CN111980696B - 坍塌压力和失稳区域确定方法、以及井眼轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种坍塌压力和失稳区域确定方法、以及井眼轨迹优化方法。坍塌压力确定方法包括调研现场资料，得到目标井区孔隙压力、地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数；进行实验测试得到岩石本体和裂缝面的强度参数；设定井周某点半径，设定井眼倾角和倾向，计算井周各位置坍塌压力。井眼轨迹优化方法包括：确定目的层段某井深处井眼井周各位置的坍塌压力，将最大值作为该深度处井眼坍塌压力。失稳区域确定方法包括将井周各位置的坍塌压力与设定井底压力比较，并将高于井底压力的区域作为失稳区域。本发明能够克服现有井壁稳定性评价方法的不足，定量分析井眼轨迹、裂缝面产状和钻井液密度对井周失稳区域影响，能够保障钻井安全高效进行。

Description

坍塌压力和失稳区域确定方法、以及井眼轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，特别地，涉及一种针对井周失稳区域的确定方法和与井眼轨迹优化方法。

背景技术

在火山岩油气藏钻井过程中，井眼稳定性问题日益突出，井眼失稳可能引起卡钻、挤毁套管，甚至可能会导致侧钻新井眼或油井报废，影响钻井速度及测井、固井质量。鉴于井壁失稳事故的危害重大，国内外学者对井筒稳定问题开展了大量的研究，研究主要集中在力学、物理-化学因素两个方面。Fairhurst于1965年解出了倾斜井眼线弹性应力分布解，基于该解析式，众多钻井工作者选用Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则等强度准则对井壁稳定进行了研究。由于钻遇泥页岩储层时，井壁掉块、垮塌严重，Lekhnitskij等将页岩视为横观各向同性介质，得到了针对层理发育页岩的井周应力分布方程，Jaeger、Lee、Ong、Setiawan、陈平和马天寿等研究了页岩强度随层理倾角的破坏理论，并将其作为井壁失稳判据，研究了页岩井壁的失稳现象。以上研究均将力学因素作为井壁失稳的主要机理，上世纪60年代，气体钻井成功钻穿泥页岩地层且未发生井壁失稳问题，人们才意识到围岩与工作液接触的水化等化学因素是井壁失稳的另一主要因素，Chenevert、Ghassemi、陈勉和金衍、刘向君和罗平亚、邓金根等都对泥页岩水化稳定问题进行了深入研究。

然而，以上的研究仅涉及了井壁上的应力分布及稳定状态，实践证明井周围岩发生剪切破坏后并不一定会发生井壁失稳事故，但针对允许井周围岩一定范围内的剪切崩落时，维持井眼稳定的钻井液密度及井周失稳区域的研究仍十分的少见；此外，裂隙发育的火山岩具有高强度的非均质性，简单的将其视为各向同性不能描述实际问题，实际钻井工程中也证明，依据常规模型预测火山岩井壁坍塌压力引发了严重的井眼扩径现象。因此，获得考虑裂缝面特征对井周围岩稳定性的影响，如何得到井周的失稳区域并据此对井眼轨迹进行优化的方法问题亟待解决。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于准确的确定井周的失稳区域。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种确定井壁坍塌压力的方法。所述方法包括以下步骤：调研现场钻井和测井资料，得到目标井区的孔隙压力、地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数；根据孔隙压力和地应力进行实验测试，并得到岩石本体和裂缝面的强度参数；设定井周某点的半径，设定井眼倾角和倾向，沿井眼周向逆时针或顺时针计算井周各位置的坍塌压力；其中，对于井周的每个位置，计算其坍塌压力的步骤都包括：设定井底压力以0为起始，每次增加额定压力，对于每次增加后的井底压力，分别判断在该井底压力下岩石本体是否破坏、岩石裂缝是否破坏；其中，在岩石本体破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石本体未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿本体破坏的坍塌压力；在岩石裂缝破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石裂缝未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿岩石裂缝破坏的坍塌压力；将两个坍塌压力中的最大值作为该位置的坍塌压力；所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏包括：计算井周该位置的最大主应力和最小主应力；基于所述最大主应力、最小主应力和岩石本体的强度参数，判断在该井底压力下岩石本体是否破坏；所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏包括：计算井周该位置的裂缝面上的正应力和剪应力，基于所述裂缝面上的正应力、剪应力和裂缝面的强度参数，判断在该井底压力下岩石裂缝是否破坏。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述方法可包括步骤：确定设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述岩石本体的强度参数可包括：岩石本体内聚力和岩石本体内摩擦角；所述裂缝面的强度参数包括：裂缝面内聚力和裂缝面内摩擦角。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述地应力为大地坐标系下地应力；

