CN103541727A - 深水浅层破裂压力计算技术 - Google Patents

Abstract

本发明深水浅层破裂压力计算技术，涉及石油钻井技术领域。本发明的目的是提供深水钻井过程中浅层破裂压力的计算方法。该方法包括以下步骤：根据地震层速度数据和试验数据确定深水浅部地层力学性质；以统一强度准则为屈服准则计算井眼加压过程中的井周塑性区应力状态；结合土力学中的超孔隙压力理论计算井眼钻开后由钻井引起的超孔隙压力分布规律；根据Terzaghi有效应力理论计算井眼周围的有效应力；结合水力压裂理论计算出深水浅部地层的破裂压力。该方法是在深水浅部地层力学参数室内实验测量的基础上结合现场实际条件提出的新方法，经过现场实际情况检验，具有很好的应用效果。

Description

深水浅层破裂压力计算技术

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及深水钻井浅部地层破裂压力确定技术。

背景技术

随着陆上未勘探的领域越来越少，海洋石油勘探开发已成为世界各大石油公司竞争的一个热点领域。据统计，2000-2005年，全球新增油气探明储量164×108t油当量，其中深海占41％，浅海占31％，陆上占28％；截止到2009年初全球探明的石油储量为13420亿桶，其中深水约占10％，超过1000亿桶。深水领域是未来石油勘探开发的发展方向，挺进深海开展油气勘探开发是世界石油工业的发展趋势。

但深水钻井成本极高，平均日费在一百万美元以上，控制钻井成本是提高油田开发经济效益的关键。受水深的影响，深水地层上覆岩层压力低，井眼破裂压力低钻井时极易漏失，影响安全钻井和钻井成本。

深水浅部地层尚未固结成岩，受饱和土的固结理论控制，井壁在发生破裂前会进入塑性状态，现有的破裂压力模型都是建立在弹性力学基础上的，无法揭示其破裂机理。国内外对深水浅层破裂压力的计算目前都是基于现场实钻资料统计的经验模型，这些模型都只适用于开发较成熟的深水油气田，对于中国南海深水海域这种刚刚投入开发的深水区块没有足够的实测数据建立经验模型，需要从地层的力学状态出发建立一种可以计算所有深水油气田破裂压力的理论模型。

发明内容

本发明的目的是提供深水钻井过程中浅层破裂压力的计算方法，利用该方法可以简单、准确的计算深水浅部地层的破裂压力，计算结果准确。

利用上述目的，本发明采用如下技术方案：

深水浅层破裂压力计算技术，该技术的应用方法包括步骤：

(1)根据地震层速度数据和试验数据确定深水浅部地层力学性质；

(2)以统一强度准则为屈服准则计算井眼加压过程中的井周塑性区应力状态；

(3)根据土力学中的超孔隙压力理论计算井眼钻开后钻井引起的超孔隙压力分布规律；

(4)根据有效应力理论计算井眼周围的有效应力；

(5)结合水力压裂理论计算深水浅部地层的破裂压力。

其中，深水浅部地层力学性质的实验分析采用国标《土工试验方法标准(GB_T50123-19993)》。

其中，深水浅部地层为理想弹塑性材料，假设深水浅部地层为均质、各向同性的理想弹塑性材料，井眼钻开前地层为弹性状态，地层的屈服服从统一强度准则

σ_r＝Mσ_θ+σ₀          (1)

其中，

式中：b(0≤b≤1)为反应中间主应力影响的参数；m为中间主应力系数，在平面应变情况下m≤1，在弹性状态下m＜1，进入塑性状态下m趋近于1，在本文中，当深水浅层土体进入塑性状态后，m值取1；C、

分别为饱和土体不排水时的黏聚力和内摩擦角，采用总应力抗剪强度指标。

深水浅层破裂压力计算公式为

$P_f=\frac{2M({\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}+\mathrm{St})}{(1.73A+0.42)(M-1)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}---\left(4\right)$

