CN110259443A - 一种基于3dec离散元的煤层井壁稳定性预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，包括以下步骤：确定煤岩的力学参数；根据现场测井资料获取地应力参数和钻井工程参数；使用三维离散元软件，建立井眼—地层三维几何模型；将步骤S10和步骤S20中获取的力学参数、地应力参数和钻井工程参数赋予井眼—地层三维几何模型，再给井眼—地层三维几何模型施加井筒液柱压力和地应力；最后经过三维离散元软件的计算，达到平衡后，观察统计井周岩石位移情况，是否发生了井壁失稳。本发明的三维模型直观地展示了井壁失稳过程；完成了有效液柱压力、割理和井眼走向对煤岩井壁稳定的影响分析，得出结论；且运用3DEC离散元方法预测煤层井壁稳定更具可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法。
背景技术
煤是由古代植物遗体埋藏地下并经历长期的生物化学与地质作用而转变成的有机岩石。在煤岩的形成过程中，各种地质因素的影响使煤体内发育大量裂隙，例如煤化作用过程中挥发分、水分逸失产生收缩内应力而形成的割理裂缝，地壳运动作用下形成的剪切或拉伸裂缝。各类裂缝的大量存在使得煤岩宏观性质上呈现出强度低、脆性大、各向异性与非均质性显著。同时，由于裂缝的存在，钻井泥浆滤液易沿裂缝面渗入煤层内部，引起孔隙压力增加、煤岩强度降低，导致钻井过程中煤层段井壁极不稳定，极易发生井壁坍塌、井漏和卡钻甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的经济损失。
现有的煤层井壁稳定性分析模型大都借鉴常规油气井井壁稳定性分析模型，基于弹性力学分析得到井眼附近处的弹性应力分布，认为井壁任意一点处发生剪切破坏即引起井壁坍塌，而判断煤岩是否发生剪切破坏则一般采用摩尔- 库伦准则或针对破碎地层改进的Hoek-Brown准则。但是根据弹性力学理论计算井壁稳定性的可靠性低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种可靠性高的基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，包括以下步骤：
步骤S10、确定煤岩的力学参数；
步骤S20、根据现场测井资料获取地应力参数和钻井工程参数；
步骤S30、使用三维离散元软件，建立井眼—地层三维几何模型；
步骤S40、将步骤S10和步骤S20中获取的力学参数、地应力参数和钻井工程参数赋予井眼—地层三维几何模型，再给井眼—地层三维几何模型施加井筒液柱压力和地应力；
步骤S50、最后经过三维离散元软件的计算，达到平衡后，观察统计井周岩石位移情况，是否发生了井壁失稳。
进一步的技术方案是，所述步骤S10中根据井场资料或者取芯进行煤岩三轴破坏试验，获取煤层段的岩石力学参数。
进一步的技术方案是，所述井眼—地层三维几何模型采用内外双重建模，所述内层模型中采用DFN离散型裂隙网络技术生成离散型割理；所述在外层模型中，面割理平行于X方向，割理间距为0.1m，端割理平行于Y方向，割理间距0.2m。
与现有技术相比，本发明的三维模型直观地展示了井壁失稳过程；完成了有效液柱压力、割理和井眼走向对煤岩井壁稳定的影响分析，得出结论；且运用3DEC离散元方法预测煤层井壁稳定更具可靠性。
附图说明
图1是本发明的物理模型图；
图2是本发明是几何模型位移云图；
图3是3DEC观测点位移图；
图4是各点3DEC-弹性力学计算结果对比图；
图5是3DEC仿真结果与DB-X01井现场资料对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，包括以下步骤：
步骤S10、确定煤岩的力学参数；
根据井场资料，或者取芯进行煤岩三轴破坏试验，获取煤层段的岩石力学参数(岩石本体参数和割理、裂缝的力学参数)；
步骤S20、根据现场测井资料获取地应力参数和钻井工程参数，其中所述参数包括井径，钻井液密度，粘度等；
步骤S30、使用三维离散元软件，建立井眼—地层三维几何模型；
该模型如图1所示，在该模型中，以虚拟节理模拟煤岩的面割理和端割理，以刚性块体模拟煤岩本体。煤岩块体的本构模型采用各向同性的线弹性模型，煤岩割理的本构模型采用库伦滑移破坏下的区域接触弹性节理模型。
为减少总体计算量，并保证计算精度，采用内外双重建模。整体模型尺寸为2m×2m×2m，井眼方向沿Z轴，井眼半径0.1m，内层模型大小为 0.8m×0.8m×2m，除去内层模型后，皆属于外层模型。
在内层模型中，受钻头破岩影响，破碎程度较大，采用DFN离散型裂隙网络技术生成离散型割理；其随机产生的割理群是一组离散的、平面的、圆盘形。
在外层模型中，面割理平行于X方向，割理间距为0.1m；端割理平行于Y 方向，割理间距0.2m。
模型网格划分：在对模型进行分析计算前，必须先对模型进行网格划分。考虑到孔板效应和计算精度，井壁周围网格密度较高，可以获得较高的计算精度。而对于外层模型，网格划分密度较低，可在保证一定精度的同时提高整体模型的计算效率。采用的是四面体网格来降低计算量。
模型进行分析计算时采用如下的边界条件和初始条件：
模型边界条件条件设置：X＝1面设置为应力边界，X＝-1面设置为固定位移边界；Y＝1面设置为应力边界，Y＝-1面设置为固定位移边界；Z＝1面设置为应力边界，Z＝-1面设置为固定位移边界。
模型初始条件：初始条件设置为地应力条件，上覆岩层压力为20MPa，最大水平主应力为25.5MPa，方向沿X轴负方向，最小水平主应力为23.5MPa，方向沿Y轴负方向。
步骤S40、将步骤S10和步骤S20中获取的力学参数、地应力参数和钻井工程参数赋予井眼—地层三维几何模型，再给井眼—地层三维几何模型施加井筒液柱压力和地应力；
步骤S50、最后经过三维离散元软件的计算，达到平衡后，观察统计井周岩石位移情况，是否发生了井壁失稳。
实施例1
