CN105003247A - 低密度钻井可行性快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合用于石油天然气开发过程中低密度钻井可行性快速评价方法，是依据进步达到临界塑性状态时对应的井眼内泥浆液柱压力P_b来判断钻井过程中井壁是否稳定，该方法包括步骤：根据地层岩石的全应力-应变试验数据及地层岩石的力学特性参数来获取井壁稳定预测模型中需要的参数获取达到临界塑性状态时对应的井壁坍塌压力P_b，critical；判断现场选用的泥浆液柱压力P_i是否大于P_b，critical；若井眼内泥浆液柱压力P_i＞P_b，critical，则得出井壁保持稳定；若P_i＜P_b，critical，则得出井壁失稳坍塌。若P_i＝P_b，critical，则表明钻井过程中井壁塑性达到临界状态。该方法是基于损伤力学结合统一强度破坏准则提出，经现场实际检验，具有很好的应用效果。

Description

低密度钻井可行性快速评价方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发过程中钻井时的井壁稳定技术领域，具体涉及一种适用于低密度钻井可行性快速评价方法。

背景技术

井壁稳定性问题是石油钻井工程中的重要问题。据统计，世界各国每年消耗在处理这类问题的费用高达数亿美元。井壁失稳使钻井施工无法顺利进行，对地下石油资源的勘探和开发造成巨大的损失。因此，从研究井壁失稳的力学机理入手，建立井壁力学模型，分析地应力、地层孔隙压力和岩石力学参数对井壁稳定的影响，并提供钻井安全泥浆密度设计方法具有十分重要的意义。

低密度钻井，可以减少对井底岩石的压持效应，显著提高钻进速度。甚至，在井底有效压力低于地层压力的条件下进行钻井作业时，在井下，允许地层流体进入井内，在井口，利用专门的井控装置对循环出的流体进行控制和处理，这样可及时发现和有效的保护油气层。然而在低密度条件下，液柱压力对井壁的支撑作用不足，加剧了井壁失稳的可能性，为了使低密度钻井技术更好的发展下去，就迫切需要解决低密度钻井可行性这一关键性难题，从而提高低压低渗易漏非常规油藏和挖潜枯竭老油层的产能。

目前基于弹性和理想弹塑性理论的井周围岩应力状态的泥浆钻井井壁稳定性分析模型，不符合实际情况，过高地估计了保持钻井过程中井眼稳定性的坍塌压力，提高泥浆密度不仅控制不住井壁失稳，还造成泥浆沿地层裂隙浸入地层，造成储层严重污染。通过实验观察，适当降低支撑井壁的泥浆密度，井周局部区域在超过岩体弹性极限而进入塑性状态后，虽然在井眼周围形成了很多宏观裂缝，但井眼仍然能够保持稳定状态。当载荷继续增加，达到临界状态后，井壁才迅速地整体坍塌。据数值模拟和室内物理模拟证明临界状态时的载荷是弹性极限状态的载荷的2.6倍。目前低密度钻井可行性快速评价尚未形成一套系统和行之有效的方法，没有建立适合于低密度钻井的井壁稳定性预测模型。

发明内容

本发明的目的是提供石油天然气开发钻井过程中对井壁稳定性的预测方法，利用该方法可以快速评价低密度钻井的可行性，应用方法简单、效果好。

利用上述目的，本发明采用如下技术方案：

低密度钻井可行性快速评价方法，该方法的应用包括步骤：

(1)根据地层岩石的全应力-应变试验数据及地层岩石的力学特性参数来获取井壁稳定预测模型中需要的参数；

(2)通过数值模拟，确定井壁稳定临界状态对应的应变极限值A；

(3)将上述参数代入井壁稳定预测模型，获取达到临界塑性状态时对应的井壁坍塌压力P_b，critical；

(4)判断现场选用的泥浆液柱压力P_i是否大于P_b，critical；若所述井眼内泥浆液柱压力P_i大于P_b，critical，则得出井壁保持稳定；若所述井眼内泥浆液柱压力P_i小于P_b，critical，则得出井壁失稳坍塌。

