CN115408956A - 一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，属于海域天然气水合物储层钻井技术领域，包括：水力参数设计；计算水合物储层钻井环空温度和环空压力，计算钻井液侵入后井周物性参数和力学参数；根据APWD测量的实时井底温度和压力数据实时校正温度计算模型、压力计算模型，以及水合物动力学本征分解速率；采用校正后的模型重新计算得到准确的井周物性和力学参数；实时判断是否存在井壁失稳风险，若是则优化钻井水力参数提高井壁稳定性，直至不存在井壁失稳风险。本发明能够实时准确获取井周物性参数和力学参数，为水力参数的实时优化提供参考，有利于提高水合物储层钻井过程中的井壁稳定性和钻进效率。

Description

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法

技术领域

本发明涉及一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，属于海域天然气水合物储层钻井技术领域。

背景技术

天然气水合物被认为是传统化石燃料的潜在接替能源，因其具有清洁、高热值、储量巨大、分布范围广等特点而受到诸多国家持续关注和深入研究。全球天然气水合物潜在储量超过1.5×10¹⁶m³，主要赋存于陆地永久冻土层和海底陆坡的沉积环境中。其中，海域天然气水合物储量约为陆地储量的100倍，具有广阔的开采前景。目前天然气水合物的开采方法主要包括降压法、注热法、注抑制剂法、二氧化碳置换法以及这些方法的组合等，这些方法均需要通过钻井建立开采通道来实现天然气水合物的开采，因此，天然气水合物储层安全高效钻井是其开采的基础。

天然气水合物储层钻井过程中，为保证地层流体不侵入井筒，通常采用过平衡钻井，环空压力高于地层压力且小于地层破裂压力。钻井液在压差作用下侵入井周水合物储层，钻井液侵入后引起井周储层温度、压力及盐度变化，容易导致水合物分解，降低井周储层的力学性质，不利于井壁稳定，甚至引起井壁坍塌、井漏等井下复杂情况。因此，天然气水合物地层钻井过程中对井周物性参数的实时监测有利于指导钻井水力参数的实时优化，提高井壁稳定性和钻井效率，避免井下复杂情况的发生。由于钻井液侵入井周储层后引起水合物分解，井周孔隙压力、温度及盐度重新分布，水合物饱和度下降的同时孔隙度和渗透率等物性参数以及内聚力等力学参数也发生动态变化，这给井周物性和力学参数的实时准确监测带来了极大挑战。目前缺乏一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，尤其是缺少能够同时获取井周物性和力学参数的方法，这是制约天然气水合物储层安全高效钻井的技术难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，能够实时准确获取井周物性参数和力学参数，为水力参数的实时优化提供参考，有利于提高水合物储层钻井过程中的井壁稳定性和钻进效率。

术语说明：

APWD：随钻环空压力测量工具，全称Annular Pressure Measurement WhileDrilling。

井壁屈服坍塌压力：井周水合物分解引起井壁坍塌的临界压力。

本发明采用以下技术方案：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，包括如下步骤：

(1)水力参数设计：根据目标天然气水合物藏的地质和储层数据，设计水力参数进行水合物储层钻井，水力参数包括钻井液密度、钻井液入口温度、排量等；

(2)井筒-储层耦合计算：根据步骤(1)中的水力参数计算水合物储层钻井环空温度和环空压力，以环空压力与地层孔隙压力差为钻井液侵入动力，计算钻井液侵入后井周物性参数和力学参数，井周物性参数包括水合物饱和度、孔隙度、渗透率等，力学参数包括内聚力、杨氏模量、井壁屈服坍塌压力等；

(3)模型校正：首先根据APWD测量的实时井底温度和压力数据对温度计算模型和压力计算模型进行实时校正；然后根据环空出口处实时监测的总水合物分解气流量和岩屑体积分数，校正水合物动力学本征分解速率；

(4)井周物性参数和力学参数实时获取：采用校正后的模型重新根据步骤(2)计算得到准确的井周物性和力学参数；

(5)井壁失稳风险判断：按照初始设计的水力参数持续循环钻进，通过井周物性参数和力学参数实时判断是否存在井壁失稳风险，若是，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性，然后按照优化后的水力参数重复步骤(2)(3)和(4)，直至不存在井壁失稳风险。

本发明是在水合物地层钻井过程中通过实测数据校正计算模型来实时获取准确的井周物性和力学参数，同时判断是否存在井壁屈服坍塌风险；实测井底和井口数据是实时获取的，根据实测数据校正计算模型并获取井周物性和力学参数也是实时进行的，最终钻井完成后会得到整个地层段井周剖面的物性和力学参数；同时对井壁失稳风险的预测也是实时进行的，如果判断井壁不存在坍塌风险则不需要进行水力参数优化，当模型预测到井壁存在屈服坍塌风险时,会进行水力参数优化。

本发明适用于多种水合物地层钻井工况：有隔水管钻井和无隔水管，直井和水平井钻井均适用。

优选的，步骤(1)中水力参数的设计需要满足以下关系：

1)钻井液当量密度

ρ_p＜ρ_l＜ρ_f (1)

式中，ρ_p为地层孔隙压力当量密度，kg/m³；ρ_l为井底钻井液当量密度，kg/m³；ρ_f为地层破裂压力当量密度，kg/m³；

ρ_l为井底钻井液当量密度，即整个井筒环空的钻井液静液柱压力+环空压耗除以垂深和重力加速度后折算成的井底当量密度；

ρ_l＝ρ_m+ρ_pa＝ρ_zgE_m+ρ_gE_g+ρ_sE_s+ρ_pa，式中，ρ_zg为钻杆内的钻井液密度，即步骤(1)中从井口钻杆注入的钻井液密度，kg/m³，可以根据ρ_l范围确定ρ_zg的范围；ρ_pa为环空压耗当量密度，kg/m³；ρ_m为套管段环空或裸眼段环空钻井液密度，kg/m³；E_g为环空气相体积分数，无因次；E_m为环空液相体积分数，无因次；E_s为环空固相体积分数，无因次；ρ_s为环空固相密度，kg/m³；ρ_g为环空气相密度，kg/m³；

