CN113868881A - 一种冻土层钻井方案确定方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本说明书实施例提供一种冻土层钻井方案确定方法、装置及设备。所述方法包括：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。上述方法实现了钻井相应参数的定量计算，保证了模拟过程的准确性，从而对冻土层中实际钻井过程的实施进行了有效的指导，保证了勘探开发的有效进行。

Description

一种冻土层钻井方案确定方法、装置及设备
技术领域
本说明书实施例涉及地层勘探开发技术领域，特别涉及一种冻土层钻井方案确定方法、装置及设备。
背景技术
随着社会的进步和发展，目前对于化石能源的消耗量逐年增加。为了满足日益增长的需求，针对不同地质中油气资源进行开发具有愈发重要的意义。而在北极、亚北极等低温区域中广泛发育着大面积冻土，其中蕴藏着丰富的油气资源。如何对冻土层中的油气资源进行开发是当前地质勘探开发领域一个重要的课题。
在冻土层进行油气开发困难重重，作业难度大、风险高、采用的工艺、技术和装备也和一般地层钻井不同。其中井口稳定性是一项关键技术难题。在冻土层钻井及后续开发过程中由于井筒和地层间的热交换，导致浅部的冻土层融化，地层的承载力和稳定性大幅下降，井口及表层导管失稳，将严重威胁作业安全。
目前在实际钻井之前，往往通过制备岩样和钻井模型，通过向钻井模型中输入一定温度的模拟钻井液，来判断是否会因为温度升高导致井身下沉或失稳等情况发生。但是，这种模拟的方式只能大致模拟钻井方案的可行性，无法定量分析确定钻井方案在应用时是否会出现井身下沉或失稳等情况，并不能排除生产事故发生的可能性。因此，为了保证在冻土层的钻井方案的有效实施，目前亟需一种能够定量分析冻土层钻井方案的可行性的方法。
发明内容
本说明书实施例的目的是提供一种冻土层钻井方案确定方法、装置及设备，以解决如何准确判断冻土层钻井方案可行性的问题。
为了解决上述技术问题，本说明书实施例提出一种冻土层钻井方案确定方法，包括：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
本说明书实施例还提出一种冻土层钻井方案确定装置，包括：土体参数获取模块，用于获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；温度变化关系模拟模块，用于根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化关系；承载力计算模块，用于基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；应用钻井方案确定模块，用于在所述承载力不小于油气井自重的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
本说明书实施例还提出一种冻土层钻井方案确定设备，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序指令；所述处理器，用于执行所述计算机程序指令以实现以下步骤：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例在获取到土体参数后，结合土体参数中所包含的土体初始温度和土体初始含水率，对温度变化关系进行模拟后，利用模拟得到的温度变化关系和井身结构特征，完成了对于油气井的承载力的计算，进而判断承载力是否满足油气井稳定条件来确定是否可以将所述冻土层钻井方案进行有效利用，从而完成从候选钻井方案对于目标钻井方案的筛选。基于上述方法，实现了钻井过程中相应参数的定量计算，保证了模拟过程的准确性，从而对冻土层中实际钻井过程的实施进行了有效的指导，保证了勘探开发的有效进行。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例一种冻土层钻井方案确定方法的流程图；
图2A为本说明书实施例一种几何模型的示意图；
图2B为本说明书实施例一种几何模型的示意图；
图3为本说明书实施例一种模拟边界条件的示意图；
图4A为本说明书实施例一种钻井过程中表层导管周围温度场分布的示意图；
图4B为本说明书实施例一种钻井过程中表层导管周围温度场分布的示意图；
图5A为本说明书实施例一种钻井过程中冻土层温度场径向分布的示意图；
图5B为本说明书实施例一种钻井过程中冻土层温度场径向分布的示意图；
图6为本说明书实施例一种不同初始含水率井壁温度变化示意图；
图7A为本说明书实施例一种生产过程中表层导管周围温度场分布的示意图；
图7B为本说明书实施例一种生产过程中表层导管周围温度场分布的示意图；
图8A为本说明书实施例一种生产过程中冻土层温度场径向分布的示意图；
图8B为本说明书实施例一种生产过程中冻土层温度场径向分布的示意图；
图9为本说明书实施例一种钻井及生产过程中井口周围土体温度变化对比示意图；
图10为本说明书实施例一种直井受力结构的示意图；
图11为本说明书实施例一种水平井受力结构的示意图；
