CN115324557A - 基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法 - Google Patents

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CN115324557A CN202110454878.2A CN202110454878A CN115324557A CN 115324557 A CN115324557 A CN 115324557A CN 202110454878 A CN202110454878 A CN 202110454878A CN 115324557 A CN115324557 A CN 115324557A
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Abstract

本发明提供了一种基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，包括以下步骤：确定压裂诱发套管变形的影响因素；分析测井数据识别上述影响因素；根据测井数据分析结果定义压裂诱发套管变形的风险因素；通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险程度等级，其中，风险因素数量为0时，风险程度为无，风险因素数量为1时，风险程度为第一级，风险因素数量为2时，风险程度为第二级，风险因素数量为3时，根据套管的厚度是否大于11mm，风险程度介于第二级与第三级之间，风险因素数量为4时，风险程度为第三级。本发明能够在压裂前和压裂中提取识别套管变形的风险程度，以便及时优化压裂施工参数，降低套管变形几率。

Description

基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法
技术领域
本发明涉及页岩气开发技术领域，具体来讲，涉及一种基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法。
背景技术
随着油气勘探开发的深入，压裂改造对象不再局限于常规油气藏，已逐步进入非常规油气藏。其中，页岩油气是非常规油气藏的典型代表。近年来，国内页岩油气勘探开发规模逐年增加，压裂井次、段次也相应逐年增加，国内页岩油气压裂技术也得到了长足的发展。但随着页岩油气压裂技术的提高，也存在一些技术难点。
发明人发现，在页岩压裂过程中套管变形导致井下复杂情况包括下射孔枪遇阻、上提遇卡、丢段等，导致设计压裂段数减少，目的层整体改造程度降低，最终影响页岩气储层改造效果。目前，针对页岩气水平井水力压裂过程中出现的套管变形问题以及套管变形失效风险分析，许多学者开展了不同方面的研究。
例如，于2018年7月10日公开的名称为基于贝叶斯网络的页岩气井套管变形失效定量风险分析、作者为张认认、闫怡飞等的论文文献中记载了一种将事故树和事件序列模型转化为贝叶斯网络，采用条件概率表考虑事件之间的推理关系，并建立页岩气井套管变形失效的贝叶斯网络模型的方法。该作者利用页岩气井套管变形失效的贝叶斯网络模型获取了导致套管变形失效最可能的致因组合，得到了套管变形失效及其失效后果的动态发生概率，其分析结果与工程现场气井套管的安全状况比较吻合。
于2020年9月15日公开的名称为四川页岩气水力压裂诱发断层滑动和套管变形风险评估、作者为范宇、黄锐等的论文文献中记载了一种基于地质数据建立断层模型，对其进行地质力学分析，并应用定量风险分析(QRA)评估断层滑动的风险的方法。该作者利用摩尔库伦准则分析断层在水力压裂施工后的激活状态，并应用定量风险分析(QRA)评价断层滑动风险高低及各因素对断层滑动的敏感性，并基于此风险评估结果识别水力压裂施工下断层滑动风险的高低，为优化井眼轨迹设计以减缓套管变形提供参考。这些研究内容可能为解决套管变形问题提供一种有效的分析方法，但这些方法都十分复杂，且获得的都是理论性的分析结果，在实际应用上存在较大的局限性，无法针对现场施工形成及时、有效且经济的判断方法。
而对于现场施工，现有套变风险程度预测方法只要依靠地质资料中提供的预测裂缝分布图和水平井筒的相对位置，若裂缝横穿井筒则认为该处套变风险程度较高，属于单因素压前预测。现场通常采用在天然裂缝发育段的改造中控制压裂施工排量、规模和砂量等技术手段来尽量降低套管变形的几率，但是仅仅依靠“天然裂缝发育”这一指标预测套变点的可靠性较低。
