CN109033698B

CN109033698B - 一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法

Info

Publication number: CN109033698B
Application number: CN201810955545.6A
Authority: CN
Inventors: 马天寿; 刘阳; 郭印同; 吴必胜; 李枝林; 孔祥伟; 王贵; 付建红
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: CN109033698A

Abstract

本发明公开了一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法，它包括以下步骤：S1、获取层状地层水平井段的岩石力学参数；S2、获取层状地层水平井段的地质力学参数；S3、获取层状地层水平井段的岩石层理面产状角，所述产状角为岩石层理面与水平面的夹角φ；S4、根据所述岩石力学参数、地质力学参数和岩石层理面产状角，计算层状地层水平井段的破裂压力。本发明的有益效果是：综合考虑岩石弹性模量各向异性、抗张强度各向异性和层理面产状角等因素建立了层状地层水平井破裂压力计算方法，更加符合层状地层水平井的实际情况，而且该方法提高了破裂压力计算的精度，可为层状地层水平井钻井和水力压裂提供理论指导。

Description

一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法

技术领域

本发明涉及一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法。

背景技术

近年来，由于页岩水平井技术和压裂技术的突破和大规模应用，在全球掀起了一场“页岩气革命”。但是，页岩气储层水平井钻井过程中仍然遇到许多工程难题，水平井井漏问题便是最为棘手的问题之一。钻井过程中发生井漏，不仅造成高额的钻井液材料损失、较高的非生产时间，还容易诱发产生井塌、卡钻等井下复杂事故，已经成为页岩水平井优快钻井的技术瓶颈。事实上，破裂压力不仅对钻井工程十分重要，地层破裂压力也是钻井设计、钻井液设计、钻井作业的重要依据，准确预测地层破裂压力并优化钻井措施，可以有效避免由于地层破裂而诱发产生的井漏、井喷、井壁垮塌、卡钻等井下复杂和事故。此外，破裂压力对完井工程、试油和水力压裂等也具有重要的指导作用。国内外学者针对地层破裂压力开展了较为深入的研究，Bradley、黄荣樽、葛洪魁、陈勉等建立了任意斜井破裂压力模型并研究了裂缝起裂位置及其走向，但是该模型并未涉及岩石各向异性强度问题，而深部地层钻井遇到的绝大多数沉积岩石地层均表现出一定程度的各向异性。为了研究地层各向异性对破裂压力预测的影响，2005年，金衍等建立了裂缝性地层直井水力裂缝起裂压力模型，随后，又针对斜井也建立了裂缝性地层水力裂缝起裂压力模型；2012年，赵金洲等进一步针对裂缝性地层射孔孔眼的破裂压力进行了研究；但是，该类模型只考虑了裂缝性地层抗剪强度各向异性的影响，却未考虑地层抗张强度各向异性的影响，而是忽略了地层抗张强度。由于页岩自身特殊的层状结构，使得页岩也表现出较强的各向异性特征，具体表现为弹性模量各向异性和抗张强度各向异性。但是，现有模型和方法并未系统考虑岩石模量和抗张强度各向异性的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法，它包括以下步骤：

S1、获取层状地层水平井段的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括平行于层理面的弹性模量E_x、垂直于层理面的弹性模量E_y、层状岩石泊松比v、孔隙介质弹性模量E_interpore、平行于层理面的抗张强度T_m、垂直于层理面的抗张强度T_b；

S2、获取层状地层水平井段的地质力学参数，所述地质力学参数包括最大水平地应力σ_H、最小水平地应力σ_h、垂向地应力σ_v、孔隙压力p_p；

S3、获取层状地层水平井段的岩石层理面产状角，所述产状角为岩石层理面与水平面的夹角

S4、根据所述岩石力学参数、地质力学参数和岩石层理面产状角，计算层状地层水平井段的破裂压力：

其中：

α′＝1+α(v+k² sin²θ+cos²θ)

其中，E_x为平行于层理面的弹性模量；E_y为垂直于层理面的弹性模量；v为层状岩石泊松比；E_interpore为孔隙介质弹性模量；

为岩石层理面产状角；T_m为平行于层理面的抗张强度；T_b为垂直于层理面的抗张强度；p_p为孔隙压力；k为弹性模量各向异性指数；n为材料常数；E_θ为井周角θ处的有效弹性模量；θ为井周角；σ_x为x轴方向的地应力，σ_y为y轴方向的地应力，σ_z为z轴方向的地应力。

本发明具有以下优点：(1)、本发明克服了现有技术无法系统综合考虑岩石各向异性特征的问题，综合考虑岩石弹性模量各向异性、抗张强度各向异性和层理面产状角等因素建立了层状地层水平井破裂压力计算方法，更加符合层状地层水平井的实际情况。(2)、本发明提高了破裂压力计算的精度，可为层状地层水平井钻井和水力压裂提供理论指导。

