CN106855897B - 适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，该方法综合地下岩石力学、测井学、连续介质力学、弹性力学、数理统计学等多学科知识点，从地层压力衰竭后岩石骨架颗粒的微观变形情况入手，到岩石的宏观声波响应表现、特性参数变化等，并充分利用该油田地层压力未衰竭时的部分资料(如岩石骨架密度测井、泥质含量测井、地层压力以及坍塌破裂压力实测点，地层岩心等)，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。本发明计算方法的精确度较高，只有破裂压力的预测上稍微有点误差。

Description

适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法

技术领域

本发明涉及油气田钻井中的压力衰竭地层井壁稳定性研究，具体地指一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法。

背景技术

大部分油气田在开采一段时间之后，地层能量都会有不同程度的下降。根据在压力衰竭地层的现场钻井情况统计，在压力衰竭井段极易发生井漏、卡钻等事故。例如在中国南海西部莺歌海盆地MD气田经过二十多年的开采，储集层压力系数已经下降至0.5左右。为了满足生产计划要求，并于2010年起增打多口调整井，在调整井的钻进过程中压力衰竭井段井漏、卡钻等事故发生率占整个井段的80％以上。针对该现象，为了减少压力衰竭井段事故发生率，国内外研究基本上集中于钻井液性能优化、井身结构优化设计等，缺乏理论上深入研究压力衰竭地层井壁失稳原因。虽然目前也有国内外相关学者对压力衰竭地层的地应力、坍塌破裂压力变化进行了研究，但是都是建立在岩石特性参数不发生变化的基础上得到的数学计算模型，虽然据此得到的数学计算模型较简介，但是坍塌破裂压力预测精度低的同时还没有形成一套具体成型的压力衰竭地层井壁稳定性预测方法，在现场实际应用中有诸多限制。如果不对压力衰竭地层坍塌、破裂压力进行精确预测，而是沿用油气田开发初期的安全泥浆密度窗口，极有可能因为钻井液密度选用不准确而导致井漏、卡钻等事故的发生。

发明内容

本发明针对现场越来越高的精度要求以及目前对压力衰竭地层的研究不足，本发明综合地下岩石力学、测井学、连续介质力学、弹性力学、数理统计学等多学科知识点，从地层压力衰竭后岩石骨架颗粒的微观变形情况入手，到岩石的宏观声波响应表现、特性参数变化等，并充分利用该油田地层压力未衰竭时的部分资料(如岩石骨架密度测井、泥质含量测井、地层压力以及坍塌破裂压力实测点，地层岩心等)，最终建立了一个完整的压力衰竭地层的安全泥浆密度窗口预测方法。利用该方法可以准确预测压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，预测精度高。

为实现上述目的，本发明提供的一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，包括以下步骤：

1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，发现岩石有效应力与声波速度之间呈现出良好的曲线关系，即存在着某种数学关系。为了找出岩石有效应力与声波速度之间的数学关系，分别假设两者之间存在着二次关系、三次关系、对数关系，然后对其相关性进行分析发现，对数函数相关性高达0.85以上，因此最终确定岩石有效应力与声波速度之间存在着对数关系；

2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下(油田卡开采一段时间后地层能量下降导致地层压力衰竭，但是不会影响地层岩石矿物含量，不会影响岩石骨架颗粒密度。因此，可以充分利用油田地层压力未衰竭时所测的测井资料，比如地层岩石泥质含量测井数据、地层岩石密度测井数据。)：

σ_c＝p_u-αp_p (2)