所述计算井周该位置的最大主应力和最小主应力可包括：将所述地应力从大地坐标系下转换到井眼极坐标系下，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为三个主应力；从三个主应力中选出最大主应力和最小主应力。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述基于最大主应力、最小主应力和岩石本体的强度参数，判断在该井底压力下岩石本体是否破坏可包括：判断式1是否成立，若成立，则岩石本体破坏，否则岩石本体未破坏，

式1为：

其中，σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，C_i为岩石本体内聚力，φ_i为岩石本体内摩擦角。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述基于裂缝面上的正应力、切应力和裂缝面的强度参数，判断在该井底压力下岩石裂缝是否破坏可包括：判断式2是否成立，若成立，则岩石裂缝破坏，否则岩石裂缝未破坏，式2为：τ_n≤C_w+σ_ntanφ_w，其中，σ_n为裂缝面上的正应力，τ_n为裂缝面上的剪应力，C_w为裂缝面内聚力，φ_w为裂缝面内摩擦角。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述地应力为大地坐标系下的地应力，所述裂缝产状为裂缝在大地坐标系下的产状；所述计算井周该位置的裂缝面上的正应力和剪应力可包括：将所述地应力从大地坐标系下转换到井眼极坐标系下，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量；依据所述裂缝产状，将井眼极坐标下的井周有效应力分量转换为裂缝面上的应力分量；根据裂缝面上的应力分量得到裂缝面上的正应力和剪应力。

根据本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例，所述方法适用于裂缝性火山岩地层。

本发明另一方面也提供了一种井眼轨迹的优化方法，所述方法可包括以下步骤：根据上述的确定井壁坍塌压力的方法，确定目的层段的设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力；将设定深度处井眼的坍塌压力折算为钻井液密度，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度饼状云图，钻井液密度饼状云图中较小值的分布区域为优化的设定井深处的井眼轨迹。

本发明再一方面也提供了一种井周失稳区域的确定方法，所述方法可包括以下步骤：根据上述的确定井壁坍塌压力的方法，确定井周各位置的坍塌压力；将井周各位置的坍塌压力与设定的井底压力进行比较，并将坍塌压力高于设定的井底压力的区域作为失稳区域。

本发明又一方面也提供了一种井周失稳区域的确定方法，根据上述的确定井壁坍塌压力的方法确定不同半径的井周各位置的坍塌压力，进而得到井周失稳区域。

进一步地，在所述井周失稳区域的确定方法中，还可以先进行井眼轨迹的优化，然后再确定井周失稳区域。

确定井眼轨迹；根据上述的确定井壁坍塌压力的方法，确定目的层段的设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力；将设定深度处井眼的坍塌压力折算为钻井液密度，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度饼状云图，钻井液密度饼状云图中较小值的分布区域为优化的设定井深处的井眼轨迹；将井周各位置的坍塌压力与设定的井底压力进行比较，并将坍塌压力高于设定的井底压力的区域作为失稳区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下中的至少一项：

(1)能够克服现有的井壁稳定性评价方法的不足，定量分析井眼轨迹、裂缝面产状和钻井液密度对井壁坍塌压力及井周失稳区域的影响，并基于该分析对井筒钻进轨迹进行优化，保障钻井安全高效的进行。