因此，为保障压裂施工达到设计要求，对储层进行充分改造，需要一种基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，以便提前优化套变风险段的压裂施工参数，最大程度降低套管变形几率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够在压裂前和压裂过程中预测压裂诱发套管变形风险程度的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，包括以下步骤：确定压裂诱发套管变形的影响因素，其中，影响因素包括地层刚度沿井孔变化异常、固井质量不佳、以及施工压力超出许可范围；分析测井数据识别上述影响因素，其中，地层刚度沿井孔变化异常的标识信息为伽马测井曲线局部异常凸起，固井质量不佳的标识信息为固井质量局部异常，施工压力超出许可范围的标识信息为施工压力曲线局部异常凸起；根据测井数据分析结果确定压裂诱发套管变形的风险因素，其中，风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰、自然伽马局部异常变化、固井均质性局部异常变化、以及自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠；通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险程度等级，其中，对于相同尺寸的套管，当套管厚度小于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度为无，风险因素数量为1时，风险程度为第一级(或称为中等)，风险因素数量为2时，风险程度为第二级(或称为大)，风险数量为3或4时，风险程度为第三级(或称为很大)；当套管厚度大于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度为无，风险因素数量为1时，风险程度为第一级(或称为中等)，风险因素数量为2或3时，风险程度为第二级(或称为大)，风险数量为4时，风险程度为第三级(或称为很大)。相当于，在通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险级别时，在预定的套管尺寸和厚度情况下，风险因素数量越多，压裂诱发套管变形的风险越高。
在本发明的一个示例性实施例中，所述自然伽马局部异常变化的缺陷点和固井均质性局部异常变化的缺陷点位于压裂产生的地层破碎区时，压裂诱发套管变形的风险程度的等级可增加。
在本发明的一个示例性实施例中，所述压裂产生的地层破碎区的位置可通过压裂前的地质资料和/或储层压裂的数值模拟确定。
在本发明的一个示例性实施例中，所述储层压裂的数值模拟可包括以下步骤：
按照“井-震结合”的技术方法，在地震波数据的基础上，结合单井层位信息，建立目标区块的三维地质模型；
根据目标区块内单井的测井数据计算岩石力学参数，针对其他测井数据和岩石力学参数进行单井地质力学分析，获取单井地质分析结果；
综合分析世界应力地图的信息、已有井的单井测量信息、以及目标区块内水平井压裂微地震监测信息，获取目标区块内的最大水平主应力方向角；
引入三维地质模型，建立目标区块的地应力场有限元模型，并基于单井地质分析结果和已有井在压裂施工期间的微地震实测结果，验证目标区块地应力场的模拟结果，将验证合格的地应力场数值解构建为区块精细地应力场；
基于区块精细地应力场，建立地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型，对水平井全水平段的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，得到套管柱在压裂之前的初始应力分布；
对通过储层压裂后的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，计算压裂引起的地应力场变化，找出对套管施加剪切载荷的位置分布。
在本发明的一个示例性实施例中，所述套管存在的风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰，且风险因素数量为多个时，可通过优化压裂施工参数能够降低压裂诱发套管变形的风险程度的等级。
在本发明的一个示例性实施例中，所述优化压裂施工参数可包括控制携砂液浓度、提高工作液粘度、阶梯提排量、以及增加低砂浓度100目粉砂用量。
在本发明的一个示例性实施例中，所述伽马测井曲线异常凸起的判定依据可为局部伽马值大于200GAPI。