煤岩与割理力学参数如下：煤岩体积模量1.5GPa，剪切模量0.9GPa，密度为1267kg/m3。割理法向刚度为6.82GPa，割理剪切刚度15.9MPa，割理内聚力为2.4MPa，割理内摩擦角12°。
根据上述方法在有限次迭代后，观测点位移趋于稳定，模型达到平衡。根据位移云图(图2)可知，在井壁处的最大径向位移3.76cm，达到井眼尺寸的 18.8％，说明已经发生了井壁失稳。受割理面的影响，率先出现块体掉落的方位并不严格对应于最大水平主应力方位，而是被割理切割而成的较小块体先行掉落。但整体上而言，仍是沿着最大水平主应力方向位移较大，与岩石力学经典理论相符合。且根据位移云图可得出结论，割理面的出现使得煤岩块体的位移表现出非连续性，是由于割理弱面的存在，根据弱面准则，割理面先于煤岩本体发生破坏。
其中直井在地应力和钻井液液柱压力作用下的井周位移公式：
式中：ur为径向位移，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，υ为泊松比，G为剪切模量，R为井眼半径，r为径向距离，E为杨氏模量，θ为井周角， uθ为切向位移，pi为井内液柱压力。
在观测点位移图中(图3)，(0.1，0，0)和(-0.1，0，0)两点的位移大于(0，0.1，1)(0，-0.1，1)的位移量，是由于((0.1，0，0)和(-0.1，0， 0)两点在最大水平主应力方向。然而，(0.1，0，0)和(-0.1，0，0)两点虽然处于应力对称位置，但点(0.1，0，0)的位移量仍大于点(-0.1，0，0)的位移量，这是因为虽然两个观测点的应力大小相等，但是两点所在的位置割理发育情况不同，导致了位移量的差异，这也证明了割理在研究煤岩地层井壁稳定中的重要性。
根据弹性力学理论计算结果与3DEC仿真数据对比图(图4)可知，前者计算结果表现出连续性且井壁稳定情况良好，但3DEC仿真结果表明井壁已发生失稳且井周位移表现出离散性。
通过图5，可以发现，在实际钻井过程中，现场钻井液密度处于1.66-1.75g/cm3区间内，3DEC仿真模拟预测的坍塌压力当量密度是1.68-1.79g/cm3，平均井眼扩径率约为16％，说明利用3DEC软件计算结果与现场实际情况吻合度较高。结合图4中弹性力学连续介质与3DEC的计算结果对比可以发现，由于面割理与端割理的存在使得煤层更易发生井壁失稳，连续介质方法应用于煤岩具有局限性，运用3DEC离散元方法研究煤层井壁稳定更具可靠性。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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作出些变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 (3)
1.一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、确定煤岩的力学参数；
步骤S20、根据现场测井资料获取地应力参数和钻井工程参数；
步骤S30、使用三维离散元软件，建立井眼—地层三维几何模型；
步骤S40、将步骤S10和步骤S20中获取的力学参数、地应力参数和钻井工程参数赋予井眼—地层三维几何模型，再给井眼—地层三维几何模型施加井筒液柱压力和地应力；
步骤S50、最后经过三维离散元软件的计算，达到平衡后，观察统计井周岩石位移情况，是否发生了井壁失稳。
2.根据权利要求1所述的一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤S10中根据井场资料或者取芯进行煤岩三轴破坏试验，获取煤层段的岩石力学参数。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性预测方法，其特征在于，所述井眼—地层三维几何模型采用内外双重建模，所述内层模型中采用DFN离散型裂隙网络技术生成离散型割理；所述在外层模型中，面割理平行于X方向，割理间距为0.1m，端割理平行于Y方向，割理间距0.2m。
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|---|---|
| CN (1) | CN110259443A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460267A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-10 | 中国石油天然气集团有限公司 | 基于节理面粗糙度的井壁稳定模拟方法及装置 |
| CN114564778A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-05-31 | 西南石油大学 | 一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法 |
| CN116822971A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 长江大学武汉校区 | 一种井壁风险等级预测方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100243328A1 (en) * | 2009-03-27 | 2010-09-30 | Schlumberger Technology Corporation | Continuous geomechanically stable wellbore trajectories |
| CN102239507A (zh) * | 2008-12-03 | 2011-11-09 | 雪佛龙美国公司 | 用于离散裂隙建模的网格生成系统和方法 |