(2)本发明可对矿区井眼轨迹进行优化，并得到不同井底压力下井周失稳的区域。

(3)相比传统井壁稳定分析模型，本发明可以考虑裂缝面的存在导致井周围岩强度的弱化对井壁坍塌压力的影响，并确定考虑裂缝影响的井周失稳的区域，进而基于井壁的坍塌压力及井筒完整性评价，对裂缝发育的火山岩储层井眼轨迹进行优化，对地应力的反演结果进行校正，较之传统模型井壁稳定中考虑弱面影响模型更加准确、实用。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的井周失稳区域的确定方法的一个流程示意图；

图2示出了目标井区地应力方位、井眼轨迹在大地坐标系下的一个空间分布示意图；

图3示出了目标井区储层岩石裂缝面在大地坐标系下的产状的示意图；

图4示出了剪切实验的一个示意图；

图5示出了剪切试验过程中剪应力-位移示意图；

图6示出了含裂缝岩体破坏方式及强度示意图

图7示出了火山岩储层不同井眼轨迹的井壁坍塌钻井液密度云图

图8示出了水平裂缝储层中沿最小水平地应力钻进井筒截面失稳区域示意图；

图9示出了倾斜裂缝储层中沿最小水平地应力钻进井筒截面失稳区域示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的确定井壁坍塌压力的方法、井周失稳区域的确定方法和井眼轨迹的优化方法。

本发明一方面提供了一种确定井壁坍塌压力的方法。

在本发明的确定井壁坍塌压力的方法的一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

S10：调研现场钻井和测井资料，得到目标井区的孔隙压力、地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数。其中，地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数可包括：大地坐标系下的地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹参数。地应力还包括地应力大小。

S20：根据孔隙压力和地应力进行实验测试，并得到岩石本体和裂缝面的强度参数。具体地，该步骤可以为：根据地应力、孔隙压力大小，通过室内实验测试得到矿区岩石本体和裂缝面的内聚力、内摩擦角等强度参数。

S30：设定井周某点的半径，设定井眼倾角和倾向，沿井眼周向逆时针或顺时针计算井周各位置的坍塌压力。

在本实施例中，井眼倾角的变化范围可以为0～90°，井眼倾向的变化范围可以为0～360°。井周各位置可以此确定：设定井眼井周角从0～180°变化，每次变化可以间隔为额定角度，额定角度可以为1～5°，例如2、3、4°等，当然本发明不限于此，只要是能够实现井周角变化的间隔角度都可以，例如以1、2、1、2、……间隔°。

在本实施例中，对于井周的单个位置，计算其坍塌压力的步骤可包括：

设定井底压力以0为起始，每次增加额定压力，对于每次增加后的井底压力，分别判断在该井底压力下岩石本体是否破坏、岩石裂缝是否破坏。其中，在岩石本体破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石本体未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿本体破坏的坍塌压力；在岩石裂缝破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石裂缝未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿岩石裂缝破坏的坍塌压力；将两个坍塌压力中的最大值作为该位置的坍塌压力。每次增加的额定压力可以根据实际情况来确定，例如可以是0.1～0.5MPa，再例如0.2、0.3、0.4MP等。

在本实施例中，所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏可包括：计算出井周该位置的最大主应力和最小主应力。

基于所述最大主应力、最小主应力和岩石本体的强度参数，判断在该井底压力下岩石本体是否破坏。

例如，可根据计算式1是否成立来判断岩石本体是否破坏，若成立，则岩石本体破坏，否则岩石本体未破坏。

计算式1为：

其中，σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，C_i为岩石本体内聚力，φ_i为岩石本体内摩擦角。

在本实施例中，所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏可包括：计算井周该位置的裂缝面上的正应力和剪应力，基于所述裂缝面上的正应力、剪应力和裂缝面的强度参数，判断在该井底压力下岩石裂缝是否破坏。

可判断计算式2是否成立来判断岩石裂缝是否破坏，若成立，则岩石裂缝破坏，否则岩石裂缝未破坏。

计算式2为：τ_n≤C_w+σ_ntanφ_w，

其中，σ_n为裂缝面上的正应力，τ_n为裂缝面上的剪应力，C_w为裂缝面内聚力，φ_w为裂缝面内摩擦角。

本发明另一方面也提供了一种井眼轨迹的优化方法。

所述优化方法可包括：根据上述的确定井壁坍塌压力的方法，确定目的层段的设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力。

