CN114564778B - 一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法 - Google Patents

一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，包括以下步骤：S1、图像处理，识别井下裂缝；S2、通过井下裂缝参数建立三维地质模型，利用井眼尺寸和长度建立钻井井眼模型；S3、赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界，然后计算精度；S4、利用3DEC离散元软件，求解三维地质模型，判定井壁稳定性；S5、利用二分法确定钻井液密度上下界；S6、重复执行步骤S4~S5；S7、达到设定的精度条件后，保存并输出安全钻井液密度。本发明以成像测井图为基础，建立三维井眼模型，使用离散单元理论，计算安全钻井液密度，可在破碎带、断层、裂缝性地层的钻井液密度计算更加准确，更好的指导裂缝性地层的钻井工程钻进。

Description

一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程中的钻井实践、地热钻探、深地科学探索领域，尤其涉及一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法。
背景技术
随着石油与天然气工程的发展，钻井深度越来越深。钻井遇到的地层，往往不是完整的岩石，而是包含结构面的岩体。在钻遇破碎带、断层、裂缝时，这种问题现象尤为突出。钻井井眼需要钻井液压力的支撑，不然就会出现井壁缩颈、坍塌等问题。进而造成卡钻，埋钻杆等问题，严重情况时将报废整个井眼。
因此，钻井所需的安全钻井液压力或者安全钻井液的密度对于钻井工程的成败起着决定性的作用。一般来说，目前计算钻井液密度是利用连续性介质理论，开展井壁应力计算，通过研究不同钻井液密度对井壁稳定的影响程度，利用二分法后者牛顿迭代法计算得到所需钻井液密度。常见的计算流程如下：
1.利用Farihurst方程计算井壁应力；
2.使用Mohr-Coulomb强度准则判定井壁稳定性；
3.利用二分法或者牛顿迭代法计算钻井液密度。
在钻遇破碎带、断层、裂缝等地层时，由于基本假设和理论上的不同，无法考虑地层的几何产状等因素对井壁稳定和钻井液密度的作用。因此，上述方法不完全适用于破裂带、断层、裂缝性地层钻井工程的钻井液密度计算。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，该方法在破碎带、断层、裂缝性地层的钻井液密度计算更加准确，更好的指导裂缝性地层的钻井工程钻进。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，包括以下步骤：
S1、图像处理，识别井下裂缝；
S2、通过井下裂缝参数建立三维地质模型，利用井眼尺寸和长度建立钻井井眼模型；
S3、赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界，然后计算精度；
S4、利用3DEC离散元软件，求解三维地质模型，判定井壁稳定性；
S5、利用二分法确定钻井液密度上下界；
S6、重复执行步骤S4～S5；
S7、达到设定的精度条件后，保存并输出安全钻井液密度。
进一步的，所述S1具体为先将地层成像测井图转换为灰度图，同时得到灰度颜色直方图，利用阈值方法等分割算法处理灰度图像得到二值图，得到裂缝二值图后，拾取判定裂缝的高点坐标和低点坐标，利用公式得到裂缝参数；高低和低点坐标与裂缝参数公式如下：
平面二维裂缝公式如下所示：
z＝Ax+By+C (1)
式中，z为高度，其单位为m；x，y分别是X坐标和Y坐标；A，B，C为平面控制参数；井眼方程如公式如下所示：
Figure GDA0003818763360000021
式中，x，y分别是X坐标和Y坐标；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
通过公式(1)和(2)，得到井壁上的三角函数曲线形式的裂缝曲线函数，如公式所示：
Figure GDA0003818763360000022
式中，A，B，C为平面控制参数；z为高度，其单位为m；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
已知高点坐标H(x0,y0)和低点坐标L(x1,y1)，则将公式改写为如下公式：
Figure GDA0003818763360000023
式中，θ为井周角，其单位为rad；z为高度，其单位为m；x0，y0为高点坐标，x1，y1为低坐标；
因此裂缝参数中的倾角、方位、倾向和曲线长度分别如以下公式所示：
Figure GDA0003818763360000031
β＝min(x0,x1) (6)
Figure GDA0003818763360000032
Figure GDA0003818763360000033