在本发明的一个示例性实施例中，所述固井质量评价结果为差的判定依据可为声幅值高于水泥胶结差的界面、且固井质量局部评价结果为差。
在本发明的一个示例性实施例中，所述施工压力曲线局部异常凸起的判定依据可为压力曲线激增或骤降的幅度大于10MPa/min、压力曲线不为直线。
在本发明的一个示例性实施例中，所述风险程度为无时，发生套管变形的几率可预测为0；所述风险程度为第一级时，发生套管变形的几率可预测为小于等于20％；所述风险程度为第二级时，发生套管变形的几率可预测为介于20％～50％；所述风险程度为第三级时，发生套管变形的几率可预测为大于50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明能够在压裂施工前预测压裂段套管变形的风险程度；
(2)本发明能够在压裂施工中及时发现套管变形风险征兆和套管变形的风险程度；
(3)本发明可根据风险因素数量定性判断套管变形的风险程度；
(4)通过套管变形风险程度的提前识别，能够及时优化压裂施工参数，降低套管变形几率，最大程度保证压裂施工的顺利进行。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施例中的套管变形风险程度等级图。
图2示出了本发明的一个示例性实施例中的套损曲线及伽马测井曲线图。
图3示出了本发明的一个示例性实施例中的固井质量声幅及评价图。
图4示出了本发明的一个示例性实施例中的施工压力曲线图。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法。
在本发明的一个示例性实施例中，基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，包括以下步骤：
S1、确定压裂诱发套管变形的影响因素，其中，影响因素包括地层刚度沿井孔变化异常、固井质量不佳、以及施工压力超出许可范围。
这里，地层刚度沿井孔变化异常属于地质因素，具体是指地层刚度不对称、局部变化明显；固井质量不佳属于固井因素，具体是指固井质量局部变化大、有局部质量不佳点；施工压力超出许可范围属于施工工程因素，这可能是由于砂堵引起的。
S2、分析测井数据识别上述影响因素，其中，地层刚度沿井孔变化异常的标识信息为伽马测井曲线局部异常凸起，固井质量不佳的标识信息为固井质量局部异常，施工压力超出许可范围的标识信息为施工压力曲线局部异常凸起。
例如，伽马测井曲线异常凸起的判定依据可为局部伽马值大于200GAPI；固井质量评价结果为差的判定依据可为声幅值高于水泥胶结差的界面、且质量局部评价结果为差。施工压力曲线局部异常凸起的判定依据可为压力曲线激增或骤降的幅度大于10MPa/min、且压力曲线变化的斜率与模拟计算的结果和/或微地震监测结果一致。
S3、根据测井数据分析结果确定压裂诱发套管变形的风险因素，其中，风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰、自然伽马局部异常变化、固井均质性局部异常变化、以及自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠。
S4、通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险程度等级。
其中，如图1所示，对于相同尺寸的套管(例如管径为127mm～146.3mm)，当套管厚度小于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度级别为无，发生套管变形的几率为0；风险因素数量为1时，风险程度级别第一级(或称为中等)，发生套管变形的几率小于等于20％；风险因素数量为2时，风险程度级别为第二级(或称为大)，发生套管变形的几率介于20％～50％；风险数量为3或4时，风险程度级别为第三级(或称为很大)，发生套管变形的几率超过50％。对于相同尺寸的套管(例如管径为127mm～146.3mm)，当套管厚度大于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度级别为无，发生套管变形的几率为0；风险因素数量为1时，风险程度级别为第一级(或称为中等)，发生套管变形的几率小于等于20％；风险因素数量为2或3时，风险程度级别为第二级(或称为大)，发生套管变形的几率介于20％～50％；风险数量为4时，风险程度级别为第三级(或称为很大)，发生套管变形的几率超过50％。相当于，在通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险级别时，在预定的套管尺寸和厚度情况下，风险因素数量越多，压裂诱发套管变形的风险越高。