图12A为本说明书实施例一种冻土井口轴向荷载传递计算模型的示意图；
图12B为本说明书实施例一种冻土井口轴向荷载传递计算模型的示意图；
图13为本说明书实施例一种冻土层冻结强度轴向分布的示意图；
图14A为本说明书实施例一种钻井过程中含水率10％时表层导管周围土体纵向位移分布的示意图；
图14B为本说明书实施例一种钻井过程中含水率30％时表层导管周围土体纵向位移分布的示意图；
图15为本说明书实施例一种钻井过程中冻结强度及井口下沉变化曲线的示意图；
图16A为本说明书实施例一种生产工况下表层导管周围土体位移分布的示意图；
图16B为本说明书实施例一种生产工况下表层导管周围土体位移分布的示意图；
图17为本说明书实施例一种生产工况下井口周围冻土层沉降曲线的示意图；
图18A为本说明书实施例一种承受横向载荷的井口应力的示意图；
图18B为本说明书实施例一种承受横向载荷的井口横向位移的示意图；
图18C为本说明书实施例一种承受横向载荷的井口转角的示意图；
图19A为本说明书实施例一种钻井工况井筒周围温度场变化的示意图；
图19B为本说明书实施例一种生产工况井筒周围温度场变化的示意图；
图20为本说明书实施例一种外径914.4mm时表层导管剩余承载力的示意图；
图21为本说明书实施例一种表层导管二开套管固井阶段静置时间设计的示意图；
图22为本说明书实施例一种冻土层钻井方案确定装置的模块图；
图23为本说明书实施例一种冻土层钻井方案确定设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
为了解决上述技术问题，本说明书实施例提出了一种冻土层钻井方案确定方法。所述冻土层钻井方案确定方法的执行主体为冻土层钻井方案确定设备，所述冻土层钻井方案确定设备包括但不限于服务器、工控机、PC机等。如图1所示，所述冻土层钻井方案确定方法具体可以包括以下步骤。
S110：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种。
钻井区域即为需要进行钻井的区域。在本说明书实施例中，所述钻井区域为位于冻土层的区域。在温度下降到零度或零度以下，土壤里的水分就会凝结成冰，并将土壤也冻结在一起，形成一层坚硬的冻土层。在针对冻土层进行钻井作业时，由于钻井过程的进行，以及钻井内部的高温液体的影响，可能会导致冻土层中的冰融化为水，从而减小地层作用于井身的冻结力和摩擦力，进而导致井身出现下沉或失稳的现象。因此，在冻土层区域进行钻井作业时，需要考虑是否会因为温度而影响钻井作业的安全进行。同样的，还需要考虑在钻井完成后的生产过程中能否保证生产井的稳定性。
在执行上述方法之前，首先可以采集对应于钻井区域的土体参数。土体参数的大小可能会对钻井作业产生较为显著的影响。在一些实施方式中，所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种。土体初始温度可以是在钻井之前对应地层的温度，土体初始含水率可以是在钻井之前对应地层中液态水的比率。
随着钻井过程的进行，土体初始温度也随之不断升高，并在最后达到稳定。而在温度升高后，冻土中的部分冰融化为水，加大了含水率。此外，随着孔隙水的排出，冻土中的含水率也受之影响而逐渐增加，并相应地减小承载力。通过分析极限承载力与载荷之间的对比结果，可以判断导管是否能够维持稳定。
在一些实施方式中，所述土体参数还可以包括土体性质、密度、泊松比、比热容、导热系数、相变潜热、膨胀系数和相变温度中的至少一种。如下表1所示，为对应的土体参数的具体示例。
表1
Figure BDA0003287044660000051
实际应用中也可以根据需要选取其他参数作为土体参数，并不限于上述示例，在此不再赘述。
S120：根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况。
由于温度对于地层中的含水率和钻井稳定性都具有较大的影响，因此需要根据钻井方案来模拟钻井过程中的温度变化情况。油气井作业过程中，井筒内的工作液或储层流体与冻土层之间存在温差，使得井眼附近的地层温度会不断变化，且近井地带冻土的融化又存在相变。所以近井冻土层的温度场是一个存在相变且边界在不断变化的不稳定温度场。为了有效实现计算，首先需要确定模拟过程中的基本假设，以基于所述基本假设实现准确计算。
具体的，数值模拟过程中的假设可以包括以下几条：1、相比于作业过程中井筒内的温度变化，由于自然天然变化导致的温度变化幅度较小，因此假设冻土层的上表面边界条件即大气温度不发生明显变化，主要考虑由井筒热源传入引起的冻土层的温度变化，且井筒热源主要考虑井筒内流体的温度影响，忽略钻头破岩造成的短时温度升高；2、在钻井液的循环过程中认为同一截面上钻井液的温度、压力、流速和密度是均匀分布的；3、假设土体呈现均匀连续的分布，土体为各项同性的不可压缩弹性材料，不考虑倾斜等其它因素，如水分迁移、盐分等对于模型的影响；4、材料的热传导系数不随温度和压力而变化，热量在介质中的传递方式以传导和对流为主；5、由于实际相变过程的复杂性，本文假设土体的冻融过程的相变潜热在冻结界面是持续放热的过程，设定相变值为同一个温度范围内进行；6、井口及井筒为轴对称模型。
