CN103015996B - 钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田开发领域，涉及一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法。该方法的具体步骤如下：地质构造特征分析；古地应力的有限元模拟；古构造裂缝分布获取；古构造应力下的裂缝参数获取；今地应力的有限元模拟；今地应力条件下裂缝参数确定；古今应力共同作用下的裂缝参数确定；钻前漏失速率预测。本发明所述的方法可以在钻前对高陡复杂构造地层钻探井中的钻井液漏失速度进行预测，对预防高陡构造地层恶性漏失有一定指导作用，且对堵漏材料尺寸的选择也有一定帮助。

Description

钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法。

背景技术

我国有大量的油气资源蕴含在高陡构造发育的区域内，如川东北地区油气储量极大，但高陡构造占该区域地质构造的80％以上。高陡构造地质条件复杂，构造裂缝发育，钻井过程中漏失现象比较严重，不仅造成巨大的经济损失，同时也给钻井安全带来极大的危害。若能在钻前对高陡构造地层不同井深处的漏失进行预测，特别是漏失速率预测，那么在实际钻井施工过程中就可以有针对性的采取一定的措施，减少漏失，降低安全隐患的目的。因此，钻井液漏失速率的钻前预测具有重要意义。目前国内外学者对漏失的预测往往侧重于漏失压力的获取，该类方法主要针对地层能否发生漏失进行钻前预测，但是却不能对漏失速率进行预测。同样是发生漏失对于漏失量极小和漏失量极大的情况，现场所采取的措施会有很大区别，因此，相对于漏失压力的预测，钻前漏失速率的预测是现场施工中更为关心的。另外，通过邻井测井资料来确定漏失压力和漏失速度也是一种常见的漏失预测方法。但此方法更适合于地层构造起伏不大，相邻井间差异不大的地层。高陡构造地质条件复杂，构造裂缝发育，相邻井之间的地层物性参数也会出现较大差异，因此，使用临井的资料来获取当前井的漏失情况有时也会存在较大误差，而且对于已钻井较少的区块此方法受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，在对构造应力场及构造裂缝分布有限元模拟及与漏失相关的裂缝参数定量描述的基础上结合目标井的设计参数实现高陡构造裂缝性地层的漏失速率的钻前预测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，步骤如下：

(1)、地质构造特征分析；

(2)、古地应力的有限元模拟；

(3)、古构造裂缝分布获取；

(4)、古构造应力下的裂缝参数获取；

(5)、今地应力的有限元模拟；

(6)、今地应力条件下裂缝参数确定；

(7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定；

(8)、钻前漏失速率预测。

优选地，地质构造特征分析具体方法如下：从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图。

优选地，古地应力的有限元模拟的方法如下：通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征。

优选地，古构造裂缝分布获取的方法如下：基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据。

优选地，古构造应力下的裂缝参数获取的方法如下：通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括：古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。

优选地，今地应力的有限元模拟的方法如下：在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内现今构造应力的分布；其中地质模型中材料的性质主要包括容重、杨氏模量及泊松比。

优选地，今地应力条件下裂缝参数确定的方法如下：今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝；通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括：裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。

优选地，古今应力共同作用下的裂缝参数确定的方法如下：根据步骤(2)古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度以及渗透率的分布情况。

优选地，钻前漏失速率预测的方法如下：基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。

本发明相对于现有技术，具有以下显著效果：

(1)、本发明所述的方法可以对高陡复杂构造地层钻探井中的钻井液漏失进行预测，由于高陡构造地质情况复杂，相邻井的情况也会差别较大，传统的基于邻井资料的漏失预测方式应用受到限制；

(2)、本发明所述的方法考虑高陡地质构造特征及其演化史，在对古今地应力有限元模拟的基础上，结合岩石破裂准则，将与钻井液漏失相关的裂缝参数进行定量化，使得钻前钻井液漏失速率的预测成为可能，而传统的漏失预测方法更侧重于是否发生漏失，而不能对漏失速率进行预测；