这里，需要说明的是，当所述套管存在的风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰，且风险因素数量为多个时，可通过优化压裂施工参数能够降低压裂诱发套管变形的风险程度的等级。例如，当目标井的套管厚度小于11mm时，若目标井的套管存在的风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰、自然伽马局部异常变化和固井均质性局部异常变化时，风险因素数量为3个，风险等级为很大(也就是第三级)；当在压裂施工中，通过优化压裂施工参数使套管避免出现压裂施工压力曲线砂堵尖峰后，目标井的套管存在的风险因素包括自然伽马局部异常变化和固井均质性局部异常变化，风险因素数量为2个，风险等级为大(也就是第二级)。也就是说，通过优化压裂施工参数能够降低压裂诱发套管变形的风险程度的等级。
当所述自然伽马局部异常变化的缺陷点和固井均质性局部异常变化的缺陷点位于压裂产生的地层破碎区时，压裂诱发套管变形的风险程度的等级可增加。压裂产生的地层破碎区的位置可通过压裂前的地质资料和/或储层压裂的数值模拟确定。例如，当目标井的套管厚度小于11mm时，若目标井的套管存在的风险因素包括自然伽马局部异常变化，风险因素数量为1个，风险等级为中等(也就是第二级)；但通过数值模拟发现自然伽马缺陷点正好位于压裂导致的地层破碎区(也就是剪切局部化带)时，套管发生变形的几率变大，应当认为风险因素数量为2个，风险等级为大(也就是第三级)。
当自然伽马局部异常变化的缺陷点和固井均质性局部异常变化的缺陷点位于压裂导致的地层破碎区时，实际上就是存在危险因素，而通过降低施工压力和规模能控制局部剪切带范围和降低局部剪切力，从而有利于降低套管变形的风险。
在本实施例中，所述储层压裂的数值模拟可包括以下步骤：
(1)按照“井-震结合”(即测井与地震结合)的技术方法，在地震波数据的基础上，结合单井层位信息，建立目标区块的三维地质模型。
具体地，结合目标区块的构造起伏特征，在三维地震波数据的基础上，可构建目标区块整体的几何形状和网格大小，然后结合目标区块已有井的单井层位信息，可划定目标区块的层位信息，确定储层所在地层和储层之外的其他地层的几何形状和网格大小，获得目标区块的三维地质模型。
这里，建立目标区块的三维地质模型的具体实施方式，可包括：根据三维地震波数据建立地质模型的网格几何尺寸，划分地层并定义各地层的网格单元大小，其中，储层所在地层的网格单元小于其他地层的网格单元。所述储层所在地层的网格单元厚度与所述其他地层的网格单元厚度之比可为1：18～1：30。例如，其他地层的网格单元厚度可为储层所在地层的网格单元厚度的20倍。
(2)根据目标区块内单井的测井数据计算岩石力学参数，针对其他测井数据和岩石力学参数进行单井地质力学分析，获取单井地质分析结果。
所述其他测井数据可包括地层的伽马射线、压缩声波时长和密度。所述岩石力学参数包括杨氏模量、泊松比、内聚力(粘聚力)和内摩擦角。采用经验公式和相关计算原理，根据声波测井数据可计算获得杨氏模量等岩石力学参数。例如，采用下面相关公式(式(1)至式(4))可计算杨氏模量等岩石力学参数。
E＝103ρb·[3(Vs/Vp)2-4]/Vs2[(Vs/Vp)2-1] 式(1)
v＝0.5[(Vs/Vp)2-2]/[(Vs/Vp)2-1] 式(2)
C＝4.69433×107Vp 4ρb[(1+v)/(1-v)](1-2v)(1+0.78Vsh) 式(3)
Figure BDA0003040139100000071
式中，E为杨氏模量，MPa；ρb为岩石密度，g/cm3；Vs为纵波，us/m；Vp为横波，us/m；v为泊松比，无量纲；C为粘聚力，MPa；Vsh为泥质含量，％；
Figure BDA0003040139100000072
为内摩擦角，度。
所述单井地质分析结果可包括利用其他测井数据间接分析获得的地应力结果和利用岩石力学参数直接计算获得的地应力结果。所述利用其他测井数据间接分析获得的地应力结果可包括利用其他测井数据间接分析获得的最大水平主应力、利用其他测井数据间接分析获得的最小水平主应力、利用其他测井数据间接分析获得的垂向主应力、以及利用其他测井数据间接分析获得的地层孔隙压力。所述利用岩石力学参数直接计算获得的地应力分析结果包括利用岩石力学参数直接计算获得的最大水平主应力、利用岩石力学参数直接计算获得的最小水平主应力、利用岩石力学参数直接计算获得的垂向主应力、以及利用岩石力学参数直接计算获得的地层孔隙压力。
