CN109356567B - 深水浅部地层井壁稳定性预测方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其用于确定在深水浅部矿藏资源钻采过程中维持井壁稳定的因素，并依此进行后续作业，所述方法包括以下步骤：步骤1、根据测井数据以及地质资料，建立组合岩体岩石力学及地应力模型，其反映了地层三维区域中的各个位置的应力参数；步骤2、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测钻完井过程的地层井壁稳定性，确定不同深度下的钻井液安全密度窗口；步骤3、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测降压开采过程的地层井壁稳定性，确定开采过程的临界生产压差；步骤4、在满足所述钻井液安全密度窗口和临界生产压差的情况下，进行钻井、完井、以及开采作业。

Description

深水浅部地层井壁稳定性预测方法

技术领域

本发明涉及海洋工程测试技术领域，尤其涉及一种深水浅部地层井壁稳定性预测方法。

背景技术

井壁稳定是困扰油气田钻采过程的安全难题，井壁失稳会严重影响作业效率、质量以及成本，全球每年因井壁失稳造成的经济损失超过50亿美元。研究人员需要通过预测井壁稳定性，确定钻井过程中的钻井液安全密度窗口以及开采过程的临界生产压差，避免钻采过程发生井壁失稳。

现有井壁稳定性预测方法主要是针对常规油气藏，常规油气藏因埋藏较深、井筒围岩成岩性好，岩石强度高，业界从井筒围岩应力分布的各向同性或各向异性出发，考虑孔隙弹性、井眼轨迹和原地应力大小和方向、井筒流体压差等因素开展研究，建立了考虑活度和润湿性的各向异性井壁稳定力化耦合模型，为常规油气藏的井壁稳定设计和施工提供了科学依据，极大降低了复杂和事故。

与常规油气藏的地质特点不同，深水浅部地层是一种疏松泥砂岩-水合物组合岩体，易发生井漏、井壁坍塌甚至井涌复杂，导致钻采过程出现严重井壁失稳问题，其存在特殊性：(1)压实作用小，成岩性差、地层强度低，地层安全密度窗口窄；(2)泥线附近温度、压力、孔隙水盐度、气体组分多变，分解控制因素复杂多变；(3)浅部地层骨架的水合物分解会导致井周孔隙压力及储层水合物饱和度的变化，导致地层安全密度窗口进一步变窄；(4)降压开采进一步引起组合结构体疏松，导致井壁围岩失稳风险高。

对于深水浅部地层的上述特点，现有的井壁预测方法未考虑深水浅部组合岩体的特殊性，不能准确给出窄密度窗口下的钻井液安全密度窗口，无法确定水合物分解之后的地层临界生产压降。因此，现有技术不适用于深水浅部地层的井壁稳定预测。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明人针对现有技术的上述情况，开发了一种深水浅部地层井壁稳定性预测方法，建立深水浅部复杂地层条件下的井壁稳定预测模型，可以精确高效的预测钻井液安全密度窗口和降压开采临界压差，有效解决深水浅部地层钻采过程中井壁失稳问题。

根据本发明的实施例，提供了一种深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其用于确定在深水浅部矿藏资源钻采过程中维持井壁稳定的因素，并依此进行后续作业，所述方法包括以下步骤：步骤1、根据测井数据以及地质资料，建立组合岩体岩石力学及地应力模型，其反映了地层三维区域中的各个位置的应力参数；步骤2、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测钻完井过程的地层井壁稳定性，确定不同深度下的钻井液安全密度窗口；步骤3、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测降压开采过程的地层井壁稳定性，确定开采过程的临界生产压差；步骤4、在满足所述钻井液安全密度窗口和临界生产压差的情况下，进行钻井、完井、以及开采作业。

因此，本发明的有益效果主要在于：本发明提供的深水浅部地层井壁稳定预测方法，能够准确预测深水浅部地层钻井液安全密度窗口和降压开采临界压差，保障钻采全过程中的井壁稳定，经过现场实施具有很好的应用效果。随着油气田勘探开发走向深水以及深水新能源的商业化进程不断加速，深水浅部复杂地层的钻完井及开采将不可避免遭遇井壁失稳难题，本发明能够得到大力推广应用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的深水浅部地层井壁稳定性预测方法的总体概念示意图；