2)钻井液排量

Q_min＜Q＜Q_max (2)

式中，Q为钻井液排量，m³/s；Q_min为最小钻井液排量，m³/s；Q_max为最大钻井液排量，m³/s；

其中，最小钻井液排量主要受携岩影响，最小钻井液排量计算公式为：

式中，d_w为井眼直径，m；d_po为钻杆外径，m；v_a为钻井液环空返速，m/s；

最大钻井液返速取决于地层破裂压力和额定泵压：

Q_max＝min(Q_pmax,Q_rmax) (4)

式中，Q_pmax为地层破裂压力允许的最大排量，m³/s；Q_rmax为额定泵压允许的最大排量，m³/s；

3)钻井液入口温度

钻井液经钻杆循环到水合物储层的温度应小于水合物的相平衡温度：

T_jd＜T_e (5)

式中，T_jd为钻井液循环到井底的温度，K；T_e为水合物储层的相平衡温度，K；P_e为水合物相平衡压力，Pa；T_a为环空中某点的温度，K；P_a为环空中某点的压力，Pa；

水合物的相平衡由温度和压力决定，通过公式(6)可以已知环空中某一点的压力求该压力对应的相平衡温度，也可以已知环空中某一点的温度求该温度对应的相平衡压力；

依据钻井液循环到井底的温度T_jd可通过式(7)、(8)的温度计算模型确定钻井液入口温度T_in(公式(7)、(8)联立求解可得到T_a和T_p，T_a代表井筒环空温度曲线，T_p代表钻杆温度曲线，两条曲线在井底处相等，为T_jd；在井口处不相等，T_p在井口处对应的是钻杆顶部入口，即注入钻井液的地方，该处温度为T_in；T_p在井口对应的是环空顶部出口，即钻井液上返到环空出口的温度，经过钻杆向井底输送过程以及从环空向上返出过程中传热作用导致不同位置处的温度不同)，T_co≤T_in≤T_en，T_co为钻井平台储液罐冷却系统所能提供的最低温度，K；T_en为环境温度，K；

钻杆内温度计算模型和环空温度计算模型分别为：

式中，c_m为钻井液比热容，J/(kg·K)；r_pi为钻杆内径，m；ρ_zg为钻井液密度，kg/m³；T_a为环空温度或海水温度，K；T_p为钻杆内某个深度处的钻井液温度，K；v_m为钻井液在钻杆内流速，m/s；U_p为钻杆内总换热系数，W/(m·K)；A_p为钻杆内部截面积，m²；t为时间，s；z为距井底距离，m；ρ_m为环空钻井液密度，kg/m³；A_a为环空截面积，m²；U_a为环空内总换热系数，W/(m·K)；T_f为地层温度，K；r_a为环空半径，m；m_h为水合物分解速率，kg/s；Δh为水合物分解热，kJ/mol；v_a为环空液相流速，m/s；M_h为水合物的摩尔质量，kg/mol；

水合物岩屑分解速率计算公式为：

m_g＝k_dM_gA_s(P_e-P_a) (9)

式中，m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；m_w为水的生成速率，kg/s；k_d为水合物动力学本征分解速率，mol/(m²·Pa·s)；A_s为水合物分解表面积，m²；P_a为环空压力，Pa；P_e为相平衡压力，Pa；M_g为气体摩尔质量，kg/mol；M_w为水的摩尔质量，kg/mol；N_h为水合物数，取6.0，无量纲；

环空压力计算模型为：

式中，l为环空内某一点距井底的距离，m；v_a为环空液相流速，m/s；θ为井斜角，°；P_a为环空压力，Pa；d_e为环空当量直径，m；f为摩阻系数，无因次；g为重力加速度，m/s²；

优选的，步骤(2)中，井筒-储层耦合计算过程中，钻井液侵入动力计算：

ΔP_in＝P_a-P_p (13)

式中，ΔP_in为环空中某点钻井液侵入动力，Pa；P_p为某点处地层孔隙压力，Pa；P_a为某点环空压力，Pa；

为孔隙液相流速，m/s；

为孔隙气相流速，m/s；K₀为储层初始渗透率，μm²；μ_w为水相黏度，mPa·s；μ_g为气相黏度，mPa·s；L_w为水相流动距离，nm；L_g为气相流动距离，nm；

钻井液侵入后储层内温度场计算公式为：

式中，ρ_s为储层骨架密度，kg/m³；C_ps为储层骨架比热，J/(kg·K)；C_ph为水合物相比热，J/(kg·K)；C_pg为气相比热，J/(kg·K)；C_pw为液相比热，J/(kg·K)；k_c为有效传热系数，无因次；Δh为水合物分解热，J/kg；T为储层温度，K；ρ_h为水合物密度，kg/m³；t为时间，s；

为哈密顿算子；φ_f为地层孔隙度，无因次；s_h为水合物相饱和度，无因次；s_g为孔隙气相饱和度，无因次；s_w为孔隙液相饱和度，无因次；ρ_g为气相密度，kg/m³；ρ_w为液相密度，kg/m³；

井周水合物分解后，形成气水两相渗流，需要根据质量守恒计算井周储层气相、水相和水合物相的饱和度分布：

式中，m_w为水的生成速率，kg/s；m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；q_w为液相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；q_g为气相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；