(3)综合分析世界应力地图(World Stress Map，WSM)的信息、已有井的单井测量信息、以及目标区块内水平井压裂微地震监测信息，获取目标区块内的最大水平主应力方向角。
这里，所述综合分析世界应力地图的信息、已有井的单井测量信息、以及目标区块内水平井压裂微地震监测信息的具体实施方式，是指：先利用世界应力地图判断目标区块所属区域的最大水平主应力方向角，明确目标区块内最大水平主应力方向角所属的区间范围；然后根据单井测量的信息，判断目标区块内不同构造部位的最大水平主应力方向角所属的区间范围，明确目标区块内最大水平主应力方向角的随地势的变化规律；最后再分析微地震监测信息，并结合微地震监测信息的分析结果验证和修正上述两种信息总结的目标区块内的最大水平主应力方向角的取值，或补充上述两种信息遗漏的某些区域的目标区块内的最大水平主应力方向角的取值。
在本实施例中，所述分析微地震监测信息可包括：将目标区块内水平井的微地震事件点中出现呈单一色彩条状分布的位置判定为同一个压裂段产生的缝网条带，并将缝网条带的方向角判断为该位置的最大水平主应力的方向角；将目标区块内水平井的微地震事件点中出现由多种色彩组成、且事件点分布超出储层范围的彩色条带的位置判定为天然裂缝的位置；将目标区块内水平井的微地震事件点中出现微地震响应点成片状或团状分布的情况判断为该位置的最大水平主应力方向性不明显，最小水平主应力方向和垂向主应力方向接近。
(4)引入三维地质模型，建立目标区块的地应力场有限元模型，并基于单井地质分析结果和已有井在压裂施工期间的微地震实测结果，验证目标区块地应力场的模拟结果，将验证合格的地应力场数值解构建为区块精细地应力场。
具体地，先将步骤(2)中单井地质分析结果获得的三轴地应力主分量、以及步骤(3)中分析获得的最大水平主应力方向角作为模型设置参数输入至步骤(1)中获得的目标区块的三维地质模型，可建立目标区块的地应力场有限元模型；然后进行目标区块的地应力场数值模拟，将地应力场数值模拟结果与已有井在压裂施工期间的微地震实测结果和单井地质分析结果进行对比验证，并调整模型设置参数，将验证合格后的地应力场有限元模型作为能够真实模拟目标区块地应力场的数值模型，其获得目标区块的三维精细地应力场数值解可作为后续压裂及套管变形模拟的输入数据。
例如，所述建立目标区块的地应力场有限元模型的具体实施方式，可包括：地质模型网格采用的单元为三维8节点线性单元。其中，储层所在的地层设为C3D8RP-孔隙压力耦合单元，其他地层设为C3D8R位移单元。其中，C3D8RP和C3D8R是指软件Abaqus中的单元类型，C表示为实体单元，3D表示为三维，8是这个单元所具有的节点数目，R是指这个单元是缩减积分单元，P是指三线孔隙压力。模型载荷设为重力载荷。模型四边和底部的边界条件设为法向位移约束，顶部的边界条件设为自由边界。初始条件输入初始地应力参数和初始孔隙压力参数，其中，初始地应力参数包括三轴地应力主分量(即最大水平主应力、最小水平主应力和垂向主应力)和最大水平主应力方向角。
针对目标区块的每个单井，都可分别输入利用其他测井数据间接分析获得的地应力结果和利用岩石力学参数直接计算获得的地应力结果作为初始地应力参数，进行目标区块地应力场的数值模拟，得到对应的地应力场数值解。然后对比上述两种地应力场数值解与已有井压裂施工的地应力场实际测量值的误差，并将与地应力场实际测量值误差较小的数值解构建为区块精细地应力场，并作为后续压裂及套管变形模拟的输入数据。
例如，可以对比分析两种模拟所得的储层的最大水平主应力方向分布是否符合已有井在压裂施工期间的微地震实测结果、储层所属的应力格式是否符合单井地质力学分析结果、以及储层的地应力场分布规律是否符合已有井在压裂施工期间的微地震实测结果等，将两种模拟中误差更小的地应力分析结果判断为更适合设置为重现实际压裂施工过程的区块地应力场的模拟参数，其得到的地应力场数值解也更适合作为后续压裂及套管变形模拟的输入数据。考虑到模型数值结果主要目的是为了后续的“压裂引起的套管变形预测”，模型参数准备时主要强调了数值解最小主应力结果与实测值接近，即使用了“优先保证数值解的最小主应力结果与实测值最接近、兼顾最大水平主应力方向角数值解与实测值中间值趋势一致”的原则，来保证模型的合理性。
