CN113405929A - 考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期测定方法。所述测定方法包括如下步骤：1)取得目标地层的钻井岩心并加工成为标准岩样；2)对2块岩心进行单/三轴抗压强度测试；3)对剩余岩心进行恒定载荷强度测试，记录破坏周期，建立函数关系；4)计算规则化周期下的单/三轴抗压强度：5)计算内摩擦角和粘聚力值，建立其随时间的函数关系。6)计算不同方位大位移井坍塌压力随时间的变化规律。本发明基于室内岩石疲劳强度测试实验，通过获得固定载荷下，岩石单/三轴抗压强度随时间的衰减规律，进一步计算得到强度参数—内摩擦角和粘聚力随时间变化规律，最终得到井壁坍塌压力随时间的变化规律，即安全钻井周期。

Description

考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期测定方法
技术领域
本发明涉及一种考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期测定方法，属于石油工程钻完井领域。
背景技术
大位移钻井技术可以经济有效的勘探开发海上、滨海、岛屿和地面条件恶劣地区油气田，减少建造平台、人工岛和减少钻油气井数。对于老油气田，可利用原有的基础设施钻大位移井，加速油田探边和开发，缩短产油周期，扩大泄油半径，提高单井产量和增长井的寿命，增加整个油田的产量和最终采收率，大幅节约投资。
但是大位移钻井周期久，地层和井筒裸露时间长，如何准确获得大位移井段的井壁安全周期(即坍塌周期)，确定合理的钻井液密度支撑井壁，使之不发生垮塌，是大位移钻井成功实施的关键一步。因此有必须提供大位移井安全周期的测定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期的测定方法，适用于海洋、滩海、人工岛等受限区域的大位移钻井工程，作用是获得井壁坍塌压力随井眼裸露时间的变化规律，及时调整钻井液性能维持井壁稳定，使之不发生垮塌引起井眼填埋。
本发明提供的考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期的测定方法，包括如下步骤：
S1、取目标地层的探井钻井岩心，加工2m颗标准岩样，饱和模拟地层水后，测定所述标准岩样的物性参数，如实际直径、长度、密度等参数；m为大于等于5的自然数(若小于5，则无法建立规律)；
S2、取两颗所述标准岩样，分别进行单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，得到所述标准岩样的单轴抗压强度和三轴抗压强度；
S3、对剩余的所述标准岩样分别进行恒定荷载下的长期单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，记录每个所述标准岩样发生破坏的周期，得到单轴抗压强度随时间的对数函数与三轴抗压强度随时间的对数函数；
S4、设定规则化周期，根据所述轴抗压强度随时间的对数函数与所述三轴抗压强度随时间的对数函数，得到相应的周期下的单轴抗压强度和三轴抗压强度；
S5、根据步骤S4得到的所述单轴抗压强度和所述三轴抗压强度，得到规则化周期下的内摩擦角和粘聚力，据此得到所述内摩擦角随时间的对数函数和所述粘聚力随时间的对数函数；
S6、根据井壁坍塌压力计算模型，得到沿水平最大地应力方向和水平最小地应力方向大位移井的坍塌压力随时间的变化规律。
上述的测定方法中，步骤S2中，所述三轴抗压强度测试采用的围压为5～15MPa。
上述的测定方法中，步骤S3中，所述恒定荷载为所述单轴抗压强度或所述三轴抗压强度的95％～75％，可根据岩心数量设置递减程度，如按照5％的程度递减：95％、90％、85％、80％、75％。
上述的测定方法中，步骤S3中，所述单轴抗压强度随时间的对数函数如式(1)所示；
所述三轴抗压强度随时间的对数函数如式(2)所示；
UCS(t)＝a1-b1·ln(t) (1)
TCS(t)＝a2-b2·ln(t) (2)
式中，t为承受载荷的时间，d；UCS(t)为不同时间下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同时间下的三轴抗压强度，MPa；a1、b1、a2、b2均为经验系数。
上述的测定方法中，步骤S4中，所述规则化周期为0～60d，可根据岩心的数量设置间隔天数，如设置为0d、1d、5d、10d、30d、60d。
上述的测定方法中，步骤S5中，根据式(3)和式(4)分别得到所述内摩擦角和所述粘聚力；
Figure BDA0003118919260000021
Figure BDA0003118919260000022
式中，
Figure BDA0003118919260000023
为不同周期下的内摩擦角，°；C(t)为不同周期下的粘聚力，MPa；UCS(t)为不同周期下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同周期下的三轴抗压强度，MPa。
上述的测定方法中，步骤S5中，所述内摩擦角随时间的对数函数和所述粘聚力随时间的对数函数分别如式(5)和式(6)所示；
φ(t)＝a3-b3·ln(t) (5)
C(t)＝a4-b4·ln(t) (6)
式中，t为承受载荷的时间，d；
Figure BDA0003118919260000024
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa；a3、b3、a4、b4均为经验系数。
上述的测定方法中，步骤S6中，所述井壁坍塌压力计算模型如式(7)和式(8)所示；
Figure BDA0003118919260000031
Figure BDA0003118919260000032
式中，Pt|H为沿水平最大地应力方向大位移井的坍塌压力，MPa，Pt|h为沿水平最小地应力方向大位移井的坍塌压力，MPa，
Figure BDA0003118919260000033
Figure BDA0003118919260000034
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa；ζ＝0.95；α＝0.85；Pp、σV、σH、σh分别为孔隙压力、上覆岩压、水平最大、水平最小地应力，MPa，通过现场地漏实验测量；H为井深，m。