由公式17、18、19计算得到孔隙液相饱和度s_w、孔隙气相饱和度s_g和水合物相饱和度s_h；

由于井周储层有效孔隙度和渗透率的动态变化均由水合物相变分解引起，根据公式(17)至公式(19)计算得到的钻井液侵入后井周水合物饱和度分布，可以得到井周孔隙度和渗透率分布：

式中，φ_e为钻井液侵入后储层动态孔隙度，无因次；φ₀为储层初始孔隙度，无因次；σ_e为储层有效应力，Pa；b、c均为系数，b＝1.1627,c＝-0.0141；K_e为钻井液侵入后储层动态渗透率，μm²；K₀为储层初始渗透率，μm²；m为渗透率衰减指数，无因次，取7.0；n、w均为孔渗关联指数，无因次，n＝5.0,w＝2.0；

井周储层内聚力、杨氏模量和井壁屈服坍塌压力等力学参数的动态变化与水合物饱和度关系密切，计算公式分别为：

式中，C为储层骨架内聚力，Pa；

为不含水合物时的内聚力，Pa；x、y均为内聚力与水合物饱和度的关联系数，x单位为Pa，y无量纲，x＝1.10、y＝1.97；E为储层骨架杨氏模量，Pa；

为不含水合物时的杨氏模量，Pa；k为杨氏模量与水合物饱和度的关联系数，无因次，k＝1.1983；P_t为井壁屈服坍塌压力，Pa；η为应力非线性修正系数，无因次，通常取0.95；α为比奥系数，无因次，取值范围为0～1；σ₁为最大主应力，Pa；σ₃为最小主应力，Pa；

为内摩擦角，°。

优选的，步骤(3)中，对温度计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底温度T_hk与理论模型计算得到的环空井底温度T_jd进行对比，校正温度计算模型中钻杆内总换热系数U_p和环空内总换热系数U_a，使理论模型计算得到的环空井底温度T_jd与实测环空井底温度T_hk一致；

通过温度计算模型，即公式(7)、(8)计算井底温度是一个正算过程，即已知U_p、U_a计算井底温度T_jd；而校正的过程是一个反算的过程，已知实测井底温度T_hk计算U_p、U_a，修正后仅U_p、U_a两个参数发生变化。

优选的，步骤(3)中，对压力计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底压力P_hk与理论模型计算得到的环空井底压力P_jd进行对比，校正压力计算模型中的摩阻系数f，使理论模型计算得到的环空压力P_jd与实测环空井底压力P_jd一致；

通过压力计算模型，即公式(12)计算环空井底压力是一个正算过程，即已知f计算井底温度P_jd；而校正的过程是一个反算的过程，已知实测井底温度P_jd计算f，修正后仅f一个参数发生变化。

优选的，步骤(3)中，校正水合物动力学本征分解速率的过程为：

首先将环空出口处实时监测得到的水合物分解气流量Q_g(Q_g可通过设置在环空出口的气体流量计测得)转换成标况下的流量，随后根据环空出口实时监测得到的岩屑体积分数E_s(E_s可通过钻井平台上的固液分离装置测得，原理是固液分离装置能够计量进入和流出的液体的流量，分离出的固相留在装置中，属于现有技术)计算水合物岩屑分解气流量Q_g1并转换成标况下的流量，将标况下的总分解气流量Q_g减去标况下水合物岩屑分解气流量Q_g1就能得到标况下井周水合物分解气流量Q_g2，即Q_g2＝Q_g-Q_g1，最后将Q_g2与模型计算得到的井周水合物分解气流量

进行比较，其中

根据公式(26)计算得到，如果

与Q_g2相等则不需要校正，如果

与Q_g2不相等则采用Q_g2替换

校正，校正水合物动力学本征分解速率k_d，根据Q_g2校正水合物动力学本征分解速率k_d，井壁处的水合物分解速率m_g＝Q_g2ρ_g，与公式(9)联合校正水合物动力学本征分解速率k_d，校正后

水合物岩屑分解气流量Q_g1在标况下的体积流量计算公式为：

Q_g1＝164×A_av_aφ_fs_hE_s (25)

式中，E_s为岩屑体积分数，无因次。

井周水合物分解气流量

在标况下的体积流量计算公式为：

式中，A_z为井周储层水合物分解的总表面积，m²；s_h0为井周储层初始水合物饱和度，无因次；v_g为气相流速，m/s。

需要说明是：本发明计算模型参数校正前的作用所起到的都是预测功能，参数校正后用于计算准确的井周物性和力学参数；即利用初始设计的水力参数预测初始钻进第一段Δz(计算时通常每段取1m或2m)时的井周物性和力学参数，当钻进完第一段Δz距离后，利用实测的这一段数据校正模型中的参数，再利用校正后的模型重新计算第一段的井周物性和力学参数；然后利用校正后的模型预测第二段Δz的井周物性和力学参数并判断井壁是否存在屈服坍塌风险以及是否需要优化水力参数；完成第二段Δz钻进后再用第二段实测数据校正模型参数并重新计算第二段的井周物性和力学参数；再重复上述过程直至钻井完成。

优选的，步骤(4)中采用校正后模型得到的计算结果能够准确反映井周物性和力学特性变化。校正后的参数为钻杆内总换热系数U_p和环空内总换热系数U_a、摩阻系数f、水合物动力学本征分解速率k_d，代入公式(17)、(18)、(19)中得到饱和度，代入公式(20)、(21)得到孔隙度和渗透率，代入公式(22)、(23)、(24)得到内聚力、杨氏模量和井壁屈服坍塌压力。

优选的，步骤(5)中，井壁失稳风险判断主要根据井壁屈服坍塌压力P_t与环空井底压力P_jd，P_jd可根据公式(12)计算得到，公式(12)中P_a为差分循环迭代计算后得到的整个环空的压力剖面，P_jd是环空井底处的压力，判断是否存在井壁失稳风险的过程为：