基于上述假设，通过具体的数值计算过程来实现温度变化情况的计算。首先，可以针对钻井井口及对应的温度场来建立相应的模型。具体的，可以采用有限元软件ANSYSWORKBENCH中的热力耦合功能进行温度场及井口稳定性计算。如图2A和图2B所示，根据前文的冻土层油气井井身结构及井口力学特征，建立几何模型，土体设置为半无限大的土壤介质区域简化为半径为10m、厚度为500m的冻土土体，外界温度为-20℃，表层导管外径为36in/904mm、壁厚为1in/25.4mm、下入深度为70m。
之后，可以获取土体参数以及对应于油气井的井身物理参数。土体参数可以参照步骤S110中的介绍。井身物理参数包括分别对应于表层导管、套管和固井水泥环的参数，具体的，可以是分别对应于表层导管、套管和固井水泥环的密度、弹性模量、泊松比、比热容、导热系数、膨胀系数中的至少一种。
如下表2所示，为表层导管及套管的物理参数的具体示例。
表2
密度 弹性模量 泊松比 比热容 导热系数 膨胀系数
103kg/m3 MPa J/(kg℃) W/(m℃) 10-5℃-1
7.9 2.06×105 0.3 462 50 1.2
相应的，如下表3所示，为固井水泥环的物理参数的具体示例。
表3
密度 弹性模量 泊松比 比热容 导热系数 膨胀系数
103kg/m3 MPa J/(kg℃) W/(m℃) 10-5℃-1
7.9 2.06×105 0.3 462 50 1.2
实际应用中也可以根据需要选取其他参数进行计算，对此不做限制。
温度变化使得原本起支撑作用的冰融化成水，岩石弹性模量与泊松比也发生改变，同时会导致岩石强度发生改变在冻土的融化过程中，土体的粘聚力会降低，摩擦角增大。因此，冻土层的弹性模量、泊松比、抗剪强度与土温的关系式定义如下：E＝A1+B1|T|0.6，ν＝A2+B2|T|，C＝A3+B3|T|，
Figure BDA0003287044660000061
式中，E为弹性模量，MPa；T为土体温度，℃；C为粘聚力，MPa；
Figure BDA0003287044660000062
为内摩擦角，°；A1，B1，A2，B2，A3，B3，A4，B4为计算参数，对于上述计算参数的一个具体示例可以如下表4所示。
表4
A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4
20 27 0.3 -0.008 39.3 0.09 20.9 0.6
针对各层套管、水泥环及冻土层的本构关系，定义表层导管、水泥环为线弹性体，各层套管和水泥环之间无相对位移；冻土层服从摩尔—库伦准则，为了更加精确的模拟表层导管、水泥环和地层间的冻结强度，需要对表层导管、水泥环和冻土层之间接触面进行定义。由于冻土层接触面附近的剪应力和剪应变有明显的非线性分布，同时计算参数也会随着温度发生变化，因此采用无厚度的非线性接触面单元模拟表层导管、水泥环和冻土层之间的接触面，分别定义其接触面的剪应力和相对位移关系满足公式
Figure BDA0003287044660000063
和
Figure BDA0003287044660000064
中的双曲线模型，式中，τ为剪应力，Pa；u为切向位移，m；a，b为计算系数，同温度变化相关；kτ,max为最大刚度系数，pa；Rf为破坏比，无因次；τf为破坏剪应力，Pa。
选取各层套管、水泥环同海底土接触面的最大刚度系数kτ,max，破坏比Rf和破坏剪应力τf定义接触面的本构关系，并进行初始地应力平衡。具体的参数选取可以如下表5所示。
表5
Figure BDA0003287044660000071
在完成上述参数的获取后，可以确定几何模型所对应的温度边界条件，并根据温度边界条件进行计算。根据传热学中的定义，不同的情况，可以将温度边界分为三类。其中，第一类边界条件为已知边界上的温度函数：tw＝f(x，y，z，t)，式中，tw为外边界上的温度，℃。第二类边界条件为已知边界上的热流密度值：qw＝f(x，y，z，t)，式中，qw为物体边界上的热流密度，W/m2。第三类边界条件为已知边界上物体与外界的对流换热系数以及外界的温度：
Figure BDA0003287044660000072
式中，λ为物体导热系数，W/(m2·℃)；tf为内边界上的温度，℃。
集合实际应用中一个冻土层井口集合模型的示意图进行说明。如图3所示，其中，序号1对应于冻土层的上表面，冻土与空气不断地进行对流热交换，本文简化为固定的热交换系数，大气温度不随时间的变化而变化，为第三类边界条件；序号2对应于冻土层的假设边界，内外都为冻土层，且温度和组成相同，不进行热量交换，为第一类边界条件；序号3对应于冻土层的下边界，可以假设为温度为固定的恒稳层，不进行热量交换，为第一类边界条件；序号4对应于冻土层与环空介质接触面，不断地发生热量交换，为第三类边界条件。
在具体的计算过程中可以基于上述不同边界所对应的温度边界条件进行计算。具体的，可以针对钻井过程和生产过程中的温度变化情况分别进行计算。
