CN113420264B - 一种垂直井井壁破裂压力计算方法、装置和计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直井井壁破裂压力计算方法，该方法包括：获取井壁破裂处主应力；基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式；将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力。本发明基于双剪统一强度理论，建立了不考虑渗透作用的垂直井井壁破裂压力统一解表达式。建立的井壁破裂压力公式可以通过改变中间主应力系数调整中间主应力的贡献，以适应不同地质条件下垂直井井壁的破裂压力计算，并能有效解决现有垂直井井壁破裂压力理论计算值与实际误差较大的问题。

Description

一种垂直井井壁破裂压力计算方法、装置和计算机设备

技术领域

本发明涉及垂直井井壁稳定性分析领域，特别涉及一种考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算方法、装置和计算机设备。

背景技术

石油天然气钻井过程中的井壁坍塌和破裂是常见的井壁稳定问题，每年因此造成的损失达数亿美元，占到了钻井成本的5％～10％。为了防止钻井过程中井壁岩石的破坏，需要一定密度的钻井液充满井眼。从力学的角度来说，造成井壁破裂的主要原因是由于井内钻井液柱压力过高，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生拉伸破坏所造成的，计算确定井壁的破裂压力对确定钻井过程中钻井液密度上限和保持井壁稳定有着重要的意义。

现有井壁围岩破裂压力的计算多基于Mohr-Coulomb强度准则进行，然而Mohr-Coulomb强度准则忽略了中间主应力对岩石强度的影响，与实际存在较大差异，且与岩石材料的真三轴试验结果不符，对破裂压力计算结果需要进行修正，造成井壁围岩破裂压力当量钻井液密度窗口上限较低。因此，井壁破裂压力计算中应合理考虑中间主应力对岩石强度的贡献，确定更加符合实际的井壁破裂压力。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算方法、装置和计算机设备。

本发明实施例提供一种垂直井井壁破裂压力计算方法，包括：

获取井壁破裂处主应力；

基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式；

将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力。

在其中一个实施例中，所述获取井壁破裂处主应力，具体包括：

获取垂直井井壁围岩应力分布；

基于垂直井井壁围岩应力分布，获取垂直井井壁围岩有效应力分布；

根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力。

在其中一个实施例中，所述获取垂直井井壁围岩应力分布，具体包括：

根据弹性力学理论，通过钻井液柱压力P_i、上覆岩层压力σ_v、最大水平地应力σ_H及最小水平地应力σ_h，确定垂直井井壁围岩应力分布表达式。

在其中一个实施例中，所述垂直井井壁围岩应力分布表达式为：

其中，r₀为垂直井半径；μ为岩石泊松比；r为径向坐标；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角。

在其中一个实施例中，所述垂直井井壁围岩有效应力分布的表达式为：

其中，ξ为有效应力系数，P_p为孔隙压力；P_i为钻井液柱压力、σ_v为上覆岩层压力、σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角。

在其中一个实施例中，所述根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力，具体包括：

当θ＝0°或θ＝180°时，cos2θ＝1，σ′_θ取得最小值，即此处发生井壁破裂；井壁破裂处径向、切向及竖向有效应力表达式为：

其中，σ′_rc为井壁破裂处径向有效应力；σ′_θc为井壁破裂处切向有效应力；σ′_zc为井壁破裂处竖向有效应力；对于岩石受的切向应力达到岩石的抗拉强度而造成破坏的情况，建立σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式为：σ₁＝σ′_zc,σ₂＝σ′_rc,σ₃＝σ′_θc。

在其中一个实施例中，所述建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式，具体包括：

将主应力表达式代入双剪统一强度理论中的判别式进行比较，得出三个主应力满足以下条件：

则将σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式代入以压应力为正的主应力形式双剪统一强度理论公式：