需要说明的是，单井地质力学分析的目的是分析裂缝的延伸走向，由于裂缝始终沿着垂直最小水平主应力的方向延伸，确定地应力的方位即可预测裂缝延伸的方位。不同的井段所处的地质局部构造细节有一定的变化，故适合模拟该直井的地应力分析结果也有所不同。通过将利用其他测井数据间接分析获得的地应力结果和利用岩石力学参数直接计算获得的地应力结果作为初始地应力参数，分别进行目标区块地应力场的数值模拟，能够判断出两组地应力数据的模拟准确性，从而挑选出最适合模拟该直井的地应力场模拟初始输入参数。如此针对寻找目标区块的所有直井，反复寻找最适合设置为重现实际压裂施工过程(即误差最小)的区块地应力场的模拟参数的地应力分析结果，能够提高地应力场模型的整体模拟精度，从而建立精细地应力场，保证后续压裂及套管变形模拟时，模拟的裂缝延伸走向接近真实的裂缝状态。
(5)基于区块精细地应力场，建立地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型，对水平井全水平段的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，得到套管柱在压裂之前的初始应力分布。
具体地：在步骤(4)中的区块的地应力场有限元模型的基础上建立井、水泥环、套管的几何模型，并设置压裂施工的模型数据，获得地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型，并将区块精细地应力场的数值模拟结果作为压裂及套管变形模拟的输入数据。
例如，建立地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型可包括以下内容：先建立井的几何模型，然后设置模型数据，模型数据包括储层厚度分布、水平段测井数据、地应力场分布、设计的压裂施工参数、射孔参数、地层压力系数、地应力参数、岩石力学参数，最后考虑多种材料(包括地层材料、水泥环材料和套管材料)、多种几何形状(包括地层几何形状、水泥环几何形状和套管几何形状)、结构变形和物理渗流两种物理场、流体压力载荷、地应力载荷、重力载荷、弹性力学模型、以及塑性力学模型，建立井的三维有限元模型。
对于预测套管变形的地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的数学模型，它的基础理论模型为金属的塑性加载屈服准则，包括式(5)的特雷斯卡(Tresca)屈服准则和式(6)的米泽斯(von Mises)屈服准则。二者都是基于剪切强度的屈服准则。换句话说，金属材料的塑性变形是剪切塑性变形。
τmax＝K 式(5)
(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2＝2σs 2＝6K2 式(6)
其中，σ1，σ2，σ3为三个主应力，MPa，σs为屈服应力，MPa，K为材料的剪切屈服强度，MPa。
套管的拉伸塑性，宏观看上去是拉伸塑性变形，但微观机理是金属晶体的剪切塑性滑移。基于此，考虑套管所处的环境，认为：压裂施工中，沿水平段轴线，套管周围剪切载荷最大的地方如果存在前述两类缺陷点(例如，伽马异常的缺陷点、固井质量差的缺陷点)，则这些缺陷点发生套管变形的风险很大。这些地方是应该避免落入剪切载荷最大区域。
最终建立的“地质-压裂工程-水泥环-套管一体化”的模型包括了：
1)多种材料、多种几何形状；
2)结构变形和渗流两种物理场；
3)流体压力载荷、地应力载荷、重力载荷；
4)弹性力学本构模型、塑性力学本构模型。
这个复杂模型的力学行为可以用下述式子来概括性表示：
K(u)·u＝F
这里的变量定义为：
K是系统刚度矩阵，代表了模型的材料属性包括弹性本构和塑性本构、以及几何特征；u是运动矢量，包括了模型中各点的位移和孔隙压力；F是载荷矢量，代表了模型中涉及的各种载荷。
(6)对通过单井的目标层段压裂施工后的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，计算压裂引起的地应力场变化，找出对套管施加剪切载荷的位置分布。
具体地，可按照设计的压裂施工参数对所述地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型中的套管柱的目标层段设置模型参数，并进行储层压裂的数值模拟，计算对该目标层段压裂施工后引起的地应力场变化，并找到对套管施加剪切载荷的位置分布。
在本实施例中，所述优化压裂施工参数可包括控制携砂液浓度、提高工作液粘度、阶梯提排量、以及增加低砂浓度100目粉砂用量。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
在本示例中，以威远地区的204H12-5井段为例，进行套管变形(简称“套变”)的风险程度分析。