首先针对钻井工况下井口温度场计算过程进行介绍。利用一个具体的示例进行说明，针对不同的初始含水率，基于上述步骤，取钻井液温度为15℃，计算得到了钻井过程中井口周围温度场的变化和分布云图，如图4A和图4B所示。钻井过程中由于钻井液的温度相对不高(15℃)，因此对整个冻土层的径向影响范围有限，冻土层的径向融化半径小于1.5m，但是在贴近井壁附近的冻土层仍然会融化，根据前文的分析，在二开固井之前，导管及井口的承载力主要由冻土层和导管之间的冻结强度提供，因此钻井过程中如果井口载荷超过了冻土层和导管之间的冻结强度，可能会导致冻土层的井口下沉。
钻井过程中的冻土层温度场径向分布如图5A和图5B所示。可以看出，随着循环开始，导管周围土体的温度开始逐渐增加，在导管附近的土体由于温度变化较快，梯度变化较大，温度曲线整体呈上升趋势，离导管越远的土体温度变化较推迟，同时由于温度的梯度较小，冻土中的冰水相变过程需要吸收热量的效应对于温度变化的趋势影响较大，因此在远处的土体在相变区间温度变化会停留一段时间，当全部的孔隙冰融化之后，融土的温度开始继续上升。
计算得到的对应于不同初始含水率的井壁温度变化情况如图6所示。冻土层井壁的温度变化同冻土层的初始含水率相关，冻土层的初始含水率越高，在融化后吸收的热量越大，冻土层的温度变化幅度越大，冻土层的物理力学性质变化也将越显著。
下面针对生产过程中的温度场变化情况进行说明。取生产过程中储层高温流体(180℃)进入井筒后，可以计算得到生产过程中井口周围温度场的变化和分布云图如图7A和图7B所示。可以看出，生产过程中由于地下的高温储层流体进入井筒(180℃)，对井筒周围的温度场影响较大，冻土层的径向融化半径最大可达6.2m，整个井筒附近地层的力学性质都会发生比较明显的变化。
生产过程中冻土层温度场径向分布如图8A和图8B所示。可以看出，在钻井工况和生产工况下，在生产套管及表层导管附近的冻土层温度都达到了0℃以上，产生了融化，但是距离井眼轴心的径向距离越大，钻井过程中的温度影响范围越小，生产工况下的影响范围越大。可以看出，生产过程中由于地下的高温储层流体进入井筒(180℃)，对井筒周围的温度场影响较大，冻土层的径向融化半径最大可达6.2m，整个井筒附近地层的力学性质都会发生比较明显的变化。
钻井及生产过程中井口周围土体温度变化情况的对比结果可以如图9所示。可以看出，相较于钻井工况，生产工况的温度变化情况更为平缓，但温度相对钻井过程更高。
上述示例分别针对钻井过程及生产过程中情况进行了说明，从而有效分析了实际应用中的温度变化情况，进而能够在后续步骤中更好地实现相应的计算。
S130：基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力。
承载力包括地层作用于导管的力，以使导管不发生下沉或偏移。表层导管的承载力指的是导管周围土体提供给导管的承载力，冻土层导管的受力情况和其他地区不同的是，冻土层表层导管的侧向摩阻力、端部支撑力以及侧向土反力主要由导管和冻土之间的冻结作用提供，包括导管和冻土的轴向冻结力和横向冻胀力。
冻土中的导管所承受的承载力主要分为两个部分，一个是导管与冻土的侧向摩阻力和冻胀力，另一个是导管的端部阻力。其中侧向摩阻力起到主导地位，同时又是与温度相关的量，初始状态下，导管周围的土层处于冻结稳定状态，温度为负温，导管受到的冻胀力和侧向摩阻力最大，此时的承载力也最大。当继续钻进，钻井液开始循环之后，导管周围冻土因钻井液循环温度的升温作用而开始融化时，导管周围冻土因融化土层发生较小的位移，随着导管周围温度的不断升高，沿导管表面的冻结力开始全部转由导管侧摩阻力所取代，随着孔隙水的继续排出，周围冻土的含水率逐渐增加，承载力逐渐减小，如果导管的上部荷载超过了导管周围融土所能承受的极限值，则导管将失稳下沉。
而载荷包括井身自重以及受环境影响而产生下沉或偏移的趋势的力。
下面结合油气井的井身结构特征对承载力和载荷进行进一步的分析。
极地冻土层探井通常为直井，冻土层钻井通常采用的井身结构设计为预先钻入或者锤入30～50m的表层导管，以隔绝浅部的季节性冻土层，并且在二开固井的水泥环凝固之前作为主要的持力结构支撑井口。其中，冻土层厚度一般为286米至355米，生产井采用四层井身结构设计，为了保证钻井过程中井口及钻机周围地层稳定，表层导管入泥深度为30m，前25m采用钻入法，后5m锤入地层。
如图10所示，为一种针对直井的井口及表层导管的受力可以包括承载力和载荷。
具体的，所述载荷可以包括(1)井口载荷W：主要包括悬挂在井口上的井口头、表层导管以及各层套管的自重，也包括固井过程中进入井筒但是未凝固的水泥浆重量；(2)环境载荷Q：包括井口高出泥线的部分所受的风载荷等环境载荷。
所述承载力可以包括(1)侧向摩阻力fs：表层导管所受的侧向摩阻力，在冻土未融化前主要由表层导管和地层之间的冻结强度提供，冻土层融化后变为融土和导管之间的摩擦力，受温度影响非常明显；(2)端部阻力qs：表层导管端部提供的支持力，由于表层导管的端部面积很小，因为同侧向摩阻力相比是一个极小值；(3)侧向冻胀力σv：冻结产生的侧向冻胀力，通常最大值位于1/2至1/3的最大冻结深度；(4)侧向土压力σH：由于土体自重产生的侧向土压力。