式中，α为倾角，其单位为rad；β为方位，其单位为rad；λ为倾向，其单位为rad；l为曲线长度，其单位为m。
进一步的，所述S2将处理得到裂缝参数，构建平面裂缝模型，利用井眼尺寸，构建地层井眼模型；所述井眼模型为长方体井眼模型，所述井眼模型的井眼半径与实际的井眼半径一致；所述长方体井眼模型的长度取决于模型的长度，其宽度大于3倍井眼直径；为满足精度条件和快速求解运算，设置为5倍。
进一步的，所述S3中，在3DEC离散元软件中赋值地层材料参数，包括弹性模量、泊松比、密度、摩擦角、内聚力和抗拉强度；为裂缝赋值力学参数，包括法向刚度和剪切刚度；为模型赋值边界条件，包括水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力，初始应力、边界位移和钻井液密度上下界限；最后设定二分法求解精度，确定迭代次数n；迭代次数的公式如下：
Figure GDA0003818763360000034
式中，x*为真值；Xk为第k次迭代计算值；b为钻井液密度上界；a为钻井液密度下界；ε为求解精度。
进一步的，所述S4中，利用3DEC离散元软件，确定钻井液密度r，r等于(钻井液密度上界+钻井液密度下界)除以2；设定求解步长，运算模型，直到最大不平衡力保持不变或者为零；软件求解结束，后处理判定井壁单元是否满足稳定性条件，可设定判定条件如下：
①在单元的形心位置小于阈值1时，屈服单元的数量小于阈值2；
②在单元的形心位置小于位置阈值1时，井壁单元的最大水平位移小于阈值3；
③在单元的形心位置小于位置阈值1时，屈服单元的数量小于阈值且井壁单元的最大水平位移小于阈值3。
更进一步的，所述S5中，根据判定条件，当判定条件为真，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度下界；当判定条件为假，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度上界，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度；更新钻井液密度上下界限。
更进一步的，所述S6中，根据钻井液密度上下界限，确定模型钻井液密度；重新唤起模型，执行n-1次步骤S4～S5。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法以地层成像测井图为基础，根据离散单元法，可准确计算裂缝性地层井壁稳定性，确定裂缝性地层的安全钻井液密度。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为实施例1中图像处理结果图，其图2中的(a)为原始成像测井图，(b)为原始成像测井灰度图，(c)为原始成像测井二值图，(d)为图像处理后裂缝井壁三角函数形式图；
图3为实施例1中步骤S2中建立的三维地质模型，其图3中的(a)为裂缝模型，(b)最后形成的运算模型；
图4为实施例1中运算结果图，其图4中的(a)为原始运算模型，(b)显示经过7次迭代计算，(c)为破坏单元在井壁的呈现；
图5为实施例2中运算结果图，其图5中的(a)为原始运算模型，(b)为示经过7次迭代计算，(c)为破坏单元在井壁的呈现。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一、本实施例中，如图1至图5所示，一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，包括以下步骤：
S1、图像处理，识别井下裂缝；
S2、通过井下裂缝参数建立三维地质模型，利用井眼尺寸和长度建立钻井井眼模型；
S3、赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界，然后计算精度；
S4、利用3DEC离散元软件，求解三维地质模型，判定井壁稳定性；
S5、利用二分法确定钻井液密度上下界；
S6、重复执行步骤S4～S5；
S7、达到设定的精度条件后，保存并输出安全钻井液密度。
进一步的，所述S1具体为先将地层成像测井图转换为灰度图，同时得到灰度颜色直方图，利用阈值方法等分割算法处理灰度图像得到二值图，得到裂缝二值图后，拾取判定裂缝的高点坐标和低点坐标，利用公式得到裂缝参数；高低和低点坐标与裂缝参数公式如下：
平面二维裂缝公式如下所示：
z＝Ax+By+C (1)
式中，z为高度，其单位为m；x，y分别是X坐标和Y坐标；A，B，C为平面控制参数；井眼方程如公式如下所示：
Figure GDA0003818763360000051
式中，x，y分别是X坐标和Y坐标；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
通过公式(1)和(2)，得到井壁上的三角函数曲线形式的裂缝曲线函数，如公式所示：
Figure GDA0003818763360000052
式中，A，B，C为平面控制参数；z为高度，其单位为m；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
