CN115526054A - 一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,该方法首先获取实际条件下的页岩样本提取堵漏材料性能参数,之后测试并计算指定的页岩样本裂缝面性能参数在实际条件下的弱化程度,接着建立包括页岩样本裂缝面性能参数和堵漏材料性能参数在内的层次结构,利用层次分析法计算出各堵漏材料性能参数相对于裂缝封堵层承压能力的权重,最后根据计算得出的堵漏材料性能参数权重排序根据实际条件的需要针对性选择裂具有最佳缝面堵漏效果的堵漏材料;解决了通过常规方式中依靠经验和大量实验选择堵漏材料的低效和高人工成本的问题,为优选适用于实际地层的堵漏材料提供一种快捷准确的方法。
Description
技术领域
本发明涉及油气开发工程技术领域,具体是一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材 料优选方法。
背景技术
在页岩储层钻井过程中需要利用油基钻井液辅助钻井,油基钻井液在长时间接触浸泡页 岩的情况下将显著改变裂缝面力学性质,由于页岩裂缝的表面力学性质的对裂缝封堵层的稳 定性具有较大的影响,其表面力学性质的变化将使得常规用于处理裂缝的堵漏材料出现难以 滞留和难以长时间维持封堵能力等问题,影响封堵效果,因此,根据裂缝面性质变化选择合 适的堵漏材料就成为了保证裂缝面封堵效果的关键因素之一。
目前常规的堵漏材料选择方法多以直接采用堵漏材料在模拟岩心中进行模拟封堵实验为 主,实验的准备和具体操作复杂,需耗费大量的人力成本,且效率低下,针对结果的判定很 大程度上需要结合经验进行,缺乏一种较为准确且高效的堵漏材料选择方法。
发明内容
鉴于此,本发明提供了一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,用于对 适用于裂缝面的堵漏材料的优选提供依据。
本发明提供的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,主要包括以下步 骤:
步骤S1:获取实际条件下的页岩样本,并提取堵漏材料性能参数,进一步的,堵漏材料 的性能参数包括但不限于材料摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否, 堵漏材料性能参数的提取依据是根据具体地质情况进行选择的。
步骤S2:获取页岩样本裂缝面性能参数,其中,页岩样本裂缝面性能参数包括裂缝面摩 擦系数、裂缝面弹性模量、裂缝面压入硬度,测试并计算页岩样本裂缝面性能参数在实际条 件下的弱化程度,其具体步骤如下:
(1)分别沿页岩样本的垂直层理方向和水平层理方向钻取岩心柱,得到垂直层理柱和水 平层理柱,并将两者放入烘箱中烘干24h;
(2)将垂直层理柱切割成5-10mm厚的圆片,并打磨光滑,将水平层理柱沿端面造缝;
(3)对切割垂直层理柱得到的圆片和端面造缝后的水平层理柱进行损害;
(4)分别对损害前后的垂直层理柱圆片和水平层理柱进行测试,得出裂缝面摩擦系数、 裂缝面弹性模量和裂缝面压入硬度三组页岩样本裂缝面的性能参数在损害前后各自的弱化程 度。
步骤S3:以裂缝封堵层承压能力作为目的层,页岩样本裂缝面的性能参数作为准则层, 堵漏材料性能参数作为方案层,建立层次结构,结合页岩样本的裂缝面性能参数的弱化程度, 利用层次分析法计算出各堵漏材料性能参数相对于裂缝封堵层承压能力的权重,其具体步骤 为:分别构造准则层相对于目的层、方案层相对准则层的判断矩阵,利用判断矩阵分别计算 出准则层中参数相对于目的层中参数的权重,以及方案层中参数相对于准则层中参数的权重;
其中,方案层相对于准则层的判断矩阵构建方法,以及利用该判断矩阵计算方案层中参 数相对于准则层中参数权重的具体步骤如下:
