CN106682384B - 井眼扩径率计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种井眼扩径率计算方法及装置。该方法包括：通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；通过地层资料和室内实验获取所述井壁的基础应力参数；根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率。本发明可以在给定钻井液密度的情况下得到钻井的井眼扩径率，因而可以准确选择并配定合理的钻井液密度，为优质快速钻井提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种井眼扩径率计算方法及装置。
背景技术
在石油钻井过程中，一方面为了提高钻井速度需要较小的钻井液密，另一方面为了防止井眼垮塌又需要维持合适的钻井液密度。目前通常的做法是以“坍塌压力”作为井筒钻井液的允许的最小密度，即刚好维持井壁平衡的钻井液密度，但实际情况下在井壁垮塌率在10％～20％情况下，甚至30％，仍可以维持钻井的进行，显然以“坍塌压力”作为设计最小钻井液密度依据显得保守，不利于钻井提速的需求。
针对石油钻井井眼扩径率的计算，目前只有通过有限元分析的方法，还没有实际的计算公式。已经有文献给出了可以计算维持扩径率为0％的钻井液密度(也就是坍塌压力计算公式)，但是实际上一旦需要计算井眼扩径就无法满足要求。
因此，在石油钻井技术领域，缺乏一种在不同钻井液密度下有效计算井眼扩径率的方法。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种井眼扩径率计算方法及装置，有效计算不同钻井液密度下的井眼扩径率，从而可以准确配置合适的钻井液密度，为优质快速钻井提供技术支持。
具体而言，包括以下的技术方案：
一种井眼扩径率计算方法，包括：
通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；
通过地层资料和室内实验获取所述井壁的基础应力参数；
根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率。
可选择地，所述井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比与岩石内摩擦系数。
可选择地，所述井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度。
可选择地，所述井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度。
可选择地，所述井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；ρ钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
一种井眼扩径率计算装置，包括：
线弹性参数获取模块，用于通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
塑性参数获取模块，用于通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；
基础应力参数获取模块，通过地层资料和室内实验获取所述井壁的基础应力参数；
扩径率计算模块，用于根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率。
可选择地，所述井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比与岩石内摩擦系数。
可选择地，所述井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度。
可选择地，所述井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度。
可选择地，所述井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；ρ钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果：
本发明的井眼扩径率计算方法和井眼扩径率计算装置，引入井壁岩石的线弹性参数、井壁岩石的塑性参数、井壁的基础应力参数和钻井液密度来计算井眼扩径率，从而可以在给定钻井液密度的情况下得到钻井的井眼扩径率，因而可以准确选择并配定合理的钻井液密度，为优质快速钻井提供技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一实施例的井眼扩径率计算方法的流程图；
图2是根据本发明一实施例的井眼扩径率计算装置的框图；
图3是本发明一实例测得的井眼扩径率实际变化情况的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明一实施例提供了一种井眼扩径率计算方法，如图1所示，包括：
步骤S1：通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
步骤S2：通过室内实验得到井壁的取样岩石的塑性参数；
步骤S3：通过地层资料获取井壁的基础应力参数；
步骤S4：根据线弹性参数、塑性参数、基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率。
其中，井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比、弹性模量与岩石内摩擦系数。
泊松比是指岩石在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
岩石在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，该比例系数称为弹性模量。
井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度。
岩石产生裂缝时的残余强度是指岩石在破坏后所残留的抵抗外荷的能力。可在应力—应变全过程曲线上求得。
井壁的取样岩石的线弹性参数和塑性参数都是岩石的力学参数。岩石力学参数的测试可采用以下方法：将岩样加工成的圆柱形型岩心(例如为Φ25×50mm)进行称重记录，通过岩石三轴压缩实验测试计算得出岩石的弹性模量、泊松比、弹性抗压强度、内摩擦系数等弹性参数和岩石软化模量、扩容梯度、残余强度等。从而完成步骤S1、S2。步骤S1、S2中的室内实验实际上是同一次实验，也可以看成是一次实验的先后两部分。
井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度。
孔隙压力指的是岩石内孔隙流体承受的压力。其值为孔隙水压力和孔隙气压力之和。
其中，井深度、孔隙压力、有效应力系数等可以从测井资料获得；而最小地应力、地应力系数可通过室内实验确定，例如可通过波速各向异性法和粘滞剩磁法来确定各主地应力的方向，并通过差应变法测试和计算分析得出地应力大小等参数。从而完成步骤S3。
步骤S4中，钻井液密度根据选定或配备的钻井液测定，也可预设一个钻井液密度。井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；ρ钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