| US20130138406A1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-05-30 | Nina KHVOENKOVA | Method for constructing a fracture network grid from a voronoi diagram |
| CN105401939A (zh) * | 2015-11-30 | 2016-03-16 | 中国石油大学(北京) | 一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法 |
| CN106917623A (zh) * | 2015-12-28 | 2017-07-04 | 中国石油天然气股份有限公司 | 钻井井壁稳定性预测方法及装置 |
| CN109403963A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-01 | 西南石油大学 | 一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置 |
| CN109684685A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-04-26 | 青岛海洋地质研究所 | 一种多分支井水合物降压开采条件下的产能及储层稳定性分析方法 |
-
2019
- 2019-07-12 CN CN201910627423.9A patent/CN110259443A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102239507A (zh) * | 2008-12-03 | 2011-11-09 | 雪佛龙美国公司 | 用于离散裂隙建模的网格生成系统和方法 |
| US20100243328A1 (en) * | 2009-03-27 | 2010-09-30 | Schlumberger Technology Corporation | Continuous geomechanically stable wellbore trajectories |
| US20130138406A1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-05-30 | Nina KHVOENKOVA | Method for constructing a fracture network grid from a voronoi diagram |
| CN105401939A (zh) * | 2015-11-30 | 2016-03-16 | 中国石油大学(北京) | 一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法 |
| CN106917623A (zh) * | 2015-12-28 | 2017-07-04 | 中国石油天然气股份有限公司 | 钻井井壁稳定性预测方法及装置 |
| CN109403963A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-01 | 西南石油大学 | 一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置 |
| CN109684685A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-04-26 | 青岛海洋地质研究所 | 一种多分支井水合物降压开采条件下的产能及储层稳定性分析方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 孙正财等: "煤层气井割理煤岩井壁稳定性影响因素分析", 《煤炭科学技术》 * |
| 屈平等: "三维离散元在煤层水平井井壁稳定中的应用", 《石油学报》 * |
| 程远方等: "《煤层气压裂优化设计理论与应用》", 30 April 2018 * |
| 陶梅等: "《煤层气开采工艺》", 31 August 2018 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460267A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-10 | 中国石油天然气集团有限公司 | 基于节理面粗糙度的井壁稳定模拟方法及装置 |
| CN114460267B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-09-15 | 中国石油天然气集团有限公司 | 基于节理面粗糙度的井壁稳定模拟方法及装置 |
| CN114564778A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-05-31 | 西南石油大学 | 一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法 |
| US11822046B2 (en) | 2022-03-07 | 2023-11-21 | Southwest Petroleum University | Method for calculating safe drilling fluid density in fractured formation |
| CN116822971A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 长江大学武汉校区 | 一种井壁风险等级预测方法 |
| CN116822971B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-14 | 长江大学武汉校区 | 一种井壁风险等级预测方法 |
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