CN110069878B

CN110069878B - 一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法

Info

Publication number: CN110069878B
Application number: CN201910356871.XA
Authority: CN
Inventors: 许成元; 姜超; 康毅力; 游利军; 闫霄鹏; 张敬逸; 林冲; 周贺翔; 杨斌; 刘川
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-04-29
Also published as: US11017134B1; WO2020220745A1; CN110069878A; US20210141984A1

Abstract

本发明提供了一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法。该方法首先提取漏失地层钻井完井堵漏材料的关键性能参数，并根据重要程度对关键性能参数进行排序；然后利用层次分析法计算堵漏材料关键性能参数的权重；根据堵漏材料性能参数实验评价表，确定现有堵漏材料各项关键性能参数的评分；最后计算各类堵漏材料的综合得分，并根据综合得分优选出堵漏材料。本发明建立了堵漏材料性能参数定量评价表，并依据层次分析法建立了针对不同堵漏地层所需堵漏材料的优选方法，为钻井完井现场堵漏材料的优选提供依据，节约了确定最优堵漏材料时的实验成本和时间成本。

Description

一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法

技术领域

本发明属于漏失控制技术领域，涉及一种基于层次分析法的钻井完井堵漏材料定量评分优选方法。

背景技术

漏失性地层工作液大量漏失增加了油气田开发的钻井完井成本和建井周期甚至可能引发卡钻等事故，这严重影响了油气资源的勘探开发进程，该问题一直是困扰国内外石油勘探开发的重大技术难题，至今未能完全解决。

作为补充，漏失控制是解决地层工作液漏失的主要方法之一，然而随着漏失控制技术的不断发展，堵漏材料也变得多种多样。现如今井况复杂，针对不同地层的漏失需要选择不同的堵漏材料，而研究人员往往是凭借经验或者是经过大量的实验后选择的堵漏材料，到最后还不能确定所选择材料是否为最优材料，而目前没有统一的堵漏材料选择标准或方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于层次分析法的钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，对钻井完井堵漏材料进行评分，为研究人员堵漏配方中堵漏材料的选择提供依据。

本发明所采用的技术方案是：一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，包括以下步骤：

步骤1：获取钻井完井堵漏材料的性能参数，所述的性能参数包括：力学参数、化学参数和几何参数，其中力学参数包括但不限于摩擦系数、抗压能力、抗磨蚀能力和纤维抗拉强度；化学参数包括但不限于酸溶率和抗温能力；几何参数包括但不限于形状、纤维长径比、圆球度和粒度分布；所述关键性能参数的提取依据包括但不限于漏失控制效果预测模型，并根据漏失层具体地质情况从性能参数中提取；

步骤2：对步骤1获取的关键性能参数进行排序，并确定其每两个关键性能参数之间的相对重要程度。其中，关键性能参数的排序是由研究人员根据具体情况和经验进行主观性上的定性排序，重要程度的标度由研究人员根据具体情况和经验进行标度；

步骤3：利用层次分析法计算每种关键性能参数的权重；

步骤4：获取现有堵漏材料的关键性能实验参数并对其进行评价：根据制定的参数评价标准，将现有堵漏材料的关键性能参数划分为高、较高、中等、较低和低等五个等级，并对应不同的分值；

步骤5：根据步骤3和步骤4计算出各现有堵漏材料的综合得分；

步骤6：根据步骤5计算的现有材料的综合得分情况，选出得分最高的即为优选材料，或在考虑堵漏材料经济成本因素下，得分按从高到底排序位于前5％的材料。

进一步的，步骤1中漏失控制效果预测模型为：

其中：

其中：P_z—封堵承压能力，表征漏失控制效果，MPa；ΔH—裂缝封堵层剪切破坏部分高度(mm)；W—封堵裂缝宽度，mm；H—裂缝高度，mm；h—封堵层高度，mm；φ—封堵层孔隙度，％；A_f—横截面上纤维所占面积，mm²；A—横截面总面积，mm²；k_p—颗粒材料刚度(N/mm)；ε_p—颗粒接触形变，mm；E_f—纤维弹性模量，MPa；P_c—裂缝闭合压力，MPa；P_c/—裂缝水平向压力，MPa；E_f—纤维弹性模量，MPa；δ₁—颗粒表面摩擦角，°；δ₂—纤维表面摩擦角，°；δ₃—封堵层—裂缝面间摩擦角，°；d_p—颗粒平均直径，mm；l_f—纤维长度，mm；α—纤维初始倾斜角，°；d_f—纤维直径，mm；θ_i—纤维初始倾斜角，°；θ—纤维剪切后倾斜角，°；σ_fc—纤维抗拉强度，MPa；a封堵层长度，mm。