整理得考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式：

其中，C₀为剪切强度参数，

为岩石内摩擦角，b为反映中主切应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的系数。

一种垂直井井壁破裂压力计算装置，包括：

主应力获取模块，用于获取井壁破裂处主应力；

破裂压力公式确定模块，用于基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式；

破裂压力确定模块，用于将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的方法的步骤。

本发明实施例提供的上述考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算方法、装置和计算机设备，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明涉及垂直井井壁破裂压力计算方法，该计算方法描述了中间主应力对油田垂直井钻井过程中井壁稳定性判定的影响程度及影响机理，并通过不同中间主应力贡献度的计算确定所需当量钻井液密度。该计算方法基于双剪统一强度理论，建立了不考虑渗透作用的垂直井井壁破裂压力统一解表达式。建立的井壁破裂压力公式可以通过改变中间主应力系数调整中间主应力的贡献，以适应不同地质条件下垂直井井壁的破裂压力计算，并能有效解决现有垂直井井壁破裂压力理论计算值与实际误差较大的问题。本发明的计算方法提出可以反映井壁围岩中间主应力积极作用的井壁破裂压力计算方法，利用该方法分析工程算例，较高的计算精度及可调整的普适性，证明了新计算方法的正确性与合理性。

附图说明

图1为一个实施例中提供的井壁围岩三维力学模型；

图2为一个实施例中提供的井壁围岩平面力学模型；

图3为一个实施例中提供的井壁围岩力学模型分解图；

图4为一个实施例中提供的不同深度破裂压力(当量钻井液密度)变化曲线图(不同b值)；

图5为一个实施例中提供的不同强度准则下破裂压力(当量钻井液密度)随井深变化曲线。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

一个实施例中，提供的一种垂直井井壁破裂压力计算方法，该方法具体地包括：

S1、依据弹性力学理论，确定在钻井液柱压力和地应力的联合作用下，垂直井井壁围岩应力分布表达式。

S2、进一步考虑围岩孔隙压力的作用，建立垂直井井壁围岩的有效应力分布表达式。

S3、依据所建立的垂直井井壁围岩的有效应力分布表达式，确定井壁破裂处主应力。

S4、基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，推导建立垂直井井壁破裂压力统一解计算表达式。

S5、将具体地质参数带入统一解表达式，通过调整中间主应力系数，保证井壁破裂压力与实际当量钻井液密度误差在可接受范围内。

以下为对上述步骤进行详细说明：

S1、依据弹性力学理论，确定在钻井液柱压力和地应力的联合作用下，垂直井井壁围岩应力分布表达式。

S1.1、选择如图1所示井壁围岩三维力学模型，考虑上覆岩层压力σ_v，钻井液液柱压力P_i，两个大小不等的水平地应力σ_H及σ_h以及孔隙压力P_p的共同作用。设垂直井半径为r₀，以垂直井的中心作为原点，径向坐标为r，井壁上某点的矢径与σ_H的夹角为环向坐标θ，建立极坐标系。

S1.2、依据弹性力学理论，当不考虑地层的渗透作用(即P_p与P_i相互不影响)及应力非线性修正时，建立简化后井壁平面力学模型，如图2。依据线性叠加原理，图2可以进一步分解为图3。据此建立在钻井液柱压力和地应力的联合作用下，垂直井井壁围岩应力分布表达式：

S2、进一步考虑围岩孔隙压力的作用，建立垂直井井壁围岩的有效应力分布表达式。

考虑围岩孔隙压力P_p的作用及极坐标下井壁r＝r₀，并将其代入式(1)，则建立垂直井井壁围岩的有效应力分布表达式：

S3、依据所建立的垂直井井壁围岩的有效应力分布表达式，确定井壁破裂处主应力。

S3.1、通过分析式(2)可以发现，井壁岩石径向有效应力σ′_r不随θ变化，而井壁岩石切向有效应力σ′_θ随θ变化。结合所建立的极坐标系可知，结合所建立的极坐标系可知，当θ＝0°或θ＝180°时，cos2θ＝1，σ′_θ取得最小值，即此处发生井壁破裂。考虑井筒内钻井液液柱压力，建立井壁破裂处(即θ＝0°或θ＝180°)径向、切向及竖向有效应力表达式为：

S3.2、对应于岩石剪切破坏的情况，考虑式(3)并比较径向、切向及竖向有效应力，得井壁破裂处主应力表达式为：

σ₁＝σ′_zc,σ₂＝σ′_rc,σ₃＝σ′_θc (4)