其中σ_c为有效应力、p_u为上覆岩层压力、p_p为地层压力、α为应力贡献系数，α为0.8～0.9；

3)根据步骤2)得到的地层有效应力带入到步骤1)中得到的岩石有效应力与声波速度的对数关系，即得到压力衰竭地层的地层声波速度数据，结合该声波数据，最终得到压力衰竭后岩石弹性模量、泊松比

a、弹性模量与声波速度关系

b、泊松比与声波速度关系

其中E₁—压力衰竭后岩石弹性模量；μ₁—压力衰竭后岩石泊松比；V_p—纵波速度；V_s—横波速度；

4)建立地应力计算模型：

a.为了得到方便应用于现场的地应力计算模型，特假设地层岩石为各向同性弹性体，压力衰竭前地层岩石变形公式为：

压力衰竭后地层岩石变形公式为：

式中ε为岩石形变；i、j、k分别代表空间直角坐标中三个不同的方向，同时σ_x＝σ_H(水平最大主应力)、σ_y＝σ_h(水平最小主应力)、σ_z＝σ_v(垂向主应力)；

b.地层压力下降后，基岩应力必然增加将导致岩石颗粒挤压变形，油气田地表会出现一定程度的下沉，但是下沉量一般远小于储集层埋深，认为上覆岩层压力在油气压力衰竭前后不变，即σ_v0＝σ_v1＝σ_v；同时由于致密圈闭层的存在，限制了岩石在水平方向上的变形，即ε_H1-ε_H0＝ε_h1-ε_h0＝0，建立了地应力计算模型：

其中σ_v、σ_H、σ_h为三个主地应力；P为孔隙压力；α为应力贡献系数；物理量下标0、1分别表示物理量处于压力衰竭前、后状态；

5)利用步骤3)得到的压力衰竭后岩石特性参数值，即压力衰竭后岩石弹性模量和泊松比，及其油田原始地层数据，即原始地应力、原始弹性模量、泊松比、原始孔隙压力及衰竭后孔隙压力，计算得到压力衰竭后地层地应力值；

6)根据压力衰竭地层井段的井壁应力分析公式，结合步骤5)得到压力衰竭后的地应力值，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，当在压力衰竭地层钻进时钻井液密度小于所计算的坍塌压力将会导致井壁坍塌，当钻井密度大于所计算的破裂压力时将会导致井壁破裂，从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。

进一步地，所述步骤1)中，对于单组室内岩心声波实验，岩石有效应力与声波速度之间的关系为对数关系，其公式为：

v_p＝Aln(σ_c)+B (1a)

其中，v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数A为0～1，B为1～3。

再进一步地，所述步骤1)中，对于多组室内岩心声波实验，将存在多组A、B值，为了尽量地层声波速度预测误差，在选用A、B系数值时，选用其平均值，即：

最终该区块岩石有效应力与声波速度之间的关系：

其中v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数，与地区地层性质有关，A为0～1，B为1～3；n为实验组数，A_i、B_i分别为第i组实验数据回归公式系数值。

再进一步地，所述步骤2)中，上覆岩层压力根据不同条件下，计算方式不同：

a、陆地上，并且有整个井段的密度测井资料

其中p_u为上覆岩层压力；ρ_i为测井资料中第i个密度测井值；g为重力加速度；Δh为密度测井值间距；d是微分符号，dh是h的微分；

b、陆地上，但是只有下部井段的密度测井资料

根据部分井段的密度测井资料通过数学回归得到地层岩石密度与井深之间的函数关系ρ＝f(h)，则

c、海上

海上油气井井段上部地层特别是深水情况下的井段上部地层不能简单的通过下部井段密度测井资料数学回归得到密度与井深之间的关系，必须选用目前应用比较普遍的Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ对浅部地层密度拟合，则

其中V_Int为地层层速度，m、n为常系数，均为0～1。

再进一步地，所述步骤6)中，

若压力衰竭地层井段为直井段，则直井井段的井壁的坍塌压力、破裂压力公式如下：

p_f＝3σ_h-σ_H-αp_p+S_t (5b)

其中p_t、p_f分别为坍塌、破裂压力，g/cm³；η为应力非线性修正系数，范围0～1；σ_H、σ_h分别为最大、最小水平主地应力，MPa；F_c为岩石粘聚力，MPa；H为井深，m；p_p为地层孔隙压力，g/cm³；S_t为岩石抗拉强度，MPa；K＝cot(45°-φ/2)，φ为岩石内摩擦角。