I、首先选定准则层中任一参数,使用统一的标准两两比较方案层中各参数针对准则层中 所选参数的相对重要程度,建立判断矩阵A:
其中,参数i与参数j为方案层中任意两性能参数,
且矩阵A满足:
用于表示参数i相对于参数j的重要程度,且重要程度符合下表中的标度关系:
II、对判断矩阵A的每一列元素进行归一化处理,得到元素的一般项为:
其中,aij表示判断矩阵A第i行j列的元素,n表示判断矩阵阶数;
III、对各列归一化的判断矩阵A按行相加,得到
并进一步计算得出判断矩阵A的特征向量W,采用以下步骤:
特征向量W中的元素即为方案层对应准则层所选参数的权重;
IV、结合判断矩阵A和特征向量W对判断矩阵A的一致性进行检验,具体步骤如下:
计算判断矩阵A的最大特征根λmax
其中,(AW)i表示向量的第i个元素;
之后由下列公式对判断矩阵的一致性进行检验:
式中,RI为平均随机一致性参数,CI为一致性参数,n为判断矩阵的阶数,RI的值与判 断矩阵阶数n符合下表所示的关系:
当CR<0.1时,可认为判断矩阵A的不一致性程度为可以接受,表示判断矩阵有效,否 则需要返回步骤I中,不断调整两参数之间的相对重要程度值,直至判断矩阵A满足一致性 条件。
V、对准则层中的其余参数采用相同的方法分别计算出方案层对应该准则层参数的权重。
而准则层相对于目的层的判断矩阵构建方法,以及利用该判断矩阵计算准则层中参数相 对于目的层中参数权重的具体步骤如下:
构建准则层相对于目的层的判断矩阵G,且有
且矩阵G满足:
其中,参数1表示裂缝面性能参数中的裂缝面摩擦系数,参数2表示裂缝面性能参数中 的裂缝面弹性模量,参数3表示裂缝面表示裂缝面性参数中的裂缝面压入硬度。
判断矩阵G中参数i相对于参数j的重要程度gij则根据准则层中各性能参数的弱化程度 计算得出,具体步骤如下:
(a)依照以下各表,分别对准则层中各性能参数的弱化程度对应进行赋分:
(b)利用对准则层中各性能参数赋予的分值以下式计算参数i和参数j两两比较时的重 要程度gij:
(C)计算得出判断矩阵G,并采用相同方法对其一致性进行检验。
得出判断矩阵G之后,采用与判断矩阵A相同的方法计算出准则层相对于目的层的权重。
根据上述判断矩阵的特征向量,计算方案层相对于目的层的层次总排序,并对递阶层次 的组合判断其一致性之后,得出方案层相对于目的层的权重。
步骤S4:将权重最大的堵漏材料性能参数因子作为选择堵漏材料的选择依据,根据实际 条件的需要针对性选择裂具有最佳缝面堵漏效果的堵漏材料。
本发明的技术效果在于:
基于实际页岩样本的裂缝面性质优选堵漏材料,能够使得筛选得出的堵漏材料能够有效 适应实际条件下的堵漏要求,解决了通过常规方式中依靠经验和大量实验选择堵漏材料的低 效和高人工成本的问题,为优选适用于实际地层的堵漏材料提供一种快捷准确的方法,保证 了堵漏材料选择准确高效地进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图 作简单地介绍。
图1为本发明实施例的递阶层次结构模型示意图;
图2为实施例中构建的用于选择堵漏材料的层次结构示意图;
图3为裂缝面摩擦系数测试装置的示意图。
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,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。
步骤S1:获取实际条件下的页岩样本,并提取堵漏材料性能参数。
钻取待选择堵漏材料的生产井的页岩样本,并将该样本用于堵漏材料的选择评价中,以 便得出能够符合实际井下堵漏要求的堵漏材料。
其中,堵漏材料的性能参数包括材料的摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否,由于以上参数均与堵漏材料和裂缝面的直接接触过程相关,因此结合实际情 况提取以上参数作为堵漏材料的性能参数。