在实际应用中，极地地区的生产井也可以采用混凝土坐底式平台或者人工岛配合大位移井。该类井同样预先锤入30in表层导管，采用大位移水平井进入储层，在进入储层段之前的钻井作业过程中的井口结构及载荷同陆地钻井相同。所不同的是生产和测试过程中，由于储层的高温流体进入井筒导致上部的冻土层沉降，可能损坏周围管汇及设备，如果遭遇恶劣侧向环境载荷，可能导致井口横向失稳偏移。
如图11所示，为该类水平井的受力分析结构图。由于生产过程中已经完成了多次固井作业，井口的竖向载荷主要由多层固井水泥环同地层间的胶结强度承担，再出现纵向失稳的可能性很低，因此，主要针对该类井的横向载荷进行分析。
具体的，横向载荷可以包括(1)井口弯矩M及环境载荷Q：由于大风(超过15级)等恶劣环境载荷导致的井口弯矩及横向载荷。
相应的，对应于该类井的承载力可以包括(1)侧向土反力：由于横向载荷导致的土反力，其分布随深度及土体的抗压强度相关，冻土层融化后，土体的抗压能力先下降，当孔隙水被排出之后逐渐恢复；(2)侧向冻胀力σv：土体冻结产生的侧向冻胀力，土体融化之后消失，通常最大值位于1/2至1/3的最大冻结深度。
下面对计算承载力的公式进行推导。在计算融土中的导管承载力时，可以假设导管周围的土体为轴对称的等温融化圆柱体，冻土的土体参数不随位置的变化而发生改变。
首先，在深度z处的垂直应力σz为
Figure BDA0003287044660000101
式中，k为侧压力系数，与土体类型有关；γ为土的容重，kN/m3；a为导管周围土体的融化范围；
Figure BDA0003287044660000102
为融土的内摩擦角；在深度z处的水平应力σx为
Figure BDA0003287044660000103
在深度z处的剪应力τz为
Figure BDA0003287044660000104
相应的，连续应力的表达式可以表示为σ0＝c/tanφ，式中，σ0为连续应力，kN/m2；c为融化后的土体的粘聚力，kN/m2；
Figure BDA0003287044660000105
为融化的土体内摩擦角。
粘聚力对于土中的垂直应力有减弱作用，则在深度z处的垂直应力
Figure BDA0003287044660000106
为
Figure BDA0003287044660000107
相应的，在深度z处的水平应力
Figure BDA0003287044660000108
可以表示为
Figure BDA0003287044660000109
在深度z处的剪应力
Figure BDA00032870446600001010
可以表示为
Figure BDA00032870446600001011
当
Figure BDA00032870446600001012
的情况下，冻土的垂直应力沿桩长不变，均为0，则γa-kc＝0。因此，导管受到冻融土的作用，受到的荷载可以表示两种情况。
其中，当a＞kc/γ时，可以假设为导管受到所有土体所产生的粘聚力的作用，在此情况下，导管承受土体竖向荷载Q为
Figure BDA00032870446600001013
式中，H为地层深度，D1为导管周围融化土的直径，D为导管的直径，D1＝D+2a。
当a≤kc/γ时，冻融土将向导管壁侧处产生堆积效应，产生剪切作用，随着导管周围冻土的不断压密，产生一个作用于导管侧的水平压应力为
Figure BDA00032870446600001014
式中，c为融化土体的黏聚力，φ为融化土体的内摩擦角。
下面分别针对导管的竖向承载力进行分析。首先，针对竖向承载力，在钻井过程中表层导管下入到位后，依靠土的回填和密实提供的承载力而保持稳定。在垂直方向，表层导管承受自重、内部管柱重力及表层导管与冻土之间的冻结力、表层导管端部阻力共同作用保持平衡，其中冻土与导管间的侧向摩擦力即主要是由冰与土之间的胶结作用即冻结强度所提供。因此，冻土层提供给导管的承载力为
Figure BDA0003287044660000111
式中，Qu为承载力，L为油气井的表层导管长度，d0为表层套管或技术套管或生产套管的外径，τ(t,ω)为表层导管对应于温度t和含水率ω的函数，其中，
Figure BDA0003287044660000112
C(t,ω)为冻土的粘聚力对应于温度和初始含水率的函数，
Figure BDA0003287044660000113
为冻土内摩擦角，σ为法向应力，其中，
Figure BDA0003287044660000114
K为侧向土压力系数，γi为土层容重，Hi为土层厚度，q(t,ω)为表层导管端部对应于温度t和含水率ω的函数，A为端部面积。
针对横向承载力及对应的稳定性，如图12A和图12B所示，当井口载荷Q作用于顶端，桩侧摩阻力由冻结强度提供，对导管任一截面取一微元，设轴向融沉位移为s，井口载荷为P。则根据荷载传递理论，可以得出公式
Figure BDA0003287044660000115
式中，Up为导管截面周长；Ep为冻土弹性模量；Ap为导管截面积；τz为冻土和导管间的冻结强度。
