CN110826142A - 一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，包括以下步骤：S1、获取岩石力学参数、施工参数以及封堵层的参数；S2、再获取封堵层架桥距离；S3、最后根据裂缝性地层封堵承压能力预测模型计算得到封堵裂缝的扩展压力。本发明考虑了非线性裂缝宽度分布、地应力、封堵裂缝的扩展压力、裂缝内流体压力、封堵位置、封堵层长度和宽度、封堵层渗透率等因素的影响，能够更为合理地预测裂缝性地层的封堵承压能力，进而为裂缝性地层承压堵漏优化设计和改善封堵层质量提供科学依据和决策支持。

Description

一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法

技术领域

本发明涉及一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，属于钻井施工技术领域。

背景技术

顺应全球油气勘探开发新趋势，我国油气资源的勘探开发逐步向深水、深层及非常规油气资源迈进。深部地层中广泛发育的多尺度裂缝为油气资源的高效开发提供了良好的渗透通道，但同时高密度钻井液的大量使用也增加了钻井液漏失的风险。钻井过程中发生井漏，不仅造成高额的钻井液材料损失、较长的非生产时间，还容易诱发井塌、井喷、卡钻等井下复杂事故，严重时甚至导致水平井提前完钻，已经成为制约裂缝性油气藏优快钻井的主要技术瓶颈之一。承压堵漏技术是控制钻井液漏失、提高地层承压能力的有效手段，通常采用封堵承压能力来衡量钻井液漏失控制的效果以及地层承压能力的强化程度。对于结构稳定的致密封堵层而言，地层承压能力的强化程度在力学上表现为封堵裂缝的扩展压力。针对封堵后裂缝扩展压力的预测方法，国内外学者开展了较为深入的研究。2012年，Morita等基于断裂力学理论建立了考虑地应力、封堵裂缝的扩展压力以及裂缝内压力综合作用的裂缝扩展压力预测模型，但其忽略了裂缝宽度、封堵层渗透率以及封堵层内流体流动的影响；2014年，Shahri等基于边界元理论建立了预测裂缝宽度和封堵裂缝扩展压力的半解析模型，量化了岩石力学参数、地应力各向异性、井眼尺寸以及井斜角对裂缝宽度和裂缝封堵承压能力的影响，Mehrabian等将该半解析模型推广到了井壁多裂缝封堵情况，但该模型并未考虑封堵层几何及渗透性的影响；2015年，许成元推导了封堵层内流体压力产生的裂缝尖端应力强度因子，进而建立了考虑封堵作用的裂缝扩展压力预测模型，但该模型是基于均匀裂缝宽度假设而建立的。对于真实井下裂缝而言，裂缝宽度分布通常具有显著的非线性特征，且受堵漏材料颗粒粒径和浓度的影响，堵漏材料在裂缝内任意位置处形成具有一定长度、宽度和渗透性的致密封堵层。但是，现有的封堵裂缝扩展压力预测模型和方法并未系统考虑裂缝宽度分布、封堵层几何及渗透率的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，包括以下步骤：

S1、获取岩石力学参数、施工参数以及封堵层的参数；

S2、再获取封堵层架桥距离a；

S3、最后裂缝性地层封堵承压能力预测模型计算得到封堵裂缝的扩展压力P_w；

其中，

F_λ(s)＝(1-λ)0.5(3-s)[1+1.243(1-s)³]+1+(1-s)[0.5+0.743(1-s)²]

ΔL＝L-a-b

s＝L/(R+L)

λ＝σ_H/σ_h

式中：E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数；b为封堵层长度，mm；a为封堵层架桥距离，mm；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；P_i为原始地层压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；ΔL为裂缝尖端长度，mm；I_d为裂缝尖端压力衰减的距离，mm；K_z为封堵层渗透率，mD；K_i为地层渗透率，mD；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；K_I为考虑封堵作用的裂缝尖端总的I型应力强度因子，MPa·m^0.5；K_IC为地层岩石的临界应力强度因子，MPa·m^0.5；F_λ(s)为几何系数，无因次量；s为裂缝长度与裂缝尖端到井眼中心的距离之比，无因次量；λ为最大水平地应力与最小水平地应力之比，无因次量。