(3)、由于高陡构造地层开展钻井施工漏失严重，采用本发明方法可对在钻前对不同井深处的漏失做出预测，在实际钻井时可以有目的调整钻井参数，预防恶性漏失的发生；

(4)、由于本发明可以对裂缝的参数进行定量预测，如裂缝的开度，因此，可以根据裂缝的开度来选择堵漏材料的尺寸。因此，本发明对堵漏材料的选择也有一定的指导作用。

附图说明

图1为本发明的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法的流程示意图；

图2为某气田F区块某构造剖面图；

图3为某气田F区块G4组深度构造图；

图4为某气田F区块G4组构造裂缝开度分布云图；

图5为某气田F区块G4组构造裂缝孔隙度及渗透率分布云图；

图6为某气田F区块G4组构造裂缝密度分布云图；

图7为PG-X1井孔隙压力(PP)、破裂压力(FP)、上覆地层压力(OP)及钻井液密度(MW)剖面；

图8为PG-X1井实际钻井漏失速率与预测数据的对比曲线；

图9为PG-X1，PG-X2及PG-X3井的漏失速率预测值分布曲线。

具体实施方式

如图1所示，钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，包括如下步骤：

(1)、地质构造特征分析

从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图。

(2)、古地应力的有限元模拟

通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征。

(3)、古构造裂缝分布获取

基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据。

(4)、古构造应力下的裂缝参数获取

通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括：古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。

(5)、今地应力的有限元模拟

在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内今构造应力的分布；其中地质模型中材料的性质主要包括容重、杨氏模量及泊松比。

(6)、今地应力条件下裂缝参数确定

今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝；通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括：裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。

(7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定

根据步骤(2)古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度以及渗透率的分布情况。

(8)、钻前漏失速率预测。

基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。

以某气田为例，采用本发明钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法的实施例如下：

1、地质构造特征分析

从气田F区块构造剖面图(图2)入手，对区域构造位置和构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，根据该构造的地层性质将该构造地层简化为5个组，分别是G1-G5。根据构造演化的分析结果可知，该构造的主要形成期为燕山运动期，此时期也是构造裂缝形成的主构造期。主构造期之前该区域地层基本为没有起伏的平整地层，主构造运动后的构造形态如图2所示。在实际钻井过程中钻至G4组时漏失情况尤其严重，下文以G4层为例进行说明。其中，G4组的深度构造图如图3所示。

2、古地应力的有限元模拟

(1)、基于构造解析所得到的主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征分析的结果，建立古地应力模拟的地质模型。

(2)、通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向。通过试算确定了模型中古应力模拟负载的大小及方向：最大主应力方向为近东西向；最大主应力为296MPa和最小主应力为165MPa。

(3)、根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，主要包括容重、杨氏模量及泊松比，如表1所示。

表1模型材料参数

(4)、根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分。

(5)、通过有线模拟软件对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布。

3、古构造裂缝分布获取

基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则主要包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，前者作为岩石剪性破裂判据，后者作为岩石张性破裂判据。

4、古构造应力下的裂缝参数获取

通过古裂缝参数定量描述方法，包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数，包括：古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。具体确定方法如下：

(1)、古裂缝线密度定量描述

岩石在应力作用下变形能够积聚应变能，当岩石内应变能释放率等于产生单位面积裂缝表面所需能量(表面能密度)时即发生断裂，岩石破裂时释放出的应变能一部分用来抵消新增裂缝表面积需要的能量，其余的则以弹性波的形式(断面能)释放出去。裂缝弹性波能量很小，可忽略不计，根据能量守恒原理，得到三向挤压应力状态下裂缝密度、开度计算模型为：

$D_{\mathrm{vf}}=[{\mathrm{\σ}}_1^2+{\mathrm{\σ}}_2^2+{\mathrm{\σ}}_3^2-2\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_2{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_3)-{\mathrm{\σ}}_d^2+2\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3){\mathrm{\σ}}_d]/\left(2\mathrm{EJ}\right)---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{lf}}=\frac{2D_{\mathrm{vf}}{L}_1{L}_3\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-L_1\sin \mathrm{\θ}-L_3\cos \mathrm{\θ}}{L_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+L_3^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

有张应力时裂缝密度计算公式为：

$D_{\mathrm{vf}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2+{\mathrm{\σ}}_2^2+{\mathrm{\σ}}_3^2-2\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)-{\mathrm{\σ}}_t^2}{2\mathrm{EJ}}---\left(3\right)$

$D_{\mathrm{lf}}=\frac{2D_{\mathrm{vf}}{L}_1{L}_3\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-L_1\sin \mathrm{\θ}-L_3\cos \mathrm{\θ}}{L_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+L_3^2{\cos }^2\mathrm{\θ}},\mathrm{\θ}\≠0---\left(4\right)$

