CN103510948A - 一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，主要涉及石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探等行业领域。该方法包括以下步骤：利用相邻已钻探井中获取的岩心制作标准的圆柱形岩心试件，开展模拟井下温度条件、不同围压下的准三轴围压实验；绘制相应的岩石应力-应变曲线，判断所述岩石是否为脆性材料；作所述岩石的摩尔圆及其包络线，获取岩石达到断裂极限时的最大失效压应力σ_c1；进而比较研究地层中井眼承受的最大主应力σ₁是否小于所述岩石的最大失效压应力σ_c1；若σ₁＜σ_c1，则得出井壁保持稳定；若σ₁＞σ_c1，则得出井壁失稳；若σ₁＝σ_c1，表明气体钻井时井壁处于临界失稳状态。该方法考虑了研究地层的温度以及上覆岩层压力和地应力等因素，且计算简单、准确可靠。

Description

一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法

技术领域

本发明涉及一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，主要涉及石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探等行业领域。

背景技术

气体钻井是目前钻速最快、最经济的钻井方式之一，具有钻井液钻井所不具备的诸多优点。以气体作为循环介质，一方面能够大幅提高钻井机械钻速、单只钻头的钻进进尺；另一方面作为循环介质的气体密度低，对井眼形成的压力相对较低，能够有效解决长裸眼段低压破碎性地层的钻井液井漏等复杂问题；同时在预防压差卡钻、发现和保护低压产层以及环保等方面均具有明显的技术优势。

现场应用情况表明，气体钻井的井壁稳定性问题是限制其优势发挥的最主要原因。井眼钻开后，由于井内较低的气柱压力取代了所钻岩层原先的井壁支撑，破坏了地层原有的应力平衡，因此在较松软地层中应用气体钻井时易引起井壁失稳。另外，气体钻井期间当地层水进入井筒后，在产出水的气举过程中，易造成泥页岩等水敏性地层的水化膨胀而失稳。井壁失稳后，如果垮塌的岩屑(块)不能及时地被气体举升到井口，将可能造成卡钻事故甚至填井，从而给石油天然气钻井带来巨额的经济损失。

中国专利授权公告号：CN101392647A，建立了考虑岩石材料峰后应变软化特性和剪切膨胀特性的“一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法”。包括以下步骤：①获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力Pi；②判断所述井眼内支撑力Pi是否大于零。若所述井眼内支撑力Pi小于零，则得出井壁保持稳定；若所述井眼内支撑力Pi大于零，则得出井壁失稳；若所述井眼内支撑力Pi等于零，则表明气体钻井时井壁塑性达到临界状态。该项专利提出的气体钻井井壁稳定性预测方法是依据“井壁围岩是否达到临界塑性状态而非弹性极限状态”来判断井壁的稳定性，是在岩石的全应力-应变实验和弹塑性分析的基础上经过多项假设得到的，比如：①岩石为各向同性材料；②岩石材料的应力-应变关系符合川本兆万提出的三线性模型；③岩石的强度服从统一强度准则，峰后岩石的强度准则也满足统一强度准则，等等。因此该项专利提出的气体钻井井壁稳定性预测方法对于具有峰后软化特性的地层是基本适合的，然而对于火成岩、碳酸盐岩、变质岩和致密砂岩等脆性岩石则具有一定的局限性，并且该方法的计算过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，利用相邻已钻探井中获取的岩心，通过开展模拟井下实际条件的准三轴围压实验，能够准确判断气体钻井条件下井壁的稳定性，进而指导气体钻井的现场施工。

本发明采用的技术方案是：

利用相邻已钻探井中获取的岩心制作标准的圆柱形岩心试件，在岩石刚性试验机上开展模拟井下温度条件、不同围压下的准三轴围压实验2组以上；绘制相应的岩石应力-应变曲线，判断所述岩石是否为脆性材料；根据实验结果作所述岩石的摩尔圆及其包络线，获取岩石达到断裂极限时的最大失效压应力σ_c1；进而比较研究地层中井眼承受的最大主应力σ₁与岩石的最大失效压应力σ_c1，便可对气体钻井的井壁稳定性作出判断：