进一步的技术方案是，上述参数包括临界应力强度因子、弹性模量、泊松比、封堵层长度、裂缝长度、井眼半径、裂缝尖端压力衰减距离、最大水平主应力、最小水平主应力、裂缝封堵层渗透率、地层渗透率、原始地层压力。

进一步的技术方案是，所述步骤S3中采用弦截法进行模型求解。

进一步的技术方案是，所述步骤S3的具体过程为：

S31、首先对封堵裂缝的扩展压力P_w进行初始赋值，并根据下式计算井壁的裂缝宽度分布；

式中：w(x)为裂缝宽度分布；E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；

S32、再根据封堵位置处的距离a来计算封堵位置处的裂缝宽度w；

式中：E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；

S33、根据下式计算封堵情况下裂缝尖端的流体压力P_t；

ΔL＝L-a-b

式中：P_i为原始地层压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；b为封堵层长度，mm；a为封堵层架桥距离，mm；ΔL为裂缝尖端长度，mm；I_d为裂缝尖端压力衰减的距离，mm；K_z为封堵层渗透率，mD；K_i为地层渗透率，mD；L为裂缝长度，mm；

S34、根据以下模型计算考虑封堵作用的裂缝尖端总的I型应力强度因子K_I；

F_λ(s)＝(1-λ)0.5(3-s)[1+1.243(1-s)³]+1+(1-s)[0.5+0.743(1-s)²]

λ＝σ_H/σ_h

s＝L/(R+L)

式中：K_IC为地层岩石的临界应力强度因子，MPa·m^0.5；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；s为裂缝长度与裂缝尖端到井眼中心的距离之比，无因次量；b为封堵层长度，mm；λ为最大水平地应力与最小水平地应力之比，无因次量；a为封堵层架桥距离，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；ΔL为裂缝尖端长度，mm；F_λ(s)为几何系数，无因次量；

S35、再将上述计算得到的地层岩石的临界应力强度因子K_IC与现场获取的临界应力强度因子进行比较；当二者不同时，重新对封堵裂缝的扩展压力P_w进行赋值，并重复步骤S31-S35，直到二者相同时，则此时赋值的封堵裂缝的扩展压力P_w为最终结果。

本发明具有以下有益效果：该方法考虑了非线性裂缝宽度分布、地应力、封堵裂缝的扩展压力、裂缝内流体压力、封堵位置、封堵层长度和宽度、封堵层渗透率等因素的影响，能够更为合理地预测裂缝性地层的封堵承压能力，进而为裂缝性地层承压堵漏优化设计和改善封堵层质量提供科学依据和决策支持。

附图说明

图1为井壁裂缝封堵几何模型及受力情况图；

图2为封堵情况下井壁裂缝内的压力分布情况图；

图3为实施例中的封堵裂缝扩展压力图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

如图1-2所示，本发明的一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，包括以下参数：

S1、获取岩石力学参数、施工参数以及封堵层的参数，其参数数据如表1所示；

表1裂缝性地层承压堵漏的基础参数

S2、再根据现场堵漏材料的粒径分布和裂缝长度预估出封堵层架桥距离a的范围是[0，100]；

S3、对封堵裂缝的扩展压力P_w进行初始赋值，并根据下式计算井壁的裂缝宽度分布；

式中：w(x)为裂缝宽度分布；E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；

S4、再根据封堵位置处的距离a来计算封堵位置处的裂缝宽度w；

式中：E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；

S5、根据下式计算封堵情况下裂缝尖端的流体压力P_t；

ΔL＝L-a-b

式中：P_i为原始地层压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；b为封堵层长度，mm；a为封堵层架桥距离，mm；ΔL为裂缝尖端长度，mm；I_d为裂缝尖端压力衰减的距离，mm；K_z为封堵层渗透率，mD；K_i为地层渗透率，mD；L为裂缝长度，mm；

S6、根据以下模型计算地层岩石的临界应力强度因子K_IC；

F_λ(s)＝(1-λ)0.5(3-s)[1+1.243(1-s)³]+1+(1-s)[0.5+0.743(1-s)²]

λ＝σ_H/σ_h

s＝L/(R+L)

式中：K_IC为地层岩石的临界应力强度因子，MPa·m^0.5；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；s为裂缝长度与裂缝尖端到井眼中心的距离之比，无因次量；b为封堵层长度，mm；λ为最大水平地应力与最小水平地应力之比，无因次量；a为封堵层架桥距离，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；ΔL为裂缝尖端长度，mm；F_λ(s)为几何系数，无因次量；