进一步的，步骤3的具体操作过程为：

3.1首先用统一标准对同一层内元素的相对重要程度两两进行比较，建立判断矩阵。漏失层段各关键性能参数的判断矩阵如下：

式中：表示参数i相对于参数j的重要程度的比例；

其中各项关键性能参数间重要程度比例标度如下表所示：

标度	各参数间重要程度
		1	参数i和参数j具有同等重要性
3	参数i比参数j稍微重要
		5	参数i比参数j明显重要
7	参数i比参数j十分重要
		9	参数i比参数j极端重要
2、4、6、8	当相对重要程度介于相邻重要程度之间是取中值

步骤3.2：将判断矩阵的每一列元素归一化处理，其元素的一般项为

其中，b_ij表示判断矩阵第i行第j列的元素，n表示判断矩阵阶数；

步骤3.3：对各列归一化的判断矩阵，按行相加，即

步骤3.4：向量把向量归一化处理所得结果即为所求特征向量，即

特征向量W中的元素即为对应参数的权重；

步骤3.5：通过判断矩阵和特征向量计算最大特征根，即

其中，(BW)_i表示向量的第i个元素；

步骤3.6：计算判断矩阵的一致性，并检验；

其中CI表示一致性参数，RI表示随机一致性参数如下表所示。

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.58	0.94	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

当CR<0.1时，则认为判断矩阵的不一致性程度在容许范围内，此时判断矩阵的特征向量即为权向量，否则，应返回步骤3.1，调整两元素相对重要程度的判断值。直至满足一致性条件为止。

进一步的，所述步骤4中关键性能参数等级与分值的关系如下表所示：

分值	10	8	6	4	2
						关键性能参数等级	高	中等偏高	中等	中等偏低	低

同时通过对大量堵漏材料性能参数评价得出性能参数评价表，适用于所有漏失地层，部分性能参数评价表如下图所示：

进一步的，所述步骤5中各堵漏材料的综合得分计算公式为：

其中S表示堵漏材料或堵漏配方的最终评分，和φ_i(x)分别表示各关键性能参数的权重和对应参数的得分。

对于现有堵漏技术，本发明的有益效果是：

(1)基于层次分析法的堵漏材料定量评分优选方法，能够系统的考虑漏失层段的地质情况和漏失情况，为研究人员提供科学合理的堵漏材料选择依据，节约实验成本和时间，避免研究人员盲目选择堵漏材料。

(2)基于对大量堵漏材料性能参数评价而得出的性能参数评价表，基于特定漏失地层而选定的关键性能参数，考虑漏失层段对堵漏材料的性能要求，保证了评价体系的准确性和优越性。

(3)利用层次分析法建立评分体系，计算堵漏材料各性能参数权重，并通过一致性检验保证结果的准确性。

附图说明

图1：本发明实施例的递阶层次结构模型示意图；

图2：具体实施案例中堵漏材料优选层次结构；

图3：层次分析法结构图。

具体实施方式

为了方便本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于层次分析法的钻井完井堵漏材料定量评分方法，包括以下步骤：

步骤1：提取钻井完井堵漏材料性能参数；

根据钻井完井漏失控制机理和漏失控制效果预测模型，确定漏失层段对堵漏材料的性能要求，进而从性能参数中提取出漏失层所需钻井完井堵漏材料的关键性能参数，漏失控制效果预测模型可参照但不限于以下公式，相关性能参数包括但不限于表1中所列的几何、力学和化学参数。

其中：

其中：P_z—封堵承压能力，表征漏失控制效果，MPa；ΔH—裂缝封堵层剪切破坏部分高度(mm)；W—封堵裂缝宽度，mm；H—裂缝高度，mm；h—封堵层高度，mm；φ—封堵层孔隙度，％；A_f—横截面上纤维所占面积，mm²；A—横截面总面积，mm²；k_p—颗粒材料刚度(N/mm)；ε_p—颗粒接触形变，mm；E_f—纤维弹性模量，MPa；P_c—裂缝闭合压力，MPa；P_C′—裂缝水平向压力，MPa；E_f—纤维弹性模量，MPa；δ₁—颗粒表面摩擦角，°；δ₂—纤维表面摩擦角，°；δ₃—封堵层—裂缝面间摩擦角，°；d_p—颗粒平均直径，mm；l_f—纤维长度，mm；α—纤维初始倾斜角，°；d_f—纤维直径，mm；θ_i—纤维初始倾斜角，°；θ—纤维剪切后倾斜角，°；σ_fc—纤维抗拉强度，MPa；a封堵层长度，mm。