已知高点坐标H(x0,y0)和低点坐标L(x1,y1)，则将公式改写为如下公式：
Figure GDA0003818763360000061
式中，θ为井周角，其单位为rad；z为高度，其单位为m；x0，y0为高点坐标，x1，y1为低坐标；
因此裂缝参数中的倾角、方位、倾向和曲线长度分别如以下公式所示：
Figure GDA0003818763360000062
β＝min(x0,x1) (6)
Figure GDA0003818763360000063
Figure GDA0003818763360000064
式中，α为倾角，其单位为rad；β为方位，其单位为rad；λ为倾向，其单位为rad；l为曲线长度，其单位为m。
图像处理伪码：
Figure GDA0003818763360000065
本实施例进一步设置为：所述S2将处理得到裂缝参数，构建平面裂缝模型，利用井眼尺寸，构建地层井眼模型；所述井眼模型为长方体井眼模型，所述井眼模型的井眼半径与实际的井眼半径一致；所述长方体井眼模型的长度取决于模型的长度，其宽度大于3倍井眼直径；为满足精度条件和快速求解运算，设置为5倍。
通过3DEC离散元软件建立三维地质模型和钻井井眼模型，运行伪码如下：
Figure GDA0003818763360000071
本实施例进一步设置为：所述S3中，在3DEC离散元软件中赋值地层材料参数，包括弹性模量、泊松比、密度、摩擦角、内聚力和抗拉强度；为裂缝赋值力学参数，包括法向刚度和剪切刚度；为模型赋值边界条件，包括水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力，初始应力、边界位移和钻井液密度上下界限；最后设定二分法求解精度，确定迭代次数n；迭代次数的公式如下：
Figure GDA0003818763360000072
式中，x*为真值；Xk为第k次迭代计算值；b为钻井液密度上界；a为钻井液密度下界；ε为求解精度。
运行伪码如下：
Figure GDA0003818763360000073
本实施例进一步设置为：所述S4中，利用3DEC离散元软件，确定钻井液密度r，r等于(钻井液密度上界+钻井液密度下界)除以2；设定求解步长，运算模型，直到最大不平衡力保持不变或者为零；软件求解结束，后处理判定井壁单元是否满足稳定性条件，可设定判定条件如下：
①在单元的形心位置小于阈值1时，屈服单元的数量小于阈值2；
②在单元的形心位置小于位置阈值1时，井壁单元的最大水平位移小于阈值3；
③在单元的形心位置小于位置阈值1时，屈服单元的数量小于阈值且井壁单元的最大水平位移小于阈值3。
S4利用离散元方法，求解三维地质模型，判定井壁稳定性，3DEC运行伪码下：
Figure GDA0003818763360000081
本实施例进一步设置为：所述S5中，根据判定条件，当判定条件为真，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度下界；当判定条件为假，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度上界，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度；更新钻井液密度上下界限，即在计算机程序中，新的钻井液密度上下界限值替换旧的钻井液密度上下界限值。
S5利用二分法确定钻井液密度上下界，运行伪码如下：
Figure GDA0003818763360000082
Figure GDA0003818763360000091
本实施例进一步设置为：所述S6中，根据钻井液密度上下界限，确定模型钻井液密度；重新唤起模型，执行n-1次步骤S4～S5。运行伪码如下：
Figure GDA0003818763360000092
步骤S7，达到精度条件，保存输出安全钻井液密度。
实施例二、以下以某井裂缝性地层8400m-8404m段为例，对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
步骤S1，图像处理，识别井下裂缝；
执行S1图像处理伪码或函数，输入井眼直径0.075，井眼长度4m，读取成像测井图片，如图2(a)所示。利用rgb2gray函数转换为灰度图片，如图2(b)所示；输入阈值100，分割图像，得到二值图像，如图2(c)所示；在图像上识别裂缝，利用鼠标选择三角函数曲线最大值点和最小值点，得到裂缝几何参数。
Figure GDA0003818763360000093
Figure GDA0003818763360000101
裂缝参数如表1所示：
表1
Figure GDA0003818763360000102
步骤S2，通过井下裂缝参数，建立三维地质模型和钻井井眼模型；