本发明方法适用于井斜角超过70°且裸眼段长度超过2000m的长裸眼段大位移井，适用范围更广，而不是常规的水垂比≥2的大位移井。
本发明方法中，岩石始终处于饱和地层水的状态，避免出现实际地层中并不存在的“干燥岩心”状态，消除了干燥岩心的强水化因素干扰。
本发明方法能够反映岩石强度长周期衰减效应，表征岩石强度衰减引起的大位移井裸眼段的周期性坍塌。
本发明基于室内岩石疲劳强度测试实验，通过获得固定载荷下，岩石单/三轴抗压强度随时间的衰减规律，进一步计算得到强度参数—内摩擦角和粘聚力随时间变化规律，最终得到井壁坍塌压力随时间的变化规律，即安全钻井周期。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，本发明提供的考虑岩石疲劳强度的大位移井安全周期计算方法，包括以下步骤：
1)取得目标地层的探井钻井岩心，用室内标准取芯筒将岩心加工成为12颗(即m＝6)标准岩样，编号后饱和模拟地层水，测量每颗岩样的实际直径、长度、密度等物性参数。
2)对1号和7号岩心分别进行单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，得到单轴抗压强度UCS＝40MPa，和10MPa围压条件下的三轴抗压强度TCS＝70MPa。
3)对2号-6号、8号-12号岩心分别进行恒定载荷下的长期单/三轴强度测试，设定的单/三轴恒定载荷分别为单/三轴抗压强度的95％、90％、85％、80％、75％，记录各岩心发生破坏的周期如下表1和表2。
表1单轴恒定载荷下，岩心破坏周期
No 1# 2# 3# 4# 5# 6#
单轴恒定载荷/MPa 40 38 36 34 32 30
破坏周期/d 0 0.8 3.2 9.1 27.4 62.3
表2 10MPa围压的三轴恒定载荷下，岩心破坏周期
Figure BDA0003118919260000041
根据实验数据表，建立单/三轴抗压强度随时间的对数函数关系：
UCS(t)＝37.15-1.56ln(t)
TCS(t)＝65.67-2.65ln(t)
式中，t为承受载荷的时间，d；UCS(t)为不同时间下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同时间下的三轴抗压强度，MPa。
4)设定规则化周期表(取值为0d、1d、5d、10d、30d、60d)，根据单/三轴抗压强度随时间的对数函数，计算相应的周期下的单三轴抗压强度，如表3所示：
表3规则化周期下，岩心的单三轴抗压强度
规则化周期/d 0 1 5 10 30 60
单轴强度UCS(t)/MPa 40.73 37.15 34.65 33.57 31.86 30.78
三轴强度TCS(t)/MPa 71.77 65.67 61.40 59.57 56.66 54.82
5)根据下式，计算规则化周期下的内摩擦角和粘聚力值：
Figure BDA0003118919260000042
Figure BDA0003118919260000043
式中，
Figure BDA0003118919260000044
为不同周期下的内摩擦角,°；C(t)为不同周期下的粘聚力，MPa；UCS(t)为不同周期下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同周期下的三轴抗压强度，MPa。
计算得到规则化周期下的内摩擦角和粘聚力值如表4所示：
表4规则化周期下，岩心的内摩擦角和粘聚力
Figure BDA0003118919260000057
根据计算结果，建立内摩擦角
Figure BDA0003118919260000051
和粘聚力C(t)随时间的对数函数关系：
φ(t)＝28.49-1.02ln(t)
C(t)＝11.01-0.26ln(t)
式中，t为承受载荷的时间，d；
Figure BDA0003118919260000052
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa。
6)根据如下井壁坍塌压力计算模型，计算沿水平最大地应力方向和水平最小地应力方向大位移井的坍塌压力随时间的变化规律，公式分别为：
Figure BDA0003118919260000053
Figure BDA0003118919260000054
式中，
Figure BDA0003118919260000055
t为井眼钻开时间，d；
Figure BDA0003118919260000056
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa；ζ＝0.95；α＝0.85；Pp、σV、σH、σh分别为孔隙压力、上覆岩压、水平最大、水平最小地应力，MPa，通过现场地漏实验测量；H为井深，m。
表5规则化周期下，坍塌压力随时间的变化规律
规则周期/d 0 1 5 10 30 60
坍塌压力Pt|<sub>H</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 1.211 1.241 1.282 1.295 1.318 1.331
坍塌压力Pt|<sub>h</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 1.25 1.28 1.321 1.334 1.357 1.37
现有技术通过室内岩石力学实验，以干燥岩心的强度为基准点，测量岩心在钻井液中浸泡不同时间后强度的递减规律，以此为基础计算坍塌周期，但这与真实地质条件下的井筒情况并不相符。实际上，一方面钻井面临的岩石绝大多数是在地层水环境中沉积数百万年形成的水成岩(即沉积岩)，本身就是长期含水状态，而非干燥状态；另一方面钻井过程中会保持钻井液活度与地层水活度匹配或更低，岩石强度受含水率的影响非常小。因此现有方法以干燥岩心强度为基准点，考虑岩石水化的坍塌周期计算方法并不能反映实际地层情况。
本发明方法考虑的是岩石强度的长周期衰减效应，反映真实地质环境，岩石始终处于饱和地层水的状态，避免出现实际地层中并不存在的“干燥岩心”状态，消除了干燥岩心的强水化因素干扰。本发明方法反应了岩石强度长周期衰减效应对坍塌压力的影响，并以此计算大位移井裸眼段的安全周期。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。

