CN113111492A - 一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，包括力学失稳垮塌井段筛选及数据分类、基于构造应变系数表示深部地应力大小与井壁应力大小、基于应力极限平衡条件建立构造应变系数方程、基于最小二乘法求解构造应变系数并计算水平主应力、地应力估算结果合理性评价；本发明通过筛选井壁应力失稳垮塌井段数据、垮塌数据分类，构建基于应变系数的应力极限平衡方程以及基于临界垮塌地层信息约束的超定方程求解，计算出评价深部原地水平最大主应力和最小主应力，并给出了原地应力结果合理性评价方法，实现了深部地层水平主应力大小的定量计算评价，为地下深部工程尤其是油气井工程、油气开采工程等提供了所必需的深部地层力学基础参数。

Description

一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法
技术领域
本发明涉及地质力学、油气井工程、石油与天然气开采技术领域，尤其涉及一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法。
背景技术
原地应力是地下深部工程设计、实施所需的重要基础参数，尤其在油气钻采领域，深部原地应力大小评价对井眼轨迹设计、井壁稳定评价、完井优化、增产压裂、出砂预测以及安全开采作业制度建立等都具有极其重要意义，目前深部原地应力评价主要通过钻井岩心应力测试、压裂与钻井等矿场资料应力分析、地应力剖面测井计算等；
传统的方法需要用应力测试或矿场资料分析得到的应力大小进行标定、约束才能保证测井地应力计算结果的可靠性；水力压裂资料分析地应力的方法对于大型增产压裂压裂施工，所获取的资料影响因素众多，难以满足地应力大小科学评价的需求；井壁垮塌、钻井诱导缝是可用于评价深部原地应力的又一重要信息，但主要局限于深部原地应力方向的评价分析，尽管Mark D.Zoback提出了基于井眼垮塌计算地应力大小的理论模型，但由于深部地层岩石的非均质性、实际井壁垮塌的不规则、模型所需的井壁垮塌相关参数无法获取等因素制约，目前，该理论模型尚难以有效实际应用于深部原地应力大小的计算评价，因此，本发明提出一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，该基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法通过筛选井壁应力失稳垮塌井段数据、垮塌数据分类，构建基于应变系数的应力极限平衡方程以及基于临界垮塌地层信息约束的超定方程求解，计算得到评价深部原地水平最大主应力、深部原地水平最小主应力，并给出了原地应力结果合理性评价方法，实现了深部地层水平主应力大小的定量计算评价，为地下深部工程尤其是油气井工程、油气开采工程等提供了所必需的深部地层力学基础参数。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，包括以下步骤：
步骤一、力学失稳垮塌井段筛选和分类，依据研究工区地质研究成果，筛选地层构造相对平缓的井段，并根据井径测井数据，按下式计算井壁扩径率
Figure BDA0002980381670000021
CERi、CALi、BITi分别为所分析井段第i地层深度点的井壁的扩径率、井径以及钻头尺寸，选择井壁垮塌分布在水平最小主应力方位±15°范围内的地层数据点，再基于筛选得到的数据和扩径率大小对各深度地层数据进行分类；
步骤二、用构造应变系数(εH1，εh2)表示深部原地水平地应力大小，如下式
Figure BDA0002980381670000022
Figure BDA0002980381670000031
Figure BDA0002980381670000032
不考虑井周地层的渗流效应，在圆柱坐标系中，将直井井壁在井周角为90°或270°时用构造应变系数(εH1，εh2)表示井壁应力大小，如下式
Figure BDA0002980381670000033
Figure BDA0002980381670000034
σr(εH1，εh2)＝Pw (7)
步骤三、基于井壁应力极限平衡条件建立构造应变系数的方程，选择判定底层坍塌的岩石强度准则，将步骤二中的式(5)、(6)、(7)带入选择的岩石强度准则中，构建关于构造应变系数εH1，εh2的超定方程组，如下式
Fi(εH1，εh2)＝0 (8)
其中，函数Fi(εH1，εh2)的表达式取决于所选择的强度准则；
步骤四、利用最小二乘法求解计算实例井段水平最大构造应变系数和水平最小构造应变系数，并将其带入式(3)和式(4)即可计算得出所分析井段的水平最大主应力、水平最小主应力；
步骤五、将求解得到的水平最大构造应变系数、水平最小构造应变系数及分类地层的相应参数带入式(8)中计算Fi，并进行两种计算判别，结果不满足任意一种判别时，重新选择分析井段重复步骤二至步骤五进行计算分析，直至满足两种判别即可。