首先利用ploy tunnel和delete range cy命令建立三维钻井井眼模型；井眼直径0.075m，长方体尺寸为0.75×0.75×4m；在步骤S1中，我们得到了9条裂缝，因此，使用重复使用9次Jset命令，建立裂缝模型；最后网格划分采用四面体网格划分，划分尺寸为0.03m，设置gen函数参数；裂缝模型如图3(a)所示，模型如图3(b)。
3DEC运行伪码下:
Figure GDA0003818763360000103
S3，赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界、计算精度；
基质岩石参数，弹性模量40GPa,，密度2600kg/m3，泊松比0.21，摩擦角40°，抗拉强度8.5MPa，内聚力30.64MPa；
裂缝参数法向刚度9GPa，剪切刚度6GPa；
初始原地应力，最大水平主应力199MPa，最小水平主应力137MPa，垂向应力206MPa；
边界应力，最大水平主应力199MPa，最小水平主应力137MPa，垂向应力206MPa；
位移边界，xz平面yvel为0，yz平面xvel为0；
初始位移和初始速度均为0；
设定初始钻井液密度上下界限为2.09g/cm3和0g/cm3，保存至当前程序文件夹地址。设定求解精度0.01。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000111
S4，利用离散元方法，求解三维地质模型，判定井壁稳定性。
设定运行步长2000次，井壁条件为单元形心小于0.08m；单元状态为非弹性就统计单元失效单元数量；以下3DEC代码中threshold1就为0.08，threshold2为1。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000112
S5，利用二分法确定钻井液密度上下界；
在这一步中，模型稳定性的条件为单元失效数量占比全部单元数量小于10％，认为满足模型稳定性条件。执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000113
Figure GDA0003818763360000121
S6，重复执行步骤S4～S5；我们设定的精度为0.01，钻井液密度上下界限为2.09g/cm3和0g/cm3，根据公式(9)，得到重复计算的次数为7次，在3DEC代码执行窗口复制S4和S5代码7份。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000122
步骤S7，达到精度条件，保存输出安全钻井液密度，模拟结果如图4所示，最后安全钻井液密度为1.36g/cm3。
本发明也可对无裂缝地层计算安全钻井液密度，以下以无裂缝地层为例，对本发明的特征和性能作进一步的详细描述
步骤S1，图像处理，识别井下裂缝；
由于地层没有裂缝地层，可缺省第一步操作。
S2，通过井下裂缝参数，建立三维地质模型和钻井井眼模型；
缺省井下裂缝参数，直接建立三维钻井井眼模型；井眼直径0.075m，长方体尺寸为0.75×0.75×4m；网格划分采用四面体网格划分，划分尺寸为0.03m；设置函数参数，执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000123
S3，赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界、计算精度；
基质岩石参数，弹性模量40GPa,，密度2600kg/m3，泊松比0.21，摩擦角40°，抗拉强度8.5MPa，内聚力30.64MPa；
裂缝参数法向刚度9GPa，剪切刚度6GPa；
初始原地应力，最大水平主应力199MPa，最小水平主应力137MPa，垂向应力206MPa；
边界应力，最大水平主应力199MPa，最小水平主应力137MPa，垂向应力206MPa；
位移边界，xz平面yvel为0，yz平面xvel为0；
初始位移和初始速度均为0；
设定初始钻井液密度上下界限为2.09g/cm3和0g/cm3，保存至当前程序文件夹地址。设定求解精度0.01。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000131
S4，利用离散元方法，求解三维地质模型，判定井壁稳定性。
设定运行步长2000次，井壁条件为单元形心小于0.08m；单元状态为非弹性就统计单元失效单元数量；以下3DEC代码中threshold1就为0.08，threshold2为1。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000132
S5，利用二分法确定钻井液密度上下界；
在这一步中，模型稳定性的条件为单元失效数量占比全部单元数量小于10％，认为满足模型稳定性条件。执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000141
S6，重复执行步骤S4～S5；我们设定的精度为0.01，钻井液密度上下界限为2.09g/cm3和0g/cm3，根据公式(9)，得到重复计算的次数为7次，在3DEC代码执行窗口复制S4和S5代码7份。
