CN108843313B - 页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，具体为：测试地应力大小、地层孔隙压力大小等；将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换；计算由地应力和井眼内钻井液压力引起的井壁各应力分量；将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标系下的有效应力形式；推导页岩钻井井壁岩石发生拉伸和压缩剪切破坏的力学准则：沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏和压缩剪切破坏时井眼内钻井液压力，分别确定破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度；将目标井目的层段所有井深的破裂压力和坍塌压力对应的折算钻井液密度汇总，绘制安全钻井液密度窗口。本发明使安全钻井液密度窗口设计结果更真实可靠。

Description

页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法

技术领域

本发明涉及页岩地层钻井的井壁稳定评价技术，具体涉及页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法。

背景技术

页岩气已经被视为替代煤和常规石油天然气的重要可持续能源。页岩气的全球总资源量约为4.56×10¹⁴m³，约占全球非常规油气资源的50％，相当于常规天然气的1.4倍，目前已被公认为是改变世界能源格局，使全球油气勘探展现良好发展前景的重要能源。

据统计2015年我国天然气供应存在大约600×10⁸m³左右的缺口需要依靠进口，预计到2020年，国内天然气缺口将达1000×10⁸m³。若能高效开发页岩气资源对我国国民经济发展和国家能源战略供给意义重大。

页岩气的有效开发需要通过水平井钻井结合大规模水力压裂技术，页岩地层水平井钻井时，由于对安全钻井液密度窗口的设计不准确，经常导致井壁发生坍塌和漏失等失稳现象。不但影响钻井施工顺利进行，失稳后的井眼也无法开展后期的压裂生产作业，造成极大的经济损失。

页岩地层钻井，井壁失稳主要是由于安全钻井液密度窗口中坍塌压力和破裂压力的计算不准确，导致钻井液压力往往低于实际坍塌压力而发生坍塌，高于实际破裂压力而发生漏失。

以往对页岩地层安全钻井液密度窗口的设计时，常常沿用砂岩地层安全钻井液密度窗口的设计方法，将页岩假设为均匀各向同性多孔介质，进行井壁受力分析来确定坍塌压力和破裂压力，而实际上，页岩地层由于水平层理大量发育，导致页岩往往具有较强的各向异性特征，如将其假设为均匀各向同性多孔介质来进行井壁受力分析，必然产生较大误差，使计算得到的井壁坍塌压力和破裂压力失真，而无法准确设计安全钻井液密度窗口。

也有很多学者们提出需要考虑页岩的各向异性力学特点，将页岩假设为横观各向同性介质，进行井壁受力分析并确定井壁坍塌压力和破裂压力，该方法相比将页岩假设为均匀各向同性多孔介质来看，能够相对准确和真实的确定井壁的坍塌压力和破裂压力。

但仅将页岩假设为横观各向同性介质来进行井壁受力并确定坍塌压力和破裂压力仍存在一些问题，如没有将页岩考虑为多孔介质对井壁的有效应力进行分析，其次也没有考虑页岩发生破坏的各向异性力学特点，这些问题都将导致计算得到的井壁坍塌压力和破裂压力不够准确，而设计的安全钻井液密度窗口无法为安全钻井提供有效指导。

所以现有的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，在计算确定井壁坍塌压力和破裂压力时都存在不同程度的不适用性，不但需要考虑页岩各向异性力学特点进行井壁受力的有效应力计算，还要考虑页岩的破坏同样具有各向异性力学特征。

发明内容

本发明的目的是提供页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，这种页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法用于解决页岩地层钻井控制钻井液密度上、下界限的井壁破裂压力和坍塌压力计算问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小；

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井眼受力分析做准备；

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼内钻井液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；复数的实部；Φ′_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的各应力分量转换为有效应力形式；

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了进行井壁失稳判别，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标系下的有效应力形式；

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，分别推导页岩钻井井壁岩石发生拉伸和压缩剪切破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理与压缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取；α为井眼的井周角，°；

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏和压缩剪切破坏时目标井目的层段井眼内钻井液压力，分别确定破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度；

步骤七、目标井目的层段内改变井深数值，重复步骤二至步骤六，确定新井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度，将目标井目的层段内所有井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度汇总，绘制出目标井目的层段的安全钻井液密度窗口。

上述方案中步骤六具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度；

③将井周角α增加0.01°,分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,从中找到破裂压力折算的钻井液密度最小值、坍塌压力折算的钻井液密度最大值。

上述方案中步骤七具体为：

①将任意一井深破裂压力折算的钻井液密度最小值确定为该井深处安全钻井液密度窗口上限，将任意一井深对比坍塌压力折算的钻井液密度最大值与地层孔隙压力折算的钻井液密度，取二者中最大值为该井深处安全钻井液密度窗口下限；

②利用目标井目的层段内各井深的安全钻井液密度窗口上、下限，绘制出目标井目的层段随井深变化的安全钻井液密度窗口，为页岩地层钻井的钻井液密度和井壁稳定控制提供依据。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，可以避免现有页岩地层钻井安全钻井液密度窗口无法考虑页岩破坏具有各向异性的特征，使安全钻井液密度窗口设计结果更真实可靠；

2、通过本发明提供的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，可以更为准确的计算页岩地层钻井的井壁坍塌压力和破裂压力，得到准确的钻井液密度控制范围的上、下界限，减少钻井过程中井壁破裂和坍塌失稳的发生，提高钻井效率；