D_lf＝D_vf，θ＝0                            (5)

式中，D_vf、D_lf分别为裂缝的体密度和线密度，m^-1；σ₁、σ₂、σ₃分别为最大主应力、中间主应力及最小主应力，Pa；E为弹性模量，Pa；μ为泊松比，无因次；L₁、L₃分别为岩体沿最大主应力和最小主应力方向上的边长，m；σ_d为岩石即将有大裂缝产生时的单轴压应力值，可由实验确定，Pa；J为裂缝表面能密度，J/m²。

(2)、古裂缝开度定量描述

裂缝开度b可应用公式(6)进行确定：

$b=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_f}{D_{\mathrm{lf}}}=\frac{\left|\mathrm{\ϵ}\right|-\left|{\mathrm{\ϵ}}_0\right|}{D_{\mathrm{lf}}}---\left(6\right)$

式中，ε为单元体当前应力状态下的张应变；ε₀为岩石弹性变形的最大张应变(裂缝开始萌生时张性应变，与材料性质有关可根据实验测定)。

(3)、古裂缝孔隙度定量描述

裂缝孔隙度为裂缝总体积与岩石总体积之比，对于单组裂缝，裂缝孔隙度与裂缝体积密度和开度的关系为：

Φ_f＝bD_vf                                (7)

式中，Φ_ff为裂缝孔隙度，％。对于多组裂缝，其孔隙度计算模型可表示为：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ft}}=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{D}_{\mathrm{vfi}}---\left(8\right)$

式中，Φ_ft为裂缝总孔隙度，％；m为裂缝组数；b_i为第i组裂缝开度，m；D_vfi为第i组裂缝体积密度，m²/m³。

(4)、古裂缝渗透率定量描述

流体在单一裂隙中的流动主要局限在二维裂隙平面内，垂直于裂隙平面的渗透可以忽略，因此表征单元体中裂缝渗透率的计算可以使用平板渗流模型。

$\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{fx}}\\ K_{\mathrm{fy}}\\ K_{\mathrm{fz}}\end{array}\right]=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{fxi}}\\ K_{\mathrm{fyi}}\\ K_{\mathrm{fzi}}\end{array}\right]=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{b_i^3{D}_{1\mathrm{fi}}}{12}\left[\begin{array}{c}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i\\ 1\\ {\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right]---\left(9\right)$

式中，K_fx、K_fy、K_fz分别为多组裂缝存在时裂缝在σ₁、σ₂、σ₃方向上的渗透率，10^-3μm²；m为裂缝组数；K_fxi、K_fyi、K_fzi分别为第i组裂缝在σ₁、σ₂、σ₃方向上的渗透率，10^-3μm²；b_i为第i组裂缝真实开度，D_lfi为第i组裂缝线密度，条/m；θ_i为第i组裂缝破裂角。

5、今地应力的有限元模拟

(1)、在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型。该区域内主构造运动期后构造形态变化不大，今地应力的地质模型的形态与主构造期后的形态一致，如图2所示。

(2)、通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点。

(3)、通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向。通过此方法确定现今应力模拟负载的大小及方向：现今的最大主应力为水平方向为方位NE76°-88°，平均83°，与剖面走向交角很小，故模型剖面受挤压外力，主要受近EW向压应力和自重应力作用；试算得到最大水平主应力值为123MPa，最小主应力为90.2MPa。

(4)、根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，主要包括容重、杨氏模量及泊松比，确定方法与古地应力模拟类似。

(5)、根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，特别是在断层面附近网格的划分需更密集，网格划分方法与古地应力模拟类似。

(6)、对目标区域的地质构造进行今地应力有限元模拟，得到目标区域内今构造应力的分布。

6、今地应力条件下裂缝参数确定

今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝。通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数，包括：裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。具体如下：

考虑正应力与剪应力对裂缝开度的影响，应用如下裂缝开度计算模型：

$b_m=\frac{b_0}{1+9{\mathrm{\σ}}^{\′}/{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nref}}}+\mathrm{\Δ}{b}_s+b_r---\left(10\right)$

式中，b_m为当前裂缝开度，m；b₀为初始裂缝开度，m；σ′为有效正应力，MPa；σ_nref为裂缝开度降低90％的有效正应力，MPa；Δb_s为由剪切位移引起的开度增量，m；b_r为裂缝表面承受最大正应力时的裂缝开度，m。