下面给出了三个影响因素下井204H12-5发生套损(即套管变形)的曲线分析图。其中，图2为套损曲线及伽马测井曲线图，图2的曲线a为最大内径，曲线b为平均内径，曲线c为最小内径。图3为固井质量声幅及评价图，图3的曲线A为管套接箍值，曲线B为井径值，曲线C为自然伽马值。图4为施工压力曲线图，图4中不同符号的曲线代表不同施工井段。
在压裂施工之前，分析井204H12-5的测井数据，判断目标井(井204H12-5)是否存在自然伽马局部异常变化、固井均质性局部异常变化、以及自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠这三个风险因素。
分析目标井204H12-5的伽马测井曲线(如图2所示)发现：井下深度为3100m和3200m处的伽马值突然由70API迅速增加到190API，说明这两点属于伽马曲线异常凸起的位置。也就是说，目标井存在自然伽马局部异常变化这一风险因素。
再分析目标井204H12-5的固井质量及声幅曲线(如图3所示)发现：井下深度3200m之后的深度位置，声幅值出现局部明显变化，即声幅值出现较大的波动起伏，这显示该位置的外界面固井质量均质性差。也就是说，目标井存在固井均质性局部异常变化这一风险因素。
同时再对比图2和图3发现，目标井204H12-5出现固井质量差的位置和出现伽马曲线异常凸起的位置都位于井下深度3200m之后的深度位置。也就是说，目标井存在自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠这一风险因素。
最后在压裂施工过程中，分析目标井204H12-5的施工压力曲线图(如图4所示)发现：施工压力曲线完美，没有出现急剧增长的压力尖峰值。也就是说，目标井不存在压裂施工压力曲线砂堵尖峰这一风险因素。
此外，分析了套管的管柱力学行为，得到了套管柱在安装初期的应力分布，确认了套管初始载荷下是安全的，其应力不是后期压裂期间套管变形的主要影响因素。也就是说，压裂产生的地层破碎区的位置不会增加套管变形的风险程度。
因此，综合上述信息可以认为目标井204H12-5包括自然伽马局部异常变化、固井均质性局部异常变化、以及自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠这三个风险因素，而目标井204H12-5的套管厚度小于11mm，故预测目标井204H12-5的套变风险程度等级为很大，发生套管变形的几率预测为大于50％。
在对目标井204H12-5进行实际生产应用时发现，预测位置的套管柱发生了变形。如图2所示，在井下深度3200m左右的区域，套管的最小内径(即曲线c)、平均内径(即曲线b)和最大内径(即曲线a)出现急剧减小，即井下3200m处为发生套管变形的位置。另外，图3中也可以看出，在井下深度3100m之后的深度位置，井径曲线(即曲线B)由平缓变为上下波动，这说明井下3100m后出现了套管变形。
由此验证了本发明的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法可以在压裂施工前和压裂施工过程中提前预测为压裂诱发套管变形的风险程度和几率。
综上所述，本发明的有益效果和优点包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明能够在压裂施工前预测压裂段套管变形的风险程度；
(2)本发明能够在压裂施工中及时发现套管变形风险征兆和套管变形的风险程度；
(3)本发明可根据风险因素数量定性判断套管变形的风险程度；
(4)通过套管变形风险程度的提前识别，能够及时优化压裂施工参数，降低套管变形几率，最大程度保证压裂施工的顺利进行。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定压裂诱发套管变形的影响因素，其中，影响因素包括地层刚度沿井孔变化异常、固井质量不佳、以及施工压力超出许可范围；
分析测井数据识别上述影响因素，其中，地层刚度沿井孔变化异常的标识信息为伽马测井曲线局部异常凸起，固井质量不佳的标识信息为固井质量局部异常，施工压力超出许可范围的标识信息为施工压力曲线局部异常凸起；
根据测井数据分析结果确定压裂诱发套管变形的风险因素，其中，风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰、自然伽马局部异常变化、固井均质性局部异常变化、以及自然伽马局部异常变化的缺陷点与固井均质性局部异常变化的缺陷点重叠；