步骤S2:获取页岩样本裂缝面性能参数,其中,页岩样本裂缝面性能参数包括裂缝面摩 擦系数、裂缝面弹性模量、裂缝面压入硬度,测试并计算页岩样本裂缝面性能参数在实际条 件下的弱化程度,其具体步骤如下:
(1)分别沿页岩样本的垂直层理方向和水平层理方向钻取岩心柱,得到垂直层理柱和水 平层理柱,并将两者放入烘箱中烘干24h。
其中,垂直层理柱主要用于微米压痕测试,以用于测试页岩样本的裂缝面弹性模量和裂 缝面压入硬度,水平层理柱用于测试裂缝面的摩擦系数。
(2)将垂直层理柱切割成5-10mm厚的圆片,并打磨光滑,将水平层理柱沿端面造缝。
为保证测试样品能够适应于测试仪器,用于测试的垂直层理柱应当打磨成为5-10mm厚 的小圆片,优选的,小圆片厚度可控制在8mm,并使用砂纸对垂直层理柱切割成的小圆片表 面使用砂纸进行打磨光滑;而水平层理柱则是对按照水平层理方向钻取的岩心柱以巴西劈裂 法沿端面进行造缝,得到呈平面状态的水平层理柱用于裂缝面的摩擦系数测试。
(3)对切割垂直层理柱得到的圆片和端面造缝后的水平层理柱进行损害。
由于切割和造缝的岩心是未受到实际地层条件下的钻井液的影响的,因此损害垂直层理 柱切割得到的圆片和端面造缝后的水平层理柱的目的则是模拟岩心在实际地层条件下受钻井 液影响之后的表面性质变化,并在后续步骤中以此状态下的岩心表面作为堵漏材料选择的基 本条件,使得堵漏材料的选择结果能够更加适用于地层中的实际条件,其优选方法为,将垂 直层理柱圆片和水平层理柱放入岩心夹持器中,在常温5MPa围压的条件下,采用2MPa压 力驱替实际条件下用于页岩样本施工的油基钻井液穿过岩心夹持器24h,此处的油基钻井液 的类型取决于钻取页岩样本的井下使用的钻井液类型,两者需保持相同,以准确模拟实际地 层条件。
(4)分别对损害前后的垂直层理柱圆片和水平层理柱进行测试,得出裂缝面摩擦系数、 裂缝面弹性模量和裂缝面压入硬度三组页岩样本裂缝面的性能参数在损害前后各自的弱化程 度。
现有研究表面,在油基钻井液与裂缝面的接触过程中,裂缝面的摩擦系数会持续降低, 而摩擦力是维持封堵层稳定的主要作用力之一,同时由于滤液和碱液对页岩表面的侵入和侵 蚀作用也会导致页岩表面强度明显下降,因此,裂缝面的裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量 和裂缝面压入硬度将作为受油基钻井液影响的主要因素用于量化表征油基钻井液对页岩裂缝 的影响。
裂缝面弹性模量和裂缝面压入硬度的测试方法为Oliver-Pharr法,通过Oliver-Pharr法测 得损害前后的以上两组裂缝面力学参数,并计算各自的损害程度,其中,裂缝面压入硬度的 计算公式如式①所示:
式中,H为裂缝面压入硬度,N/μm2;Fmax为最大载荷,N;Ac为压头接触面积,μm2。
压头接触面积Ac需对应仪器进行校正,校正公式如式②所示:
式中,r1为压痕半径,μm;hc为接触深度,μm;θ为等效半锥角,°;r2为球冠压痕半径,μm。
损害前后裂缝面压入硬度弱化程度计算公式如式③所示:
式中,I3为损害前后的裂缝面压入硬度弱化程度;H0为损害前的裂缝面压入硬度,N/μm2; H1为损害后的裂缝面压入硬度,N/μm2。
裂缝面弹性模量的计算公式如式④所示:
式中,E为裂缝面弹性模量,υ为页岩泊松比,υi为压头泊松比,Er为折合模量,N/μm2; Ei为压头弹性模量N/μm2。
Er折合模量的计算方式如式⑤所示:
式中,β为压头形状常数,S为接触刚度参数,Ac为压头接触面积。
损害前后裂缝面弹性模量弱化程度计算公式如式⑥所示:
式中,I2为损害前后的裂缝面弹性模量弱化程度;E0为损害前的裂缝面弹性模量,N/μm2; E1为损害后的裂缝面弹性模量,N/μm2。