当P_t≤P_jd时，井壁不存在屈服坍塌风险，按照原来水力参数钻进。

当P_t＞P_jd时，井壁存在屈服坍塌风险，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性。

当P_t＞P_jd表明存在井壁失稳风险，此时根据公式(1)优化钻井液密度，根据公式(2)优化钻井液排量，根据公式(5)优化钻井液入口温度，具体优化过程为：

首先将钻井液入口温度降低ΔT，降低后的钻井液入口温度为T_in-ΔT，根据公式(7)和(8)计算钻井液入口温度降低后的井底温度T_jdnew，随后根据T_jdnew和公式(9)、(10)、(16)计算该温度下的井周水合物分解速率，再根据公式(19)和(22)计算温度变化后的水合物饱和度和内聚力，最后根据公式(24)计算出最新的井壁屈服坍塌压力P_tnew，比较此时是否满足P_tnew≤P_jd，若满足则水力参数优化结束；若不满足则在钻井液入口温度为T_in-ΔT的基础上再次降低钻井液入口温度ΔT，重复上述计算过程，直至满足P_tnew≤P_jd；

当钻井液入口温度调至最小时仍不能达到P_tnew≤P_jd，则在最小钻井液温度基础上同时调节钻井液排量和密度，将钻井液密度和排量分别增加Δρ和ΔQ，并通过公式(12)计算钻井液密度和排量增加后的井底压力P_jdnew，若P_jdnew≥P_tnew，则水力参数优化结束；若钻井液密度和排量均达到最大后仍不能满足P_jdnew≥P_t，则水力参数优化结束，无法完全避免井壁坍塌，只能按照优化后的参数继续钻进，使井壁坍塌量最小。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过实时监测井底温度、压力、井口气流量和岩屑体积分数的方法能够实时获取水合物地层井周储层物性参数和力学参数，避免了使用井下复杂设备和仪器对井周物性参数和力学参数的获取，降低了钻井成本。

2、本发明能够在正常循环钻井的同时实时获取井周物性和力学参数，并能够实时判断井壁稳定性，通过调控钻井水力参数可以有效避免井壁失稳垮塌等严重钻井事故，为水合物地层安全高效钻井提供了技术保障。

3、本发明适应性强，有隔水管水合物地层钻井、无隔水管水合物地层钻井以及水合物地层直井钻井、水平井钻井均适用。

4、本发明获取得到的井周水合物储层孔隙度、渗透率等参数可以为后续水合物储层改造作业提供参考，若钻井后井周孔隙度和渗透率较低，则后续需要采取储层改造作业；若钻井后井周孔隙度和渗透率较高，则不需要采取储层改造作业。

附图说明

图1是本发明的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法流程图。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)水力参数设计：根据目标天然气水合物藏的地质和储层数据，设计水力参数进行水合物储层钻井，水力参数包括钻井液密度、钻井液入口温度、排量等；

(2)井筒-储层耦合计算：根据步骤(1)中的水力参数计算水合物储层钻井环空温度和环空压力，以环空压力与地层孔隙压力差为钻井液侵入动力，计算钻井液侵入后井周物性参数和力学参数，井周物性参数包括水合物饱和度、孔隙度、渗透率等，力学参数包括内聚力、杨氏模量、井壁屈服坍塌压力等；

(3)模型校正：首先根据APWD测量的实时井底温度和压力数据对温度计算模型和压力计算模型进行实时校正；然后根据环空出口处实时监测的总水合物分解气流量和岩屑体积分数，校正水合物动力学本征分解速率；

(4)井周物性参数和力学参数实时获取：采用校正后的模型重新根据步骤(2)计算得到准确的井周物性和力学参数；

(5)井壁失稳风险判断：按照初始设计的水力参数持续循环钻进，通过井周物性参数和力学参数实时判断是否存在井壁失稳风险，若是，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性，然后按照优化后的水力参数重复步骤(2)(3)和(4)，直至不存在井壁失稳风险。

实施例2：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中水力参数的设计需要满足以下关系：

1)钻井液当量密度

ρ_p＜ρ_l＜ρ_f (1)

式中，ρ_p为地层孔隙压力当量密度，kg/m³；ρ_l为井底钻井液当量密度，kg/m³；ρ_f为地层破裂压力当量密度，kg/m³；

ρ_l为井底钻井液当量密度，即整个井筒环空的钻井液静液柱压力+环空压耗除以垂深和重力加速度后折算成的井底当量密度；

ρ_l＝ρ_m+ρ_pa＝ρ_zgE_m+ρ_gE_g+ρ_sE_s+ρ_pa，式中，ρ_zg为钻杆内的钻井液密度，即步骤(1)中从井口钻杆注入的钻井液密度，kg/m³，可以根据ρ_l范围确定ρ_zg的范围；ρ_pa为环空压耗当量密度，kg/m³；ρ_m为套管段环空或裸眼段环空钻井液密度，kg/m³；E_g为环空气相体积分数，无因次；E_m为环空液相体积分数，无因次；E_s为环空固相体积分数，无因次；ρ_s为环空固相密度，kg/m³；ρ_g为环空气相密度，kg/m³；

2)钻井液排量

Q_min＜Q＜Q_max (2)

式中，Q为钻井液排量，m³/s；Q_min为最小钻井液排量，m³/s；Q_max为最大钻井液排量，m³/s；

其中，最小钻井液排量主要受携岩影响，最小钻井液排量计算公式为：

式中，d_w为井眼直径，m；d_po为钻杆外径，m；v_a为钻井液环空返速，m/s；

最大钻井液返速取决于地层破裂压力和额定泵压：

Q_max＝min(Q_pmax,Q_rmax) (4)