现今地层通常不发生剪切位移，Δ_bs＝0；b_r通常非常小，可以忽略；裂缝初始开度b₀可看作古裂缝开度b；由σ′可由裂缝面上的正应力σ_n与地层流体压力P之差确定，因此上式变为：

$b_m=\frac{b_0}{1+9\left({\mathrm{\σ}}_n\right)/{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nref}}}---\left(11\right)$

式中，σ_n为裂缝面上的正应力，MPa；P为地层流体压力，MPa。

将古裂缝参数定量计算方法中裂缝孔隙度、渗透率计算公式中裂缝开度b用b_m代替，即可得到现今裂缝参数的定量计算方法。

7、古今应力共同作用下的裂缝参数确定

根据古应力反演结果，结合库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，可得到目标区块裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、孔隙度、渗透率以及密度的分布情况，如图4为目标区块G4组构造裂缝开度分布云图，图5为构造裂缝孔隙度及渗透率分布云图，图6为构造裂缝线密度分布云图。

8、钻前漏失速率预测

基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率等的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。其中，钻井液漏失速率计算模型具体如下：

基于钻井液在裂缝性地层中的流动规律，将漏失过程分成三个流动范围，即裂缝内流动、滤饼层的流动及地层内的流动。在裂缝内钻井液属于平板径向流，且在裂缝顶端存在流体漏失。对于滤饼层，考虑到泥饼特性、剪切速率、非牛顿流体的流变特性的影响。在滤失带，滤失流动是非牛顿流体行为，由于滤液的侵入，对地层渗透率有伤害，岩石和流体可压缩。

裂缝内的流动可用式(12)、(13)及(14)来描述。

$\frac{\∂b}{\∂t}-\frac{{\mathrm{nb}}^{(2n+1)/n}}{(2n+1)2^{(n+1)/n}{K}_{\mathrm{ci}}^{1/n}}\frac{1}{r}\frac{\∂p}{\∂r}{\left|\frac{\∂p}{\∂r}\right|}^{(1-n)/n}-\frac{n}{(2n+1)2^{(n+1)/n}{K}_{\mathrm{ci}}^{1/n}}\frac{\∂}{\∂r}\left[b^{(2n+1)/n}\frac{\∂p}{\∂r}{\left|\frac{\∂p}{\∂r}\right|}^{(1-n)/n}\right]=0---\left(12\right)$

$\frac{\∂b}{\∂t}=\frac{1}{K_n}\frac{\∂p}{\∂t}---\left(13\right)$

$u=-\frac{{\mathrm{nb}}^{(2n+1)/n}}{(2n+1)2^{(n+1)/n}{K_{\mathrm{ci}}}^{1/n}}\frac{\∂p}{\∂r}{\left|\frac{\∂p}{\∂r}\right|}^{(1-n)/n}---\left(14\right)$

式中，b为裂缝开度，m；t为时间，s；n为钻井液幂律指数；K_ci为钻井液稠度系数，Pa·sⁿ；K_n为裂缝的刚度系数，Pa/m；p为裂缝内压力，Pa；r井眼中心到裂缝平面的距离，m；r_w为井眼直径，m；u为漏失线速度，m/s。

地层内的流动可用式(15)、(16)及(17)来描述。

$\▿(\mathrm{\ρ}\frac{K_d}{{\mathrm{\μ}}_e}\▿p)=C_t{\mathrm{\φ}}_d\frac{\∂p}{\∂t}---\left(15\right)$

${\mathrm{\μ}}_e=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_u}\·\frac{3n+1}{8n}{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_d}{8K_d}\right)}^{\frac{1-n}{2n}}{\left(2K_{\mathrm{ci}}\right)}^{\frac{1}{n}}{(-\▿p)}^{\frac{n-1}{n}}---\left(16\right)$

$u=\frac{\mathrm{\φn}}{3n+1}{\left(\frac{8K_d}{{\mathrm{\φ}}_d}\right)}^{\frac{1-n}{2n}}{\left(2K_{\mathrm{ci}}\right)}^{\frac{1}{n}}{\left(\frac{\▿p}{L}\right)}^{\frac{1}{n}}---\left(17\right)$