S4、基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，推导建立垂直井井壁破裂压力统一解计算表达式。

S4.1、引入岩石力学中剪切强度参数C₀和岩石内摩擦角

推导得出岩石力学中以压应力为正的主应力形式双剪统一强度理论公式为：

S4.2、将式(4)代入双剪统一强度理论中的判别式进行比较，可以得出

所以将式(4)代入(5b)式并整理得垂直井井壁破裂压力统一解计算表达式：

S5、将具体地质参数带入统一解表达式，通过调整中间主应力系数，保证井壁破裂压力与实际当量钻井液密度误差在可接受范围内。

为了考察中间主应力对破裂压力的影响，将油田岩石具体物理力学参数代入式(6)，讨论不同中间主应力参与程度条件下，不同井段深度处破裂压力变化情况如图4所示。并将不同b值条件下该井段深度处破裂压力的当量钻井液密度变化范围计算结果与实际值进行比较，从而判定不同的误差范围，确定合理的中间主应力取值。同时进一步将计算结果与Mohr-Coulomb强度准则进行比较如图5所示，从而体现本发明所得计算方法的准确性。

实施例：

对本发明的计算方法的正确性与准确性进行验证。

本实施例采用的工程实例及不同准则下的的井壁破裂压力计算算例均包含油田岩石物理力学参数，故能够验证本发明计算方法的正确性与准确性。

(2)依据S5，将上述油田岩石物理力学参数代入式(6)，令b分别等于0、0.25、0.5、0.75、1所得出的不同井深条件下破裂压力(当量钻井液密度)变计算值与实际值对比如表1所示。

表1不同b值条件下同一井段井壁破裂压力(当量钻井液密度)计算值与实际值对比

(3)从表1中的数据比较可以看出，随着中间主应力贡献的不断加大，该井段范围内破裂压力当量钻井液密度计算值与依据测井资料确定的实际值误差逐步减小。从计算结果来看，b＝1时计算值与实际值误差在7％以内，即针对算例井段的实际地质情况，式(6)应采用中间主应力系数b＝1计算井壁破裂压力较为合理。

总之，本发明的优势：

(1)本发明的计算方法描述了不同岩石中间主应力参与程度条件对垂直井井壁破裂压力的影响程度和影响机理，物理意义明确。该方法得到的当量钻井液密度计算值范围与实际当量钻井液密度值范围吻合度高，证明了考虑中间主应力可以充分发挥围岩的强度储备，能够有效解决现有垂直井井壁破裂压力计算方法中存在的问题与不足。

(2)在同一深度处井壁破裂压力随着井壁围岩中间主应力贡献的增加而相应升高。现有井壁围岩破裂压力的计算多基于Mohr-Coulomb强度准则，对中间主应力于岩石强度贡献的考虑不足。本发明的计算方法提出可以依据岩石力学参数合理调整中间主应力参与度，依据该方法分析已有井壁破裂压力计算算例，较高的计算精度表明了新计算方法的合理性和准确性。

(3)依据本发明计算方法推导得到的垂直井井壁破裂压力计算表达式有较好的涵盖性，通过改变参数b值的大小可以调整中间主应力贡献以适应不同地质资料钻井井壁的破裂压力计算。

(4)本发明垂直井井壁破裂压力计算方法，基于双剪统一强度理论，引入反映中主切应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的系数b，结合弹性力学基本原理及垂直井井壁围岩极限平衡状态分析，将井壁围岩受力进行线性叠加分解，意义明确，推导严谨，计算精度高，普适性好。

一个实施例中，提供的一种垂直井井壁破裂压力计算装置，该装置包括：

主应力获取模块，用于获取井壁破裂处主应力。

破裂压力公式确定模块，用于基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式。

破裂压力确定模块，用于将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力。

关于垂直井井壁破裂压力计算装置的具体限定可以参见上文中对于垂直井井壁破裂压力计算方法的限定，在此不再赘述。上述垂直井井壁破裂压力计算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

一个实施例中，提供的一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取井壁破裂处主应力。

基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式。

将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。还有，以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种垂直井井壁破裂压力计算方法，其特征在于，包括：

