CN106682757A - 一种井壁坍塌压力确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井壁坍塌压力确定方法和装置，属于石油钻井领域。所述方法包括：获取待测井壁中岩石的力学参数，所述力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述弹性参数包括弹性模量E、泊松比μ、岩石弹性阶段抗压强度σ_c和内摩擦系数K，所述塑性参数包括岩石软化模量Q、塑性软化区围岩扩容梯度η₁和产生裂纹时的残余强度σ_cs；获取所述待测井壁的基础应力参数，所述基础应力参数包括井深度H、孔隙压力P_p、有效应力系数α、最小地应力σ_h和地应力系数λ；根据所述待测井壁中岩石的力学参数和所述待测井壁的基础应力参数计算所述待测井壁的坍塌压力ρ，计算出更加贴合实际的井壁坍塌压力，为钻井过程选择合理钻井液密度提供依据，适应钻井提速要求，同时保证井壁安全。

Description

一种井壁坍塌压力确定方法和装置

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种井壁坍塌压力确定方法和装置。

背景技术

在石油钻井过程中，为防止井壁坍塌，需要对井壁坍塌压力进行预测，从而根据井壁坍塌压力确定油井中维持井壁稳定的钻井液的最小密度，以实现钻井安全。

一般井壁坍塌压力模型在对井壁坍塌压力进行预测时，通常把岩石看成是标准的弹性体，将岩石破坏过程划分为弹性阶段、岩石裂纹产生与破碎两个阶段，但这种划分不能真实描述井壁的破坏过程，导致计算出的坍塌压力过高，最终导致采用的钻井液密度较高，不利于达到钻井提速的要求。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种井壁坍塌压力确定方法和装置。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种井壁坍塌压力确定方法，所述方法包括：

获取待测井壁中岩石的力学参数，所述力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述弹性参数包括弹性模量、泊松比、岩石弹性阶段抗压强度和内摩擦系数，所述塑性参数包括岩石软化模量、塑性软化区围岩扩容梯度和产生裂纹时的残余强度；

获取所述待测井壁的基础应力参数，所述基础应力参数包括井深度、孔隙压力、有效应力系数、最小地应力和地应力系数；

根据所述待测井壁中岩石的力学参数和所述待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算所述待测井壁的坍塌压力：

其中：

其中，ρ为所述坍塌压力，E为所述弹性模量，μ为所述泊松比，σ_c为所述岩石弹性阶段抗压强度，K为所述内摩擦系数，Q为所述岩石软化模量，η₁为所述塑性软化区围岩扩容梯度，σ_cs为所述产生裂纹时的残余强度，H为所述井深度，P_p为所述孔隙压力，α为所述有效应力系数，σ^h为所述最小地应力，λ为所述地应力系数。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述获取待测井壁中岩石的力学参数，包括：

采集所述待测井壁中的岩石；

通过实验测试所述待测井壁中岩石的力学参数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述通过实验测试所述待测井壁中岩石的力学参数，包括：

将采集到的所述待测井壁中的岩石加工成圆柱形岩心；

对所述岩心进行岩石三轴压缩试验，测试出所述待测井壁中岩石的力学参数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述圆柱形岩心的直径为25mm，高为50mm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述获取所述待测井壁的基础应力参数，包括：

从测井资料获得所述待测井壁的基础应力参数中的井深度、孔隙压力和有效应力系数；

通过实验测试所述待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述通过实验测试所述待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数，包括：

通过差应变法测试地应力大小，得到最大地应力和最小地应力；

计算所述最大地应力和所述最小地应力之比，得到所述地应力系数。

另一方面，本发明实施例提供了一种井壁坍塌压力确定装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取待测井壁中岩石的力学参数，所述力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述弹性参数包括弹性模量、泊松比、岩石弹性阶段抗压强度和内摩擦系数，所述塑性参数包括岩石软化模量、塑性软化区围岩扩容梯度和产生裂纹时的残余强度；

第二获取模块，用于获取所述待测井壁的基础应力参数，所述基础应力参数包括井深度、孔隙压力、有效应力系数、最小地应力和地应力系数；

计算模块，用于根据所述待测井壁中岩石的力学参数和所述待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算所述待测井壁的坍塌压力：

其中：

其中，ρ为所述坍塌压力，E为所述弹性模量，μ为所述泊松比，σ_c为所述岩石弹性阶段抗压强度，K为所述内摩擦系数，Q为所述岩石软化模量，η₁为所述塑性软化区围岩扩容梯度，σ_cs为所述产生裂纹时的残余强度，H为所述井深度，P_p为所述孔隙压力，α为所述有效应力系数，σ_h为所述最小地应力，λ为所述地应力系数。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明为更加真实的反映井壁岩石的应力坍塌行为，基于弹塑性理论建立井壁坍塌压力模型，并结合相应的岩石的力学参数和井壁的基础应力参数，计算出更加贴合实际的井壁坍塌压力，为钻井过程选择合理钻井液密度提供依据，适应钻井提速要求，同时保证井壁安全。

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是本发明实施例提供的一种井壁坍塌压力确定方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种井壁坍塌压力确定装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。