图2为根据本发明的实施例的单井岩石力学及地应力剖面示意图；

图3为根据本发明的实施例的三维层速度数据体的示意图；

图4为根据本发明的实施例的组合岩体区域三维岩石力学及地应力模型的示意图；

图5为根据本发明的实施例的地层压力、坍塌压力、破裂压力与深度关系剖面示意图；

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

1、本发明的构思概要

如图1所示，本发明的深水浅部地层井壁稳定性预测方法主要通过以下方面来实现：

1)建立组合岩体岩石力学及地应力模型；

2)预测深水浅部地层井壁稳定性，其包括：

2-1)预测钻完井过程地层井壁稳定性；

2-2)预测降压开采过程地层井壁稳定性。

下面通过实施例，具体说明上述各个方面的实现过程。

2、建立组合岩体岩石力学及地应力模型

组合岩体岩石力学及地应力参数是井壁稳定的两大决定性因素。岩石力学参数则决定了井壁围岩在此应力状态下的变形及破坏特征；地应力参数决定了井壁围岩的应力状态。^[1]

建立组合岩体岩石力学及地应力模型主要包括以下步骤：1)建立单井岩石力学及地应力剖面；2)建立三维层速度数据体；3)建立组合岩体区域三维岩石力学及地应力模型。

下面分别说明上述步骤的具体实现。

1)建立单井岩石力学及地应力剖面^[2]

根据已知的测井资料及岩心实验结果，采用岩心实验数据标定方法，获取单井岩石力学及地应力参数，如包括岩石杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、水平最大最小主应力、垂直主应力等参数，从而建立单井岩石力学及地应力参数与深度对应关系剖面，如图2所示。

2)建立三维层速度数据体

根据已知的三维地震、测井和地质等资料提供的构造、层位、岩性等信息，利用测井资料建立声波阻抗曲线，结合地震层位进行井间内插和外推，建立整个三维空间的初始波阻抗模型^[3]。

采用测井约束下的波阻抗反演技术，通过迭代修改初始模型直到在某一范围内与地震轨迹吻合，即可认为该模型就是实际的地质模型，进而可以推算出时间域的层速度数据体^[4]。

将地震资料反演获得的时间域的层速度数据体转换为三维深度域层速度数据体，如图3所示。

3)建立组合岩体区域三维岩石力学及地应力模型

根据上面建立的三维深度域层速度数据体，提取海底泥线、储层顶部和储层底部三个层位数据，利用地质建模工具(例如专业软件)建立横波速度体、密度体模型。之后，结合在1)中已确定的单井岩石力学及地应力参数，建立组合岩体区域的三维岩石力学及地应力模型，如图4所示。

3、预测钻完井过程地层井壁稳定性

钻完井过程井壁稳定预测主要是确定钻井液安全密度窗口。在钻完井过程中，深水浅部地层骨架中的水合物分解会导致井周孔隙压力及水合物饱和度的变化，使得地层岩石力学参数与井周应力状态随时发生改变，导致钻井液密度窗口变窄^[5]。因此，需要采用有别于常规方法的模型来进行安全泥浆密度窗口的计算。在本阶段，将THMC模型(温度-流体-应力-化学耦合模型^[6])引入到钻井液密度窗口确定的过程中，主要包括以下步骤：1)建立地层压力预测模型；2)预测井周应力分布；3)建立深水浅部地层井壁失稳模型；4)确定钻井液安全密度窗口。

下面分别说明上述步骤的具体实现。

1)建立地层压力预测模型

基于已知的钻井、测井等资料，考虑浅部地层温度-流体-应力-化学耦合作用，建立地层压力预测模型^[7]：

式中，Pw为地层压力；下标w、g、h分别代表水、气、水合物相，P为压力，ρ为密度，Q为体积流量，M为摩尔质量，S为饱和度，N_h为单个结晶水合物含水分子个数，R为水合物分解生成系数，D为井眼直径，L为地层厚度。以上参数均为已知的组合岩体实际地层资料和钻井设计数据^[8]。

利用该模型，计算得到钻井过程中随时间变化的地层压力参数。

2)井周应力分布预测

假设地层是均匀各向同性、弹性多孔材料，井壁围岩处于平面应变状态。同时，由于会有一部分井内液体滤液渗入井壁地层，考虑径向渗流在井壁周围产生的附加应力场，根据地层压力预测结果，可利用以下井周应力预测模型得到井壁表面的应力分布特征。

σ_r＝p_i-δφ(p_i-p_p)