获取井壁破裂处主应力；

基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式；

将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力；

所述获取井壁破裂处主应力，具体包括：

获取垂直井井壁围岩应力分布；

基于垂直井井壁围岩应力分布，获取垂直井井壁围岩有效应力分布；

根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力；

所述获取垂直井井壁围岩应力分布，具体包括：

根据弹性力学理论，通过钻井液柱压力P_i、上覆岩层压力σ_v、最大水平地应力σ_H及最小水平地应力σ_h，确定垂直井井壁围岩应力分布表达式；

所述垂直井井壁围岩应力分布表达式为：

其中，r₀为垂直井半径；μ为岩石泊松比；r为径向坐标；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角；

所述垂直井井壁围岩有效应力分布的表达式为：

其中，ξ为有效应力系数，P_p为孔隙压力；P_i为钻井液柱压力、σ_v为上覆岩层压力、σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角；

所述根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力，具体包括：

当θ＝0°或θ＝180°时，cos2θ＝1，σ′_θ取得最小值，即此处发生井壁破裂；井壁破裂处径向、切向及竖向有效应力表达式为：

其中，σ′_rc为井壁破裂处径向有效应力；σ′_θc为井壁破裂处切向有效应力；σ′_zc为井壁破裂处竖向有效应力；对于岩石受的切向应力达到岩石的抗拉强度而造成破坏的情况，建立σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式为：σ₁＝σ′_zc,σ₂＝σ′_rc,σ₃＝σ′_θc；

所述建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式，具体包括：

将主应力表达式代入双剪统一强度理论中的判别式进行比较，得出三个主应力满足以下条件：

则将σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式代入以压应力为正的主应力F′形式双剪统一强度理论公式：

整理得考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式：

其中，C₀为剪切强度参数，

为岩石内摩擦角，b为反映中间主切应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的系数。

2.一种垂直井井壁破裂压力计算装置，其特征在于，包括：

主应力获取模块，用于获取井壁破裂处主应力；

破裂压力公式确定模块，用于基于双剪统一强度理论，引入中间主应力系数，结合井壁破裂处主应力，建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式；

破裂压力确定模块，用于将地质参数输入考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式中，通过调整中间主应力系数，确定垂直井井壁破裂压力；

所述主应力获取模块，具体包括：

获取垂直井井壁围岩应力分布；

基于垂直井井壁围岩应力分布，获取垂直井井壁围岩有效应力分布；

根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力；

所述获取垂直井井壁围岩应力分布，具体包括：

根据弹性力学理论，通过钻井液柱压力P_i、上覆岩层压力σ_v、最大水平地应力σ_H及最小水平地应力σ_h，确定垂直井井壁围岩应力分布表达式；

所述垂直井井壁围岩应力分布表达式为：

其中，r₀为垂直井半径；μ为岩石泊松比；r为径向坐标；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角；

所述垂直井井壁围岩有效应力分布的表达式为：

其中，ξ为有效应力系数，P_p为孔隙压力；P_i为钻井液柱压力、σ_v为上覆岩层压力、σ_H为最大水平地应力；σ_h为最小水平地应力；θ为井壁上某点的矢径与最大水平地应力σ_H的夹角；

所述根据垂直井井壁围岩有效应力分布，确定井壁破裂处主应力，具体包括：

当θ＝0°或θ＝180°时，cos2θ＝1，σ′_θ取得最小值，即此处发生井壁破裂；井壁破裂处径向、切向及竖向有效应力表达式为：

其中，σ′_rc为井壁破裂处径向有效应力；σ′_θc为井壁破裂处切向有效应力；σ′_zc为井壁破裂处竖向有效应力；对于岩石受的切向应力达到岩石的抗拉强度而造成破坏的情况，建立σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式为：σ₁＝σ′_zc,σ₂＝σ′_rc,σ₃＝σ′_θc；

所述建立考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式，具体包括：

将主应力表达式代入双剪统一强度理论中的判别式进行比较，得出三个主应力满足以下条件：

则将σ₁、σ₂、σ₃主应力表达式代入以压应力为正的主应力F′形式双剪统一强度理论公式：

整理得考虑中间主应力贡献度的垂直井井壁破裂压力计算公式：

其中，C₀为剪切强度参数，

为岩石内摩擦角，b为反映中间主切应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的系数。

3.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1中所述的方法的步骤。

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