CN109377101A - 一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，它包括以下步骤：S1、利用测井资料和地层测试资料获取所钻地层的孔隙压力；S2、利用测井资料和室内岩石力学实验，获取所钻地层的岩石力学参数；S3、利用测井资料和室内实验，获取所钻地层的原地应力大小和水平地应力方向；S4、建立基于风险控制模型的井壁坍塌压力计算模型，包括建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型和建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型。本发明的有益效果是：改进了井壁稳定定量评价的精度，克服了传统井壁稳定定量评价方法预测的坍塌压力过高的问题，能够为直井、定向井、大位移井等特殊复杂结构井钻井提供理论指导和依据。

Description

一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法。

背景技术

近年来，由于常规油气资源的枯竭，一些非常规油气资源逐渐受到重视，比如，致密油气、页岩油气、煤层气、海洋石油等等。为了高效开发这些非常规油气资源，复杂结构井(如定向井、水平井，大位移井)的使用越来越广泛，因为复杂结构井可以增大井筒与储层的接触面积(即扩大了泄流面积)，有助于大幅度提高油气采收率。然而，采用复杂结构井通常会面临一些比较复杂的问题，如井壁坍塌、井筒漏失、井眼清洁、钻柱摩阻扭矩高等等，其中，井壁失稳是钻井行业中最为复杂的问题之一，全世界每年花在处理井壁失稳方面的成本超过数亿美元。为此，国内外学者已经提出并建立了大量的模型和方法，以解决井壁失稳问题，最为常见的井壁稳定模型包括弹性模型、塑性模型，弹塑性模型、孔弹性模型、孔隙-热-弹性模型、化学-孔弹性模型和化学-热-孔弹性模型等等。

然而，以上经典模型仍然存在一些缺陷，即计算得出的用来防止井壁坍塌所需的钻井液密度通常偏高(即偏保守)，这主要是由于这些模型通常假设坍塌破坏出现在应力集中最为严重的点，换句话说，就是在井壁上没有剪切破坏。而在实际钻井工程中，一定程度的井壁崩落或掉块并不会引起井壁坍塌事故，即工程上允许一定程度的井壁垮塌，相反，它可以帮助降低所需的钻井液密度。

此外，根据传统方法，无论地应力如何，最稳定的井眼轨迹总是倾斜井或水平井，这与现场情况不相符，钻井实践表明，直井的稳定性比其它情况都要好。Zoback在通过井壁崩落宽度预测地应力的研究中指出，井壁崩落宽度随地应力差异的增加线性增加，在给定地应力情况下，只要崩落宽度在允许的范围内，井壁的崩落宽度并不会增长，而崩落深度会有所增长，但这并不影响井壁的稳定。

为此，Kanfar结合有限元方法研究了井壁崩落与井壁稳定的关系，并提出了一种风险控制模型来分析井壁稳定性。但是，这种方法是基于有限元建立起来的，并没有给出解析评价模型和方法，不利于现场应用。为此，本发明引入风险控制模型，发明了一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，它克服了上述涉及到的问题，提高了预测井壁坍塌压力当量钻井液密度的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，它包括以下步骤：

S1、利用测井资料和地层测试资料获取所钻地层的孔隙压力p_p；

S2、利用测井资料和室内岩石力学实验，获取所钻地层的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括内聚力c、内摩擦角泊松比v和Biot系数α；

S3、利用测井资料和室内实验，获取所钻地层的原地应力大小和水平地应力方向，所述原地应力大小包括垂向地应力σ_v、最大水平地应力σ_H和最小水平地应力σ_h，所述水平地应力方向包括最大水平地应力方向和最小水平地应力方向，最大水平地应力方向与最小水平地应力方向之间的夹角为90°；

S4、根据步骤S1～S3所获取的基础参数，建立基于风险控制模型的井壁坍塌压力计算模型，包括建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型和建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型；

所述建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_θθ≥σ_zz≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