再进一步地，所述步骤6)中，

斜井坍塌压力、破裂压力的计算公式：

a、斜井井壁上的三个主应力

σ_r＝p_i-δφ(p_i-p_p)

其中σ_1,2、σ_r为斜井井壁上的三个主应力；σ_z为井壁轴向应力；σ_θ为井壁周向应力；σ_θz为轴向切应力；φ为岩石孔隙度，0～1；p_i为井底压力；p_p为孔隙压力；当斜井井壁渗漏时，δ＝1；当井壁无渗漏时，δ＝0；

b、岩石剪切破坏

c、拉伸破坏准则

σ_min-δα(p_i-p_p)-αp_p＝-T (6c)

其中T为岩石抗拉强度；

d、坍塌压力确定

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据

计算出θ值；

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，看其满足式(6b)哪一个条件，然后带入相应的强度准则表达式中看其是否满足式(6b)选中的那个条件；如果满足，则p_i值即为坍塌压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止；

e、破裂压力计算

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据

计算出θ值

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，令其最小值等于σ_min，然后带入式(6c)中看其是否满足式(6c)等式；如果满足，则p_i值即为破裂压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止。

本发明的核心思想如下，地层压力衰竭后基岩应力增加则必然会导致地层岩石发生微小变形，接下来宏观导致岩石声波响应、地应力、特性参数等发生改变，最终表现在地层坍塌、破裂压力的变化，直接体现在油气田地层压力发生衰竭后安全泥浆密度窗口的变化。

本发明的核心思想如下，地层压力衰竭后基岩应力增加则必然会导致地层岩石发生微小变形，接下来宏观导致岩石声波响应、地应力、特性参数等发生改变，最终表现在地层坍塌、破裂压力的变化，直接体现在油气田地层压力发生衰竭后安全泥浆密度窗口的变化。

本发明的有益效果在于：

1)地层压力衰竭后坍塌破裂压力预测精度高，压力衰竭井段安全泥浆密度窗口准确性强，能够推荐更精确的钻井液密度；

2)多学科知识点综合应用，形成完整的研究体系，现场应用方便，可操作性强。

3)根据室内岩心声波实验的大量数据，通过数理统计确定了在一定的岩石有效应力范围内有效应力与声波速度之间具有对数关系，为国内首创。

4)考虑压力衰竭后岩石特性参数变化改进完善地应力计算模型，得到新的地应力计算模型。

综上所述：本发明计算方法的精确度较高，只有破裂压力的预测上稍微有点误差。

附图说明

图1为井深1301m处地层岩心声波实验图；

图2为井深1345.89m处地层岩心声波实验图；

图3为井深1346.19m处地层岩心声波实验图；

图4为压力衰竭后地层声波时差与未衰竭时的地层声波时差对比图；图5为地层压力衰竭前后岩石特性参数对比图；

图6为地层压力衰竭前后最大水平主地应力当量密度对比图；

图7为地层压力衰竭前后最小水平主地应力当量密度对比图；

图8为地层压力衰竭后坍塌破裂压力计算值。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

中国南海西部某盆地D气田于20世纪末投入生产，该气藏地质分层自上而下分别为第四系、莺歌海组、黄流组，储层为Y2段Ⅲ气段。储层上部以泥岩及粉砂质泥岩为主，储层段以粉砂岩为主，夹有灰色泥岩隔层。开采初期储层与上部地层都属于正常压力系统，经过近二十年的衰竭式开采，储层压力衰竭非常严重。DF111井1997年投入生产，储层Y2段Ⅲ气组压力衰竭至0.46g/cm³，DF211井为2012年增加的调整井，两口井相距较近。

第一步：收集地层原始资料(具体收集项见表1)，作为地层原始状态；收集压力衰竭后地层资料(具体收集项见表2)，作为地层压力衰竭后地层状态实际值，验证理论计算值。

DF111井为原始井(20世纪末完钻)，收集该井的地应力、坍塌破裂压力作为该井附近地区的地层岩石原始状态标准，见表1。

表1 DF111井附近地层压力未衰竭时的地层实际状态

DF211井为调整井(2012年完钻)，储气层地层压力已经下降至0.46g/cm3，收集该井的地应力、坍塌破裂压力作为该井附近地区压力衰竭后的地层岩石状态标准，见表2。