附图说明

图1为本发明的计算流程图；

图2为层状地层水平井段几何模型；

图3为水平井沿最小水平地应力方向的几何模型；

图4为水平井沿最大水平地应力方向的几何模型；

图5为不同岩石层理面产状角下利用三种模型计算出的破碎压力的对比图；

图6为弹性模量各向异性和层理面产状角对破裂压力的影响图；

图7为抗张强度各向异性和层理面产状角对破裂压力的影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法，它包括以下步骤：

其中：

α′＝1+α(v+k² sin²θ+cos²θ)

层状地层水平井段的破裂压力p_fi的计算公式推导如下：

如图2所示，一口水平井位于无限大的层状地层中，其中z轴为井眼轴线，为了建立层状地层水平井段几何模型，做出了如下假设：(1)层状地层是横观各向同性、线弹性、均质且连续的介质；(2)井眼轴线在各向同性面内延伸；(3)井周地层受力分析模型简化为平面应变问题。

如图2所示，一口水平井位于无限大的层状地层中，其中z轴为井眼轴线，由于地层是横观各向同性的，因此，在x-y平面内，弹性模量E_x＝E_z。如果我们假设泊松比v_yx＝v_zy＝v_zx＝v，则沿着任意径向方向的弹性模量表示为：

其中，E_x为平行于层理面的弹性模量；E_θ为井周角θ处的有效弹性模量；θ为井周角；k为弹性模量各向异性指数，k＝(E_x/E_y)^0.5；E_y为垂直于层理面的弹性模量。

在此基础之上，水平井井壁应力分布模型采用Aadony推导的公式，即井壁径向、周向和轴向应力分别为：

其中，

其中，σ_rr、σ_θθ和σ_zz分别为井壁径向应力、周向应力和轴向应力；p_i为井筒压力；σ_x为x轴方向的地应力；σ_y为y轴方向的地应力；σ_z为z轴方向的地应力；k为弹性模量各向异性指数；n为材料常数；

为岩石层理面产状角；v为层状岩石泊松比；σ_θ1是边界应力σ_x作用下的井壁应力分量；σ_θ2是边界应力σ_y作用下的井壁应力分量；σ_θ3是边界应力τ_xy作用下的井壁应力分量；σ_θ4是井筒压力p_i作用下的井壁应力分量。

进一步考虑孔隙压力的影响，横观各向同性岩石介质的有效应力定理写为：

其中，

其中，

和

分别为井壁有效井壁径向、有效周向应力和有效轴向应力；E_interpore为孔隙介质弹性模量；p_p为孔隙压力。

在上述水平井井壁有效应力分布模型中，只有周向应力能够达到负值(即达到张性应力状态)，因此，将上述水平井井壁有效周向应力带入破坏准则，即可获得破裂压力模型。而各向异性抗张强度则写为：

σ₃+T(θ)＝0

其中，σ₃为井壁最小主应力；T_m为平行于层理面的抗张强度；T_b为垂直于层理面的抗张强度；T(θ)是角度θ方向的抗张强度。

因此，将水平井井壁有效周向应力带入上式中，即可获得层状地层水平井破裂压力计算公式：

其中，

α′＝1+α(v+k² sin²θ+cos²θ)

实施例一：所述层状地层水平井破裂压力计算方法应用于某页岩气水平井，深度为1500m，具体步骤如下：

S1、通过室内岩石力学测试、测井资料解释和分析，获取了层状地层水平井段的岩石力学参数：平行于层理面的弹性模量E_x＝24.34GPa、垂直于层理面的弹性模量E_y＝18.8GPa、层状岩石泊松比v＝0.22、孔隙介质弹性模量E_interpore＝0、平行于层理面的抗张强度T_m＝6.609MPa、垂直于层理面的抗张强度T_b＝3.474MPa；

S2、通过室内声发射地应力测试、测井资料解释和分析，获取了层状地层水平井段的地质力学参数：最大水平地应力σ_H＝21MPa、最小水平地应力σ_h＝19.5MPa、垂向地应力σ_v＝25MPa、孔隙压力p_p＝15Mpa；

S3、通过Dc指数法、测井资料解释和分析，获取了层状地层水平井段的岩石层理面产状角：岩石层理面与水平面的夹角

S4、根据所述岩石力学参数、地质力学参数和岩石层理面产状角，取不同的井周角(θ＝0～180°)分别计算对应井周角下的破裂压力值，并取最小值作为实际地层破裂压力数值，采用上述方法计算出所述层状地层水平井段的破裂压力p_fi＝19.30MPa。若假设页岩各向异性系数k＝1，能够计算出不考虑弹性模量各向异性影响的破裂压力，计算结果为破裂压力p_fi＝19.60MPa。若假设各向异性系数k＝1、页岩抗张强度T_b＝T_m＝6.609MPa，能够计算出不考虑弹性模量和抗张强度各向异性影响的破裂压力，计算结果为破裂压力p_fi＝20.56MPa。由此可见，考虑岩石各向异性情况下地层破裂压力会降低，如果所仍然采用不考虑各向异性影响的传统模型计算，实际钻井过程中可能已经发生了井壁破裂，不利于安全钻井。因此，若忽略各向异性影响，破裂压力计算结果将会偏高，各向异性对破裂压力的影响不可忽略。