将设定深度处井眼的坍塌压力折算为钻井液密度，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度饼状云图，钻井液密度饼状云图中较小值的分布区域为优化的设定井深处的井眼轨迹。

本发明再一方面也提供了一种井周失稳区域的确定方法。

在本发明的井周失稳区域的确定方法的一个示例性实施例中，如图1所示，所述方法可包括以下步骤：

设定井周某点的半径r，即井周某点到井眼轴线距离；

设定井眼倾角和倾向，井眼倾角HDev的变化范围可以为0～90°，井眼倾向HAzi的变化范围可以为0～360°。

设定钻井液密度，钻井液密度以0为起始。其中，钻井液密度和井底压力之间可以相互转换。

计算柱坐标下某点井周应力分量，其中，井周角θ＝0～180°。

计算该点最大、最小主应力，进而判断岩石本体是否破坏，若岩石本体破坏，则增加钻井液密度并继续重复上述的相关步骤，否则储存该点临界钻井液密度。

计算该点裂缝面正应力、剪应力，进而判断岩石裂缝是否破坏，若岩石裂缝破坏，则增加钻井液密度并继续重复上述的相关步骤，否则储存该点临界钻井液密度。

选取上述两个钻井液密度中的最大值。

改变井眼井斜角和方位角，重复上述步骤，获得不同轨迹井周最大临界密度。

改变井周某点的半径r，获得不同半径的井周最大临界密度，绘制井周失稳区域。

在本发明的井周失稳区域的确定方法的另一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

步骤一、调研现场钻井、测井资料，在大地坐标系下得到目标井区地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹等空间参数。在大地坐标系下，如图2所示，可采用倾角和倾向两个变量来描述地应力及井眼轨迹的空间分布。

步骤二、通过调研现场钻井、测井等资料得到目标井区地应力、孔隙压力大小，通过室内实验测试得到矿区岩石本体和裂缝面内聚力、内摩察角等强度参数。

其中，岩石本体和裂缝面强度参数可采用剪切实验测得，将岩石加工成方形岩样放入剪切实验盒中，施加垂向载荷和剪切载荷，同时记录剪切载荷随剪切位移的变化情况，实验装置示意图如图4所示，剪切试验过程中，不同正应力载荷作用下，剪应力-剪应变示意图如图5所示。

步骤三、将地应力(包括地应力的大小和方位)从大地坐标系下转换到井眼极坐标系下，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为主应力的形式；

其中，直角坐标系下井周应力分量如式(1)所示：

式中为地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；σ_ics为地应力矩阵，σ_ics＝{σ_h,0,0；0,σ_H,0；0,0,σ_v}；E为将地应力转换到大地坐标系下的转换矩阵，B为将大地坐标下的地应力分量转换到井眼直角坐标系下的转换矩阵，C为将井眼直角直角坐标系的井周应力分量转换到井眼极坐标下的转换矩阵，分别为式(2)～(4)所示：

式中，α_i为水平最小地应力在大地坐标系下的方位，°；β_i为垂向地应力的倾角，°；α_b为井眼方位角，°；β_b为井眼倾角，°；θ为井周角，°。

最终的到的井眼极坐标系下的井周有效应力分量如式(5)所示：

(1)，其中，P_w为坍塌压力，P_p为地层压力，MPa，r_w为井眼半径，mm，r为地层内某点到井眼轴向的距离，mm。

将式(5)代入式(6)中即可得到井周三大主应力：

对式(6)中的主应力分量进行比较，得到井周最大主应力和最小主应力：

步骤四、在大地坐标系下得到地层裂缝面的产状(即步骤一中的裂缝产状)，建立裂缝面坐标系与大地坐标系的关系，经过坐标转换得到地层井周裂缝面上的正应力与剪应力；换而言之，可以依据裂缝在大地坐标系下的产状，将井眼极坐标下的井周应力转换到裂缝面上的剪应力与正应力。储层岩石裂缝面在大地坐标系下的产状如图3所示。