表1钻井完井堵漏材料性能参数

步骤2：根据漏失地层的温度、压力、地应力等地质特征参数，漏失类型和堵漏施工要求，对从步骤1中选择的堵漏关键性能参数按重要程度进行排序，重要程度由研究人员根据具体情况和经验进行标度。

步骤3：利用层次分析法计算堵漏材料每种关键性能参数的权重

对堵漏材料的重要程度进行了定性的评判后用层次分析法将定性的排序转换为定量排序，表现为各关键性能参数所占权重的大小；

步骤3.1：首先用统一标准对同一层内元素的相对重要程度两两进行比较，建立判断矩阵。漏失层段各关键性能参数的判断矩阵如下：

式中：表示参数i相对于参数j的重要程度的比例；其中各项关键性能参数间重要程度比例标度如下表2：

表2各项关键性能参数重要程度比例标度

其中，b_ij表示判断矩阵第i行第j列的元素，n表示判断矩阵阶数；步骤3.3：对各列归一化的判断矩阵，按行相加，即

步骤3.4：相加后向量归一化处理，所得结果即为所求特征向量，即

特征向量W中的元素即为对应参数的权重；

步骤3.5：通过判断矩阵和特征向量计算最大特征根，即

其中，(BW)_i表示向量的第i个元素；

步骤3.6：计算判断矩阵的一致性，并检验；

其中CI表示一致性参数，RI表示随机一致性参数，其值如表3：

表3平均随机一致性参数RI

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.58	0.94	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

当CR<0.1时，则认为判断矩阵的不一致性程度在容许范围内，此时判断矩阵的特征向量即为权向量，否则，应返回步骤3.1，调整两元素相对重要程度的判断值，直至满足一致性条件为止。

步骤4：对现有堵漏材料的关键性能参数进行实验评价：

获取现有堵漏材料各关键性能参数，并按照表4的性能参数评价表对各性能参数进行等级划分，然后根据表5-6得出堵漏材料各关键性能参数得分。

表4堵漏材料部分性能参数评价表

注：材料抗压能力、抗磨蚀能力和强度抗高温能力均采用25MPa下粒度D90降级率评价；粒度抗高温能力采用高温老化后与老化前对比的粒度D90降级率评价；最终抗高温能力取粒度抗高温能力和强度抗高温能力之中的较小值。

表5堵漏材料部分性能参数不同等级对应的分值

分值	10	8	6	4	2
						摩擦系数	高	中等偏高	中等	中等偏低	低
颗粒抗压强度	高	中等偏高	中等	中等偏低	低
						纤维抗拉强度	高	中等偏高	中等	中等偏低	低
圆球度	低	中等偏低	中等	中等偏高	高
						抗温能力	高	中等偏高	中等	中等偏低	低
抗磨蚀能力	高	中等偏高	中等	中等偏低	低
						纤维长径比	高	中等偏高	中等	中等偏低	低

表6堵漏材料D90不同等级对应的分值

步骤5：利用打分法计算各堵漏材料的综合得分；

钻井完井堵漏材料综合评分函数如下：

其中S表示堵漏材料或堵漏配方的最终得分，和φ_i(x)分别表示各关键性能参数的权重和对应参数的得分。

步骤6：根据材料的综合得分情况优选出最适合漏失层段的堵漏材料类型。

实施例1：

本实施案例以库车山前某区块的储层段架桥材料定量评分为例，该漏失层为储层段，属于高温、高压、高地应力储层。根据钻井完井漏失控制机理、漏失控制效果预测模型以及该漏失层特征，选择堵漏材料关键性能参数为：粒度分布D90、摩擦系数、圆球度、抗高温能力、抗压能力、抗磨蚀能力。