根据冻土和导管接触面理论，冻结强度和轴向融沉位移的关系表现为非线性，呈现双曲线关系，得到公式τz＝K(t)sz，式中，K(t)为冻土与导管接触面的刚度系数，取决于冻土和导管的剪切模量以及导管的半径，因为冻土的力学参数随温度发生变化，因此K也是温度的函数，会随着温度的变化而发生变化。
针对上述公式带入边界条件
Figure BDA0003287044660000116
得到最终井口的融沉位移为
Figure BDA0003287044660000117
其中，
Figure BDA0003287044660000118
S140：在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
所述油气井稳定条件包括承载力不小于载荷或融沉位移不大于融沉位移阈值；所述载荷包括油气井自重载荷和环境载荷中的至少一种；所述环境载荷包括高出泥线的井口部分所受的载荷。
具体的，根据步骤S130中的计算结果，当计算竖向承载力后，可以将所述竖向承载力与载荷进行比较，承载力不小于载荷时，可以认定钻井方案能够维持油气井的稳定。相应的，在针对横向承载力进行分析并计算得到最终井口的融沉位移后，可以判断所述融沉位移是否大于融沉位移阈值，若不大于，可以认定钻井方案能够维持油气井的稳定。
实际应用中也可以根据需求设置其他油气井稳定条件，并不限于上述示例，在此不再赘述。
下面利用具体的示例对上述过程进行进一步介绍。首先，针对钻井工况下冻土层融沉及承载力变化情况，在计算井口周围温度场之后，通过转换单元类型，输入冻土层的力学参数及本构关系，并施加载荷和定义边界条件，提取表层导管和冻土层之间接触面的接触面应力即为冻土层的冻结强度，计算不同温度下的冻结强度沿表层导管分布如图13所示。可以看出，温度越高，表层导管和地层间的冻结强度越低，地层所能提供的极限承载力越小，地层的含水率越高，颗粒等级越低，极限承载力下降幅度越大，在-5℃～1℃的温度区间内极限承载力下降幅度达52％，此时如果井口载荷超过地层的极限承载力，井口将纵向失稳下沉。
同时，对钻井过程中井口周围土体的沉降进行了计算，冻土的融沉主要受温度和土体性质的影响。当土体由于温度的降低而发展成冻土以后，冻土中的水将变成冰，同时增大了孔隙的大小和土体颗粒之间的距离，因此，会发生冻胀现象。当温度开始逐渐升高，孔隙冰逐渐融化成水，由于冻胀作用产生的孔隙为水的流动提供了良好的通道，因此，随着自由水含量的逐渐增多，会发生明显的渗流现象，造成上部孔隙中空气的含量升高，减小了冻土的承载力，当土体在自重或者外覆荷载的作用下，这些土体很容易发生受外力影响而压缩，发生渗透固结现象，导致冻土的融沉。
在分别计算含水率10％和30％这两种情况下下钻井过程中(钻井液循环温度为15℃)的土体融沉情况，得到导管周围土体的纵向位移分布云图分别如图14A和图14B所示。通过图示结果，钻井过程中冻土层的融沉主要集中在井口附近，而且位移也较小，最大竖向位移小于0.4m，这个数值对于井口周围管汇及井口稳定性的影响不大，因此冻土层融沉对于钻井过程中的井口稳定性影响不大。同时不同初始含水率条件下的冻土层融沉稍有差别，含水率越大，周围土体的融沉越大，但是总体数值仍然很小。
因此由于温度升高导致的冻结强度降低是钻井过程中井口失稳下沉的主要影响因素，在计算中对井口逐级施加载荷直至表层导管出现下沉，井口的下沉位移同冻结强度的关系可以如图15所示。图中的计算结果表明，随着温度的升高，表层导管和冻土层间的冻结强度逐渐降低，当冻土层完全融化后冻结强度转化为土体同导管之间的侧向摩擦力，但是数值大幅下降，井口和表层导管在井口载荷的作用下失稳下沉。
下面再利用一个生产工况下冻土层融沉及井口稳定性数值模拟结果的示例进行说明。
由于生产工况下井筒已经完成全部的固井作业，整个井筒的竖向承载力主要由各层水泥环及地层的胶结强度提供，而冻土层提供的承载力仅为其中的一小部分，因此生产过程中井口出现纵向下沉的可能性较低，但是根据前文的计算，生产过程中的井口周围温度场变化显著，影响半径较大，因此井筒周围冻土层的融沉可能导致地层及地表冻土出现沉降，损坏井口周围的管汇及设备，因此首先计算了井筒周围冻土的融沉情况，生产过程中(取储层流体进入井筒温度为180℃)井筒周围土体的纵向位移云图如图16A和图16B所示。
上述图示中的数值计算结果表明(1)井筒周围的土体温度开始升高，冻土层的上部首先发生融沉现象，随着时间的推移，导管周边的融沉从中央向两边发展，土体顶部的沉降量大于底部的沉降量，底部沉降较小；(2)相比钻井工况，生产工况下的井筒周围冻土层的融沉情况非常明显，地表的最大竖向位移超过1.6m，将会造成地表管汇或者钻机地基的损坏。
其中，取距井筒轴心距离1.5m、3m、4.5m、5m、7.5m处5个点，得到冻土层沉降位移随时间变化如图17所示。图中的结果表明(1)冻土的沉降曲线分为三个阶段：平稳下降段、快速下降段、稳定固结段。在平稳下降段，随着温度的开始升高，冻土的弹性模量开始逐渐减小，此阶段的孔隙水来不及排除，因此弹性模量的变化较小，冻土的沉降量也较小，体现在曲线上是曲线呈平缓的下降趋势；(2)在快速下降阶段，随着温度的快速升高，此阶段的冰水相变速度加快，随着孔隙冰的减少，孔隙水的大量增加，冻土随着孔隙开始快速渗透，冻土在自重或是外覆荷载的作用下发生快速的沉降，并且随着外覆荷载的增加，融沉速度也愈快，此阶段也是现场施工中最危险的一个阶段，容易发生导管的倾斜、下沉或是弯曲，造成井口的失稳；(3)在稳定固结阶段，此阶段的土体骨架逐渐趋于稳定，外界温度的变化缓慢，土体新的固结阶段基本完成。