其中，裂缝面上的应力分量如式(8)所示：

式中，为裂缝面上的应力分量，MPa；σ_PCS为井眼极坐标系下井周应力分量(即为步骤三中得到的井眼极坐标下井周有效应力分量)，MPa；W为将大地坐标系下裂缝面上的应力分量转换到裂缝面坐标系下应力分量的转换矩阵，如式(9)所示：

式中，α_o为裂缝面倾向，°；β_o为裂缝面倾角，°。裂缝面倾向和裂缝面倾角是否为裂缝产状参数。

将式(8)中裂缝面上应力分量代入式(10)中，即可得到裂缝面的正应力和剪应力：

式中，σ_n为裂缝面上的正应力，MPa；τ_n为裂缝面上的剪应力，MPa。

步骤五、在确定井周某点的半径后(即以井眼轴心为原点，确定地层内某点与该原点的距离)，之后确定井眼倾角及倾向，沿井眼周向逆时针(当然也可为顺时针)计算不同位置处最大和最小主应力，代入Mohr-Coulomb准则(即式(11)和式(12))，通过循环迭代法得到该点沿本体破坏和沿裂缝面破坏的坍塌压力，取两者的最大值为该点处的坍塌压力。

井眼倾角和倾向的变化范围可以分别为0～90°和0～360°。

图6示出了含裂缝岩体破坏方式及强度示意图，其中(a)图为裂缝岩体破坏方式的示意图，(b)图为强度示意图。岩石本体破坏和沿裂缝面破坏的判别准则分别如式(11)和式(12)所示：

τ_n＝C_w+σ_ntanφ_w (12)

式中，C_i为岩石本体内聚力，MPa；φ_i为岩石本体内摩擦角，°；C_w为裂缝面内聚力，MPa；φ_w为裂缝面内摩擦角，°。

步骤六、将矿区目的层段某井深处的坍塌压力折算为钻井液密度，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度窗口下限饼状云图，最小值区域(或者钻井液密度饼状云图中较小值的分布区域)为相对较为稳定的轨迹(优化的某井深处的轨迹)；其中，可根据P＝ρgh将坍塌压力转换为密度。某深度处的井眼井周各点的坍塌压力的最大值即为该深度处井眼的坍塌压力。

步骤七、确定井眼轨迹，确定井周各点的坍塌压力值，并设定不同的井底压力，坍塌压力高于该井底压力值的为失稳区域，低于该井壁压力值的为稳定区域，得到井周失稳的区域。失稳区域和稳定区域可以用不同的颜色来表示，例如用红色表示失稳区域，蓝色表示稳定区域。例如，以某个特定的井底压力为参考，计算得到的井周某点的坍塌压力高于该值，说明该点发生失稳；若低于该值，说明该点处于稳定状态。

在本实施例中，步骤五中具体可以为：

5.1设定井眼井周角从0-180°变化，间隔为2°。

5.2设定井底压力从0增加到x，间隔为0.1MPa，将其代入式(5)中，分别计算井周各点处的井周应力，并分别转化为井周三大主应力和裂缝面上的正应力和剪应力；在井底压力值为井壁刚好处于稳定状态的临界井底压力值时，即成为坍塌压力。

5.3将井周三大主应力代入岩石本体破坏判别准则，重复步骤5.2直至达到井壁稳定临界条件，此时的井底压力为维持井壁稳定的临界值；同理，将裂缝面剪应力和正应力代入岩石弱面破坏判别准则中，重复步骤5.2直至达到井壁稳定临界条件，此时的井底压力为维持井壁稳定的临界值。

5.4取步骤5.3中维持本体和弱面稳定的临界井底压力中的较大值即为裂缝性储层井周各点的坍塌压力；在井壁上即r＝r_w时，取井周0～180°各点的坍塌压力最大值即为该井眼轨迹条件下的井壁坍塌压力。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

