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;
[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 型地层坊塌压力当星浩度窗口的下限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 窗口的计算板型为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。
[0011] 优选的是，所述步骤一中，致密段地层与裂缝段地层呈互层形式存在于弱面地层 中。弱面地层具有强度各向异性的特点。
[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
【主权项】
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： 步骤一：根据弱面地层的特点，将其分为致密段和裂缝段； 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； 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; 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，并确定裂缝型地层坊塌压力当星浩度窗口的下限P裂_，T限和上限P裂麵，上限； 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 的计算板型为Pc= {max (P a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。
2. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步骤一中，致密段地层与裂缝段地层呈互层形式存在于弱面地层中。
3. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步骤二中，岩石弹性力学参数包括弹性模量和泊松比。
4. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：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。
5. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：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。
6. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：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。
7. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：所 述步骤二中，地层裂缝产状包括裂缝倾向和裂缝倾角。
8. 如权利要求1所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：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。
9. 如权利要求8所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：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。
10. 如权利要求9所述的预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，其特征在于：所 述流固耦合力学理论的本构方程为
其中，P 井周围岩孔隙压力，MPa ; M^.一一刚度矩阵系数； 〇--井周围岩应力，MPa; e--井周围岩应变； a一一平行于层里面的毕奥特系数； a r 一一垂直于层里面的毕奥特系数。
【专利摘要】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。
【IPC分类】E21B49-00
【公开号】CN104806233
【申请号】CN201510077224
【发明人】卢运虎, 金衍, 陈勉, 刘铭
【申请人】中国石油大学(北京)
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年2月12日