进一步改进在于：所述步骤一中筛选时根据泥质含量测井解释结果，剔除掉泥岩、页岩等粘土含量较高的地层层段，并同时剔除掉裂缝、层理、节理等结构面发育层段以及地层结构相对较为破碎的层段，以排除富含粘土地层水化作用以及结构面主导的井壁失稳垮塌地层。
进一步改进在于：所述步骤一中深度地层数据分成三类：①井壁稳定的S类地层数据：0＜CERi≤3％，无明显扩径、井径规则井段数据；②临界平衡的A类地层数据：3％＜CERi≤7％；③显著垮塌的B类地层数据：CERi＞7％，扩径显著井段数据。
进一步改进在于：所述步骤二式(2)、(3)、(4)中εH1，εh2分别为水平最大构造应变系数、水平最小构造应变系数；DEP、Den分别为地层深度、密度；E、μ分别为地层的弹性模量、泊松比；σV为垂向主应力；σH1(εH1，εh2)、σh2(εH1，εh2)分别为构造应变系数为εH1，εh2时地层对应的水平最大主应力、水平最小主应力；
式(5)、(6)、(7)中Dmud为钻井所用钻井液密度；Pw为井底钻井液的液柱压力，
Figure BDA0002980381670000041
进一步改进在于：所述步骤三中岩石强度准则根据地层力学特性、破坏特征选择Mohr-Coulumb强度准则、Drucker-Prager强度准则、Hoek-Brown强度准则中的一个强度准则用于水平地应力大小的估算。
进一步改进在于：所述步骤五中两种计算判别为：计算判别一：对于井径扩径显著井段，将未参与前述计算的B类数据带入式(8)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＞0；
计算判别二：对于井径规则、井壁稳定井段，将未参与前述计算的S类数据带入式(8)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＜0。
进一步改进在于：当计算判别一和计算判别二均成立时，表示构造应变系数及地应力估算结果合理。
本发明的有益效果为：本发明通过筛选井壁应力失稳垮塌井段数据、垮塌数据分类，构建基于应变系数的应力极限平衡方程以及基于临界垮塌地层信息约束的超定方程求解，计算得到评价深部原地水平最大主应力、深部原地水平最小主应力，并给出了原地应力结果合理性评价方法，实现了深部地层水平主应力大小的定量计算评价，为地下深部工程尤其是油气井工程、油气开采工程等提供了所必需的深部地层力学基础参数。
附图说明
图1为本发明估算方法流程图。
图2为本发明实施例筛选井段井径及岩石力学相关参数示意图。
图3为本发明实施例剔除高含量粘土层段的地层数据示意图。
图4为本发明实施例各深度点地应力大小估算结果示意图。
图5为本发明实施例Fi计算判别结果示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2、3、4、5所示，本实施例提供了一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，包括以下步骤：
步骤一、力学失稳垮塌井段筛选和分类，依据研究工区地质研究成果，筛选地层构造相对平缓的井段，并根据井径测井数据，按下式计算井壁扩径率
Figure BDA0002980381670000061
CERi、CALi、BITi分别为所分析井段第i地层深度点的井壁的扩径率、井径以及钻头尺寸，选择井壁垮塌分布在水平最小主应力方位±15°范围内的地层数据点，再基于筛选得到的数据和扩径率大小将各深度地层数据为三类：
①井壁稳定的S类地层数据：0＜CERi≤3％，无明显扩径、井径规则井段数据；
②临界平衡的A类地层数据：3％＜CERi≤7％；
③显著垮塌的B类地层数据：CERi＞7％，扩径显著井段数据。
从A类数据中，选择深度跨距不大于15米的数据进行步骤2至步骤5的分析。
按上述方法筛选地层构造相对平缓的井段如说明书附图2所示；按步骤(2)、(3)对明书附图3所示井段，进行地层段筛选、井眼扩径率计算，结果如明书附图3所示。计算根据扩径率大小，将地层分成三类，并从A类数据中按上述方法选择分析A类数据，结果如表1所示
表1用于分析的数据表(A类数据)
Figure BDA0002980381670000071
筛选时根据泥质含量测井解释结果，剔除掉泥岩、页岩等粘土含量较高的地层层段，并同时剔除掉裂缝、层理、节理等结构面发育层段以及地层结构相对较为破碎的层段，以排除富含粘土地层水化作用以及结构面主导的井壁失稳垮塌地层。
步骤二、用构造应变系数(εH1，εh2)表示深部原地水平地应力大小，如下式
Figure BDA0002980381670000072
Figure BDA0002980381670000073
Figure BDA0002980381670000074
式(2)、(3)、(4)中εH1，εh2分别为水平最大构造应变系数、水平最小构造应变系数；DEP、Den分别为地层深度、密度；E、μ分别为地层的弹性模量、泊松比；σV为垂向主应力；σH1(εH1，εh2)、σh2(εH1，εh2)分别为构造应变系数为εH1，εh2时地层对应的水平最大主应力、水平最小主应力；