Claims (9)

1.一种大位移井安全周期的测定方法，包括如下步骤：
S1、取目标地层的探井钻井岩心，加工2m颗标准岩样，饱和模拟地层水后，测定所述标准岩样的物性参数；m为大于等于5的自然数；
S2、取两颗所述标准岩样，分别进行单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，得到所述标准岩样的单轴抗压强度和三轴抗压强度；
S3、对剩余的所述标准岩样分别进行恒定荷载下的长期单轴抗压强度测试和三轴抗压强度测试，记录每个所述标准岩样发生破坏的周期，得到单轴抗压强度随时间的对数函数与三轴抗压强度随时间的对数函数；
S4、设定规则化周期，根据所述轴抗压强度随时间的对数函数与所述三轴抗压强度随时间的对数函数，得到相应的周期下的单轴抗压强度和三轴抗压强度；
S5、根据步骤S4得到的所述单轴抗压强度和所述三轴抗压强度，得到规则化周期下的内摩擦角和粘聚力，据此得到所述内摩擦角随时间的对数函数和所述粘聚力随时间的对数函数；
S6、根据井壁坍塌压力计算模型，得到沿水平最大地应力方向和水平最小地应力方向大位移井的坍塌压力随时间的变化规律。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：步骤S2中，所述三轴抗压强度测试采用的围压为5～15MPa。
3.根据权利要求1或2所述的测定方法，其特征在于：步骤S3中，所述恒定荷载为所述单轴抗压强度或所述三轴抗压强度的95％～75％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤S3中，所述单轴抗压强度随时间的对数函数如式(1)所示；
所述三轴抗压强度随时间的对数函数如式(2)所示；
UCS(t)＝a1-b1·ln(t) (1)
TCS(t)＝a2-b2·ln(t) (2)
式中，t为承受载荷的时间，d；UCS(t)为不同时间下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同时间下的三轴抗压强度，MPa；a1、b1、a2、b2均为经验系数。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤S4中，所述规则化周期为0～60d。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤S5中，根据式(3)和式(4)分别得到所述内摩擦角和所述粘聚力；
Figure FDA0003118919250000021
Figure FDA0003118919250000022
式中，
Figure FDA0003118919250000023
为不同周期下的内摩擦角，°；C(t)为不同周期下的粘聚力，MPa；UCS(t)为不同周期下的单轴抗压强度，MPa；TCS(t)为不同周期下的三轴抗压强度，MPa。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤S5中，所述内摩擦角随时间的对数函数和所述粘聚力随时间的对数函数分别如式(5)和式(6)所示；
φ(t)＝a3-b3·ln(t) (5)
C(t)＝a4-b4·ln(t) (6)
式中，t为承受载荷的时间，d；
Figure FDA0003118919250000024
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa；a3、b3、a4、b4均为经验系数。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤S6中，所述井壁坍塌压力计算模型如式(7)和式(8)所示；
Figure FDA0003118919250000025
Figure FDA0003118919250000026
式中，Pt|H为沿水平最大地应力方向大位移井的坍塌压力，MPa，Pt|h为沿水平最小地应力方向大位移井的坍塌压力，MPa，
Figure FDA0003118919250000027
Figure FDA0003118919250000028
为不同时间下的内摩擦角，°；C(t)为不同时间下的粘聚力，MPa；ζ＝0.95；α＝0.85；Pp、σV、σH、σh分别为孔隙压力、上覆岩压、水平最大、水平最小地应力，MPa，通过现场地漏实验测量；H为井深，m。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的测定方法，其特征在于：所述大位移井指的是井斜角超过70°且裸眼段长度超过2000m的长裸眼段大位移井。
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邓鹏海: "深部软弱地层TBM掘进挤压变形卡机及防控过程FDEM数值模拟研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)》 *

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