其中，该方法中，井壁稳定临界状态对应的应变极限值A可由数值模拟方法获取。

其中，该方法中，若所述井眼内泥浆液柱压力等于P_b，critical，则表明钻井时井壁塑性达到临界状态。

其中，该方法中获取的P_b，critical是基于地层岩石破坏强度准则和临界损伤区范围R_P获取的。

其中，该方法中基于地层岩石的破坏强度准则和临界损伤区范围R_P由式(1)获取所述井眼内支撑力P_b，critical：

$P_{b,\mathrm{critical}}=\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)({3\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]{\left(\frac{R_p}{R}\right)}^{1-N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-2{\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}---\left(1\right)$

其中，R_P为临界损伤区范围，由式(2)获取：

$R_P=R{\left\{\frac{\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)(3{\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]}{P_b-\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-{2\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}}\right\}}^{\frac{1}{N-1}}---\left(2\right)$

其中，N根据式(3)由统一内摩擦角φ_t确定：

$N=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_t}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_t}---\left(3\right)$

式(1)、式(2)和式(3)中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为岩石软化模量；σ_H为最大水平主应力，σ_h为最小水平主应力；σ_c为地层岩石的单轴压缩峰值强度；σ_cr为地层岩石的残余强度；h为地层岩石的软化阶段泊松比；R为井眼半径。

本发明提供的低密度钻井可行性快速评价方法，适用于石油天然气开发钻井过程中井壁稳定性预测，该方法是在地层岩石的强度破坏准则和岩石力学参数室内实验测量的基础上结合现场实际应用效果提出的新方法，经过现场实际检验，具有很好的应用效果。

附图说明

图1为本发明低密度钻井可行性快速评价方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的低密度钻井可行性快速评价方法，结合附图和实施例说明如下。

基于理论研究，地层在欠平衡钻井时井周围岩状态分为破坏区、损伤区和未扰动区。井眼钻开后由于应力集中，当应力超过井壁的弹性极限状态后，井眼周围出现损伤破坏，同时伴随着大量的微裂纹，即为损伤区；损伤区内存在大量裂缝，由于地层岩石具有一定的残余强度，只有当井眼径向位移达到某一临界值时，损伤区范围达到临界状态，井壁才会发生坍塌破坏而形成破坏区。

本发明建立了基于损伤破坏准则的适用于石油天然气开发过程中的低密度钻井井壁稳定预测方法。所依据的理论基础为：井眼钻开后由于应力集中，在井眼周围产生损伤，损伤区呈渐进式扩展并且分为两种情况。第一是稳定扩展的情况，随着边界上应力的增加，损伤区扩展后能够保持稳定，直到达到临界损伤状态；第二种情况，如果边界上应力超过井眼的极限承载能力，损伤区就发生失稳性扩展，井眼周围出现大范围损伤而迅速失稳坍塌。

实施例

本发明所述低密度钻井可行性快速评价方法，是依据进一步达到临界塑性状态时对应的井眼内泥浆液柱压力P_b来判断钻井井壁是否稳定，如图1所示，该方法包括步骤：根据地层岩石的全应力-应变试验数据及地层岩石的力学特性参数来获取井壁稳定预测模型中需要的参数；通过井壁稳定数值模拟，确定井壁稳定临界状态对应的应变极限值A；将上述参数代入井壁稳定预测模型，获取达到临界塑性状态时对应的井壁坍塌压力P_b，critical；判断现场选用的泥浆液柱压力P_i是否大于P_b，critical；若所述P_i大于P_b，critical，则得出井壁保持稳定；若所述P_i小于P_b，critical，则得出井壁失稳坍塌。由于井壁塑性达到临界状态时的眼内泥浆液柱压力P_i等于P_b，critical，即，井壁围岩在井壁位置恰好达到塑性残余状态定义为井壁稳定的临界状态，是井壁稳定的极限状态，该极限状态对应的井眼内泥浆液柱压力为P_b，critical。若井眼内液柱压力等于P_b，critical，则表明低密度钻井的井壁塑性达到临界状态。

本实施例中井壁稳定临界状态对应的应变极限值A可由数值模拟方法获取。步骤如下：

(1)建立物理模型，建立钻井设计尺寸的井眼二维1/4模型，按近井壁网格呈径向圆周密集划分，远井壁网格呈矩形稀疏分布。输入地层岩石的材料参数，井内加液柱压力，边界加非均匀地应力；