S7、再将上述计算得到的地层岩石的临界应力强度因子K_IC与表1中的临界应力强度因子＝15.4进行比较；当二者不同时，重新对封堵裂缝的扩展压力P_w进行赋值，并重复步骤S3-S7，直到二者相同时，则此时赋值的封堵裂缝的扩展压力P_w为最终结果。

其结果如图3所示，封堵裂缝的扩展压力P_w的范围为[22.82，19.94]。

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做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 (4)

1.一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取岩石力学参数、施工参数以及封堵层的参数；

S2、再获取封堵层架桥距离a；

S3、最后根据裂缝性地层封堵承压能力预测模型计算得到封堵裂缝的扩展压力P_w；

其中，

F_λ(s)＝(1-λ)0.5(3-s)[1+1.243(1-s)³]+1+(1-s)[0.5+0.743(1-s)²]

ΔL＝L-a-b

s＝L/(R+L)

λ＝σ_H/σ_h

式中：E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数；b为封堵层长度，mm；a为封堵层架桥距离，mm；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；P_i为原始地层压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；ΔL为裂缝尖端长度，mm；I_d为裂缝尖端压力衰减的距离，mm；K_z为封堵层渗透率，mD；K_i为地层渗透率，mD；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；K_IC为地层岩石的临界应力强度因子，MPa·m^0.5；F_λ(s)为几何系数，无因次量；s为裂缝长度与裂缝尖端到井眼中心的距离之比，无因次量；λ为最大水平地应力与最小水平地应力之比，无因次量。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，其特征在于，上述参数包括临界应力强度因子、弹性模量、泊松比、封堵层长度、裂缝长度、井眼半径、裂缝尖端压力衰减距离、最大水平主应力、最小水平主应力、裂缝封堵层渗透率、地层渗透率、原始地层压力。

3.根据权利要求2所述的一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中采用弦截法进行模型求解。

4.根据权利要求2所述的一种裂缝性地层封堵承压能力的预测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：

S31、首先对封堵裂缝的扩展压力P_w进行初始赋值，并根据下式计算井壁的裂缝宽度分布；

式中：w(x)为裂缝宽度分布；E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；

S32、再根据封堵位置处的距离a来计算封堵位置处的裂缝宽度w；

式中：E为地层岩石的弹性模量，GPa；υ为泊松比，无因次量；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；x为裂缝长度方向任意位置处的横坐标，mm；c为与裂缝长度和井眼半径有关的系数，无因次量；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；

S33、根据下式计算封堵情况下裂缝尖端的流体压力P_t；

ΔL＝L-a-b

式中：P_i为原始地层压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；w为封堵位置处的裂缝宽度，mm；b为封堵层长度，mm；a为封堵层架桥距离，mm；ΔL为裂缝尖端长度，mm；I_d为裂缝尖端压力衰减的距离，mm；K_z为封堵层渗透率，mD；K_i为地层渗透率，mD；L为裂缝长度，mm；

S34、根据以下模型计算地层岩石的临界应力强度因子K_IC；

F_λ(s)＝(1-λ)0.5(3-s)[1+1.243(1-s)³]+1+(1-s)[0.5+0.743(1-s)²]

λ＝σ_H/σ_h

s＝L/(R+L)

式中：K_IC为地层岩石的临界应力强度因子，MPa·m^0.5；σ_H为最大水平地应力，MPa；σ_h为最小水平地应力，MPa；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；L为裂缝长度，mm；R为井眼半径，mm；s为裂缝长度与裂缝尖端到井眼中心的距离之比，无因次量；b为封堵层长度，mm；λ为最大水平地应力与最小水平地应力之比，无因次量；a为封堵层架桥距离，mm；P_w为封堵裂缝的扩展压力，MPa；P_t为封堵情况下裂缝尖端的流体压力，MPa；ΔL为裂缝尖端长度，mm；F_λ(s)为几何系数，无因次量；

S35、再将上述计算得到的地层岩石的临界应力强度因子K_IC与现场获取的临界应力强度因子进行比较；当二者不同时，重新对封堵裂缝的扩展压力P_w进行赋值，并重复步骤S31-S35，直到二者相同时，则此时赋值的封堵裂缝的扩展压力P_w为最终结果。

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