CN113449353A - 考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法，在井壁所受剪切应力的基础上叠加井壁所受的附加地层流体渗流压力构成有效剪切应力，将有效剪切应力与岩石剪切强度比较，判断井壁失稳的可能性。本发明不仅从水平井压力和钻井液两角度出发，更考虑了地层流体渗流作用，使得水平井井壁力学模型更加符合实际情况，利于水平井井壁失稳的有效预测，为水平井井壁失稳的判断提供有力的数据支持。

Description

考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法。

背景技术

水平井石油钻井技术适合于无法用直井方法开发的特殊油气藏，因其能更多地穿过油气储层，提高油气井单井产量，从而具有非常好的经济效益与使用前景。随着石油行业的发展，复杂地质储层及其岩石力学性质逐渐引起人们的极大关注。相应地，复杂地质水平井施工作业过程中的井壁稳定性也就成为了研究的热门课题。

保持井壁稳定对油气井生产具有重要意义。这是因为水平井钻井形成井眼后，加之钻井液与井壁岩层的接触，打破了复杂地质储层原有的力学平衡，造成井壁周围应力改变，易出现井壁坍塌、井眼缩径和泥浆漏失等井下复杂情况。油、气、水等地层流体到井壁的渗流过程亦对井壁施加了附加压力，造成井壁失稳问题持续存在。

然而，现有水平井井壁稳定性分析往往只从井身压力控制和钻井液调配角度出发，忽略了地层流体渗流作用的影响。这会使得现有的水平井井壁力学模型及其分析方法与实际情况偏差太大，不利于水平井井壁失稳的有效预测，导致潜在的作业风险。因此，结合复杂地质储层及其水平井施工作业的特点，在考虑地层流体渗流作用的基础上，有必要建立一种新的水平井井壁稳定分析模型及方法。这有利于石油安全生产，也为今后水平井石油钻井技术的进一步发展提供理论依据和实践指导。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法，不仅从水平井压力和钻井液两角度出发，更考虑了地层流体渗流作用，使得水平井井壁力学模型更加符合实际情况，为水平井井壁失稳的判断提供有力的数据支持。

本发明提供的技术方案是，一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法，其在井壁所受剪切应力的基础上叠加井壁所受的附加地层流体渗流压力构成有效剪切应力，将有效剪切应力与岩石剪切强度比较，判断井壁失稳的可能性。

具体的，包括以下步骤：

S1、取距离目标井段不同距离的多组岩心，进行渗流模拟实验，计算岩心所在地层点的等效渗透率；

S2、根据所取岩心与目标井段的距离以及等效渗透率变化，将所取岩心的地层点分为线性流区域和椭圆流区域，并建立等效渗流几何模型，对椭圆流区域的长轴和短轴长度进行赋值，计算水平井井壁所受的附加地层流体渗流压力ΔP；

S3、建立水平井井壁单元的柱面坐标受力方程，计算柱面坐标受力方程中的六种应力分量：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr；

S4、根据步骤S2和步骤S3的结果，建立地层流体渗流作用下的水平井井壁压力模型，

式中，σ₁、σ₃、τ分别为井壁处最大主应力、最小主应力、岩石破碎面上最大剪切力，Mpa；

τ^e分别为地层流体渗流作用下的井壁处有效最大主应力、有效最小主应力、有效剪切应力，Mpa；α_e为有效应力系数，无量纲；υ为泊松比，无量纲；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；y_b、y_t分别表示等效地层渗流几何模型中地层流体线性流区域长度与椭圆流区域长度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；

S5、将步骤4得到的值通过式1进行验算，若式1不成立，则返回步骤S2，对椭圆流区域的长轴和短轴长度重新赋值并计算ΔP，后重复步骤4；若式1成立，遵照岩石力学Mohre-Coulomb准则，判定水平井井壁失稳可能性：

式中，

为岩石内摩擦角，°，τ₀为岩石剪切强度，MPa。

本发明的技术效果是：

本发明不仅从水平井压力和钻井液两角度出发，更考虑了地层流体渗流作用，使得水平井井壁力学模型更加符合实际情况，利于水平井井壁失稳的有效预测，为水平井井壁失稳的判断提供有力的数据支持。

附图说明

图1为实施例1的流程图；

图2为水平井段所处地层取出岩心组的等效渗透率曲线图；

图3为围绕水平井井筒的地层渗流几何模型；

图4为直角坐标系水平井井壁单元体受力分析示意图；

图5为水平井井壁应力产生的剪切破坏示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1

本实施例的技术方案是：在井壁所受剪切应力的基础上叠加井壁所受的附加地层流体渗流压力构成有效剪切应力，将有效剪切应力与岩石剪切强度比较，判断井壁失稳的可能性。

如图1所示，具体包括以下操作步骤：

S1、取距离目标井段不同距离的多组岩心，进行渗流模拟实验，计算岩心所在地层点的等效渗透率。

在该步骤中，其目的是获得与目标井段不同距离的地层的等效渗透率。在对距离目标井段不同距离的岩层进行取样后，开展渗流模拟实验，并根据实验中获得的数据、采用以下公式获得该岩心所在地层的等效渗透率：