表2 DF211井附近地层压力衰竭后的地层实际状态

第二步：收集地层岩心，通过声波实验确定该油气田区域有效应力与声波速度公式。

收集DF111井储集层岩心(DF211井为探井，未取心)，通过室内岩心声波实验，得到多组模拟地层条件下的岩石有效应力与声波速度，如图1—图3。

根据三处不同井深点的声波实验拟合出的有效应力与纵波速度之间公式，得到该油气田相关公式系数：

确定该油气田区域的储集层岩石有效应力与声波速度公式：

V_p＝0.2246ln(σ_c)+2.0942

第三步：

收集DF111井的地层密度测井，由于该气田位于中国南海西部，地层密度测井缺少浅部地层密度测井，因此采用应用较为广泛的浅部地层密度拟合模型——Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ(其中ρ为地层密度，V_Int为地层层速度，m、n为常系数，经验值)对浅部地层密度拟合。海水密度确定为1.07g/cm³。采用数学积分方法，求得地层上覆岩层压力p_u：

其中，0～h1为水深，h1～h2为缺乏密度测井的浅部地层，h2～h3为具有密度测井井段。

并根据岩石有效应力公式σ_c＝p_u-αp_p，得到地层压力衰竭到0.46g/cm³时的地层声波速度：

V_p＝0.2246ln(p_u-αp_p)+2.0942

地层声波速度与声波时差存在着倒数关系，因此得到压力衰竭后地层声波时差与未衰竭时的地层声波时差对比图，见图4；

第四步：

根据前三步得到的压力衰竭地层声波时差并结合地层泥质含量测井、密度测井、井径测井等得到地层压力衰竭后岩石特性参数值，并与原始值对比，见图5；

第五步：

在考虑岩石特性参数随地层压力改变而变化的情况下，运用广义胡克定律推导出的压力衰竭地层地应力计算公式，见公式1。最终得到压力衰竭后地层地应力变化，见图6-7。

第六步：

由于DF211井为直井，因此采用直井井壁应力分析公式见公式5和公式6。将以上五步计算结果带入到公式5、6中，得到压力衰竭后地层坍塌、破裂压力见图8。

通过图6至图8可知，本发明计算方法的精确度较高，只有破裂压力的预测上稍微有点误差。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；其中，

对于单组室内岩心声波实验，岩石有效应力与声波速度之间的关系为对数关系，其公式为：

v_p＝A ln(σ_c)+B (1a)；

其中，v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数A为0～1，B为1～3；

对于多组室内岩心声波实验，将存在多组A、B值，为了尽量减少地层声波速度预测误差，在选用A、B系数值时，选用其平均值，即：

最终该岩石有效应力与声波速度之间的关系：

其中v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数，与地区地层性质有关，A为0～1，B为1～3；n为实验组数，A_i、B_i分别为第i组实验数据回归公式系数值；

2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下：

σ_c＝p_u-αp_p (2)，

其中σ_c为有效应力、p_u为上覆岩层压力、p_p为地层压力、α为应力贡献系数，α为0.8～0.9；

3)根据步骤2)得到的地层有效应力带入到步骤1)中得到的岩石有效应力与声波速度的对数关系，即得到压力衰竭地层的地层声波速度数据，结合该声波数据，最终得到压力衰竭后岩石弹性模量、泊松比

a、弹性模量与声波速度关系

b、泊松比与声波速度关系

其中E₁—压力衰竭后岩石弹性模量；μ₁—压力衰竭后岩石泊松比；V_p—纵波速度；V_s—横波速度；ρ—地层密度；

4)建立地应力计算模型：

a.为了得到方便应用于现场的地应力计算模型，特假设地层岩石为各向同性弹性体，压力衰竭前地层岩石变形公式为：

压力衰竭后地层岩石变形公式为：

式中ε为岩石形变；i、j、k分别代表空间直角坐标中三个不同的方向，同时σ_x＝σ_H，σ_H为水平最大主应力；σ_y＝σ_h，σ_h为水平最小主应力；σ_z＝σ_v，σ_v为垂向主应力；