式中，σ_r为井壁处径向应力，σ_θ为井壁处切向应力，σ_z为井壁处垂向应力。

p_i为井内液柱压力，由已知的钻井设计数据得到；

p_p为地层压力，由地层压力δ预测模型计算得到；

φ为孔隙度，由已知的地质资料得到；

σ_ν，σ_H，σ_h为地应力参数，由组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

ν为泊松比，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到；

δ为渗透性系数，当井壁有渗透时，δ＝1。^[9]

3)建立深水浅部地层井壁失稳模型

其包括：①采用相对保守的摩尔-库仑准则作为深水浅部组合岩体破坏准则，建立地层坍塌压力预测模型；②采用抗拉强度理论建立破裂压力模型。

①地层坍塌压力预测模型：

为保证最大安全性，采用相对保守的摩尔-库仑准则作为深水浅部组合岩体破坏准则。根据摩尔-库仑准则，岩石发生破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度值C加上作用于剪切面上的摩擦阻力μσ，将(2)中的井周应力分布预测模型代入摩尔-库仑准则，得到地层坍塌压力的计算公式如下：

其中，ρ_m为坍塌压力当量密度；

H为井深，根据已知钻井设计数据；

η为应力非线性修正系数，一般取0.95；

p_p为地层压力，由地层压力预测模型计算得到；

F_c为岩石粘聚力，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

σ_h1，σ_h2为水平方向地应力，由组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

K₁为渗流效应系数，根据已知地质数据；^[10]

φ为孔隙度，根据已知地质数据；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到。^[11]

②采用抗拉强度理论预测单井的破裂压力，地层破裂压力预测模型如下：

其中，ρ_f为地层破裂压力当量密度；

S_t为岩石抗拉强度，ν为泊松比，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

σ_h1，σ_h2为水平方向地应力，由组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

p_p为地层压力，由地层压力预测模型计算得到；

H为井深，根据已知钻井设计数据；

φ为孔隙度，根据已知地质数据；

ν为泊松比，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到；

δ为渗透性系数，当井壁有渗透时，δ＝1。

4)确定钻井液安全密度窗口

根据上述1)的地层压力预测模型可以计算地层压力数据，根据上述3)的模型，可以计算地层压力、坍塌压力、破裂压力数据，并绘制相应的压力—深度剖面，如图5所示，确定钻井液安全密度窗口范围。^[12][13]

4、预测降压开采过程地层井壁稳定性

深水浅部地层降压开采会进一步引起地层组合岩体疏松，导致井壁围岩失稳风险大大提高。根据实际降压开采方案计算岩石力学参数随时间的变化情况，分析组合岩体变形规律，确定能够保持井壁稳定的降压开采临界压差。^[14]

实施步骤如下：

1)根据已知的钻井设计和地层力学特征(来自所述组合岩体岩石力学及地应力模型)，利用有限元分析工具(如ABAQUS)建立井筒-地层组合体的几何模型，考虑储层分层，将扶正器、套管柱、水泥环、导管部件、地层分层等均加入几何模型中模拟实际井身结构和实际工况。

2)将组合岩体岩石力学参数及地应力参数作为模型初始边界条件，将已知的降压开采压差作为模型过程边界条件。^[15]

3)利用1)中的分析模型及2)中的边界条件，模拟降压开采过程各时间节点的地层水平和轴向变形规律，计算地层水平及轴向变形量。^[16]

4)根据深水浅部地层井壁失稳准则，判断3)计算得到的降压开采过程各时间节点的地层水平及轴向变形量是否会引起井壁失稳(例如，水平及轴向变形量是否超过了预定阈值)。若地层变形量导致井壁失稳，则调整2)中模型过程边界条件，从而确定能够保持井壁稳定的降压开采临界压差(即，保证地层不会失稳的最大压差)。

由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各个修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。更具体地，可重新安排步骤的次序，可并行执行步骤，可省略步骤，可包括其它步骤，可作出例程的各种组合或省略。因而，本发明仅由所附权利要求限制。附：参考文献列表

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Claims (4)

1.一种深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其用于确定在深水浅部矿藏资源钻采过程中维持井壁稳定的因素，并依此进行后续作业，所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据测井数据以及地质资料，建立组合岩体岩石力学及地应力模型，其反映了地层三维区域中的各个位置的应力参数；

步骤2、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测钻完井过程的地层井壁稳定性，确定不同深度下的钻井液安全密度窗口；

步骤3、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，预测降压开采过程的地层井壁稳定性，确定开采过程的临界生产压差；