图1是本发明实施例提供的一种井壁坍塌压力确定方法的流程图，参见图1，该方法包括：

步骤101：获取待测井壁中岩石的力学参数，力学参数包括弹性参数和塑性参数，弹性参数包括弹性模量E、泊松比μ、岩石弹性阶段抗压强度σ_c和内摩擦系数K，塑性参数包括岩石软化模量Q、塑性软化区围岩扩容梯度η₁和产生裂纹时的残余强度σ_cs。

在一种可能的实现方式中，获取待测井壁中岩石的力学参数，包括：

第一步，采集待测井壁中的岩石。

第二步，通过实验测试待测井壁中岩石的力学参数。

在一种可能的实现方式中，通过实验测试待测井壁中岩石的力学参数，包括：

将采集到的待测井壁中的岩石加工成圆柱形岩心；对岩心进行岩石三轴压缩试验，测试出待测井壁中岩石的力学参数。具体地，通过岩石三轴压缩试验获得三轴试验曲线，再根据三轴试验曲线计算出弹性参数和塑性参数。

在加工圆柱形岩心时，可以对圆柱形岩心进行称重并记录，以供后续试验计算使用。

在一种可能的实现方式中，圆柱形岩心的直径为25mm，高为50mm。

步骤102：获取待测井壁的基础应力参数，基础应力参数包括井深度H、孔隙压力P_p、有效应力系数α、最小地应力σ_h和地应力系数λ。

在一种可能的实现方式中，获取待测井壁的基础应力参数，包括：

第一步，从测井资料获得待测井壁的基础应力参数中的井深度、孔隙压力和有效应力系数。

第二步，通过实验测试待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数。

在一种可能的实现方式中，通过实验测试待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数，包括：

通过差应变法测试地应力大小，得到最大地应力和最小地应力；计算最大地应力和最小地应力之比，得到地应力系数。

步骤103：根据待测井壁中岩石的力学参数和待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算待测井壁的坍塌压力ρ：

其中：

下面以某油田3000m左右的井眼处的坍塌压力预测为例进行说明效果。

通过步骤101和步骤102获得的参数包括：弹性参数：弹性模量为20GPa，泊松比为0.4，岩石弹性阶段抗压强度37MPa，内摩擦系数1.25。塑性参数：岩石软化模量100GPa，产生裂纹时的残余强度5MPa，塑性软化区围岩扩容梯度1.5。基础应力参数：井深度3000m，孔隙压力32.5MPa，有效应力系数0.9，最小地应力40MPa，地应力系数2.1。

通过经典的坍塌压力计算模型(如背景技术)计算出的坍塌压力为1.65g/cm³，采用本发明步骤103提供的公式计算结果为1.25g/cm³。现场使用密度为1.31g/cm³的钻井液，井壁未发生坍塌，当钻井液密度降低至1.20g/cm³时，井段出现一定的扩径。实例表明本发明计算的坍塌压力能较为真实的预测井壁坍塌压力，而经典的坍塌压力计算模型预测的坍塌压力明显偏高。

本发明的坍塌压力公式考虑因素更为全面，更加真实的反映了岩石的弹塑性特征，使得计算出的井壁坍塌压力更准确。

图2是本发明实施例提供的一种井壁坍塌压力确定装置，参见图2，该装置包括：

第一获取模块201，用于获取待测井壁中岩石的力学参数，力学参数包括弹性参数和塑性参数，弹性参数包括弹性模量、泊松比、岩石弹性阶段抗压强度和内摩擦系数，塑性参数包括岩石软化模量、塑性软化区围岩扩容梯度和产生裂纹时的残余强度；

第二获取模块202，用于获取待测井壁的基础应力参数，基础应力参数包括井深度、孔隙压力、有效应力系数、最小地应力和地应力系数；

计算模块203，用于根据待测井壁中岩石的力学参数和待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算待测井壁的坍塌压力：

其中：

其中，ρ为坍塌压力，E为弹性模量，μ为泊松比，σ_c为岩石弹性阶段抗压强度，K为内摩擦系数，Q为岩石软化模量，η₁为塑性软化区围岩扩容梯度，σ_cs为产生裂纹时的残余强度，H为井深度，P_p为孔隙压力，α为有效应力系数，σ_h为最小地应力，λ为地应力系数。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上仅为本发明的较佳实施例，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 (7)

1.一种井壁坍塌压力确定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待测井壁中岩石的力学参数，所述力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述弹性参数包括弹性模量、泊松比、岩石弹性阶段抗压强度和内摩擦系数，所述塑性参数包括岩石软化模量、塑性软化区围岩扩容梯度和产生裂纹时的残余强度；

获取所述待测井壁的基础应力参数，所述基础应力参数包括井深度、孔隙压力、有效应力系数、最小地应力和地应力系数；

根据所述待测井壁中岩石的力学参数和所述待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算所述待测井壁的坍塌压力：