式中，Q_pmax为地层破裂压力允许的最大排量，m³/s；Q_rmax为额定泵压允许的最大排量，m³/s；

3)钻井液入口温度

钻井液经钻杆循环到水合物储层的温度应小于水合物的相平衡温度：

T_jd＜T_e (5)

式中，T_jd为钻井液循环到井底的温度，K；T_e为水合物储层的相平衡温度，K；P_e为水合物相平衡压力，Pa；T_a为环空中某点的温度，K；P_a为环空中某点的压力，Pa；

水合物的相平衡由温度和压力决定，通过公式(6)可以已知环空中某一点的压力求该压力对应的相平衡温度，也可以已知环空中某一点的温度求该温度对应的相平衡压力；

依据钻井液循环到井底的温度T_jd可通过式(7)、(8)的温度计算模型确定钻井液入口温度T_in(公式(7)、(8)联立求解可得到T_a和T_p，T_a代表井筒环空温度曲线，T_p代表钻杆温度曲线，两条曲线在井底处相等，为T_jd；在井口处不相等，T_p在井口处对应的是钻杆顶部入口，即注入钻井液的地方，该处温度为T_in；T_p在井口对应的是环空顶部出口，即钻井液上返到环空出口的温度，经过钻杆向井底输送过程以及从环空向上返出过程中传热作用导致不同位置处的温度不同)，T_co≤T_in≤T_en，T_co为钻井平台储液罐冷却系统所能提供的最低温度，K；T_en为环境温度，K；

钻杆内温度计算模型和环空温度计算模型分别为：

式中，c_m为钻井液比热容，J/(kg·K)；r_pi为钻杆内径，m；ρ_zg为钻井液密度，kg/m³；T_a为环空温度或海水温度，K；T_p为钻杆内某个深度处的钻井液温度，K；v_m为钻井液在钻杆内流速，m/s；U_p为钻杆内总换热系数，W/(m·K)；A_p为钻杆内部截面积，m²；t为时间，s；z为距井底距离，m；ρ_m为环空钻井液密度，kg/m³；A_a为环空截面积，m²；U_a为环空内总换热系数，W/(m·K)；T_f为地层温度，K；r_a为环空半径，m；m_h为水合物分解速率，kg/s；Δh为水合物分解热，kJ/mol；v_a为环空液相流速，m/s；M_h为水合物的摩尔质量，kg/mol；

水合物岩屑分解速率计算公式为：

m_g＝k_dM_gA_s(P_e-P_a) (9)

式中，m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；m_w为水的生成速率，kg/s；k_d为水合物动力学本征分解速率，mol/(m²·Pa·s)；A_s为水合物分解表面积，m²；P_a为环空压力，Pa；P_e为相平衡压力，Pa；M_g为气体摩尔质量，kg/mol；M_w为水的摩尔质量，kg/mol；N_h为水合物数，取6.0，无量纲；

环空压力计算模型为：

式中，l为环空内某一点距井底的距离，m；v_a为环空液相流速，m/s；θ为井斜角，°；P_a为环空压力，Pa；d_e为环空当量直径，m；f为摩阻系数，无因次；g为重力加速度，m/s²。

实施例3：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，如实施例2所述，所不同的是，步骤(2)中，井筒-储层耦合计算过程中，钻井液侵入动力计算：

ΔP_in＝P_a-P_p (13)

式中，ΔP_in为环空中某点钻井液侵入动力，Pa；P_p为某点处地层孔隙压力，Pa；P_a为某点环空压力，Pa；

为孔隙液相流速，m/s；

为孔隙气相流速，m/s；K₀为储层初始渗透率，μm²；μ_w为水相黏度，mPa·s；μ_g为气相黏度，mPa·s；L_w为水相流动距离，nm；L_g为气相流动距离，nm；

钻井液侵入后储层内温度场计算公式为：

式中，ρ_s为储层骨架密度，kg/m³；C_ps为储层骨架比热，J/(kg·K)；C_ph为水合物相比热，J/(kg·K)；C_pg为气相比热，J/(kg·K)；C_pw为液相比热，J/(kg·K)；k_c为有效传热系数，无因次；Δh为水合物分解热，J/kg；T为储层温度，K；ρ_h为水合物密度，kg/m³；t为时间，s；

为哈密顿算子；φ_f为地层孔隙度，无因次；s_h为水合物相饱和度，无因次；s_g为孔隙气相饱和度，无因次；s_w为孔隙液相饱和度，无因次；ρ_g为气相密度，kg/m³；ρ_w为液相密度，kg/m³；

井周水合物分解后，形成气水两相渗流，需要根据质量守恒计算井周储层气相、水相和水合物相的饱和度分布：

式中，m_w为水的生成速率，kg/s；m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；q_w为液相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；q_g为气相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；

由公式17、18、19计算得到孔隙液相饱和度s_w、孔隙气相饱和度s_g和水合物相饱和度s_h；

由于井周储层有效孔隙度和渗透率的动态变化均由水合物相变分解引起，根据公式(17)至公式(19)计算得到的钻井液侵入后井周水合物饱和度分布，可以得到井周孔隙度和渗透率分布：

式中，φ_e为钻井液侵入后储层动态孔隙度，无因次；φ₀为储层初始孔隙度，无因次；σ_e为储层有效应力，Pa；b、c均为系数，b＝1.1627,c＝-0.0141；K_e为钻井液侵入后储层动态渗透率，μm²；K₀为储层初始渗透率，μm²；m为渗透率衰减指数，无因次，取7.0；n、w均为孔渗关联指数，无因次，n＝5.0,w＝2.0；