除了地表冻土层融沉可能导致的风险，冻土层融化后，由于其侧向抗压强度降低，当受到横向载荷时(主要为风载荷)，可能出现横向失稳，因此取井口出泥高度为2m，计算在遭遇40m/s(超过20级)超强风力的情况下，井口的横向偏移、井口转角及应力云图如图18A、图18B和图18C所示。
根据图示中的数值可以分析得到，相比于整个井筒的长度(超过1000m)，井口出泥高度有限(通常为1～3m)，因此如果遭遇风载荷，风压面积较低，即使遭遇超过20级的超强风力，井口的横向偏移不足0.16m，井口转角不足0.03rad，因此在自然条件下井口发生横向偏移的失稳的风险较低。
为了更好地理解本实施例的内容，利用具体的场景示例进行介绍。首先，所选取的目标区块采用安装直径36in/Φ914.4mm表层导管，通过钻孔取样，得到该区域冻土层的土质资料如下表6所示。
表6
Figure BDA0003287044660000141
针对井口周围温度场，根据前文有限元分析方法计算井口周围温度场分布，得到温度场分布云图如图19A和图19B所示。
针对表层导管剩余承载力剖面，根据土质资料、冻土层温度及承载力关系曲线，用表层导管承载力计算模型，得到36in/Φ914.4mm表层导管在冻土层融化后的剩余承载力数值，建立目标区块914.4mm表层导管剩余承载力剖面如图20所示
根据工程实际，表层导管下入到位后表层套管固井阶段，井口载荷如下表7所示。
表7
计算项目 重量 浮重(KN)
井口头 44.70 38.89
防沉板 38.50 33.50
表层套管 1352.21 1176.43
固井水泥浆 160.94 140.02
固井管柱 1524.13 1326.00
表层导管 5.44L+31.43 4.74L+27.35
基于上述数据，可以得到表层导管下入到位后表层套管固井阶段，表层导管最大竖向载荷，结合图21中所示出的表层导管剩余承载力曲线，可以得到表层导管下入到位后至表层套管固井静置时间设计图版。根据曲线中交点的深度即可可以确定表层导管的设计下入深度。
表层导管下入深度设计方法在目标工区中成功应用，现场应用情况如表8所示，钻井过程中井口稳定，均取得了良好的效果。因此，可以基于相应的计算和模拟过程实现钻井方案的确定。
表8
Figure BDA0003287044660000151
通过上述实施例和场景示例的介绍，可以看出，上述方法在获取到土体参数后，结合土体参数中所包含的土体初始温度和土体初始含水率，对温度变化关系进行模拟后，利用模拟得到的温度变化关系和井身结构特征，完成了对于油气井的承载力的计算，进而判断承载力是否满足油气井稳定条件来确定是否可以将所述冻土层钻井方案进行有效利用，从而完成从候选钻井方案对于目标钻井方案的筛选。基于上述方法，实现了钻井过程中相应参数的定量计算，保证了模拟过程的准确性，从而对冻土层中实际钻井过程的实施进行了有效的指导，保证了勘探开发的有效进行。
基于上述冻土层钻井方案确定方法，本说明书还提出一种冻土层钻井方案确定装置的实施例。如图22所示，所述冻土层钻井方案确定装置具体包括以下模块。
土体参数获取模块2210，用于获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种。
温度变化关系模拟模块2220，用于根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化关系。
承载力计算模块2230，用于基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力。
应用钻井方案确定模块2240，用于在所述承载力不小于油气井自重的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
根据上述冻土层钻井方案确定方法，本说明书实施例还提出一种冻土层钻井方案确定设备。如图23所示，所述冻土层钻井方案确定设备包括存储器和处理器。
在本实施例中，所述存储器可以按任何适当的方式实现。例如，所述存储器可以为只读存储器、机械硬盘、固态硬盘、或U盘等。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。
在本实施例中，所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等等。所述处理器可以执行所述计算机程序指令实现以下步骤：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本说明书可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本说明书的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本说明书各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