根据这些关键性能参数对该区块储层段堵漏效果的重要程度对它们进行排序，重要程度从大到小依次为：粒度D90>摩擦系数>圆球度>抗高温能力>抗压能力>抗磨蚀能力。

对以上堵漏材料关键性能参数构建判断矩阵如下：

利用层次分析法计算出各关键性能参数权重如表7。

表7各关键性能参数参数的相对权重

参数	粒度D90	摩擦系数	圆球度	抗温能力	抗压能力	抗磨蚀能力
							权重	0.418	0.295	0.130	0.090	0.039	0.028

最后计算各种堵漏材料的最终得分，最终得分靠前的堵漏材料的关键性能参数及最终得分见表8和表9，选择分数最高的堵漏材料进行试验，测试堵漏效果。

表8该区块非储层段架桥材料关键性能参数等级

表9该区块非储层段架桥材料关键性能参数的评分及材料的最终得分

根据堵漏材料的综合得分，可以看出LCM-K3的综合得分最高，即表示该材料最适用于该层段的架桥材料，可优先用该材料进行堵漏试验，经堵漏实验结果证明，材料LCM-K3为最优材料，证明了本发明方法的可预见性与优越性。

本发明将层次分析法应用到钻井完井堵漏材料定量评分方法当中，能够科学有效的对堵漏材料对目标地层的适用程度进行评分优选，为研究人员节约时间与成本。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，所述堵漏材料评分方法包括以下步骤：

步骤1：获取钻井完井堵漏材料的性能参数，并从中提取出关键性能参数；

步骤2：对步骤1获取的关键性能参数根据其相对重要程度进行排序；

步骤3：利用层次分析法计算每种关键性能参数的权重；

步骤4：获取现有堵漏材料的关键性能参数，并对其进行评价；

步骤5：根据步骤3和步骤4的结果计算出各现有堵漏材料的综合得分；

步骤6：根据步骤5计算出的各现有堵漏材料综合得分情况得出优选堵漏材料类型；

所述步骤4中对现有堵漏材料关键性能参数评价包括：根据制定的参数评价标准，将现有堵漏材料的关键性能参数划分为高、中等偏高、中等、中等偏低和低五个等级，并对应不同的分值，所述参数评价标准经过对大量堵漏材料性能评价得出，部分性能参数评价如下表所示：

。

2.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，步骤1所述的性能参数包括：力学参数、化学参数和几何参数，其中力学参数包括但不限于摩擦系数、抗压能力、抗磨蚀能力和纤维抗拉强度；化学参数包括但不限于酸溶率和抗温能力；几何参数包括但不限于形状、纤维长径比、圆球度和粒度分布。

3.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，步骤1所述的关键性能参数的提取依据包括但不限于漏失控制效果预测模型，并根据漏失层具体地质情况从性能参数中提取。

4.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，步骤2所述关键性能参数的排序是由研究人员根据具体情况和经验进行定性确定，重要程度的标度是由研究人员根据具体情况和经验进行标度。

5.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作过程为：

S1、首先用统一标准对同一层内元素的相对重要程度两两进行比较，建立判断矩阵，漏失层段各关键性能参数的判断矩阵如下：

式中：表示参数i相对于参数j的重要程度的比例；

其中各项关键性能参数间重要程度比例标度如下表所示：

标度各参数间重要程度 1 参数i和参数j具有同等重要性 3 参数i比参数j稍微重要 5 参数i比参数j明显重要 7 参数i比参数j十分重要 9 参数i比参数j极端重要 2、4、6、8 当相对重要程度介于相邻重要程度之间时取中值

S2、：将判断矩阵的每一列元素归一化处理，其元素的一般项为

S3、对各列归一化的判断矩阵，按行相加，即

S4、向量把向量归一化处理，所得结果即为所求特征向量，即

特征向量W中的元素即为对应参数的权重；

S5、通过判断矩阵和特征向量计算最大特征根，即

其中，(BW)_i表示向量的第i个元素；

S6、计算判断矩阵的一致性，并以下公式检验；

其中CI表示一致性参数，RI表示随机一致性参数，其值如下表所示：

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 0 0 0.58 0.94 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45

当CR<0.1时，则认为判断矩阵的不一致性程度在容许范围内，此时判断矩阵的特征向量即为权向量，否则，应返回步骤S1，调整两元素相对重要程度的判断值，直至满足一致性条件为止。

6.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，所述步骤5中计算各现有堵漏材料综合得分的公式为：

其中S表示堵漏材料或堵漏配方的最终评分，和φ_i(x)分别表示各关键性能参数的权重和对应参数的分值。

7.根据权利要求1所述的一种钻井完井堵漏材料定量评分优选方法，其特征在于，所述步骤6中最佳堵漏材料类型是得分最高的材料类型，或考虑堵漏材料经济成本因素下，得分按从高到底排序位于前5％的材料。