井周储层内聚力、杨氏模量和井壁屈服坍塌压力等力学参数的动态变化与水合物饱和度关系密切，计算公式分别为：

式中，C为储层骨架内聚力，Pa；

为不含水合物时的内聚力，Pa；x、y均为内聚力与水合物饱和度的关联系数，x单位为Pa，y无量纲，x＝1.10、y＝1.97；E为储层骨架杨氏模量，Pa；

为不含水合物时的杨氏模量，Pa；k为杨氏模量与水合物饱和度的关联系数，无因次，k＝1.1983；P_t为井壁屈服坍塌压力，Pa；η为应力非线性修正系数，无因次，通常取0.95；α为比奥系数，无因次，取值范围为0～1；σ₁为最大主应力，Pa；σ₃为最小主应力，Pa；

为内摩擦角，°。

实施例4：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，如实施例3所述，所不同的是，步骤(3)中，对温度计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底温度T_hk与理论模型计算得到的环空井底温度T_jd进行对比，校正温度计算模型中钻杆内总换热系数U_p和环空内总换热系数U_a，使理论模型计算得到的环空井底温度T_jd与实测环空井底温度T_hk一致；

通过温度计算模型，即公式(7)、(8)计算井底温度是一个正算过程，即已知U_p、U_a计算井底温度T_jd；而校正的过程是一个反算的过程，已知实测井底温度T_hk计算U_p、U_a，修正后仅U_p、U_a两个参数发生变化。

对压力计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底压力P_hk与理论模型计算得到的环空井底压力P_jd进行对比，校正压力计算模型中的摩阻系数f，使理论模型计算得到的环空压力P_jd与实测环空井底压力P_jd一致；

通过压力计算模型，即公式(12)计算环空井底压力是一个正算过程，即已知f计算井底温度P_jd；而校正的过程是一个反算的过程，已知实测井底温度P_jd计算f，修正后仅f一个参数发生变化。

校正水合物动力学本征分解速率的过程为：

首先将环空出口处实时监测得到的水合物分解气流量Q_g(Q_g可通过设置在环空出口的气体流量计测得)转换成标况下的流量，随后根据环空出口实时监测得到的岩屑体积分数E_s(E_s可通过钻井平台上的固液分离装置测得，原理是固液分离装置能够计量进入和流出的液体的流量，分离出的固相留在装置中，属于现有技术)计算水合物岩屑分解气流量Q_g1并转换成标况下的流量，将标况下的总分解气流量Q_g减去标况下水合物岩屑分解气流量Q_g1就能得到标况下井周水合物分解气流量Q_g2，即Q_g2＝Q_g-Q_g1，最后将Q_g2与模型计算得到的井周水合物分解气流量

进行比较，其中

根据公式(26)计算得到，如果

与Q_g2相等则不需要校正，如果

与Q_g2不相等则采用Q_g2替换

校正，校正水合物动力学本征分解速率k_d，根据Q_g2校正水合物动力学本征分解速率k_d，井壁处的水合物分解速率m_g＝Q_g2ρ_g，与公式(9)联合校正水合物动力学本征分解速率k_d，校正后

水合物岩屑分解气流量Q_g1在标况下的体积流量计算公式为：

Q_g1＝164×A_av_aφ_fs_hE_s (25)

式中，E_s为岩屑体积分数，无因次。

井周水合物分解气流量

在标况下的体积流量计算公式为：

式中，A_z为井周储层水合物分解的总表面积，m²；s_h0为井周储层初始水合物饱和度，无因次；v_g为气相流速，m/s。

需要说明是：本发明计算模型参数校正前的作用所起到的都是预测功能，参数校正后用于计算准确的井周物性和力学参数；即利用初始设计的水力参数预测初始钻进第一段Δz(计算时通常每段取1m或2m)时的井周物性和力学参数，当钻进完第一段Δz距离后，利用实测的这一段数据校正模型中的参数，再利用校正后的模型重新计算第一段的井周物性和力学参数；然后利用校正后的模型预测第二段Δz的井周物性和力学参数并判断井壁是否存在屈服坍塌风险以及是否需要优化水力参数；完成第二段Δz钻进后再用第二段实测数据校正模型参数并重新计算第二段的井周物性和力学参数；再重复上述过程直至钻井完成。

实施例5：

一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，如实施例4所述，所不同的是，步骤(5)中，井壁失稳风险判断主要根据井壁屈服坍塌压力P_t与环空井底压力P_jd，P_jd可根据公式(12)计算得到，公式(12)中P_a为差分循环迭代计算后得到的整个环空的压力剖面，P_jd是环空井底处的压力，判断是否存在井壁失稳风险的过程为：

当P_t≤P_jd时，井壁不存在屈服坍塌风险，按照原来水力参数钻进。

当P_t＞P_jd时，井壁存在屈服坍塌风险，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性。

当P_t＞P_jd表明存在井壁失稳风险，此时根据公式(1)优化钻井液密度，根据公式(2)优化钻井液排量，根据公式(5)优化钻井液入口温度，具体优化过程为：

首先将钻井液入口温度降低ΔT，降低后的钻井液入口温度为T_in-ΔT，根据公式(7)和(8)计算钻井液入口温度降低后的井底温度T_jdnew，随后根据T_jdnew和公式(9)、(10)、(16)计算该温度下的井周水合物分解速率，再根据公式(19)和(22)计算温度变化后的水合物饱和度和内聚力，最后根据公式(24)计算出最新的井壁屈服坍塌压力P_tnew，比较此时是否满足P_tnew≤P_jd，若满足则水力参数优化结束；若不满足则在钻井液入口温度为T_in-ΔT的基础上再次降低钻井液入口温度ΔT，重复上述计算过程，直至满足P_tnew≤P_jd；