3、通过本发明提供的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，可以避免由于井壁坍塌压力和破裂压力计算不准确所引起的钻井液密度设计不合理，钻井液密度过高容易使钻井液滤失进入地层造成地层污染同时产生经济浪费增加施工成本；

4、本发明提供的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，应用于不同区块时，只需将不同区块对应的地层岩石力学参数、地应力数据以及井身结构等数据输入模型，实用性强。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法如下：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小。

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井眼受力分析做准备。

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼内钻井液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；复数的实部；Φ′_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的各应力分量转换为有效应力形式。

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了进行井壁失稳判别，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标系下的有效应力形式。

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，分别推导页岩钻井井壁岩石发生拉伸和压缩剪切破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理与压缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取；α为井眼的井周角，°。

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏和压缩剪切破坏时目标井目的层段井眼内钻井液压力，分别确定破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度,具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度；

③将井周角α增加0.01°,分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,从中找到破裂压力折算的钻井液密度最小值、坍塌压力折算的钻井液密度最大值。

步骤七、改变井深数值，重复步骤二-六，确定新井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度。这样将所有计算井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度汇总，绘制出安全钻井液密度窗口。具体为：

①将任意一井深破裂压力折算的钻井液密度最小值确定为该井深处安全钻井液密度窗口上限，将任意一井深对比坍塌压力折算的钻井液密度最大值与地层孔隙压力折算的钻井液密度，取二者中最大值为该井深处安全钻井液密度窗口下限；

②利用目标井目的层段内各井深的安全钻井液密度窗口上、下限，绘制出目标井目的层段随井深变化的安全钻井液密度窗口，为页岩地层钻井的钻井液密度和井壁稳定控制提供依据。

Claims (3)

1.一种页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、开展钻井区块目标井目的层段页岩岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、页岩不同方向弹性模量和泊松比大小；

步骤二、目标井目的层段选取某一井深数值，根据已经设计好的井身结构数据，将井眼直角坐标系和地应力坐标系以及大地坐标系进行转换，为井眼受力分析做准备；

步骤三、将页岩地层考虑为横观各向同性多孔介质，计算由地应力和井眼内钻井液压力所引起的井壁各应力分量；

其中，井壁各应力分量应用下式计算：

式中：σ_xx,b,σ_yy,b,σ_zz,b,τ_xy,b,τ_xz,b,τ_yz,b是地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；复数的实部；Φ′_i为应力解析函数的导数；z_i,μ_i和λ_i是复数；z_i是表示井壁上任一点位置的复数，Φ'_i、μ_i和λ_i根据弹性力学中的相应求解方法进行求解；a_ij为地层各向异性刚度矩阵的元素；

式中：E_x、E_y、E_z为步骤一测试得到的页岩不同方向弹性模量，MPa；υ_xy、υ_yz、υ_xz为步骤一测试得到的页岩不同方向泊松比；G_xy、G_yz、G_xz为页岩不同方向剪切模量，MPa；

计算得到井壁各应力分量以后，再依据多孔介质有效应力理论，将井壁的各应力分量转换为有效应力形式；

步骤四、计算获取井壁各应力分量的有效应力以后，为了进行井壁失稳判别，根据弹性力学理论中的应力转换关系，将井眼直角坐标系中井壁上各应力分量有效应力转化为井眼极坐标系下的有效应力形式；

步骤五、在Hoek and Brown提出的拉伸破坏准则基础上，分别推导页岩钻井井壁岩石发生拉伸和压缩剪切破坏的力学准则：

式中：A和B是反映岩石力学特性的常数，通过力学实验获取；β_m是层理与压缩轴向之间的夹角,°；m和s是岩石的材料常数，通过实验获取；α为井眼的井周角，°；

步骤六、沿井眼周向计算井壁不同位置发生拉伸破坏和压缩剪切破坏时目标井目的层段井眼内钻井液压力，分别确定破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度；

步骤七、目标井目的层段内改变井深数值，重复步骤二至步骤六，确定新井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度，将目标井目的层段内所有井深的破裂压力和坍塌压力所对应的折算钻井液密度汇总，绘制出目标井目的层段的安全钻井液密度窗口。

2.根据权利要求1所述的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，其特征在于：所述步骤六具体为：

①设定井眼井周角从0-360°变化，间隔0.01°；

②井周角α＝0°时，分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度；

③将井周角α增加0.01°,分别计算对应α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,如此重复，直至井周角α为360°,得到不同的α井周角井壁产生拉伸破坏和剪切破坏时所对应的破裂压力折算的钻井液密度和坍塌压力折算的钻井液密度,从中找到破裂压力折算的钻井液密度最小值、坍塌压力折算的钻井液密度最大值。

3.根据权利要求1或2所述的页岩地层钻井安全钻井液密度窗口设计方法，其特征在于：所述步骤七具体为：

①将任意一井深破裂压力折算的钻井液密度最小值确定为该井深处安全钻井液密度窗口上限，将任意一井深对比坍塌压力折算的钻井液密度最大值与地层孔隙压力折算的钻井液密度，取二者中最大值为该井深处安全钻井液密度窗口下限；

②利用目标井目的层段内各井深的安全钻井液密度窗口上、下限，绘制出目标井目的层段随井深变化的安全钻井液密度窗口，为页岩地层钻井的钻井液密度和井壁稳定控制提供依据。