式中，P_f为破裂压力；σ_h为水平地应力；

为孔隙压力；St为地层抗拉强度；A为Skempton超孔隙压力系数。

本发明提供的深水浅层破裂压力预测技术，适合用于深水钻井过程中对浅部地层破裂压力的预测，该方法是在深水浅部地层力学参数室内实验测量的基础上结合现场实际条件提出的新方法，经过现场实际情况检验，具有很好的应用效果。

附图说明

图1为计算深水浅层破裂压力时的力学模型图，图2为本发明深水浅层破裂压力计算技术的流程图。

具体实施方式

本发明提出的计算深水浅层破裂压力的方法，结合附图和实施例说明如下。

井眼周围的地层受到地应力和井筒压力的作用，当井眼钻成后，在井眼周围引起应力重新分布，形成井眼周围的应力集中，深水浅部地层尚未固结成岩，受饱和土的固结理论控制，井壁在发生破裂前会进入塑性状态，塑性区以外的地层仍处于弹性状态。

其中，深水浅部地层力学性质的实验分析采用国标《土工试验方法标准(GB_T50123-19993)》。

深水浅部地层沉积时间短，经历的构造运动少，且地层泊松比较大，使水平地应力间差值不大，可认为受均匀水平地应力作用，在井眼钻开前，地层受到上覆岩层压力σ_v和均匀水平地应力σ_h作用。

深水浅部地层为理想弹塑性材料，假设深水浅部地层为均质、各向同性的理想弹塑性材料，井眼钻开前地层为弹性状态，地层的屈服服从统一强度准则

σ_r=Mσ_θ+σ₀    (1)

其中，

式中：b(0≤b≤1)为反应中间主应力影响的参数；m为中间主应力系数，在平面应变情况下m≤1，在弹性状态下m＜1，进入塑性状态下m趋近于1，在本文中，当深水浅层土体进入塑性状态后，m值取1；C、

分别为饱和土体不排水时的黏聚力和内摩擦角，采用总应力抗剪强度指标。

钻井过程中，由于钻井液会在井壁上形成一层致密的泥饼，阻止井筒与地层间的流体渗流，可认为浅层土体不排水，土体的变形服从小变形理论。井眼钻开会导致井周地层应力的改变，由于土体不排水，部分应力会由地层中的孔隙压力承担，导致地层孔隙压力的改变。将由外载荷改变引起的孔隙压力改变量称为超孔隙压力，记作ΔP，其表达式为

ΔP=P_p-P_p0=βΔσ_oct+(2.12A-0.71)Δτ_oct   (4)

其中，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\Δ\σ}}_1+{\mathrm{\Δ\σ}}_2+{\mathrm{\Δ\σ}}_3)---\left(5\right)$

${\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\Δ\σ}}_1-{\mathrm{\Δ\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\Δ\σ}}_2-{\mathrm{\Δ\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\Δ\σ}}_3-{\mathrm{\Δ\σ}}_1)}^2}---\left(6\right)$

式中：α和β为Henkel孔隙压力系数，对于饱和土，取β=1；A为Skempton超孔隙压力系数。

在钻井过程中，根据力学平衡方程，在任意一点处，浅层土体的应力有如下关系

$\frac{{\mathrm{d\σ}}_r}{\mathrm{dr}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}{r}=0---\left(7\right)$

式中：σ_r、σ_θ分别为径向应力和切向应力。

利用式(1)、式(7)和边界条件

可得塑性区域的应力场分布为

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r=(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}\\ {\mathrm{\σ}}_z=\frac{M+1}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

根据塑性区应力计算式(8)，由钻井引起的塑性区应力增量为

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_r=(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}-{\mathrm{\σ}}_h\\ {\mathrm{\Δ\σ}}_z=\frac{M+1}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}-{\mathrm{\σ}}_h\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}-{\mathrm{\σ}}_h\end{array}\right\}---\left(9\right)$

根据式(9)计算塑性区地层的平均法向应力变化量Δσ_oct和平均剪切应力变化量Δτ_oct，再代入式(4)即可得塑性区超孔隙压力为

$\mathrm{\ΔP}=\frac{(1.73A+0.42)(M-1)+2}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}-{\mathrm{\σ}}_h---\left(10\right)$