当钻井液入口温度调至最小时仍不能达到P_tnew≤P_jd，则在最小钻井液温度基础上同时调节钻井液排量和密度，将钻井液密度和排量分别增加Δρ和ΔQ，并通过公式(12)计算钻井液密度和排量增加后的井底压力P_jdnew，若P_jdnew≥P_tnew，则水力参数优化结束；若钻井液密度和排量均达到最大后仍不能满足P_jdnew≥P_t，则水力参数优化结束，无法完全避免井壁坍塌，只能按照优化后的参数继续钻进，使井壁坍塌量最小。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)水力参数设计：根据目标天然气水合物藏的地质和储层数据，设计水力参数进行水合物储层钻井，水力参数包括钻井液密度、钻井液入口温度、排量；

(2)井筒-储层耦合计算：根据步骤(1)中的水力参数计算水合物储层钻井环空温度和环空压力，以环空压力与地层孔隙压力差为钻井液侵入动力，计算钻井液侵入后井周物性参数和力学参数，井周物性参数包括水合物饱和度、孔隙度、渗透率，力学参数包括内聚力、杨氏模量、井壁屈服坍塌压力；

(3)模型校正：首先根据APWD测量的实时井底温度和压力数据对温度计算模型和压力计算模型进行实时校正；然后根据环空出口处实时监测的总水合物分解气流量和岩屑体积分数，校正水合物动力学本征分解速率；

(4)井周物性参数和力学参数实时获取：采用校正后的模型重新根据步骤(2)计算得到准确的井周物性和力学参数；

(5)井壁失稳风险判断：按照初始设计的水力参数持续循环钻进，通过井周物性参数和力学参数实时判断是否存在井壁失稳风险，若是，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性，然后按照优化后的水力参数重复步骤(2)(3)和(4)，直至不存在井壁失稳风险。

2.根据权利要求1所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(1)中水力参数的设计满足以下关系：

1)钻井液当量密度

ρ_p＜ρ_l＜ρ_f (1)

式中，ρ_p为地层孔隙压力当量密度，kg/m³；ρ_l为井底钻井液当量密度，kg/m³；ρ_f为地层破裂压力当量密度，kg/m³；

ρ_l＝ρ_m+ρ_pa＝ρ_zgE_m+ρ_gE_g+ρ_sE_s+ρ_pa，式中，ρ_zg为钻杆内的钻井液密度，即步骤(1)中从井口钻杆注入的钻井液密度，kg/m³，根据ρ_l范围确定ρ_zg的范围；ρ_pa为环空压耗当量密度，kg/m³；ρ_m为套管段环空或裸眼段环空钻井液密度，kg/m³；E_g为环空气相体积分数，无因次；E_m为环空液相体积分数，无因次；E_s为环空固相体积分数，无因次；ρ_s为环空固相密度，kg/m³；ρ_g为环空气相密度，kg/m³；

2)钻井液排量

Q_min＜Q＜Q_max (2)

式中，Q为钻井液排量，m³/s；Q_min为最小钻井液排量，m³/s；Q_max为最大钻井液排量，m³/s；

其中，最小钻井液排量受携岩影响，最小钻井液排量计算公式为：

式中，d_w为井眼直径，m；d_po为钻杆外径，m；v_a为钻井液环空返速，m/s；

最大钻井液返速取决于地层破裂压力和额定泵压：

Q_max＝min(Q_pmax,Q_rmax) (4)

式中，Q_pmax为地层破裂压力允许的最大排量，m³/s；Q_rmax为额定泵压允许的最大排量，m³/s；

3)钻井液入口温度

钻井液经钻杆循环到水合物储层的温度应小于水合物的相平衡温度：

T_jd＜T_e (5)

式中，T_jd为钻井液循环到井底的温度，K；T_e为水合物储层的相平衡温度，K；P_e为水合物相平衡压力，Pa；T_a为环空中某点的温度，K；P_a为环空中某点的压力，Pa；

依据钻井液循环到井底的温度T_jd通过式(7)、(8)的温度计算模型确定钻井液入口温度T_in，T_co≤T_in≤T_en，T_co为钻井平台储液罐冷却系统所能提供的最低温度，K；T_en为环境温度，K；

钻杆内温度计算模型和环空温度计算模型分别为：

式中，c_m为钻井液比热容，J/(kg·K)；r_pi为钻杆内径，m；ρ_zg为钻井液密度，kg/m³；T_a为环空温度或海水温度，K；T_p为钻杆内某个深度处的钻井液温度，K；v_m为钻井液在钻杆内流速，m/s；U_p为钻杆内总换热系数，W/(m·K)；A_p为钻杆内部截面积，m²；t为时间，s；z为距井底距离，m；ρ_m为环空钻井液密度，kg/m³；A_a为环空截面积，m²；U_a为环空内总换热系数，W/(m·K)；T_f为地层温度，K；r_a为环空半径，m；m_h为水合物分解速率，kg/s；Δh为水合物分解热，kJ/mol；v_a为环空液相流速，m/s；M_h为水合物的摩尔质量，kg/mol；

水合物岩屑分解速率计算公式为：

m_g＝k_dM_gA_s(P_e-P_a) (9)

式中，m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；m_w为水的生成速率，kg/s；k_d为水合物动力学本征分解速率，mol/(m²·Pa·s)；A_s为水合物分解表面积，m²；P_a为环空压力，Pa；P_e为相平衡压力，Pa；M_g为气体摩尔质量，kg/mol；M_w为水的摩尔质量，kg/mol；N_h为水合物数，取6.0，无量纲；

环空压力计算模型为：

式中，l为环空内某一点距井底的距离，m；v_a为环空液相流速，m/s；θ为井斜角，°；P_a为环空压力，Pa；d_e为环空当量直径，m；f为摩阻系数，无因次；g为重力加速度，m/s²。