裂缝面摩擦系数的测试方法优选中国专利CN201710028335.8公开的一种钻井堵漏材料 摩擦系数测量装置和方法进行测试,具体过程为:在岩板表面粘上堵漏材料,将一半岩样称 重获得质量WN(正压力不够可加固定质量的砝码),将裂缝面放在堵漏材料上,在恒温液槽 中添加油基钻井液刚好至裂缝表面,并分别测试损害前后的裂缝面摩擦系数。
裂缝面摩擦系数计算公式如式⑦所示:
式中,f为摩擦系数,Ff为传感器记录的拉力值,N;WN为摩擦滑块质量,Kg。
损害前后裂缝面摩擦系数弱化程度计算公式如式⑧所示:
式中,I1为损害前后的裂缝面摩擦系数弱化程度;f0为损害前的裂缝面摩擦系数,f1为损 害后的裂缝面摩擦系数。
步骤S3:以裂缝封堵层承压能力作为目的层,将页岩样本裂缝面的性能参数,包括裂缝 面摩擦系数、裂缝面弹性模量和裂缝面压入硬度等参数作为准则层,而堵漏材料性能参数, 包括堵漏材料的D90、摩擦系数、圆球度、抗磨蚀能力、硬度、纳米材料与否等参数则作为 方案层,建立层次结构,利用层次分析法计算出各堵漏材料性能参数相对于裂缝封堵层承压 能力的权重,从而考察堵漏材料对于页岩样本封堵层承压能力的影响,其具体步骤如下:
(1)分别构造准则层相对于目的层、方案层相对准则层的判断矩阵,利用判断矩阵分别 计算出准则层中参数相对于目的层中参数的权重,以及方案层中参数相对于准则层中参数的 权重。
其中,方案层相对于准则层的判断矩阵构建方法即方案层中参数的权重计算均按照层次 分析法进行:
I、首先选定准则层中任一参数,使用统一的标准两两比较方案层中各参数针对准则层中 所选参数的相对重要程度,建立判断矩阵A:
其中,参数i与参数j为方案层中任意两性能参数,
且矩阵A满足:
用于表示参数i相对于参数j的重要程度,且重要程度符合下表中的标度关系:
II、对判断矩阵A的每一列元素进行归一化处理,得到元素的一般项为:
其中,aij表示判断矩阵A第i行j列的元素,n表示判断矩阵阶数;
III、对各列归一化的判断矩阵A按行相加,得到
并进一步计算得出判断矩阵A的特征向量W,采用以下步骤:
特征向量W中的元素即为方案层对应准则层所选参数的权重;
IV、结合判断矩阵A和特征向量W对判断矩阵A的一致性进行检验,具体步骤如下:
计算判断矩阵A的最大特征根λmax
其中,(AW)i表示向量的第i个元素;
之后由下列公式对判断矩阵的一致性进行检验:
式中,RI为平均随机一致性参数,CI为一致性参数,n为判断矩阵的阶数,RI的值与判 断矩阵阶数n符合下表所示的关系:
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
RI | 0 | 0 | 0.58 | 0.94 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 | 1.45 |
当CR<0.1时,可认为判断矩阵A的不一致性程度为可以接受,表示判断矩阵有效,否 则需要返回步骤I中,不断调整两参数之间的相对重要程度值,直至判断矩阵A满足一致性 条件。
V、对准则层中的其余参数采用相同的方法分别计算出方案层对应该准则层参数的权重, 得到方案层中所有参数相对于准则层中所有参数即裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量和裂缝 面压入硬度各自的权重分布情况;
经以上步骤计算出的是准则层中所有参数对应方案层中参数的权重分布情况,因此还需 要计算目的层中的所有参数即裂缝封堵层承压能力对应准则层中所有参数的权重分布情况, 并通过层次分析法中的层次总排序计算出方案层相对于目的层的权重分布情况,此时需构建 准则层相对于目的层的判断矩阵。