通过套管存在的风险因素的数量判断压裂诱发套管变形的风险程度等级，其中，对于相同尺寸的套管，当套管厚度小于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度为无，风险因素数量为1时，风险程度为第一级，风险因素数量为2时，风险程度为第二级，风险数量为3或4时，风险程度为第三级，且第三级高于第二级高于第一级；当套管厚度大于11mm时，风险因素数量为0时，风险程度为无，风险因素数量为1时，风险程度为第一级，风险因素数量为2或3时，风险程度为第二级，风险数量为4时，风险程度为第三级，且第三级高于第二级高于第一级。
2.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述自然伽马局部异常变化的缺陷点和固井均质性局部异常变化的缺陷点位于压裂产生的地层破碎区时，压裂诱发套管变形的风险程度的等级增加。
3.根据权利要求2所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述压裂产生的地层破碎区的位置通过压裂前的地质资料和/或储层压裂的数值模拟确定。
4.根据权利要求3所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述储层压裂的数值模拟包括以下步骤：
按照“井-震结合”的技术方法，在地震波数据的基础上，结合单井层位信息，建立目标区块的三维地质模型；
根据目标区块内单井的测井数据计算岩石力学参数，针对其他测井数据和岩石力学参数进行单井地质力学分析，获取单井地质分析结果；
综合分析世界应力地图的信息、已有井的单井测量信息、以及目标区块内水平井压裂微地震监测信息，获取目标区块内的最大水平主应力方向角；
引入三维地质模型，建立目标区块的地应力场有限元模型，并基于单井地质分析结果和已有井在压裂施工期间的微地震实测结果，验证目标区块地应力场的模拟结果，将验证合格的地应力场数值解构建为区块精细地应力场；
基于区块精细地应力场，建立地质-压裂工程-水泥环-套管一体化的有限元模型，对水平井全水平段的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，得到套管柱在压裂之前的初始应力分布；
对通过储层压裂后的套管柱进行三维有限元变形及应力分析，计算压裂引起的地应力场变化，找出对套管施加剪切载荷的位置分布。
5.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述套管存在的风险因素包括压裂施工压力曲线砂堵尖峰，且风险因素数量为多个时，通过优化压裂施工参数能够降低压裂诱发套管变形的风险程度的等级。
6.根据权利要求5所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述优化压裂施工参数包括控制携砂液浓度、提高工作液粘度、阶梯提排量、以及增加低砂浓度100目粉砂用量。
7.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述伽马测井曲线异常凸起的判定依据为局部伽马值大于200GAPI。
8.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述固井质量局部异常的判定依据为声幅值高于水泥胶结差的界面、且固井质量局部评价结果为差。
9.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述施工压力曲线局部异常凸起的判定依据为压力曲线激增或骤降的幅度大于10MPa/min、且压力曲线不为直线。
10.根据权利要求1所述的基于多因素分析预测压裂诱发套管变形风险程度的方法，其特征在于，所述风险程度为无时，发生套管变形的几率预测为0；所述风险程度为第一级时，发生套管变形的几率预测为小于等于20％；所述风险程度为第二级时，发生套管变形的几率预测为介于20％～50％；所述风险程度为第三级时，发生套管变形的几率预测为大于50％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116011234A (zh) * 2023-01-13 2023-04-25 成都理工大学 一种融合地质力学和贝叶斯的压前套变风险等级判识方法
CN116842815A (zh) * 2023-06-02 2023-10-03 常州大学 一种多诱因动态纳米孔协同变形规律确定方法及系统

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