②当σ_zz≥σ_θθ≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

③当σ_θθ≥σ_rr≥σ_zz时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

式中：σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；σ_v为垂向地应力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；p_p为孔隙压力；σ_θθ为井壁环向应力；σ_rr为井壁径向应力；σ_zz为井壁轴向应力；α为Biot系数；C₀、C、q为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

所述建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_j≥σ_k≥σ_i时，

其中，

②当σ_j≥σ_i≥σ_k时，

其中，

③当σ_i≥σ_j≥σ_k时，

其中，

式中：θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力；σ′_θθ、σ_zz、τ_θz为井壁应力分量，与井斜角、方位角和原地应力状态有关；C₀、C、q、a、b、e为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

S5、根据步骤S4所述的井壁坍塌压力计算模型进行计算，对于直井，采用步骤S4中基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型定量评价井壁稳定性；对于任意倾角的斜井，采用步骤S4中基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型获取坍塌压力随井斜角和方位角的变化规律以实现任意斜井井壁稳定定量评价。

本发明具有以下优点：本发明克服了已有基于有限元和风险控制模型方法的不足，改进了井壁稳定定量评价的精度，克服了传统井壁稳定定量评价方法预测的坍塌压力过高的问题，能够为直井、定向井、大位移井等特殊复杂结构井钻井提供理论指导和依据。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为保持井壁稳定所需内聚力示意图；

图3为风险控制模型下正断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图；

图4为传统模型下正断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图；

图5为风险控制模型下走滑断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图；

图6为传统模型下走滑断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图；

图7为风险控制模型下逆断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图；

图8为传统模型下逆断层坍塌压力当量密度随井斜方位变化规律图。

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：

如图1所示，一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，它包括以下步骤：

S1、利用测井资料和地层测试资料获取所钻地层的孔隙压力p_p；

S2、利用测井资料和室内岩石力学实验，获取所钻地层的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括内聚力c、内摩擦角泊松比v和Biot系数α；

S3、利用测井资料和室内实验，获取所钻地层的原地应力大小和水平地应力方向，所述原地应力大小包括垂向地应力σ_v、最大水平地应力σ_H和最小水平地应力σ_h，所述水平地应力方向包括最大水平地应力方向和最小水平地应力方向，最大水平地应力方向与最小水平地应力方向之间的夹角为90°；

S4、根据步骤S1～S3所获取的基础参数，建立基于风险控制模型的井壁坍塌压力计算模型，包括建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型和建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型；

所述建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_θθ≥σ_zz≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

②当σ_zz≥σ_θθ≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

③当σ_θθ≥σ_rr≥σ_zz时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

式中：σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；σ_v为垂向地应力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；p_p为孔隙压力；σ_θθ为井壁环向应力；σ_rr为井壁径向应力；σ_zz为井壁轴向应力；α为Biot系数；C₀、C、q为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

所述基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型的推导步骤为：

传统井壁坍塌压力计算模型存在不足，即需要防止井壁坍塌的钻井液密度过高(偏保守)，由于这些模型假设坍塌点出现在应力集中最严重的点。如图2所示，若坍塌点位于点A，这意味着传统方法预测井壁坍塌压力当量钻井液密度使用的角度是θ＝θ_max。风险控制模型假定一个允许的崩落宽度2ω，则坍塌点发生在B点：

θ＝θ_max±ω----------------------------------------(1)

其中，θ为井周角；θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半。

由于井壁崩落是增加深度，而不是宽度，所以井壁坍塌可能不会在一个合理的崩落宽度内，因此，给定点B可以取代传统的破坏点A计算井壁坍塌压力当量钻井液密度。Zoback(2007)还表示，关于防止井壁坍塌所允许的崩落宽度2ω，直井和水平井分别可以设置为90°和30°。一旦崩落宽度2ω超过设置值时，井壁将会发生坍塌。

根据Kirsch方程，直井井壁应力分布可以表示为：

其中，σ_H、σ_h、σ_v分别为最大水平地应力、最小水平地应力和垂向地应力；v为泊松比；p_i为井筒压力；σ_rr、σ_θθ、σ_zz、τ_θz、τ_rθ、τ_rz分别为井壁应力分量。