根据现有研究表明,裂缝封堵层失稳模式包括封堵层结构失稳和裂缝扩展延伸。其中, 封堵层结构失稳分为整体摩擦失稳和剪切失稳,根据封堵层承压模型可知堵漏材料特性与裂 缝面摩擦系数与封堵层承压能力呈正相关,而油基钻井液对裂缝面同时存在润滑作用和碱液 侵蚀作用,这二者会降低裂缝面摩擦系数,由此可见,裂缝面在钻井液作用下的弱化程度与 封堵层承压能力之间存在相应的影响关系,在此通过数学方法将模糊的裂缝面参数弱化程度 相对于封堵层承压能力的影响关系及其重要性直观量化,量化后重要性可用于计算裂缝面参 数相对于封堵层承压能力的权重。
对此,准则层相对于目的层的判断矩阵构建方法,以及利用该判断矩阵计算准则层中参 数相对于目的层中参数权重的具体步骤如下:
构建准则层相对于目的层的判断矩阵G,且有
且矩阵G满足:
其中,参数1表示裂缝面性能参数中的裂缝面摩擦系数,参数2表示裂缝面性能参数中 的裂缝面弹性模量,参数3表示裂缝面表示裂缝面性参数中的裂缝面压入硬度。
判断矩阵G中参数i相对于参数j的重要程度gij则根据准则层中各性能参数的弱化程度 计算得出,具体步骤如下:
(a)依照以下各表,分别对准则层中各性能参数的弱化程度对应进行赋分:
表1裂缝面摩擦系数弱化程度赋分表
表2裂缝面弹性模量弱化程度赋分表
表3裂缝面压入硬度弱化程度赋分表
(b)结合对准则层中各性能参数赋予的分值,以下式计算参数i和参数j两两比较时的 重要性程度gij:
(C)计算得出判断矩阵G,并对判断矩阵G进行一致性检验;
得出判断矩阵G之后,采用与判断矩阵A相同的方法计算出准则层相对于目的层的权重;
根据上述判断矩阵的特征向量,计算方案层相对于目的层的权重;
计算方法为对目的层、准则层和方案层形成的层次结构进行层次总排序,由目的层到方 案层逐层进行权重计算。
对于同一层次结构,设其中任一层次C包含m个因素:C1,C2,……,Cm,其关于相邻上一层次G中任一因素的相对权重别为c1,c2,……cm,设相邻下一层次D包含n个因素: D1,D2,……,Dn,则它们相对于上一层次C的单准则下相对权重分别为b1j,b2j,……,bij,……,bmj,此时D层次D1,D2,……,Dn关于G的权重dk=(d1,d2,……,dn)T计算公式为:
其中,bkj为相邻下一层次D相对于层次C中任一因素的权重,cj为层次C相对于相邻上 一层次G中任一因素的权重。
同样的,层次总排序需进行一致性检验,从上到下逐层计算CI。若分别得到了第K-1层 次的计算结果为CIk-1,RIk-1和CRk-1,则第K层的相应指标为
当CRk<0.1时,则认为递阶层次在K层水平上整个判断有满意的一致性。
步骤S4:将权重最大的堵漏材料性能参数因子作为选择堵漏材料的选择依据,根据实际 条件的需要针对性选择裂具有最佳缝面堵漏效果的堵漏材料。
结合裂缝面弱化程度,经过以上步骤可以得出方案层元素堵漏材料参数影响目的层元素 封堵层承压能力的权重,其中权重最大的堵漏材料参数即为页岩样本所在条件下对页岩样本 影响最大的因子,在选择堵漏材料时,利用得出的权重最大的堵漏材料参数对候选的堵漏材 料进行排序判断,即可选出适用于实际条件的优选堵漏材料。
下面给出基于上述方法的实际应用例。
实施例
1、前期处理
对龙马溪组页岩按照步骤S1页岩裂缝岩样本,并对页岩样本的裂缝表面进行弱化处理, 保留做弱化处理的页岩样本,用于损害前后对比实验得出弱化程度,对此分别制备2组页岩 圆片和2组裂缝岩样,并按照步骤S2分别进行微米压痕测试和缝面摩擦系数测试,测试结果 表明弱化后的岩样宏观摩擦系数和微观力学性质均有所降低。
其中,摩擦系数测试表明,未弱化页岩和弱化页岩的裂缝面摩擦系数分别为0.9和和0.675, 计算得出裂缝面摩擦系数弱化程度为25%。微米压痕测试表面,损害前后的裂缝面弹性模量 分别为23.225GPa和22.03GPa,计算得出弱化程度为5.1%;而损害前后的裂缝面压入硬度分 别为0.69GPa和0.498GPa,弱化程度为27.8%,证明了油基钻井液会弱化裂缝面的摩擦系数 和微观力学性质。