不考虑井周地层的渗流效应，在圆柱坐标系中，将直井井壁在井周角为90°或270°时用构造应变系数(εH1，εh2)表示井壁应力大小，如下式
Figure BDA0002980381670000081
Figure BDA0002980381670000082
σr(εH1，εh2)＝Pw (7)
式(5)、(6)、(7)中Dmud为钻井所用钻井液密度；Pw为井底钻井液的液柱压力，
Figure BDA0002980381670000083
步骤三、基于井壁应力极限平衡条件建立构造应变系数的方程，选择判定底层坍塌的岩石强度准则，根据地层力学特性、破坏特征选择Mohr-Coulumb强度准则、Drucker-Prager强度准则、Hoek-Brown强度准则中的一个强度准则用于水平地应力大小的估算，将步骤二中的式(5)、(6)、(7)带入选择的岩石强度准则中，构建关于构造应变系数εH1，εh2的超定方程组，如下式
Fi(εH1，εh2)＝0 (8)
其中，函数Fi(εH1，εh2)的表达式取决于所选择的强度准则。
若选择Mohr-Coulumb强度准则，则关于构造应变系数εH1，εh2的函数方程组如下：
Fi(εH1，εh2)＝miεH1+niεh2-Ai＝0 (9)
其中
Figure BDA0002980381670000091
Figure BDA0002980381670000092
上式中，Depi、Ei、μi、ai、Ci、
Figure BDA0002980381670000093
分别为所分析井段第i地层深度点的深度、弹性模量、泊松比、Biots系数、内聚力以及内摩擦角；σVi、Ppi分别为所分析井段第i地层深度点的垂向应力、孔隙压力；
Figure BDA0002980381670000095
为所分析井段第i地层深度点钻井所用钻井液密度。
步骤四、利用最小二乘法求解计算实例井段水平最大构造应变系数和水平最小构造应变系数，并将其带入式(3)和式(4)即可计算得出所分析井段的水平最大主应力、水平最小主应力。
对式(9)所示方程用矩阵进行表达，如式(10)所示
Figure BDA0002980381670000094
当K≥2时，均可求解得到水平最大构造应变系数εH1、水平最小构造应变系数εh2；通常K＞2，此时式(10)为二元一次超定方程组，通过进行式(11)所示的变换运算，求得该方程的最小二乘解，即得到水平最大构造应变系数εH1、水平最小构造应变系数εh2。
Figure BDA0002980381670000101
将求解得到的水平最大构造应变系数
Figure BDA0002980381670000102
水平最小构造应变系数
Figure BDA0002980381670000103
代入式(3)、式(4)计算得到水平最大主应力、水平最小主应力。
按照上述步骤可计算实例井段水平最大构造应变系数
Figure BDA0002980381670000104
水平最小构造应变系数
Figure BDA0002980381670000105
分别为1.31413×10-3、0.30406×10-3，将其代入式(3)、式(4)可到所分析井段的水平最大主应力、水平最小主应力，结果如说明书附图4所示。
步骤五、将求解得到的水平最大构造应变系数
Figure BDA0002980381670000106
水平最小构造应变系数
Figure BDA0002980381670000107
及A分类地层的相应参数带入式(8)或式(9)中计算Fi，并进行计算判别：
计算判别一：对于井径扩径显著井段，将未参与前述计算的B类数据带入式(8)或式(9)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＞0；
计算判别二：对于井径规则、井壁稳定井段，将未参与前述计算的S类数据带入式(8)或式(9)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＜0。
当计算判别一和计算判别二均成立时，表示构造应变系数及地应力估算结果合理。
若大部分结果数据不满足计算判别一或不满足计算判别二，则可认为地应力估算结果不合理，需重新选择分析井段重复步骤二至步骤五进行计算分析，直至计算判别一、计算判别二均成立、地应力结果合理。
基于上述判定对实例井段进行Fi的计算判别分析，利S数据的计算判别一以及利用B类数据的计算判别二结果如说明书附图5所示。可看出：除个别分析结果数据点外，利S数据的计算判别一结果普遍大于0且利用B类数据的计算判别二结果普遍小于0，因此地应力估算结果合理。