在获得了井壁应力分量后，结合井壁坍塌判别准则，计算井壁坍塌压力。通常情况下，井壁坍塌失稳可以采用Mohr-Coulomb准则，即：

σ₁＝C₀+qσ₃-----------------------------------------------------(3)

其中，

若考虑孔隙压力和有效应力原理，Mohr-Coulomb准则可以改写为：

σ₁＝C+qσ₃--------------------------------------------(4)

其中，C＝C₀-αp_p(q-1)

其中，为内摩擦角；c为内聚力；σ₁、σ₃为最大、最小主应力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力。

在公式(2)中，切向应力和轴向应力在θ＝±π/2处取得最大值，因此，将cos2θ＝-1带入式(2)中可得临界破坏点A的应力分量为：

由于直井允许崩落宽度2ω为90°，因此，新的临界破坏点B点的井周角为θ＝±π/2±π/4。此时，将cos2θ＝0带入式(2)可得，临界破坏点B的应力分量为：

由式(5)和(6)可以看出，井壁径向应力σ_rr是一个主应力，因此井壁临界破坏点A和B的应力状态可能存在三种情况：①σ_θθ≥σ_zz≥σ_rr；②σ_zz≥σ_θθ≥σ_rr；③σ_θθ≥σ_rr≥σ_zz。此时按照这个排序关系将应力分量带入式(4)即可得到基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型，三种情况下的模型分别为：

①当σ_θθ≥σ_zz≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

②当σ_zz≥σ_θθ≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

③当σ_θθ≥σ_rr≥σ_zz时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

所述建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_j≥σ_k≥σ_i时，

其中，

②当σ_j≥σ_i≥σ_k时，

其中，

③当σ_i≥σ_j≥σ_k时，

其中，

式中：θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力；σ′_θθ、σ_zz、τ_θz为井壁应力分量，与井斜角、方位角和原地应力状态有关；C₀、C、q、a、b、e为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

所述基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型推导步骤为：

传统井壁坍塌压力计算模型存在不足，即需要防止井壁坍塌的钻井液密度过高(偏保守)，由于这些模型假设坍塌点出现在应力集中最严重的点。如图2所示，若坍塌点位于点A，这意味着传统方法预测井壁坍塌压力当量钻井液密度使用的角度是θ＝θ_max。然而，风险控制模型假定了一个允许的崩落宽度2ω，则坍塌点发生在B点：

θ＝θ_max±ω------------------------------------------------(7)

其中，θ为井周角；θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半。

由于井壁崩落是增加深度，而不是宽度，所以井壁坍塌可能不会在一个合理的崩落宽度内，因此给定点B可以取代传统的破坏点A计算井壁坍塌压力当量钻井液密度。Zoback(2007)还表示，关于防止井壁坍塌所允许的崩落宽度2ω，直井和水平井分别可以设置为90°和30°。一旦崩落宽度2ω超过设置值时，井壁将会发生坍塌。

根据Bradley方程，任意斜井井壁应力分布可以表示为：

其中，

其中，σ_H、σ_h、σ_v分别为最大水平地应力、最小水平地应力和垂向地应力；v为泊松比；p_i为井筒压力；σ_rr、σ_θθ、σ_zz、τ_θz、τ_rθ、τ_rz分别为井壁应力分量；σ_x、σ_y、σ_z分别为井眼直角坐标下x、y和z方向的地应力轴向分量；τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为井眼直角坐标的地应力剪切分量；α_b为井眼井斜角；β_b井眼方位角。

在获得了井壁应力分量后，就可以结合井壁坍塌判别准则，计算井壁坍塌压力。通常情况下，井壁坍塌失稳可以采用Mohr-Coulomb准则，即：

σ₁＝C₀+qσ₃-------------------------------------------------------(10)