本说明书可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
虽然通过实施例描绘了本说明书，本领域普通技术人员知道，本说明书有许多变形和变化而不脱离本说明书的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本说明书的精神。

Claims (10)

1.一种冻土层钻井方案确定方法，其特征在于，包括：
获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；
根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；
基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；
在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土体参数还包括土体性质、密度、泊松比、比热容、导热系数、相变潜热、膨胀系数和相变温度中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油气井对应有井身物理参数；所述井身物理参数包括分别对应于表层导管、套管和固井水泥环的密度、弹性模量、泊松比、比热容、导热系数、膨胀系数中的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承载力包括竖向承载力和横向承载力；
所述竖向承载力包括侧向摩擦力、侧向冻胀力、端部阻力和侧向土压力中的至少一种；
所述横向承载力包括侧向土返力和侧向冻胀力中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承载力包括分别对应于平稳下降段、快速下降段和稳定固结段的承载力。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况，包括：
根据所述候选钻井方案构建对应于油气井的几何模型；
确定所述几何模型所对应的温度边界条件；所述温度边界条件包括温度函数、热流密度值、对流换热系数以及外界温度中的至少一种；
利用所述温度边界条件，结合土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力，包括：
利用公式
Figure FDA0003287044650000021
计算承载力，式中，Qu为承载力，L为油气井的表层导管长度，d0为表层套管或技术套管或生产套管的外径，τ(t,ω)为表层导管对应于温度t和含水率ω的函数，其中，
Figure FDA0003287044650000022
C(t,ω)为冻土的粘聚力对应于温度和初始含水率的函数，
Figure FDA0003287044650000023
为冻土内摩擦角，σ为法向应力，其中，
Figure FDA0003287044650000024
K为侧向土压力系数，γi为土层容重，Hi为土层厚度，q(t,ω)为表层导管端部对应于温度t和含水率ω的函数，A为端部面积。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油气井稳定条件包括承载力不小于载荷或融沉位移不大于融沉位移阈值；所述载荷包括油气井自重载荷和环境载荷中的至少一种；所述环境载荷包括高出泥线的井口部分所受的载荷。
9.一种冻土层钻井方案确定装置，其特征在于，包括：
土体参数获取模块，用于获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；
温度变化关系模拟模块，用于根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化关系；
承载力计算模块，用于基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；
应用钻井方案确定模块，用于在所述承载力不小于油气井自重的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
10.一种冻土层钻井方案确定设备，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序指令；
所述处理器，用于执行所述计算机程序指令以实现以下步骤：获取钻井区域的土体参数；所述钻井区域包括冻土层区域；所述土体参数包括土体初始温度和土体初始含水率中的至少一种；根据候选钻井方案和所述土体参数模拟钻井过程中的温度变化情况；基于油气井的井身结构特征和所述温度变化关系，利用所述土体参数计算对应于油气井的承载力；所述承载力包括土体作用于油气井以使油气井维持稳定的力；在所述承载力满足油气井稳定条件的情况下，确定所述候选钻井方案为应用钻井方案。
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