以四川盆地X矿区5435m火山岩储层为例：

(1)计算过程

S1、调研现场钻井、测井及地层测试资料，得到水平最小地应力方位与正北方向夹角为0°，储层发育倾向120°、倾角为30°的裂缝。

S2、利用现场钻井及测井资料，获取所钻地层的水平最大地应力梯度为2.03g/cm³，水平最小地应力梯度为1.55g/cm³，垂向地应力梯度为2.36g/cm³，地层孔隙压力梯度1.14g/cm³。

S3、利用测井资料和室内剪切力学实验，获得目标井区岩石本体及裂缝面强度参数，所述岩石强度参数包括岩石本体内聚力为7.37943MPa，内摩察角为36.42°；岩石裂缝面内聚力为5.633MPa，内摩察角为29.39°。

S4、根据上述步骤S1～S3获得的储层地质力学参数及岩石强度参数，假设井周半径为r＝r_w，井眼方位变化范围为0°～360°，间隔为10°，井眼倾角变化范围为0°～90°，间隔为5°，代入图1所示的流程图中对X矿区任意轨迹井筒安全钻井液密度下限进行计算，获得维持井壁稳定的临界钻井液密度随井斜角和方位角的变化规律，实现井壁坍塌钻井液密度的预测。研究矿区火山岩储层不同井眼轨迹的井壁坍塌钻井液密度云图计算结果如图7所示。

S5、假设裂纹面倾角和倾向均为0°，井周半径的变化范围为r_w～2r_w，间隔为0.01r_w，井眼方位角为0°，倾角为90°，即沿水平最小地应力钻进的水平井，假设钻井液密度为0.75g/cm³，根据图1所示的流程图即可得到该井的井周失稳区域，计算结果如图8所示；假设裂纹面倾角45°，倾向均为0°，其他数据不变，则得到该井的井周失稳区域如图9所示。

(2)对比分析

对比分析传统模型和本发明建立模型对井壁安全钻井液密度窗口下限的预测结果，即图7中的(a)和(b)图，可以发现，井眼倾角和倾角共同决定了维持井壁稳定的安全钻井液密度窗口下限，最佳井眼钻进方向为水平最小地应力方向；若不考虑岩石裂缝面的影响，最大钻井液密度为1.38g/cm³，钻井液密度云图沿井眼方位0-180°和90-270°对称分布，当井眼方位分布在240～300°和60～120°范围内的高倾角井筒最易发生井壁失稳事故，在井眼轨迹设计中应避开该范围；当考虑火山岩储层裂缝影响时，最大钻井液密度为1.45g/cm³，且钻井液密度云图随井眼方位和倾角变化的分布规律发生了很大的改变。传统的分析方法忽略了忽略裂缝等软弱结构对井壁稳定影响，导致钻井液密度预测结果偏低，且对安全井眼轨迹的选择会出现严重偏差。

根据图8可见，传统模型预测井眼失稳区域分布在最小主应力方向，会形成“椭圆形”井眼；考虑弱面影响后，预测井眼形状变为“狗耳朵状”，失稳区域除集中在最小主应力方向外，还分布在井眼的左右两侧；对比图8和图9可以看到弱面产状对井周失稳区域的影响，在发育裂缝存在一定倾角时，会导致由弱面引起的滑动失稳区域与岩石本体的剪切破坏失稳区域叠加在一起，造成井眼失稳深度增大，进而导致井筒稳定性的进一步恶化，应在钻井过程中调整井眼轨迹避免此类情况的出现。

此外，由图9可见，井周最大崩落位置并未发生在的传统模型认为的最小主应力方向，考虑弱面影响的井周失稳区域模型得到的井周最大崩落位置与井周最小主应力方向存在一定夹角，根据本发明对井周失稳区域的预测还可对地应力的反演结果进行校正。

综上所述，相比传统井壁稳定分析方法，本发明可以考虑裂缝面的存在导致井周围岩强度的弱化对井壁坍塌压力的影响，并确定考虑裂缝影响的井周失稳的区域，进而基于井壁的坍塌压力及井筒完整性评价，对裂缝发育的火山岩储层井眼轨迹进行优化，对地应力的反演结果进行校正，较之传统模型井壁稳定中考虑弱面影响模型更加准确、实用。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