其中，

如果考虑孔隙压力和有效应力原理，Mohr-Coulomb准则可以改写为：

σ₁＝C+qσ₃--------------------------------------------------------(11)

其中，C＝C₀-αp_p(q-1)

其中，为内摩擦角；c为内聚力；σ₁、σ₃为最大、最小主应力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力。

根据式(8)可以通过材料力学理论获得井壁主应力分量，如果我们假设σ′_θθ＝(σ_x+σ_y)-2(σ_x-σ_y)cos2θ-4τ_xysin2θ，则井壁三个主应力分量分别为：

由式(12)可以看出，井壁径向应力(σ_rr)是一个主应力，因此，井壁临界破坏点A和B的应力状态可能存在三种情况：①σ_j≥σ_k≥σ_i；②σ_j≥σ_i≥σ_k；③σ_i≥σ_j≥σ_k。由于斜井无法确定井壁临界破坏点A和B的确切位置，需要通过简单的数值方法进行确定，其确定步骤如下：(a)输入基础参数，包括垂向地应力σ_v、最大水平地应力σ_H、最小水平地应力σ_h、孔隙压力p_p、内聚力c、内摩擦角泊松比v、Biot系数α；(b)设定井筒压力初值，默认p_i＝0；(c)选择需要计算的井斜角和方位角；(d)设定井周角范围0-180°，并划分井周角网格，θ₀＝0°,θ₁＝1°,θ₂＝2°,...,θ_i＝i°,...,θ₁₈₀＝180°；(d)根据式(12)计算井周角网格点处的最大主应力σ₁(θ)；(e)采用冒泡法寻找最大主应力σ₁(θ)的极大值点σ_1max＝max{σ₁(k)}，即可得到井壁临界破坏点A所处的井周角θ_max。

获得了井壁临界破坏点A所处的井周角θ_max，井壁临界破坏点A所处的应力分量就可以表示为：

而井壁临界破坏点B所处的应力分量就可以表示为：

此时，根据B点可能存在三种应力情况：①σ_j≥σ_k≥σ_i；②σ_j≥σ_i≥σ_k；③σ_i≥σ_j≥σ_k。按照这个排序关系将应力分量带入式(11)即可得到基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型，三种情况下的模型分别为：

①当σ_j≥σ_k≥σ_i时，

其中，

②当σ_j≥σ_i≥σ_k时，

其中，

③当σ_i≥σ_j≥σ_k时，

其中，

式中：θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力；σ′_θθ、σ_zz、τ_θz为井壁应力分量，与井斜角、方位角和原地应力状态有关；C₀、C、q、a、b、e为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

S5、根据步骤S4所述的井壁坍塌压力计算模型进行计算，对于直井，采用步骤S4中基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型定量评价井壁稳定性；对于任意倾角的斜井，采用步骤S4中基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型获取坍塌压力随井斜角和方位角的变化规律以实现任意斜井井壁稳定定量评价。

具体实施例：

以四川盆地某井3000m处地层为例：

S1、利用测井资料和地层测试资料，获取所钻地层的孔隙压力p_p为30MPa；

S2、利用测井资料和室内岩石力学实验，获取所钻地层的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括内聚力c为15MPa、内摩擦角为30°、泊松比v为0.25和Biot系数α为0.8；

S3、利用测井资料和室内实验，获取所钻地层的原地应力大小和水平地应力方向，所述水平地应力方向包括最大水平地应力方向为0°，为了对比不同原地应力状态下的井壁坍塌压力计算结果，垂向地应力σ_v、最大水平地应力σ_H、最小水平地应力σ_h取三种应力状态，即正断层应力状态、走滑断层应力状态和逆断层应力状态，如下表所示：

序号	Anderson断层机制	σ<sub>v</sub>/MPa	σ<sub>H</sub>/MPa	σ<sub>h</sub>/MPa
					1	正断层(σ<sub>v</sub>&gt;σ<sub>H</sub>&gt;σ<sub>h</sub>)	90	70	50
2	走滑断层(σ<sub>H</sub>&gt;σ<sub>v</sub>&gt;σ<sub>h</sub>)	60	70	50
					3	逆断层(σ<sub>H</sub>&gt;σ<sub>h</sub>&gt;σ<sub>v</sub>)	40	70	50