式中：K表示岩石绝对渗透率，mD；λ表示岩性系数，无量纲；r_σ表示岩石孔隙平均毛管半径，μm；σ表示油-汞实验测定的表面张力，mN/m；θ_σ表示汞在油固界面的润湿角，°；φ、S分别表示岩石孔隙度和孔隙中含水饱和度，％；ε表示岩石孔隙迂曲度，无量纲；Q表示渗流模拟实验时通过岩心柱的流量，m³/s；μ表示地层流体粘度，cP；L表示岩心柱长度，m；A表示岩心柱截面积，m²；p₁、p₂分别表示岩心柱进液端压力和出液端压力，Mpa；S_Hg表示压汞实验中岩心含汞饱和度，％；p_c表示岩石孔隙毛管力，Mpa。

由于所取岩心的测量渗透率并不能够代表该岩心所在地层的渗透率，因此，我们采用了等效渗透率的方式对其进行等效替代。同时，在对岩心进行取样时，在靠近目标井段的地层中取样密度较大，远离目标井段的地层中取样密度较小，图2给出了本实施例的一种取样方式以及取样后经过实验、计算得到的等效渗透率。本领域技术人员可参照图2中的取样方式进行取样，同时也可采用其余的方式。

S2、根据步骤S1中测得的等效渗透率，分析距离目标井段不同距离的地层的等效渗透率变化，将所取岩心的地层点分为线性流区域和椭圆流区域，并建立等效渗流几何模型，随后的椭圆流区域的长轴和短轴的长度进行赋值，计算得出水平井井壁所受的附加地层流体渗流压力ΔP；

将所取岩心的地层点分为线性流区与和椭圆流区域的方法为：若岩心所在地层点的等效渗透率K增减幅度不超过1％时，则这些岩心所在的地层点划分为为线性流区域；若岩心所在地层点的等效渗透率K朝目标井段为递增变化时，则这些岩心所在的地层点为椭圆流区域，具体如图2-图3所示。

其中，从图1中我们可以看出，椭圆流区域和线性流区域的等效渗透率之间具有一个较为明显的拐点，该拐点我们称之为渗透率突变处。

本步骤中，所建立的等效渗流几何模型如下所示：

附加地层流体渗流压力ΔP通过下式计算得出：

式中，y_b、y_t分别表示等效地层渗流几何模型中地层流体线性流区域长度与椭圆流区域长度，m；h表示目标地层总厚度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；ΔP表示附加地层流体渗流压力，Mpa；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；P_o表示原始地层压力，Mpa；M_t表示地层剖面渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域长轴的长度之比，M_w表示地层剖面渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域短轴的长度之比，无量纲。

从等效渗流几何模型以及附加地层流体压力的计算式中可以看出，用于计算附加地层流体渗流压力ΔP的过程中存在M_t、M_w两个变量，对于这两个量中又包括渗透率突变处和目标井段的距离、椭圆流区域长短轴的长度，渗透率突变处可通过步骤S1中的等效渗透率得出其具体位置，但是，椭圆流区域的长轴和短轴的长度是目前无法准确确定的，因此，在本实施例中，采用赋值的方法对其进行计算，并在后续的步骤中采用验算公式对计算结果进行验算，用以判断在本步骤中的赋值是否正确。

S3、在得出附加地层流体渗流压力ΔP后，还需要计算出目标井段所受到的常规应力。

首先，参见图4建立基于地层三维直角坐标系的水平井井壁单元体受力方程：

式中，σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别是水平井单元体六种应力分量，Mpa；σ_H、σ_h、σ_v分别是地层中原地应力场最大水平应力、最小水平应力、剪切应力，Mpa；i、α分别为井斜角与相对方位角，°。

随后对上述方程采用柱面坐标进行变换，变换后的水平井井壁单元体的受力方程为：

式中，式中：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr分别是柱面坐标变换后的六种新应力分量，Mpa；θ为从井筒轴线出发的任一径向矢量方向与其横截面夹角，°；r为水平井井筒轴线至地层某点的径向距离，m。

S4、通过步骤S2和步骤S3，我们得到了目标井段的附加地层流体渗流压力ΔP和目标井段的应力模型，如图5所示，接下来需要根据步骤S2和步骤S3建立地层流体渗流作用下的水平井井壁压力模型：

式中：σ₁、σ₃、τ分别为井壁处最大主应力、最小主应力、岩石破碎面上最大剪切力，Mpa；

τ^e分别为井壁处地层流体渗流作用下的有效最大主应力、有效最小主应力、有效剪切应力，Mpa；α_e为有效应力系数，无量纲；υ为泊松比，无量纲；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；y_b、y_t分别表示等效地层渗流几何模型中地层流体线性流区域长度与椭圆流区域长度，m；r_w表示水平井井眼半径，m。

