钻井液密度至2.1g/cm后，井壁反而垮塌更严重。测井资料包括四臂测井资料，其结果分析如下：其中C13臂走向为正东、C24臂走向为正北。6770-6833m 3 时，钻井液密度为1.97g/cm，C24臂实测井径与模拟结果符合良好，而C13臂实测井径大 3 于模拟结果，这是因为6833m后采用密度为2.1g/cm的钻井液钻进，增加的钻井液密度使 3 6770-6833m在C13臂方向的井径扩大；6833-6856m时，钻井液密度为2.1g/cm，测井资料所得C13臂方向的井径大于C24臂方向，且C24臂方向的井径相比于6770-6833m时的井径减小，与模拟结果相符。利用本实施例的预测方法分析可知，所得结果与现场实际井壁垮塌情况符合良好，该方法具有较高的准确性和可靠性。 [0243] 实施例二： [0244] 本实施例结合某区块裂缝型致密页岩地层的实际情况，预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口。其预测方法、原理、有益效果等与实施例一相同，不同的是：页岩弱面地层各参数值如表2.1所示。 [0245] 表2.1页岩弱面地层各参数值 [0246] [0247] 将表2.1中各参数值代入模型进行计算，计算结果如图8和图9所示：若给定允许3 井径扩大率为13％，则致密型页岩段坍塌压力当量密度的下限为1.1g/cm；裂缝型页岩段 3 3 坍塌压力当量密度的下限为0.95g/cm、上限为1.35g/cm。因此，本地层坍塌压力当量密度 3 窗口为1.1-1.35g/cm，现场实际选用钻井液密度在此窗口内时，可确保井径扩大率小于等于13％。 [0248] 实施例三： [0249] 本实施例结合某区块裂缝型致密碳酸盐地层的实际情况，预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口。其预测方法、原理、有益效果等与实施例一相同，不同的是：页岩弱面地层各参数值如表3.1所示。 [0250] 表3.1碳酸盐弱面地层各参数值 [0251] [0252] [0253] 将表3.1中各参数值代入模型进行计算，计算结果如图10和图11所示：若给定允3 许井径扩大率为12％，则致密型碳酸盐地层坍塌压力当量密度的下限为1.45g/cm；裂缝型 3 3 碳酸盐地层坍塌压力当量密度窗口的下限为1.5g/cm、上限为1.6g/cm。因此，本地层坍塌 3 压力当量密度窗口为1.5-1.6g/cm，现场实际选用的钻井液密度在此窗口内时，可确保井径扩大率小于等于12％。 |
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