该基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法通过筛选井壁应力失稳垮塌井段数据、垮塌数据分类，构建基于应变系数的应力极限平衡方程以及基于临界垮塌地层信息约束的超定方程求解，计算得到评价深部原地水平最大主应力、深部原地水平最小主应力，并给出了原地应力结果合理性评价方法，实现了深部地层水平主应力大小的定量计算评价，为地下深部工程尤其是油气井工程、油气开采工程等提供了所必需的深部地层力学基础参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、力学失稳垮塌井段筛选和分类，依据研究工区地质研究成果，筛选地层构造相对平缓的井段，并根据井径测井数据，按下式计算井壁扩径率
Figure FDA0002980381660000011
CERi、CALi、BITi分别为所分析井段第i地层深度点的井壁的扩径率、井径以及钻头尺寸，选择井壁垮塌分布在水平最小主应力方位±15°范围内的地层数据点，再基于筛选得到的数据和扩径率大小对各深度地层数据进行分类；
步骤二、用构造应变系数(εH1，εh2)表示深部原地水平地应力大小，如下式
Figure FDA0002980381660000012
Figure FDA0002980381660000013
Figure FDA0002980381660000014
不考虑井周地层的渗流效应，在圆柱坐标系中，将直井井壁在井周角为90°或270°时用构造应变系数(εH1，εh2)表示井壁应力大小，如下式
Figure FDA0002980381660000015
Figure FDA0002980381660000021
σr(εH1，εh2)＝pw (7)
步骤三、基于井壁应力极限平衡条件建立构造应变系数的方程，选择判定底层坍塌的岩石强度准则，将步骤二中的式(5)、(6)、(7)带入选择的岩石强度准则中，构建关于构造应变系数εH1，εh2的超定方程组，如下式
Fi(εH1，εh2)＝0 (8)
其中，函数Fi(εH1，εh2)的表达式取决于所选择的强度准则；
步骤四、利用最小二乘法求解计算实例井段水平最大构造应变系数和水平最小构造应变系数，并将其带入式(3)和式(4)即可计算得出所分析井段的水平最大主应力、水平最小主应力；
步骤五、将求解得到的水平最大构造应变系数、水平最小构造应变系数及分类地层的相应参数带入式(8)中计算Fi，并进行两种计算判别，结果不满足任意一种判别时，重新选择分析井段重复步骤二至步骤五进行计算分析，直至满足两种判别即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：所述步骤一中筛选时根据泥质含量测井解释结果，剔除掉泥岩、页岩等粘土含量较高的地层层段，并同时剔除掉裂缝、层理、节理等结构面发育层段以及地层结构相对较为破碎的层段，以排除富含粘土地层水化作用以及结构面主导的井壁失稳垮塌地层。
3.根据权利要求1所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：所述步骤一中深度地层数据分成三类：①井壁稳定的S类地层数据：0＜CERi≤3％，无明显扩径、井径规则井段数据；②临界平衡的A类地层数据：3％＜CERi≤7％；③显著垮塌的B类地层数据：CERi＞7％，扩径显著井段数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：所述步骤二式(2)、(3)、(4)中εH1，εh2分别为水平最大构造应变系数、水平最小构造应变系数；DEP、Den分别为地层深度、密度；E、μ分别为地层的弹性模量、泊松比；σV为垂向主应力；σH1(εH1，εh2)、σh2(εH1，εh2)分别为构造应变系数为εH1，εh2时地层对应的水平最大主应力、水平最小主应力；
式(5)、(6)、(7)中Dmud为钻井所用钻井液密度；Pw为井底钻井液的液柱压力，
Figure FDA0002980381660000031
5.根据权利要求1所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：所述步骤三中岩石强度准则根据地层力学特性、破坏特征选择Mohr-Coulumb强度准则、Drucker-Prager强度准则、Hoek-Brown强度准则中的一个强度准则用于水平地应力大小的估算。
6.根据权利要求1所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：所述步骤五中两种计算判别为：计算判别一：对于井径扩径显著井段，将未参与前述计算的B类数据带入式(8)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＞0；
计算判别二：对于井径规则、井壁稳定井段，将未参与前述计算的S类数据带入式(8)中，并进行判断Fi(εH1，εh2)＜0。
7.根据权利要求6所述的一种基于井壁力学失稳垮塌的地应力大小评价方法，其特征在于：当计算判别一和计算判别二均成立时，表示构造应变系数及地应力估算结果合理。
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