所述层状地层水平井破裂压力计算方法同样适用于沿不同地应力方位钻井的情况：如图3所示，当所述水平井沿最小水平地应力方向时，计算破裂压力时需要将x轴方向的地应力、y轴方向的地应力、z轴方向的地应力分别设置为：σ_x＝σ_H、σ_y＝σ_v、σ_z＝σ_h。如图4所示，当所述水平井沿最大水平地应力方向时，计算破裂压力时需要将x轴方向的地应力、y轴方向的地应力、z轴方向的地应力分别设置为：σ_x＝σ_h、σ_y＝σ_v、σ_z＝σ_H。

如图5所示，为不同岩石层理面产状角下利用三种模型计算出的破碎压力的对比图，其中第一种模型是传统的模型，即是指曲线中各向同性模量+各向同性强度，第二种模型是只考虑各向异性模量的模型，即是曲线中各向异性模量+各向同性强度，第三种模型是本申请所用模型，即是曲线中各向异性模量+各向异性强度，从图中可以看出，弹性模量各向异性和抗张强度各向异性均对破裂压力产生了显著的影响，弹性模量各向异性的影响比抗张强度各向异性的影响更大，但本发明所述的破裂压力计算方法得到的破裂压力最低。随着层理面产状角的增加，破裂压力先增加后降低；当层理面产状角由0°增大至90°情况下，两种考虑各向异性的方法计算出的破裂压力降低幅度分别为26.78％和32.23％。由于岩石弹性模量各向异性引起的破裂压力降低幅度可达各向同性的30％，且由于岩石抗张强度各向异性引起的破裂压力降低幅度超过了各向同性的10％。因此弹性模量各向异性和抗张强度各向异性都是不能忽略的。

如图6所示，为弹性模量各向异性和层理面产状角对破裂压力的影响图，从图中可以看出当弹性模量各向异性指数k由1增加至2情况下，破裂压力逐渐降低；当弹性模量各向异性指数k由1增加至1.5情况下，破裂压力降低更快。当层理面产状角高于45°时，破裂压力逐渐降低；而当层理面产状角低于45°时，破裂压力以22.5°为对称轴对称分布。但整体上，弹性模量各向异性的影响明显高于层理面产状角。

如图7所示，为抗张强度各向异性和层理面产状角对破裂压力的影响图，从图中可以看出破裂压力随抗张强度各向异性比值T_m/T_b和层理面产状角的增加而降低，相对而言，层理面产状角的影响高于抗张强度各向异性比值T_m/T_b。当层理面产状角高于45°时，破裂压力随抗张强度各向异性比值T_m/T_b的增加而降低，并且达到最低值；当层理面产状角低于45°时，破裂压力以22.5°为对称轴对称分布，但抗张强度各向异性比值T_m/T_b的影响相对较小。

因此本发明综合考虑岩石弹性模量各向异性、抗张强度各向异性和层理面产状角等因素建立了层状地层水平井破裂压力计算方法，更加符合层状地层水平井的实际情况，而且该方法提高了破裂压力计算的精度，可为层状地层水平井钻井和水力压裂提供理论指导。

Claims

1.一种用于层状地层水平井破裂压力计算的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S2、获取层状地层水平井段的地质力学参数，所述地质力学参数包括σ_z最大水平地应力σ_H、最小水平地应力σ_h、垂向地应力σ_v、孔隙压力p_p；

其中：

α′＝1+α(v+k²sin²θ+cos²θ)

为岩石层理面产状角；T_m为平行于层理面的抗张强度；T_b为垂直于层理面的抗张强度；p_p为孔隙压力；k为弹性模量各向异性指数；n为材料常数；E_θ为井周角θ处的有效弹性模量；θ为井周角；σ_x为x轴方向的地应力，σ_y为y轴方向的地应力，σ_z为z轴方向的地应力；当所述水平井沿最小水平地应力方向时，计算破裂压力时需要将x轴方向的地应力、y轴方向的地应力、z轴方向的地应力分别设置为：σx＝σH、σy＝σv、σz＝σh；当所述水平井沿最大水平地应力方向时，计算破裂压力时需要将x轴方向的地应力、y轴方向的地应力、z轴方向的地应力分别设置为：σx＝σh、σy＝σv、σz＝σH。