根据Terzaghi有效应力原理，塑性区有效应力可表示为

$\left.\begin{array}{c}{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_r={\mathrm{\σ}}_r-\mathrm{\ΔP}-P_{p0}=\frac{(1.58-1.73A)(M-1)}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}+{\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}\\ {{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-\mathrm{\ΔP}-P_{p0}=\frac{-(1.73A+0.42)(M-1)}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}+{\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}\\ {{\mathrm{\σ}}^{\′}}_z={\mathrm{\σ}}_z-\mathrm{\ΔP}-P_{p0}=\frac{(0.58-1.73A)(M-1)}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}){\left(\frac{r_w}{r}\right)}^{\frac{M-1}{M}}+{\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}\end{array}\right\}---\left(11\right)$

当深水浅层饱和土体单元中的孔隙压力等于作用于此单元上的外压力时，土体处于临界状态，当孔隙压力超过临界值时，土体中的有效应力将变为拉应力，如果拉应力超过土体的抗拉强度，地层将发生开裂，此时的井筒压力就为破裂压力。

井筒发生破裂时应满足边界条件

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{\mathrm{\θ}}{|}_{{r=r}_w}=-\mathrm{St}---\left(12\right)$

式中，St为地层抗拉强度。

由式(11)得井壁上的切向有效应力为

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{\mathrm{\θ}}{|}_{{r=r}_w}=\frac{-(1.73A+0.42)(M-1)}{2M}(P_w+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1})+{\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}---\left(13\right)$

将式(11)代入式(10)可得深水浅层井筒破裂压力为

$P_f=\frac{2M({\mathrm{\σ}}_h-P_{p0}+\mathrm{St})}{(1.73A+0.42)(M-1)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{M-1}---\left(14\right)$

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.深水浅层破裂压力计算技术，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

根据地震层速度数据和试验数据确定深水浅部地层力学性质； 

以统一强度准则为屈服准则计算井眼加压过程中的井周塑性区应力状态； 

根据土力学中的超孔隙压力理论计算井眼钻开后钻井引起的超孔隙压力分布规律； 

根据有效应力理论计算井眼周围的有效应力； 

结合水力压裂理论计算深水浅部地层的破裂压力。 

2.如权利要求1所述的深水浅层破裂压力计算技术，其特征在于，该方法中利用深水浅部地层未固结成岩的特点，采用土力学理论和钻井工程相结合的方法计算深水浅部地层破裂压力。 

3.如权利要求1或2所述的深水浅层破裂压力计算技术，其特征在于，该方法中深水浅部地层力学特性的的确定是基于国标《土工试验方法标准(GB_T50123-19993)》，浅层沉积物的强度采用总应力强度指标计算。 

4.如权利要求1所述的深水浅层破裂压力计算技术，其特征在于，该方法对钻井过程中井周孔隙压力的计算采取了土力学中的超孔隙压力理论：井眼钻开会导致井周地层应力的改变，部分应力会由地层中的孔隙压力承担，导致地层孔隙压力的改变。将由外载荷改变引起的孔隙压力改变量称为超孔隙压力，记作ΔP，其表达式为 

ΔP=P_p-P_p0=βΔσ_oct+(2.12A-0.71)Δτ_oct        (1) 

其中， 

钻井时塑性区超孔隙压力为 

式中：α和β为Henkel孔隙压力系数，对于饱和土，取β=1；A为Skempton超孔隙压力系数；σ_h为水平地应力。 

5.如权利要求1所述的深水浅层破裂压力计算技术，其特征在于，该方法对深水浅层破裂压力的计算采用超孔隙压力和水力压裂理论相结合的方法，当深水浅层饱和土体单元中的孔隙压力等于作用于此单元上的外压力时，土体处于临界状态，当孔隙压力超过临界值时， 土体中的有效应力将变为拉应力，如果拉应力超过土体的抗拉强度，地层将发生开裂，井筒发生破裂时应满足边界条件 

式中，St为地层抗拉强度。 

井壁上的切向有效应力为 

深水浅层井筒破裂压力为 

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