若σ₁＜σ_c1，则得出井壁保持稳定；

若σ₁＞σ_c1，则得出井壁失稳；

若σ₁＝σ_c1，表明气体钻井时井壁处于临界失稳状态。

另外，当所述岩石可以实施气体钻井(即σ₁＜σ_c1)时，还可以获取气体钻井在所述岩石中的最大钻进深度ΔH_n以及气体钻井结束时的地层垂深H。

所述的井下实际条件主要是指井底的温度条件，根据所研究地区的地温梯度以及研究地层的垂深计算。

所述岩石的最大失效压应力σ_c1是基于Mohr-Coulomb强度破坏准则由式(1)获取：

${\mathrm{\σ}}_{c1}={\mathrm{\σ}}_{c3}+\frac{2\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\σ}}(\frac{r_b}{\sin \mathrm{\α}}-r_b-{\mathrm{\σ}}_{b3}+{\mathrm{\σ}}_{c3})$

其中， $r_a=\frac{{\mathrm{\σ}}_{a1}-{\mathrm{\σ}}_{a3}}{2},$ $r_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b1}-{\mathrm{\σ}}_{b3}}{2},$ $\sin \mathrm{\α}=\frac{r_a-r_b}{{\mathrm{\σ}}_{a3}+r_a+{\mathrm{\σ}}_{b3}-r_b}.$

所述井眼承受的最大主应力σ₁通过式(2)获取：

σ₁＝max(σ_v，σ_θmax)                    (2)

其中，σ_v为所述岩石承受的上覆岩层压力；σ_θmax为所述岩石受到的最大、最小水平地应力σ_H和σ_h在井周产生的最大切向应力，是地层垂深的线性函数；σ_v和σ_θmax分别由式(3)、式(4)获得：

${\mathrm{\σ}}_v=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{g\ΔH}}_i---\left(3\right)$

σ_θmax＝3σ_H-σ_h＝aH+b        (4)

该实验方法中气体钻井在所述岩石中的最大钻进深度ΔH_n以及气体钻井结束时的地层垂深H分别通过式(5)、式(6)或式(7)、式(8)获取：

(1)当σ₁＝σ_v时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{g\ΔH}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{n}g}---\left(5\right)$

$H=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(6\right)$

(2)当σ₁＝σ_θmax时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(7\right)$

$H=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}---\left(8\right)$

式(1)～式(8)中，σ_c3为气体钻井期间所述岩石承受的最小主应力，即井筒内气体压力，一般近似取为0MPa；σ_a1、σ_b1以及σ_a3、σ_b3分别为两种不同围压状态下岩石失效时的最大主应力和最小主应力；r_a和r_b分别为两种不同围压状态下的摩尔圆半径；α为所述岩石的摩尔圆包络线与横轴(正应力轴)的夹角；ρ_i、ΔH_i分别为研究地层以浅不同层位岩石的密度及相应厚度；ρ_n为所述岩石的密度；a和b为计算σ_θmax的相关系数，根据最大、最小水平地应力σ_H和σ_h与垂深的关系计算。

该实验方法适用于脆性岩石实施气体钻井时的井壁稳定性预测，对于具有峰后软化特性的岩石，可依据中国专利“一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法”(公告号：101392647A)中所述方法进行判断。

本发明提供的井壁稳定性预测方法考虑了研究地层的温度以及上覆岩层压力和地应力等因素，是在Mohr-Coulomb强度破坏准则的基础上结合现场实际应用提出的，适用于火成岩等脆性岩石在气体钻井条件下的井壁稳定性预测，计算简单、准确可靠，能够指导气体钻井的现场施工。