S4、根据步骤S1～S3所给的基础参数，建立基于风险控制模型的井壁坍塌压力计算模型，此处以斜井为例，即选取斜井模型：

①当σ_j≥σ_k≥σ_i时，

其中，

②当σ_j≥σ_i≥σ_k时，

其中，

③当σ_i≥σ_j≥σ_k时，

其中，

S5、根据S4所述的井壁坍塌压力计算模型进行计算，获取坍塌压力随井斜角和方位角的变化规律，实现井壁稳定定量评价。

步骤S3中所述三种应力状态下的井壁坍塌压力当量密度计算结果，如图3～8所示。

(1)对于正断层，即σ_v≥σ_H≥σ_h(σ_v＝90MPa、σ_H＝70MPa、σ_h＝50MPa)

对于基于风险控制模型的井壁稳定定量评价模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随井斜角的增加(0°～90°)呈现出逐渐增加的趋势，即钻直井有利于井眼稳定，随钻井方位角(0°～180°)先减小后增加，在90°左右取得最小值，在180°时达到最大值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先减小后增加的趋势，在270°左右取得最小值，在360°时达到最大值。说明正断层应力模式下，直井沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

对于传统模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随钻井方位角(0°～180°)先增加而后逐渐降低，在90°左右取得最大值，在0°和180°左右取得最小值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先增加而后逐渐降低的趋势，在270°左右取得最大值，在360°左右取得最小值。随井斜角的增加(0°～90°)呈现出先减小后增加的趋势，且在井斜角为(30°～50°)范围内取得最小值，即在该井斜角范围且沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

(2)对于走滑断层，即σ_H≥σ_v≥σ_h(σ_v＝60MPa、σ_H＝70MPa、σ_h＝50MPa)

对于基于风险控制模型的井壁稳定定量评价模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随钻井方位角(0°～180°)先减小后增加的趋势，在90°左右取得最小值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先减小后增加的趋势，在270°左右取得最小值。当方位角为(0°～45°)，(135°～225°)和(315°～360°)时，坍塌压力当量密度(EMWCP)随井斜角的增加(0°～90°)呈现出逐渐增加的趋势，当方位角为(45°～135°)和(225°～315°)时，EMWCP随井斜角的增加(0°～90°)呈现出逐渐减小的趋势，即在该井为直井且沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

对于传统模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随井斜角的增加(0°～90°)呈现出逐渐减小的趋势，即钻水平井有利于井眼稳定，随钻井方位角(0°～180°)呈现出先减小后增加又减小又增加的趋势，分别在45°和135°左右取得最小值，在180°时达到最大值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先减小后增加又减小又增加的趋势，分别在225°和315°左右取得最小值，在360°时达到最大值。说明走滑断层应力模式下，水平井安全钻井方位处于最大水平主应力和最小水平主应力之间。

(3)对于逆断层，即σ_H≥σ_h≥σ_v(σ_v＝40MPa、σ_H＝70MPa、σ_h＝50MPa)

对于基于风险控制模型的井壁稳定定量评价模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随井斜角的增加(0°～90°)呈现出缓慢增加的趋势，即钻水平井有利于井眼稳定，随钻井方位角(0°～180°)先减小后增加，在90°左右取得最小值，在180°时达到最大值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先减小后增加的趋势，在270°左右取得最小值，在360°时达到最大值。说明逆断层应力模式下，直井沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

对于传统模型，坍塌压力当量密度(EMWCP)随井斜角的增加(0°～90°)呈现出逐渐增大的趋势，即钻直井有利于井眼稳定，随钻井方位角(0°～180°)先减小后增加，在90°时取得最小值，在180°时达到最大值，随钻井方位角(180°～360°)也呈现出先减小后增加的趋势，在270°时取得最小值，在360°时达到最大值。说明逆断层应力模式下，直井沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