S5、在将步骤S4得到的结果带入地层流体渗流作用下的水平井井壁压力模型中计算后得到井壁所受到的有效剪切应力，但是，该结果是基于我们在步骤S2中对椭圆流区域的长轴、短轴的长度进行赋值得到的，为了对赋值的准确性进行验算，遵照岩石力学Mohre-Coulomb准则，我们给出了以下公式：

式中，

为岩石内摩擦角，°；τ₀为岩石剪切强度，MPa。

将步骤S4的结果带入上式进行验算后，若等式不成立，则返回步骤2，对椭圆流区域的长短轴重新进行赋值，多次迭代直至上述验算等式成立；若等式成立，则步骤S4计算得到的τ^e为准确值，将其与岩石剪切强度进行对比，判断井壁失稳的可能性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法，其特征在于，在井壁所受剪切应力的基础上叠加井壁所受的附加地层流体渗流压力构成有效剪切应力，将有效剪切应力与岩石剪切强度比较，判断井壁失稳的可能性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、取距离目标井段不同距离的多组岩心，进行渗流模拟实验，计算岩心所在地层点的等效渗透率；

S2、根据所取岩心与目标井段的距离以及等效渗透率变化，将所取岩心的地层点分为线性流区域和椭圆流区域，并建立等效渗流几何模型，对椭圆流区域的长轴和短轴长度进行赋值，计算水平井井壁所受的附加地层流体渗流压力ΔP；

S3、建立水平井井壁单元的柱面坐标受力方程，计算柱面坐标受力方程中的六种应力分量：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr；

S4、根据步骤S2和步骤S3的结果，建立地层流体渗流作用下的水平井井壁压力模型，

式中，σ₁、σ₃、τ分别为井壁处最大主应力、最小主应力、岩石破碎面上最大剪切力，Mpa；

τ^e分别为地层流体渗流作用下的井壁处有效最大主应力、有效最小主应力、有效剪切应力，Mpa；α_e为有效应力系数，无量纲；υ为泊松比，无量纲；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；y_b、y_t分别表示等效地层渗流几何模型中地层流体线性流区域长度与椭圆流区域长度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；

S5、将步骤4得到的值通过式1进行验算，若式1不成立，则返回步骤S2，对椭圆流区域的长轴和短轴长度重新赋值并计算ΔP，后重复步骤4；若式1成立，遵照岩石力学Mohre-Coulomb准则，判定水平井井壁失稳可能性：

式中，

为岩石内摩擦角，°，τ₀为岩石剪切强度，MPa。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作为：在距离目标水平井段的不同距离取多组岩心，进行渗流模拟实验获取相应实验数据，并根据获取的实验数据以及文献数据、按照式2计算岩心所在地层点的等效渗透率，

式中，K为岩心所在地层点的等效渗透率，mD；λ表示岩性系数，无量纲；r_σ表示岩石孔隙平均毛管半径，μm；σ表示油-汞实验测定的表面张力，mN/m；θ_σ表示汞在油固界面的润湿角，°；

S分别表示岩石孔隙度和孔隙中含水饱和度，％；ε表示岩石孔隙迂曲度，无量纲；Q表示渗流模拟实验时通过岩心柱的流量，m³/s；μ表示地层流体粘度，cP；L表示岩心柱长度，m；A表示岩心柱截面积，m²；p₁、p₂分别表示岩心柱进液端压力和出液端压力，Mpa；S_Hg表示压汞实验中岩心含汞饱和度，％；p_c表示岩石孔隙毛管力，Mpa。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述等效渗流几何模型如式3所示，附加地层流体渗流压力ΔP的计算方法如式4所示

式中，h表示目标地层总厚度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；β表示地层压力梯度，MPa/100m；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；P_o表示原始地层压力，Mpa；M_t表示等效渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域长轴的长度之比，M_w表示等效渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域短轴的长度之比，无量纲。

5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，所述线性流区域和所述椭圆流区域的确定方式如下：距目标井段一定距离的岩心所在地层点的等效渗透率K增减幅度不超过1％时，则这些岩心所在的地层点为线性流区域；若岩心所在地层点的等效渗透率K朝目标井段为递增时，则这些岩心所在的地层点为椭圆流区域。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：

首先建立如式5所示的基于地层三维直角坐标系的水平井井壁单元体受力方程：

式中：σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别是水平井单元体六种应力分量，Mpa；σ_H、σ_h、σ_v分别是地层中原地应力场最大水平应力、最小水平应力、剪切应力，Mpa；i、α分别为井斜角与相对方位角，°。

后将其变换为如式6所示的基于柱面坐标的水平井井壁单元体受力方程：

式中：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr分别是柱面坐标变换后的六种应力分量，Mpa；θ为从井筒轴线出发的任一径向矢量方向与其横截面夹角，°；r为水平井井筒轴线至地层某点的径向距离，m。

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