执行以下3DEC伪码或函数：
Figure GDA0003818763360000142
步骤S7，达到精度条件，保存输出安全钻井液密度，模拟结果如图5所示，最后安全钻井液密度为0.74g/cm3。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、图像处理，识别井下裂缝；
S2、通过井下裂缝参数建立三维地质模型，利用井眼尺寸和长度建立钻井井眼模型；
S3、赋值模型材料参数、边界条件、初始钻井液密度上下界，然后设定精度；
在3DEC离散元软件中赋值地层材料参数，包括弹性模量、泊松比、密度、摩擦角、内聚力和抗拉强度；为裂缝赋值力学参数，包括法向刚度和剪切刚度；为模型赋值边界条件，包括水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力，初始应力、边界位移和钻井液密度上下界限；最后设定二分法求解精度，确定迭代次数n；迭代次数的公式如下：
Figure FDA0003865054320000011
式中，x*为真值；xk为第k次迭代计算值；b为钻井液密度上界；a为钻井液密度下界；ε为求解精度；
S4、利用3DEC离散元软件，求解三维地质模型，判定井壁稳定性；
利用3DEC离散元软件确定钻井液密度r，r等于(钻井液密度上界+钻井液密度下界)除以2；设定求解步长，运算模型，直到最大不平衡力保持不变或者为零；软件求解结束后处理判定井壁单元是否满足稳定性条件，可设定判定条件如下之一：
①在单元的形心位置小于阈值1时，屈服单元的数量小于阈值2；
②在单元的形心位置小于位置阈值1时，井壁单元的最大水平位移小于阈值3；
③在单元的形心位置小于位置阈值1时，屈服单元的数量小于阈值且井壁单元的最大水平位移小于阈值3；
S5、利用二分法确定钻井液密度上下界；
根据判定条件，当判定条件为真，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度下界；当判定条件为假，钻井液密度上界为当前模型钻井液密度上界，钻井液密度下界为当前模型钻井液密度；更新钻井液密度上下界限；
S6、重复执行步骤S4～S5；
S7、达到设定的精度条件后，保存并输出安全钻井液密度。
2.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，其特征在于：所述S1具体为先将地层成像测井图转换为灰度图，同时得到灰度颜色直方图，利用阈值方法分割算法处理灰度图像得到二值图，得到裂缝二值图后，拾取判定裂缝的高点坐标和低点坐标，利用公式得到裂缝参数；高低和低点坐标与裂缝参数公式如下：
平面二维裂缝公式如下所示：
z＝Ax+By+C (1)
式中，z为高度，其单位为m；x，y分别是X坐标和Y坐标；A，B，C为平面控制参数；
井眼方程公式如下所示：
Figure FDA0003865054320000021
式中，x，y分别是X坐标和Y坐标；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
通过公式(1)和(2)，得到井壁上的三角函数曲线形式的裂缝曲线函数，如公式所示：
Figure FDA0003865054320000022
式中，A，B，C为平面控制参数；z为高度，其单位为m；r为井眼半径，其单位为m；θ为井周角，其单位为rad；
已知高点坐标H(x0,y0)和低点坐标L(x1,y1)，则将公式改写为如下公式：
Figure FDA0003865054320000023
式中，θ为井周角，其单位为rad；z为高度，其单位为m；x0，y0为高点坐标，x1，y1为低点坐标；
因此裂缝参数中的倾角、方位、倾向和曲线长度分别如以下公式所示：
Figure FDA0003865054320000024
β＝min(x0,x1) (6)
Figure FDA0003865054320000025
Figure FDA0003865054320000026
式中，α为倾角，其单位为rad；β为方位，其单位为rad；λ为倾向，其单位为rad；l为曲线长度，其单位为m。
3.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，其特征在于：所述S2将处理得到裂缝参数，构建平面裂缝模型，利用井眼尺寸，构建地层井眼模型；所述井眼模型为长方体井眼模型，所述井眼模型的井眼半径与实际的井眼半径一致；所述长方体井眼模型的长度取决于模型的长度，为满足精度条件和快速求解运算，将其宽度设置为5倍井眼直径。
4.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层计算安全钻井密度的方法，其特征在于：所述S6中，根据钻井液密度上下界限，确定模型钻井液密度；重新唤起模型，执行n-1次步骤S4～S5。
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