本领域技术人员应当理解，上述公式只是例示性的，还可以以其他公式计算，但是只要是根据线弹性参数、塑性参数、基础应力参数和钻井液密度来计算井眼扩径率，都在本发明的保护范围之内。
本实施例的井眼扩径率计算方法，引入井壁岩石的线弹性参数、井壁岩石的塑性参数、井壁的基础应力参数和钻井液密度来计算井眼扩径率，从而可以在给定钻井液密度的情况下得到钻井的井眼扩径率，因而可以准确选择并配定合理的钻井液密度，为优质快速钻井提供技术支持。
本发明另一实施例提供了一种井眼扩径率计算装置，如图2所示，包括：
线弹性参数获取模块1，用于通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
塑性参数获取模块2，用于通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；
基础应力参数获取模块3，通过地层资料获取所述井壁的基础应力参数；
扩径率计算模块4，用于根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率。
其中，井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比、弹性模量与岩石内摩擦系数。
井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度。
岩石产生裂缝时的残余强度是指岩石在破坏后所残留的抵抗外荷的能力。可在应力—应变全过程曲线上求得。
井壁的取样岩石的线弹性参数和塑性参数都是岩石的力学参数。岩石力学参数的测试可采用以下方法：将岩样加工成的圆柱形型岩心(例如为Φ25×50mm)进行称重记录，通过岩石三轴压缩实验测试计算得出岩石的弹性模量、泊松比、弹性抗压强度、内摩擦系数等弹性参数和岩石软化模量、扩容梯度、残余强度等。获得上述参数后，就实现了线弹性参数获取模块1和塑性参数获取模块2，例如可在相应的实验装置上加上实验数据传送接口就构成了上述模块。
井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度。
其中，井深度、孔隙压力、有效应力系数等可以从测井资料获得；而最小地应力、地应力系数可通过室内实验确定，例如可通过波速各向异性法和粘滞剩磁法来确定各主地应力的方向，并通过差应变法测试和计算分析得出地应力大小等参数。获得上述参数后，就实现了基础应力参数获取模块3。
扩径率计算模块4中，钻井液密度根据选定或配备的钻井液测定，也可预设一个钻井液密度。井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；ρ钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
本实施例的井眼扩径率计算装置，引入井壁岩石的线弹性参数、井壁岩石的塑性参数、井壁的基础应力参数和钻井液密度来计算井眼扩径率，从而可以在给定钻井液密度的情况下得到钻井的井眼扩径率，因而可以准确选择并配定合理的钻井液密度，为优质快速钻井提供技术支持。
下面通过一个实例来验证本发明的效果。
某区块井深3000m处，最小地应力为43MPa，最大地应力为64.5MPa(最大地应力除以最小地应力就是地应力系数λ)，地层压力系数1.10(地层压力系数乘以深度可以得到空隙压力Pp)。根据该地区取芯获得的岩石力学参数计算不同钻井液密度对应的垮塌率。
表1岩石力学参数
现场使用了两种钻井液密度1.30g/cm3和1.15g/cm3分别在X井和Y井进行了试验性钻井，把上表的岩石力学参数，以及上文提及的地应力数据、深度数据、井下液柱压力(可由Pi＝ρH计算)，代入扩径率公式可计算密度1.30g/cm3和1.15g/cm3两种钻井液密度下的扩径率。
表2钻井液密度与预测扩径率
现场钻井钻头直径311.2mm，如果井眼不扩径，那么井筒内径为311.2mm。在实际钻井过程中：参见图3，在X井中，使用密度1.30g/cm3的钻井液的井径变化率基本在3～8％左右(预测5％)；在Y井中，使用密度1.13g/cm3钻井液的井径变化率在13～17％左右(预测15％)，可见在不同钻井液密度下，通过模型计算出的井眼扩径率与实际井眼扩径率很吻合，说明建立的模型的可靠性。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种井眼扩径率计算方法，其特征在于，包括：
通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；
通过地层资料和室内实验获取所述井壁的基础应力参数；
根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率，
所述井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比与岩石内摩擦系数；所述井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度；所述井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度；所述井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；Pi＝ρH，为井下液柱压力；ρ为钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
2.一种井眼扩径率计算装置，其特征在于，包括：
线弹性参数获取模块，用于通过室内实验得到井壁的取样岩石的线弹性参数；
塑性参数获取模块，用于通过室内实验得到所述井壁的取样岩石的塑性参数；
基础应力参数获取模块，通过地层资料和室内实验获取所述井壁的基础应力参数；
扩径率计算模块，用于根据所述线弹性参数、所述塑性参数、所述基础应力参数和钻井液密度，计算井眼扩径率；所述井壁的取样岩石的线弹性参数包括：岩石弹性阶段的抗压强度、泊松比与岩石内摩擦系数；所述井壁的取样岩石的塑性参数包括：岩石产生裂缝时的残余强度、岩石强度软化模量梯度和塑性软化区围岩扩容梯度；所述井壁的基础应力参数包括：最小地应力、有效应力系数、孔隙压力、地应力系数和井深度；所述井眼扩径率的计算公式为：
其中：
式中：γ，为井眼扩径率，％；Pi＝ρH，为井下液柱压力；ρ为钻井液密度，g/cm3；H为井深度，m；Pp为孔隙压力，MPa；α为有效应力系数；σh为最小地应力，MPa；λ为地应力系数；σc为岩石弹性阶段抗压强度，MPa；μ为泊松比；E为弹性模量，MPa；K岩石摩擦系数；σcs为产生裂纹时的残余强度，MPa；Q为岩石强度软化模量梯度；MPa；η1为塑性软化区围岩扩容梯度。
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- 2016-09-06 CN CN201610806508.XA patent/CN106682384B/zh active Active
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| CN106682384A (zh) | 2017-05-17 |
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