3.根据权利要求2所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(2)中，井筒-储层耦合计算过程中，钻井液侵入动力计算：

ΔP_in＝P_a-P_p (13)

式中，ΔP_in为环空中某点钻井液侵入动力，Pa；P_p为某点处地层孔隙压力，Pa；P_a为某点环空压力，Pa；

为孔隙液相流速，m/s；

为孔隙气相流速，m/s；K₀为储层初始渗透率，μm²；μ_w为水相黏度，mPa·s；μ_g为气相黏度，mPa·s；L_w为水相流动距离，nm；L_g为气相流动距离，nm；

钻井液侵入后储层内温度场计算公式为：

式中，ρ_s为储层骨架密度，kg/m³；C_ps为储层骨架比热，J/(kg·K)；C_ph为水合物相比热，J/(kg·K)；C_pg为气相比热，J/(kg·K)；C_pw为液相比热，J/(kg·K)；k_c为有效传热系数，无因次；Δh为水合物分解热，J/kg；T为储层温度，K；ρ_h为水合物密度，kg/m³；t为时间，s；

为哈密顿算子；φ_f为地层孔隙度，无因次；s_h为水合物相饱和度，无因次；s_g为孔隙气相饱和度，无因次；s_w为孔隙液相饱和度，无因次；ρ_g为气相密度，kg/m³；ρ_w为液相密度，kg/m³；

井周水合物分解后，形成气水两相渗流，根据质量守恒计算井周储层气相、水相和水合物相的饱和度分布：

式中，m_w为水的生成速率，kg/s；m_g为水合物分解产气速率，kg/s；m_h为水合物分解速率，kg/s；q_w为液相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；q_g为气相单位时间单位体积注入或产出的质量，kg/(m³·s)；

由于井周储层有效孔隙度和渗透率的动态变化均由水合物相变分解引起，根据公式(17)至公式(19)计算得到的钻井液侵入后井周水合物饱和度分布，得到井周孔隙度和渗透率分布：

式中，φ_e为钻井液侵入后储层动态孔隙度，无因次；φ₀为储层初始孔隙度，无因次；σ_e为储层有效应力，Pa；b、c均为系数，b＝1.1627,c＝-0.0141；K_e为钻井液侵入后储层动态渗透率，μm²；K₀为储层初始渗透率，μm²；m为渗透率衰减指数，无因次，取7.0；n、w均为孔渗关联指数，无因次，n＝5.0,w＝2.0；

井周储层内聚力、杨氏模量和井壁屈服坍塌压力等力学参数的动态变化与水合物饱和度关系密切，计算公式分别为：

式中，C为储层骨架内聚力，Pa；

为不含水合物时的内聚力，Pa；x、y均为内聚力与水合物饱和度的关联系数，x单位为Pa，y无量纲，x＝1.10、y＝1.97；E为储层骨架杨氏模量，Pa；

为不含水合物时的杨氏模量，Pa；k为杨氏模量与水合物饱和度的关联系数，无因次，k＝1.1983；P_t为井壁屈服坍塌压力，Pa；η为应力非线性修正系数，无因次，取0.95；α为比奥系数，无因次，取值范围为0～1；σ₁为最大主应力，Pa；σ₃为最小主应力，Pa；

为内摩擦角，°。

4.根据权利要求3所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(3)中，对温度计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底温度T_hk与理论模型计算得到的环空井底温度T_jd进行对比，校正温度计算模型中钻杆内总换热系数U_p和环空内总换热系数U_a，使理论模型计算得到的环空井底温度T_jd与实测环空井底温度T_hk一致。

5.根据权利要求4所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(3)中，步骤(3)中，对压力计算模型的校正过程为：

根据APWD实时监测得到的环空井底压力P_hk与理论模型计算得到的环空井底压力P_jd进行对比，校正压力计算模型中的摩阻系数f，使理论模型计算得到的环空压力P_jd与实测环空井底压力P_jd一致。

6.根据权利要求5所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(3)中，校正水合物动力学本征分解速率的过程为：

首先将环空出口处实时监测得到的水合物分解气流量Q_g转换成标况下的流量，随后根据环空出口实时监测得到的岩屑体积分数E_s计算水合物岩屑分解气流量Q_g1并转换成标况下的流量，将标况下的总分解气流量Q_g减去标况下水合物岩屑分解气流量Q_g1就能得到标况下井周水合物分解气流量Q_g2，即Q_g2＝Q_g-Q_g1，最后将Q_g2与模型计算得到的井周水合物分解气流量

进行比较，如果

与Q_g2相等则不需要校正，如果

与Q_g2不相等则采用Q_g2替换

校正，校正水合物动力学本征分解速率k_d，根据Q_g2校正水合物动力学本征分解速率k_d，井壁处的水合物分解速率m_g＝Q_g2ρ_g，与公式(9)联合校正水合物动力学本征分解速率k_d，校正后

水合物岩屑分解气流量Q_g1在标况下的体积流量计算公式为：

Q_g1＝164×A_av_aφ_fs_hE_s (25)

式中，E_s为岩屑体积分数，无因次；

井周水合物分解气流量

在标况下的体积流量计算公式为：

式中，A_z为井周储层水合物分解的总表面积，m²；s_h0为井周储层初始水合物饱和度，无因次；v_g为气相流速，m/s。

7.根据权利要求6所述的水合物储层钻井井周物性和力学参数实时获取方法，其特征在于，步骤(5)中，判断是否存在井壁失稳风险的过程为：

当P_t≤P_jd时，井壁不存在屈服坍塌风险，按照原来水力参数钻进；

当P_t＞P_jd时，井壁存在屈服坍塌风险，则优化钻井水力参数提高井壁稳定性。

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