式中，ρ为钻井液的密度，kg/m³；φ_d为地层的孔隙度，无因次；K_d为地层的渗透率，μm²；C_t为地层岩石的压缩系数，Pa^-1；α_u为单位转化系数；μ_e为钻井液的有效粘度；L为钻井液的流动距离，m；Δp为钻井液流动中的压力降，Pa。

泥饼层的流动可用式(18)及式(19)来描述。将泥饼看成是孔隙介质，其孔隙度和渗透率分别是φ_C和K_C，通过泥饼的漏失的流动方程为：

$\▿(\mathrm{\ρ}\frac{K_c}{{\mathrm{\μ}}_e}\▿p)=C_c{\mathrm{\φ}}_c\frac{\∂p}{\∂t}---\left(18\right)$

${\mathrm{\μ}}_e=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_u}\·\frac{3n+1}{8n}{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_C}{8K_C}\right)}^{\frac{1-n}{2n}}{\left(2K_{\mathrm{ci}}\right)}^{\frac{1}{n}}{(-\▿p)}^{\frac{n-1}{n}}---\left(19\right)$

$u^n=\frac{{\mathrm{\α}}_u^n}{32K_{\mathrm{ci}}}{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{C}n}{3n+1}\right)}^n{\left(\frac{8K_C}{{\mathrm{\φ}}_C}\right)}^{\frac{n+1}{2}}\frac{p_f-p_w}{L}---\left(20\right)$

式中，φ_c为泥饼带的孔隙度，无因次；K_c为泥饼带的渗透率，无因次；C_c为泥饼的压缩系数，Pa^-1；p_f为地层压力，Pa；p_w为井底流压，Pa。

PG-X1井为该区块内的一口井，漏失情况非常严重，其位置如图2所示。其钻井设计参数如下所述：图7为该井孔隙压力(PP)、破裂压力(FP)、上覆地层压力(OP)及钻井液密度(MW)剖面；所使用钻井液为幂律流体，其中n值为0.75，K_ci为0.03Pa·s^0.75；该井所使用钻柱主体为5”钻杆；井身结构如表2所示。

表2PG-X1井井身结构设计方案

使用本文提出的钻井液漏失速率计算方法，对PG-X1井的漏失速率进行了计算，如图8所示。当钻进至G2组的底部和G4组的大部分区域，钻井液的漏失情况都非常严重。在G4组中，平均的漏失速率达到了64m³/h，总的漏失量达到560m³。从图8的预测曲线跟实际漏失速率的统计曲线的对比可看出两者的吻合情况比较好，因此，利用本发明可以对高陡构造裂缝性漏失速率进行钻前预测。

在该高陡构造地区还要再进行两口待钻井，如图2所示，分别标注为“PG-X2”和“PG-X3”。基于构造应力及构造裂缝分布的模拟结果，对PG-X2井和PG-X3井的漏失速率进行了钻前预测，如图9所示。图中，PG-X2井在L2组及G4组的底部具有较为严重的漏失，这与PG-X1井的漏失情况相似；PG-X3井在G4组中部4400m-4600m存在较大漏失速率，最大值为76m³/h，因为该处正好为断层位置，地层破碎严重，有利于漏失的形成。总体上，三口井中PG-X1井的漏失速率最大，PG-X3井除去断层位置外的大部分位置漏失速率比较小，说明在高陡构造核心位置处的井的漏失情况要比两翼位置处严重，这也与构造裂缝的分布情况相一致。

Claims (1)

1.一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、地质构造特征分析；

所述的地质构造特征分析具体方法如下：从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图；

(2)、古地应力的有限元模拟；

所述的古地应力的有限元模拟方法如下：通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征；

(3)、古构造裂缝分布获取；

所述的古构造裂缝分布获取的方法如下：基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据；

(4)、古构造应力下的裂缝参数获取；

所述的古构造应力下的裂缝参数获取的方法如下：通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括：古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率；

(5)、今地应力的有限元模拟；

所述的今地应力的有限元模拟的方法如下：在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内今构造应力的分布；

(6)、今地应力条件下裂缝参数确定；

所述的今地应力条件下裂缝参数确定的方法如下：今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝；通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括：裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率；

(7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定；

所述的古今应力共同作用下的裂缝参数确定的方法如下：根据步骤（2）古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度、以及渗透率的分布情况；

(8)、钻前漏失速率预测；

所述的钻前漏失速率预测的方法如下：基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。

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