(4)对比分析

对比分析传统模型和风险控制模型分别在正断层、走滑断层、逆断层三种应力状态下预测的坍塌压力当量钻井液密度图，可以得到如下结论：①风险控制模型预测的坍塌压力当量钻井液密度(EMWCP)总是低于传统模型。它还说明，一个适当的崩落宽度可以帮助降低所需的钻井液密度，以防止崩塌。②在正断层应力状态下，对于传统模型和风险控制模型，直井的稳定性总是比倾斜井和水平井高，水平井沿最大水平应力方向是最不稳定的。然而，在斜井和直井中，传统模型和风险控制模型预测的最稳定路径是不一致的。对于传统模型，井斜角在(30°～50°)范围内沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定。对于风险控制模型，直井且沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。③在走滑断层应力状态下，用传统模型和风险控制模型分别对直井和水平井计算，得到的最不稳定的井眼轨迹是不一致的。对于传统模型，水平井安全钻井方位处于最大水平主应力和最小水平主应力之间。对于风险控制模型，直井且沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。④在逆断层应力状态下，用传统模型和风险控制模型分别对直井和水平井计算，得到的最不稳定井眼轨迹是一致的，无论传统模型还是风险控制模型，水平井且沿最小水平主应力方向钻进时井壁最稳定。

综上所述，本方法克服了已有基于有限元和风险控制模型方法的不足，改进了井壁稳定定量评价的精度，克服了传统井壁稳定定量评价方法预测的坍塌压力过高的问题，能够为直井、定向井、大位移井等特殊复杂结构井钻井提供理论指导和依据。

Claims (1)

1.一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用测井资料和地层测试资料获取所钻地层的孔隙压力p_p；

S2、利用测井资料和室内岩石力学实验，获取所钻地层的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括内聚力c、内摩擦角泊松比v和Biot系数α；

S3、利用测井资料和室内实验，获取所钻地层的原地应力大小和水平地应力方向，所述原地应力大小包括垂向地应力σ_v、最大水平地应力σ_H和最小水平地应力σ_h，所述水平地应力方向包括最大水平地应力方向和最小水平地应力方向，最大水平地应力方向与最小水平地应力方向之间的夹角为90°；

S4、根据步骤S1～S3所获取的基础参数，建立基于风险控制模型的井壁坍塌压力计算模型，包括建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型和建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型；

所述建立基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_θθ≥σ_zz≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

②当σ_zz≥σ_θθ≥σ_rr时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

③当σ_θθ≥σ_rr≥σ_zz时，

其中，C＝C₀+(1-q)αp_p、

式中：σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；σ_v为垂向地应力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；p_p为孔隙压力；σ_θθ为井壁环向应力；σ_rr为井壁径向应力；σ_zz为井壁轴向应力；α为Biot系数；C₀、C、q为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

所述建立基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：

①当σ_j≥σ_k≥σ_i时，

其中，

②当σ_j≥σ_i≥σ_k时，

其中，

③当σ_i≥σ_j≥σ_k时，

其中，

式中：θ_max为临界破坏点A的井周角；ω为允许崩落宽度的一半；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力；α为Biot系数；p_p为孔隙压力；σ′_θθ、σ_zz、τ_θz为井壁应力分量，与井斜角、方位角和原地应力状态有关；C₀、C、q、a、b、e为中间代换量；p_w1、p_w2、p_w3为三种情况所对应的稳定井壁所需的临界井筒压力；

S5、根据步骤S4所述的井壁坍塌压力计算模型进行计算，对于直井，采用步骤S4中基于风险控制模型的直井井壁坍塌压力计算模型定量评价井壁稳定性；对于任意倾角的斜井，采用步骤S4中基于风险控制模型的斜井井壁坍塌压力计算模型获取坍塌压力随井斜角和方位角的变化规律以实现任意斜井井壁稳定定量评价。