CN107066660A - 一种地下储气库井壁稳定性分析方法 - Google Patents
一种地下储气库井壁稳定性分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种地下储气库井壁稳定性分析方法，从待钻区块目的储层钻孔获取岩芯，确定井壁岩石的类型系数和地质强度指标；制得多组标准圆柱体井壁岩芯试件；将多组测试值的平均值作为待钻区块的井壁岩石单轴抗压强度；根据霍克‑布朗准则定义井壁岩石破碎系数公式，用以评价储层破碎程度；获取待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值、最小主应力值；根据划分的待钻区块目的储层不同破碎程度区域，判定地下储气库井壁稳定性；采用本发明分析地下储气库井壁稳定性时可以有效避开井壁岩石破碎程度较为严重的区域，达到预防井壁坍塌、降低钻井风险的效果。
Description
技术领域
本发明属于地下储气库建设工程领域，具体涉及一种地下储气库井壁稳定性分析方法。
背景技术
地下储气库可优化供气系统，满足天然气调峰、事故应急和战略储备等需要。特别是当天然气产、销地相距较远时，地下储气库可确保用气安全的不可替代的设施。
井壁失稳是由于地质因素、井壁岩石破碎和钻井作业等引起的井壁不稳定现象，所述井壁失稳由井壁稳定性分析方法进行判断和处理。地下储气库建设涉及的地层具有地质层系多、可钻性差、岩性变化大、压力体系复杂、裂缝极其发育、岩石破碎程度高的特点，施工时易造成坍塌、缩径等井壁失稳现象，甚至造成地下储气库井报废，严重危害地下储气库建设和安全。目前地下储气库井壁稳定性分析方法依靠试验井现场作业，具有耗资大、施工难的缺点，且无可判断地下储气库井壁稳定性状态的准则。为此，需要提出一种判断钻井施工过程中地下储气库井壁稳定性的分析方法。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种地下储气库井壁稳定性分析方法，用于地下储气库井钻井施工时储层岩石破碎程度的判定，降低由井壁岩石破碎引起的钻井风险，辅助解决地下储气库建设工程领域中的井壁失稳问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种地下储气库井壁稳定性分析方法，步骤如下：
(1)、从待钻区块目的储层钻孔获取岩芯，确定井壁岩石的类型系数和地质强度指标；
(2)、对获得的岩芯进行实验试样加工，制得多组标准圆柱体井壁岩芯试件；
(3)、采用单轴抗压试验机对所制得的多组井壁岩芯试件进行单轴抗压强度试验，将多组测试值的平均值作为待钻区块的井壁岩石单轴抗压强度；
(4)、根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数公式，用以评价储层破碎程度；
(5)、根据多元线性回归方法确定待钻区块目的储层的地应力场，获取待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值、最小主应力值；
(6)、将待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值、最小主应力值，单轴抗压强度，岩体系数代入井壁岩石破碎系数公式，计算待钻区块目的储层的破碎系数；
(7)、根据地下储气库钻井的现场经验，建立目的储层不同破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系；
(8)、根据划分的待钻区块目的储层不同破碎程度区域，判定地下储气库井壁稳定性。
进一步，待钻区块目的储层单元应力值求解具体步骤包括：
①、定义多元线性回归方程：
式中，σk为对应观测点k的应力回归计算值，σk＝[σxkσykσzkτxykτyzkτzxk]T；i＝1,…n分别对应不同工况；σik为对应i工况k观测点的应力有限元计算值，σik＝[σixkσiykσizkτixykτiyzkτizxk]T；Li为待定回归系数；
②、计算最小二乘法的残差平方和S残：
式中：为k观测点j应力分量的观测值；为i工况下k观测点j应力分量的有限元计算值；m观测点个数；
根据最小二乘法原理，残差平方和S残达到最小值时，应满足：
③、求解方程得到n个待定回归系数L＝(L1,L2,…,Ln)T，则目的储层任意单元P的地应力可由下式迭加得到：
式中，j＝(1,2,…,6)T为目的储层任意单元地应力的6个分量。
进一步，根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数ξ，用以评价储层破碎程度，具体如下：
式中：σ1、σ3分别为井壁岩石所受的最大、最小主应力，MPa；σci为井壁岩石单轴抗压强度，MPa；mb为岩体系数，与岩石类型系数mi有关，无单位；s、α为岩体系数，无单位；D为岩体扰动因子，扰动取为0，未扰动取为1。
进一步，标准圆柱体井壁岩芯试件高度为50mm，误差±1mm；直径为25mm，误差±0.5mm。
进一步，岩芯实验试样组数为不少于20组。
进一步，储层不同破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系为
①破碎区(I)：该区域内井壁已经失稳，须立即停止钻井作业；
②较强破碎区(II)：该区域内不建议继续钻井，若需继续钻井应严格控制钻进参数；
③较弱破碎区(III)：该区域内可以进行钻井作业，且可适当放宽钻进参数；
④未破碎区(IV)：该区域内适合进行钻井作业。