附图说明

图1为典型的脆性材料在不同围压下的应力-应变示意图；

图2为岩石的摩尔圆及其包络线示意图；

图3为气体钻井井壁稳定性预测实验方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

第一步，利用相邻已钻探井中获取的岩心制作标准的圆柱形岩心试件，在岩石刚性试验机上开展模拟井下温度条件、不同围压下的准三轴围压实验2组以上；

第二步，绘制相应的岩石应力-应变曲线，如图1所示，判断所述岩石是否为脆性材料，并获取不同围压下岩石所能承受的最大主应力(σ_a1、σ_b1，…)和最小主应力(σ_a3、σ_b3，…)；

第三步，作所述岩石的摩尔圆及其包络线，如图2所示，进而获取岩石达到断裂极限时的最大失效压应力σ_c1：

${\mathrm{\σ}}_{c1}={\mathrm{\σ}}_{c3}+\frac{2\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}(\frac{r_b}{\sin \mathrm{\α}}-r_b-{\mathrm{\σ}}_{b3}+{\mathrm{\σ}}_{c3})---\left(1\right)$

式(1)中， $r_a=\frac{{\mathrm{\σ}}_{a1}-{\mathrm{\σ}}_{a3}}{2},$ $r_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b1}-{\mathrm{\σ}}_{b3}}{2},$ $\sin \mathrm{\α}=\frac{r_a-r_b}{{\mathrm{\σ}}_{a3}+r_a-{\mathrm{\σ}}_{b3}-r_b}.$

第四步，根据所述岩石承受的上覆岩层压力σ_v、最大、最小水平地应力σ_H和σ_h，获取井壁实际承受的最大主应力σ₁：

σ₁＝max(σ_v，σ_θmax)                        (2)

式(2)中，

σ_θmax＝3σ_H-σ_h＝aH+b。

第五步，比较研究地层中井眼承受的最大主应力σ₁与岩石的最大失效压应力σ_c1，便可对气体钻井的井壁稳定性作出判断：

若σ₁＜σ_c1，则得出井壁保持稳定；

若σ₁＞σ_c1，则得出井壁失稳；

若σ₁＝σ_c1，表明气体钻井时井壁处于临界失稳状态；

第六步，获取气体钻井在所述岩石中的最大钻进深度ΔH_n以及气体钻井结束时的地层垂深H：

当σ₁＝σ_v时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{g\ΔH}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{n}g}---\left(3\right)$

$H=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(4\right)$

当σ₁＝σ_θmax时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(5\right)$

$H=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}---\left(6\right)$

式(1)～式(6)中，σ_c3为气体钻井期间所述岩石承受的最小主应力，即井筒内气体压力，一般近似取为0MPa；σ_a1、σ_b1以及σ_a3、σ_b3分别为不同围压状态下岩石失效时的最大主应力和最小主应力；r_a和r_b分别为两种不同围压状态下的摩尔圆半径；α为所述岩石的摩尔圆包络线与横轴(正应力轴)夹角；σ_v为所述岩石承受的上覆岩层压力；σ_θmax为所述岩石受到的最大、最小水平地应力σ_H和σ_h在井周产生的最大切向应力；ρ_i、ΔH_i分别为研究地层以浅不同层位岩石的密度及相应厚度；ρ_n为所述岩石的密度；a和b为计算σ_θ的相关系数，根据最大、最小水平地应力σ_H和σ_h与垂深的关系计算。

本发明提供的井壁稳定性预测方法考虑了研究地层的温度以及上覆岩层压力和地应力等因素，是在Mohr-Coulomb强度破坏准则的基础上结合现场实际应用提出的，适用于火成岩等脆性岩石在气体钻井条件下的井壁稳定性预测，计算简单、准确可靠，能够指导气体钻井的现场施工。

Claims (5)

1.一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步，利用相邻已钻探井中获取的岩心制作标准的圆柱形岩心试件，在岩石刚性试验机上开展模拟井下实际条件、不同围压下的准三轴围压实验2组以上；