b.地层压力下降后，基岩应力必然增加将导致岩石颗粒挤压变形，油气田地表会出现一定程度的下沉，但是下沉量一般远小于储集层埋深，认为上覆岩层压力在油气压力衰竭前后不变，即σ_v0＝σ_v1＝σ_v；同时由于致密圈闭层的存在，限制了岩石在水平方向上的变形，即ε_H1-ε_H0＝ε_h1-ε_h0＝0，建立了地应力计算模型：

其中σ_v、σ_H、σ_h为三个主地应力；P为孔隙压力；α为应力贡献系数；物理量下标0、1分别表示物理量处于压力衰竭前、后状态；

5)利用步骤3)得到的压力衰竭后岩石特性参数值，即压力衰竭后岩石弹性模量和泊松比，及其油田原始地层数据，即原始地应力、原始弹性模量、泊松比、原始孔隙压力及衰竭后孔隙压力，计算得到压力衰竭后地层地应力值；

6)根据压力衰竭地层井段的井壁应力分析公式，其中，

若压力衰竭地层井段为直井段，则直井井段的井壁的坍塌压力、破裂压力公式如下：

p_f＝3σ_h-σ_H-αp_p+S_t (5b)

其中p_t、p_f分别为坍塌、破裂压力，g/cm³；η为应力非线性修正系数，范围0～1；σ_H、σ_h分别为最大、最小水平主地应力，MPa；F_c为岩石粘聚力，MPa；H为井深，m；p_p为地层孔隙压力，g/cm³；S_t为岩石抗拉强度，MPa；K＝cot(45°-φ/2)，φ为岩石内摩擦角；

若压力衰竭地层井段为斜井，斜井坍塌压力、破裂压力的计算公式：

a、斜井井壁上的三个主应力

其中σ_1,2、σ_r为斜井井壁上的三个主应力；σ_z为井壁轴向应力；σ_θ为井壁周向应力；σ_θz为轴向切应力；φ为岩石孔隙度，范围为0～1；p_i为井底压力；p_p为孔隙压力；当斜井井壁渗漏时，δ＝1；当井壁无渗漏时，δ＝0；

b、岩石剪切破坏

c、拉伸破坏准则

σ_min-δα(p_i-p_p)-αp_p＝-T (6c)

其中T为岩石抗拉强度；

d、坍塌压力确定

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据

计算出θ值；

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，看其满足式(6b)哪一个条件，然后带入相应的强度准则表达式中看其是否满足式(6b)选中的那个条件；如果满足，则p_i值即为坍塌压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止；

e、破裂压力计算

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据

计算出θ值

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，令其最小值等于σ_min，然后带入式(6c)中看其是否满足式(6c)等式；如果满足，则p_i值即为破裂压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止；

结合步骤5)得到压力衰竭后的地应力值，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，当在压力衰竭地层钻进时钻井液密度小于所计算的坍塌压力将会导致井壁坍塌，当钻井密度大于所计算的破裂压力时将会导致井壁破裂，从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。

2.根据权利要求1所述适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：所述步骤2)中，上覆岩层压力根据不同条件下，计算方式不同：

a、陆地上，并且有整个井段的密度测井资料

其中p_u为上覆岩层压力；ρ_i为测井资料中第i个密度测井值；g为重力加速度；Δh为密度测井值间距；d为微分符号，dh为h的微分；

b、陆地上，但是只有下部井段的密度测井资料

根据部分井段的密度测井资料通过数学回归得到地层岩石密度与井深之间的函数关系ρ＝f(h)，则

c、海上

海上油气井井段上部地层特别是深水情况下的井段上部地层不能简单的通过下部井段密度测井资料数学回归得到密度与井深之间的关系，必须选用目前应用比较普遍的Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ对浅部地层密度拟合，则

其中V_Int为地层层速度，m、n为常系数，均为0～1。

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