(2)数值求解方法，应用快速拉格朗日法或离散单元法，逐步求解不同当量泥浆密度条件下的井眼径向应变；

(3)统计计算结果，拟合曲线找径向应变突变点。此点对应的应变值即为井壁稳定临界状态对应的应变极限值A。

本实施例中根据地层岩石的全应力应变试验数据及地层岩石的力学特性参数来获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内液柱压力P_b，critical，是基于地层岩石的强度破坏准则和临界损伤区范围R_P获取的。由式(1)获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_b，critical：

$P_{b,\mathrm{critical}}=\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)({3\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]{\left(\frac{R_p}{R}\right)}^{1-N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-2{\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}---\left(1\right)$

其中，R_P为临界损伤区范围，由式(2)获取：

$R_P=R{\left\{\frac{\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)(3{\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]}{P_b-\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-{2\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}}\right\}}^{\frac{1}{N-1}}---\left(2\right)$

其中，N为中间变量，根据式(3)由统一内摩擦角φ_t确定：

$N=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_t}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_t}---\left(3\right)$

式(1)、式(2)和式(3)中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为地层岩石的软化模量；σ_H为最大水平主应力，σ_h为最小水平主应力；σ_c为地层岩石的单轴压缩峰值强度；σ_cr为地层岩石的残余强度；h为地层岩石的软化阶段泊松比；R为井眼半径。

其中，φ_t为地层岩石的一个固有的基本参数，井壁围岩弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值A、地层岩石的软化模量E′可以利用现有技术通过岩石力学试验确定，最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、地层岩石的单轴抗压强度σ_c、残余强度σ_cr；软化阶段泊松比h均可通过现有技术获取，这里不再详述。

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.低密度钻井可行性快速评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据地层岩石的全应力-应变试验数据及地层岩石的力学特性参数来获取井壁稳定预测模型中需要的参数；

(2)通过井壁稳定数值模拟，确定井壁稳定临界状态对应的应变极限值A；

(3)将上述参数代入井壁稳定预测模型，获取达到临界塑性状态时对应的井壁坍塌压力P_b，critical；

(4)判断现场选用的泥浆液柱压力P_i是否大于P_b，critical；若所述井眼内泥浆液柱压力P_i大于P_b，critical，则得出井壁保持稳定；若所述井眼内泥浆液柱压力P_i小于P_b，critical，则得出井壁失稳坍塌。

2.如权利要求1所述的低密度钻井可行性快速评价方法，其特征在于，井壁稳定临界状态对应的应变极限值A的确定，通过井壁稳定数值模拟，取井壁径向应变增展拟合曲线的转折点对应的应变值。

3.如权利要求1所述的低密度钻井可行性快速评价方法，其特征在于，该方法中，若所述井眼内泥浆液柱压力等于P_b，critical，则表明钻井时井壁塑性达到临界状态。

4.如权利要求1或2所述的低密度钻井可行性快速评价方法，其特征在于，该方法中获取的P_b，critical是基于统一强度破坏准则和临界损伤区范围R_P获取的。

5.如权利要求3所述的低密度钻井可行性快速评价方法，其特征在于，该方法中基于地层岩石破坏强度准则和临界损伤区范围R_P由式(1)获取所述井眼内支撑力P_b，critical：

$P_{b,\mathrm{critical}}=\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)({3\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]{\left(\frac{R_p}{R}\right)}^{1-N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-2{\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}---\left(1\right)$

其中，R_P为临界损伤区范围，由式(2)获取：

$R_P=R{\left\{\frac{\frac{2}{1-N}[\frac{{\mathrm{AE}}^{\′}}{h+N}+\frac{(1-N)(3{\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)-{2\mathrm{\σ}}_c}{2(1+N)}]}{P_b-\frac{{\mathrm{\σ}}_c(1+h)-{2\mathrm{AE}}^{\′}}{(1-N)(h+N)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}}{h+N}}\right\}}^{\frac{1}{N-1}}---\left(2\right)$

其中，N根据式(3)由统一内摩擦角φ_t确定：

$N=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_t}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_t}---\left(3\right)$

式(1)、式(2)和式(3)中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为岩石软化模量；σ_H为最大水平主应力，σ_h为最小水平主应力；σ_c为地层岩石的单轴压缩峰值强度；σ_cr为地层岩石的残余强度；h为地层岩石的软化阶段泊松比；R为井眼半径。