进一步，地下储气库井眼轨迹选择在未破碎区、较弱破碎区域内。
进一步，选择井眼轨迹所在储层位置处破碎系数平均值最小的井眼轨迹。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
通过预测待钻区块目的储层岩石破碎程度，提出了一种考虑储层岩石破碎程度的地下储气库井壁稳定性分析方法，采用本发明分析地下储气库井壁稳定性时可以有效避开井壁岩石破碎程度较为严重的区域，达到预防井壁坍塌、降低钻井风险的效果。
附图说明
图1为本发明的地下储气库井壁稳定性分析方法的流程示意图；
图2为某一储层水平最大主应力等值线图；
图3为某一储层水平最小主应力等值线图；
图4为某一储层井壁岩石破碎系数等值线图；
图5为某一储层不同岩石破碎程度区域划分示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，一种地下储气库井壁稳定性分析方法，步骤如下：
(1)、从待钻区块目的储层钻孔获取大块岩芯，确定井壁岩石的类型系数mi和地质强度指标GSI；
岩石类型系数可查表1(该表来源于加拿大Evert Hoek的专著“实用岩体工程技术”一书，第139页)得到。
表1
岩体地质强度指标可查表2(该表来源于加拿大Evert Hoek的专著“实用岩体工程技术”一书，第145页)得到。
表2
(2)、对获得的大块岩芯进行试样加工，制得多组标准圆柱体井壁岩芯试件，标准圆柱体井壁岩芯试件高度为50mm(±1mm)，直径为25mm(±0.5mm)；
(3)、采用单轴抗压试验机对所制得的多组井壁岩芯进行单轴抗压强度试验，将多组测试值的平均值作为待钻区块的井壁岩石单轴抗压强度σci；
(4)、根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数ξ，用以评价储层破碎程度：
式中：σ1、σ3分别为井壁岩石所受的最大、最小主应力，MPa；σci为井壁岩石单轴抗压强度，MPa；mb为岩体系数，与岩石类型系数mi有关，无单位；s、α为岩体系数，无单位；D为岩体扰动因子，扰动取为0，未扰动取为1；
(5)、根据多元线性回归方法确定待钻区块目的储层的地应力场，获取待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值σ1、最小主应力值σ3。
具体步骤包括：
①、定义多元线性回归方程：
式中，σk为对应观测点k的应力回归计算值，σk＝[σxkσykσzkτxykτyzkτzxk]T；i＝1,…n分别对应不同工况；σik为对应i工况k观测点的应力有限元计算值，σik＝[σixkσiykσizkτixykτiyzkτizxk]T；Li为待定回归系数；
②、假定有m个观测点，计算最小二乘法的残差平方和S残：
式中：为k观测点j应力分量的观测值；为i工况下k观测点j应力分量的有限元计算值；
根据最小二乘法原理，残差平方和S残达到最小值时，应满足：
③、求解方程得到n个待定回归系数L＝(L1,L2,…,Ln)T，则目的储层任意单元P的地应力可由下式迭加得到：
式中，j＝(1,2,…,6)T为目的储层任意单元地应力的6个分量；
(6)、将待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值σ1、最小主应力值σ3，单轴抗压强度σci，岩体系数mb、s、α代入井壁岩石破碎系数公式(1)，计算待钻区块目的储层的井壁岩石破碎系数。
根据井壁岩石破碎系数将储层划分为破碎区(I)、较强破碎区(II)、较弱破碎区(III)、未破碎区(IV)。其中，岩石破碎程度与井壁岩石破碎系数的对应关系见表3；
表3
| 岩石破碎程度区域 | 破碎区(I) | 较强破碎区(II) | 较弱破碎区(III) | 未破碎区(IV) |
| 井壁岩石破碎系数ξ | >1.0 | 1.0～0.8 | 0.8～0.5 | <0.5 |
(7)、根据地下储气库钻井的现场经验，目的储层不同岩石破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系描述为：
①破碎区(I)：该区域内井壁已经失稳，须立即停止钻井作业；
②较强破碎区(II)：该区域内不建议继续钻井，若需继续钻井应严格控制钻进参数；
③较弱破碎区(III)：该区域内可以进行钻井作业，且可适当放宽钻进参数；
④未破碎区(IV)：该区域内适合进行钻井作业；
(8)、根据划分的待钻区块目的储层不同岩石破碎程度区域，将地下储气库井壁稳定性控制在未破碎区(IV)、较弱破碎(III)区域内，且优先选择井壁岩石破碎系数最小的区域进行钻井作业；
根据划分的待钻区块目的储层不同岩石破碎程度区域，将地下储气库井眼轨迹选择在未破碎区(IV)、较弱破碎(III)区域内，且优先选择井眼轨迹所在储层位置处破碎系数平均值最小的井眼轨迹。
实施例一
以某一区块地下储气库钻井实施例进一步说明考虑储层岩石破碎程度的地下储气库井壁稳定性分析方法。
(1)、从某储层钻孔取大块岩芯，通过查表1岩石类型系数(该表来源于加拿大Evert Hoek的专著“实用岩体工程技术”一书，第139页)确定井壁岩石的岩石类型系数mi＝15。参照表2的地质强度指标(该表来源于加拿大Evert Hoek的专著“实用岩体工程技术”一书，第145页)，确定井壁岩石的地质强度指标GSI＝55；
(2)、对获得的储层大块岩芯进行实验试样加工，制得20组标准圆柱体井壁岩芯试件，标准圆柱体井壁岩芯试件高度为50mm(±1mm)，直径为25mm(±0.5mm)；