第二步，绘制相应的岩石应力-应变曲线，判断所述岩石是否为脆性材料；

第三步，根据实验结果作所述岩石的摩尔圆及其包络线，进而获取达到断裂极限时的岩石的最大失效压应力σ_c1；

第四步，根据所述岩石承受的上覆岩层压力σ_v以及最大、最小水平地应力σ_H和σ_h，获取井眼承受的最大主应力σ₁；

第五步，比较研究地层中井眼承受的最大主应力σ₁与岩石的最大失效压应力σ_c1，便可对气体钻井的井壁稳定性作出判断：

若σ₁＜σ_c1，则得出井壁保持稳定；

若σ₁＞σ_c1，则得出井壁失稳；

若σ₁＝σ_c1，表明气体钻井时井壁处于临界失稳状态。

第六步，获取气体钻井在所述岩石中的最大钻进深度ΔH_n以及气体钻井结束时的地层垂深H。

2.根据权利要求1所述的一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，其特征在于，所述的井下实际条件是指井底的温度条件，根据所研究地区的地温梯度以及研究地层的垂深计算。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，其特征在于，所述岩石的最大失效压应力σ_c1是基于Mohr-Coulomb强度破坏准则由式(1)获取：

${\mathrm{\σ}}_{c1}={\mathrm{\σ}}_{c3}+\frac{2\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}(\frac{r_b}{\sin \mathrm{\α}}-r_b-{\mathrm{\σ}}_{b3}+{\mathrm{\σ}}_{c3})---\left(1\right)$

其中， $r_a=\frac{{\mathrm{\σ}}_{a1}-{\mathrm{\σ}}_{a3}}{2},$ $r_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b1}-{\mathrm{\σ}}_{b3}}{2},$ $\sin \mathrm{\α}=\frac{r_a-r_b}{{\mathrm{\σ}}_{a3}+r_a-{\mathrm{\σ}}_{b3}-r_b}.$ σ_c3为气体钻井期间所述岩石承受的最小主应力，即井筒内气体压力；σ_a1、σ_b1以及σ_a3、σ_b3分别为两种不同围压状态下岩石失效时的最大主应力和最小主应力；r_a和r_b分别为两种不同围压状态下的摩尔圆半径；α为所述岩石的摩尔圆包络线与正应力轴的夹角。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，其特征在于，所述井眼承受的最大主应力σ₁通过式(2)获取：

σ₁＝max(σ_v，σ_θmax)                   (2)

其中，σ_v为所述岩石承受的上覆岩层压力；σ_θmax为所述岩石受到的最大、最小水平地应力σ_H和σ_h在井周产生的最大切向应力，是地层垂深的线性函数；σ_v和σ_θmax分别由式(3)、式(4)获得：

${\mathrm{\σ}}_v=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{g\ΔH}}_i---\left(3\right)$

σ_θmax＝3σ_H-σ_h＝aH+b           (4)

其中ρ_i、ΔH_i分别为研究地层以浅不同层位岩石的密度及相应厚度，a和b为计算σ_θmax的相关系数，根据最大、最小水平地应力σ_H和σ_h与垂深的关系计算。

5.根据权利要求1或2所述的一种适用于脆性岩石气体钻井井壁稳定性预测的实验方法，其特征在于，该方法中气体钻井在所述岩石中的最大钻进深度ΔH_n以及气体钻井结束时的地层垂深H分别通过式(5)、式(6)或式(7)、式(8)获取：

(1)当σ₁＝σ_v时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{g\ΔH}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{n}g}---\left(5\right)$

$H=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(6\right)$

(2)当σ₁＝σ_θmax时

${\mathrm{\ΔH}}_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}-\underset{1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔH}}_i---\left(7\right)$

$H=\frac{{\mathrm{\σ}}_{c1}-b}{a}---\left(8\right)$

其中ρ_i、ΔH_i分别为研究地层以浅不同层位岩石的密度及相应厚度；ρ_n为所述岩石的密度；a和b为计算σ_θmax的相关系数，根据最大、最小水平地应力σ_H和σ_h与垂深的关系计算。

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