$\mathrm{\ρ}=100\[V-\frac{{\mathrm{\σ}}_{cs}+{\mathrm{\αP}}_p(1-K)}{K-1}\]/H;$

其中：

$\begin{array}{c}V=\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\σ}}_{cs}}{GQ}+1\right)\frac{GQ}{K+{\mathrm{\η}}_1}-\frac{GQ+{\mathrm{\σ}}_c}{K-1}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{cs}}{K-1}+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\σ}}_{cs}}{GQ}+1\right)}^{\frac{1-K}{1+{\mathrm{\η}}_1}}\{\frac{{\mathrm{\σ}}_h\left(1+\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\αKP}}_p}{1+K}\\ +\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(GQ+{\mathrm{\σ}}_c\right)+GQ+{\mathrm{K\σ}}_c}{\left(K-1\right)\left(K+{\mathrm{\η}}_1\right)}\};\end{array}$

$G=\frac{{\mathrm{\σ}}_h(1+\mathrm{\μ})}{6E(1+K)}\{6\mathrm{\μ}(1+K-\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}K)+K-11+5\mathrm{\λ}+(\mathrm{\λ}-1)(6\mathrm{\μ}K+6\mathrm{\μ}-13-7K)+\frac{6\[{\mathrm{\σ}}_c+{\mathrm{\αP}}_p(1-K)\]}{{\mathrm{\σ}}_h}\};$

其中，ρ为所述坍塌压力，E为所述弹性模量，μ为所述泊松比，σ_c为所述岩石弹性阶段抗压强度，K为所述内摩擦系数，Q为所述岩石软化模量，η₁为所述塑性软化区围岩扩容梯度，σ_cs为所述产生裂纹时的残余强度，H为所述井深度，P_p为所述孔隙压力，α为所述有效应力系数，σ_h为所述最小地应力，λ为所述地应力系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取待测井壁中岩石的力学参数，包括：

采集所述待测井壁中的岩石；

通过实验测试所述待测井壁中岩石的力学参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过实验测试所述待测井壁中岩石的力学参数，包括：

将采集到的所述待测井壁中的岩石加工成圆柱形岩心；

对所述岩心进行岩石三轴压缩试验，测试出所述待测井壁中岩石的力学参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述圆柱形岩心的直径为25mm，高为50mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述待测井壁的基础应力参数，包括：

从测井资料获得所述待测井壁的基础应力参数中的井深度、孔隙压力和有效应力系数；

通过实验测试所述待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过实验测试所述待测井壁的基础应力参数中的最小地应力和地应力系数，包括：

通过差应变法测试地应力大小，得到最大地应力和最小地应力；

计算所述最大地应力和所述最小地应力之比，得到所述地应力系数。

7.一种井壁坍塌压力确定装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取待测井壁中岩石的力学参数，所述力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述弹性参数包括弹性模量、泊松比、岩石弹性阶段抗压强度和内摩擦系数，所述塑性参数包括岩石软化模量、塑性软化区围岩扩容梯度和产生裂纹时的残余强度；

第二获取模块，用于获取所述待测井壁的基础应力参数，所述基础应力参数包括井深度、孔隙压力、有效应力系数、最小地应力和地应力系数；

计算模块，用于根据所述待测井壁中岩石的力学参数和所述待测井壁的基础应力参数，按照以下模型计算所述待测井壁的坍塌压力：

$\mathrm{\ρ}=100\[V-\frac{{\mathrm{\σ}}_{cs}+{\mathrm{\αP}}_p(1-K)}{K-1}\]/H;$

其中：

$\begin{array}{c}V=\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\σ}}_{cs}}{GQ}+1\right)\frac{GQ}{K+{\mathrm{\η}}_1}-\frac{GQ+{\mathrm{\σ}}_c}{K-1}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{cs}}{K-1}+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\σ}}_{cs}}{GQ}+1\right)}^{\frac{1-K}{1+{\mathrm{\η}}_1}}\{\frac{{\mathrm{\σ}}_h\left(1+\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\σ}}_c-{\mathrm{\αKP}}_p}{1+K}\\ +\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(GQ+{\mathrm{\σ}}_c\right)+GQ+{\mathrm{K\σ}}_c}{\left(K-1\right)\left(K+{\mathrm{\η}}_1\right)}\};\end{array}$

$G=\frac{{\mathrm{\σ}}_h(1+\mathrm{\μ})}{6E(1+K)}\{6\mathrm{\μ}(1+K-\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}K)+K-11+5\mathrm{\λ}+(\mathrm{\λ}-1)(6\mathrm{\μ}K+6\mathrm{\μ}-13-7K)+\frac{6\[{\mathrm{\σ}}_c+{\mathrm{\αP}}_p(1-K)\]}{{\mathrm{\σ}}_h}\};$

其中，ρ为所述坍塌压力，E为所述弹性模量，μ为所述泊松比，σ_c为所述岩石弹性阶段抗压强度，K为所述内摩擦系数，Q为所述岩石软化模量，η₁为所述塑性软化区围岩扩容梯度，σ_cs为所述产生裂纹时的残余强度，H为所述井深度，P_p为所述孔隙压力，α为所述有效应力系数，σ_h为所述最小地应力，λ为所述地应力系数。