(3)、采用单轴抗压试验机对所制得的20组井壁岩芯进行单轴抗压强度试验，将20组测试值的平均值作为待钻区块的井壁岩石单轴抗压强度σci＝25MPa；
(4)根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数ξ，用以评价储层破碎程度；
(5)确定目的储层地应力场，获取储层每个单元的的最大主应力值σ1、最小主应力值σ3，如图2和图3所示；
(6)将最大主应力σ1、最小主应力σ3、井壁岩石单轴抗压强度σci、岩体系数mb、s、α代入井壁岩石破碎系数公式(1)计算井壁岩石破碎系数，划分储层不同岩石破碎程度区域，如图4所示；
(7)建立目的储层不同岩石破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系；
(8)确定目的储层不同岩石破碎程度区域，如图5所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于步骤如下：
(1)、从待钻区块目的储层钻孔获取岩芯，确定井壁岩石的类型系数和地质强度指标；
(2)、对获得的岩芯进行实验试样加工，制得多组标准圆柱体井壁岩芯试件；
(3)、采用单轴抗压试验机对所制得的多组井壁岩芯试件进行单轴抗压强度试验，将多组测试值的平均值作为待钻区块的井壁岩石单轴抗压强度；
(4)、根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数公式，用以评价储层破碎程度；
(5)、根据多元线性回归方法确定待钻区块目的储层的地应力场，获取待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值、最小主应力值；
(6)、将待钻区块目的储层每个单元的最大主应力值、最小主应力值，单轴抗压强度，岩体系数代入井壁岩石破碎系数公式，计算待钻区块目的储层的破碎系数；
(7)、根据地下储气库钻井的现场经验，建立目的储层不同破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系；
(8)、根据划分的待钻区块目的储层不同破碎程度区域，判定地下储气库井壁稳定性。
2.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：待钻区块目的储层单元应力值求解具体步骤包括：
①、定义多元线性回归方程：
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式中，σk为对应观测点k的应力回归计算值，σk＝[σxk σyk σzk τxyk τyzk τzxk]T；i＝1,…n分别对应不同工况；σik为对应i工况k观测点的应力有限元计算值，σik＝[σixk σiyk σizk τixykτiyzk τizxk]T；Li为待定回归系数；
②、计算最小二乘法的残差平方和S残：
式中：为k观测点j应力分量的观测值；为i工况下k观测点j应力分量的有限元计算值；m观测点个数；
根据最小二乘法原理，残差平方和S残达到最小值时，应满足：
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式中，j＝(1,2,…,6)T为目的储层任意单元地应力的6个分量。
3.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：根据霍克-布朗准则定义井壁岩石破碎系数ξ，用以评价储层破碎程度，具体如下：
<mrow>
<mi>&xi;</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>100</mn>
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式中：σ1、σ3分别为井壁岩石所受的最大、最小主应力，MPa；σci为井壁岩石单轴抗压强度，MPa；mb为岩体系数，与岩石类型系数mi有关，无单位；s、α为岩体系数，无单位；D为岩体扰动因子，扰动取为0，未扰动取为1。
4.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：标准圆柱体井壁岩芯试件高度为50mm，误差±1mm；直径为25mm，误差±0.5mm。
5.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：岩芯实验试样组数为不少于20组。
6.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：储层不同破碎程度区域与地下储气库井壁稳定性的对应关系为
①破碎区(I)：该区域内井壁已经失稳，须立即停止钻井作业；
②较强破碎区(II)：该区域内不建议继续钻井，若需继续钻井应严格控制钻进参数；
③较弱破碎区(III)：该区域内可以进行钻井作业，且可适当放宽钻进参数；
④未破碎区(IV)：该区域内适合进行钻井作业。
7.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：地下储气库井眼轨迹选择在未破碎区、较弱破碎区域内。
8.根据权利要求1所述的地下储气库井壁稳定性分析方法，其特征在于：选择井眼轨迹所在储层位置处破碎系数平均值最小的井眼轨迹。
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