调研现场钻井和测井资料，得到目标井区的孔隙压力、地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数；

根据孔隙压力和地应力进行实验测试，并得到岩石本体和裂缝面的强度参数；

设定井周某点的半径，设定井眼倾角和倾向，沿井眼周向逆时针或顺时针计算井周各位置的坍塌压力；

其中，对于井周的每个位置，计算其坍塌压力的步骤都包括：设定井底压力以0为起始，每次增加额定压力，对于每次增加后的井底压力，分别判断在该井底压力下岩石本体是否破坏、岩石裂缝是否破坏；其中，在岩石本体破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石本体未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿本体破坏的坍塌压力；在岩石裂缝破坏的情况下，继续增大井底压力，直至岩石裂缝未破坏，将最终的井底压力作为该位置沿岩石裂缝破坏的坍塌压力；将两个坍塌压力中的最大值作为该位置的坍塌压力；

所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏包括：计算井周该位置的最大主应力和最小主应力；基于所述最大主应力、最小主应力和岩石本体的强度参数，判断在该井底压力下岩石本体是否破坏；

所述判断在该井底压力下岩石本体是否破坏包括：计算井周该位置的裂缝面上的正应力和剪应力，基于所述裂缝面上的正应力、剪应力和裂缝面的强度参数，判断在该井底压力下岩石裂缝是否破坏。

2.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：确定设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力。

3.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述岩石本体的强度参数包括：岩石本体内聚力和岩石本体内摩擦角；所述裂缝面的强度参数包括：裂缝面内聚力和裂缝面内摩擦角。

4.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述地应力为大地坐标系下地应力；

所述计算井周该位置的最大主应力和最小主应力包括：

将所述地应力从大地坐标系下转换到井眼极坐标系下，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为三个主应力；

从三个主应力中选出最大主应力和最小主应力。

5.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述基于最大主应力、最小主应力和岩石本体的强度参数，判断在该井底压力下岩石本体是否破坏包括：

判断式1是否成立，若成立，则岩石本体破坏，否则岩石本体未破坏，

式1为：

其中，σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，C_i为岩石本体内聚力，φ_i为岩石本体内摩擦角。

6.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述基于裂缝面上的正应力、切应力和裂缝面的强度参数，判断在该井底压力下岩石裂缝是否破坏包括：

判断式2是否成立，若成立，则岩石裂缝破坏，否则岩石裂缝未破坏，

式2为：τ_n≤C_w+σ_n tanφ_w，

其中，σ_n为裂缝面上的正应力，τ_n为裂缝面上的剪应力，C_w为裂缝面内聚力，φ_w为裂缝面内摩擦角。

7.根据权利要求1所述的确定井壁坍塌压力的方法，其特征在于，所述地应力为大地坐标系下的地应力，所述裂缝产状为裂缝在大地坐标系下的产状；

所述计算井周该位置的裂缝面上的正应力和剪应力包括：

将所述地应力从大地坐标系下转换到井眼极坐标系下，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量；

依据所述裂缝产状，将井眼极坐标下的井周有效应力分量转换为裂缝面上的应力分量；

根据裂缝面上的应力分量得到裂缝面上的正应力和剪应力。

8.一种井周失稳区域的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据权利要求1～7中任意一项所述的确定井壁坍塌压力的方法，确定井周各位置的坍塌压力；

将井周各位置的坍塌压力与设定的井底压力进行比较，并将坍塌压力高于设定的井底压力的区域作为失稳区域。

9.一种井周失稳区域的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据权利要求1～7中任意一项所述的确定井壁坍塌压力的方法确定不同半径的井周各位置的坍塌压力，进而得到井周失稳区域。

10.一种井眼轨迹的优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据权利要求1～7中任意一项所述的确定井壁坍塌压力的方法，确定目的层段的设定井深处的井眼井周各位置的坍塌压力，并将其中的最大值作为设定深度处井眼的坍塌压力；

将设定深度处井眼的坍塌压力折算为钻井液密度，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度饼状云图，钻井液密度饼状云图中较小值的分布区域为优化的设定井深处的井眼轨迹。