步骤4、在满足所述钻井液安全密度窗口和临界生产压差的情况下，进行钻井、完井、以及开采作业，

其中，步骤1包括：

步骤1-1、根据测井资料及岩心实验结果，获取单井岩石力学及地应力参数，并建立单井岩石力学及地应力参数与深度对应关系剖面；

步骤1-2、根据来自于三维地震、测井和地质资料的构造、层位、岩性信息，建立三维深度域层速度数据体；

步骤1-3、根据所述三维深度域层速度数据体，提取海底泥线、储层顶部和储层底部三个层位数据，建立横波速度体、密度体模型，之后，结合在步骤1-1中确定的单井岩石力学及地应力参数，建立组合岩体区域的三维岩石力学及地应力模型，

其中，步骤2包括：

步骤2-1、基于钻井、测井资料，获得浅部地层温度-流体-应力-化学耦合作用，建立地层压力预测模型，如下：

式中，Pw为地层压力；下标w、g、h分别代表水、气、水合物相，P为压力，

为密度，Q为体积流量，M为摩尔质量，S为饱和度，N_h为单个结晶水合物含水分子个数，R为水合物分解生成系数，D为井眼直径，L为地层厚度，

利用该模型，计算得到钻井过程中随时间变化的地层压力参数，

步骤2-2、利用以下井周应力预测模型得到井壁表面的应力分布特征：

σ_r＝p_i-δφ(p_i-p_p)，

式中，σ_r为井壁处径向应力，σ_θ为井壁处切向应力，σ_z为井壁处垂向应力，

p_i为井内液柱压力，由已知的钻井设计数据得到；

p_p＝Pw，由所述地层压力预测模型计算得到；

φ为孔隙度，由已知的地质资料得到；

σ_ν，σ_H，σ_h为地应力参数，其由所述组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

ν为泊松比，其由所述组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到；

δ为渗透性系数，当井壁有渗透时，δ＝1。

2.根据权利要求1所述的深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其中，步骤2还包括：

步骤2-3、建立地层坍塌压力预测模型，其中，将所述井周应力预测模型代入摩尔-库仑准则，得到地层坍塌压力ρ_m，如下：

其中，

为坍塌压力当量密度；

H为井深，根据已知钻井设计数据；

η为应力非线性修正系数，取0.95；

p_p为地层压力，由地层压力预测模型计算得到；

F_c为岩石粘聚力，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

σ_h1，σ_h2为水平方向地应力，由组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

K₁为渗流效应系数，根据已知地质数据；

φ为孔隙度，根据已知地质数据；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到，

步骤2-4、通过如下的地层破裂压力预测模型，预测单井的破裂压力ρ_f：

其中，

为地层破裂压力当量密度；

S_t为岩石抗拉强度，ν为泊松比，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

σ_h1，σ_h2为水平方向地应力，由组合岩体区域三维地应力模型计算得到；

p_p为地层压力，由地层压力预测模型计算得到；

H为井深，根据已知钻井设计数据；

φ为孔隙度，根据已知地质数据；

ν为泊松比，由组合岩体区域三维岩石力学模型计算得到；

α为有效应力系数，由已知的实际地质数据得到；

δ为渗透性系数，当井壁有渗透时，δ＝1。

3.根据权利要求2所述的深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其中，步骤2还包括：

步骤2-5、根据所述地层压力预测模型，计算地层压力数据，根据上述步骤2-3和步骤2-4的模型，得到地层压力、坍塌压力、破裂压力与深度的关系数据，并由此确定钻井液安全密度窗口。

4.根据权利要求1至3中的一个所述的深水浅部地层井壁稳定性预测方法，其中，步骤3包括：

步骤3-1、根据所述组合岩体岩石力学及地应力模型，建立井筒-地层组合体的几何模型；

步骤3-2、将组合岩体岩石力学参数及地应力参数作为所述几何模型的初始边界条件，将已知的降压开采压差作为所述几何模型的过程边界条件；

步骤3-3、根据所述边界条件，计算地层水平及轴向变形量；

步骤3-4、判断计算出的地层水平及轴向变形量是否超过了预定阈值；

步骤3-5、若所述地层水平及轴向变形量超过了预定阈值，则返回到步骤3-2，并递增或递减调整步骤3-2中的降压开采压差，作为新的过程边界条件，直至在步骤3-4中判断地层水平及轴向变形量未超过预定阈值为止，记录此时的降压开采压差，作为开采过程的临界生产压差。

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