根据裂缝封堵层承压能力模型可知,在相同裂缝闭合应力下,缝面摩擦系数越大,封堵 层摩擦滑动趋势越小,承压能力越高。裂缝面力学性质的降低可能会造成缝面局部破碎、颗 粒嵌入、裂缝面压实等结果,对堵漏材料在裂缝面上的附着造成较大影响。
2、计算堵漏材料参数相对于裂缝封堵层承压能力的权重
根据步骤S3建立如图2的层次结构。以裂缝封堵层承压能力为目的层,影响封堵层承压 能力是上述进行了弱化测试的裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量及裂缝面压入硬度3个参数, 则将上述三参数组成为层次结构中的准则层。
组成方案层的6个元素包括堵漏材料的摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否,直接与准则层相关。
首先,根据层次结构从上至下构建判断矩阵。此时准则层中裂缝面摩擦系数、裂缝面弹 性模量、裂缝面压入硬度相对于裂缝封堵层承压能力的重要性判断矩阵G构建过程如下:
由前述计算可得裂缝面压入硬度弱化程度为27.8%、裂缝面摩擦系数弱化程度为25%、 裂缝面弹性模量弱化程度为5.1%,将其分别带入前述表1、表2、表3中,计算出各自弱化 程度对应的赋分值,得到裂缝面摩擦系数弱化程度、裂缝面弹性模量弱化程度和裂缝面压入 硬度弱化程度对应的分值为I1=7、I2=3、I3=5。
而判断矩阵G中的各参数的计算则依照前述计算方式进行,其中:
a11为:I1-I1+1=1;a12为:I1-I2+1=5;a13为:I1-I3+1=3。
a21为:1/a12=1/5;a22为:I2-I2+1=1;a23为:I3-I2+1=3。
a31为:1/a13=1/3;a32为:1/a23=1/3;a33为:I3-I3+1=1。
则有:
矩阵G第一行为裂缝面摩擦系数相对于裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量和裂缝面压入 硬度的重要性排序,第二行为裂缝面弹性模量相对于裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量和裂 缝面压入硬度的重要性排序,第三行为裂缝面压入硬度相对于裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性 模量和裂缝面压入硬度的重要性排序。
从而得出准则层相对于目的层的重要性判断矩阵G。
接着,分别计算方案层中全部参数相对于准则层中每一参数即裂缝面摩擦系数、裂缝面 弹性模量和裂缝面压入硬度各自的权重。方案层中,堵漏材料的D90、摩擦系数、圆球度、抗 磨蚀能力、纳米材料与否相对于裂缝面摩擦系数的重要性判断矩阵设为C1,D90、圆球度、纳 米材料与否相对于裂面弹性模量的重要性判断矩阵设为C2,圆球度、抗磨蚀能力、硬度、纳 米材料与否相对于裂缝面压入硬度的重要性判断举证设为C3,利用层次分析法,建立三组判 断矩阵分别如下所示:
矩阵C1为针对裂缝面摩擦系数弱化选择堵漏材料参数并构建得到的判断矩阵,裂缝面摩 擦系数弱化程度为25%,采用层次分析法中的重要性标度关系对方案层中的参数进行赋值构 建矩阵,其中,矩阵C1第一行为D90相对于D90、摩擦系数、圆球度、抗磨蚀能力、纳米材 料与否的重要性排序,其下每一行为按上述顺序依次更换参数后相对于D90、摩擦系数、圆 球度、抗磨蚀能力、纳米材料与否的重要性排序。
参数D90和摩擦系数同等重要,重要性赋值为1,这是由于架桥过程中既需要材料粒径 合适,同时也要求材料能够通过与裂缝面接触滞留;而D90与圆球度重要程度介于同等重要 与稍重要之间,重要性赋值为2,因为圆球度在一定程度上会影响裂缝面的摩擦系数,但并 不是决定因素,同时材料的圆球度也会影响材料进入裂缝内;D90比抗磨蚀能力稍重要,重 要性赋值为3,D90是材料粒径选择的依据,对架桥成层更为重要;D90比纳米材料与否明显 重要,重要性赋值为5,堵漏材料是否为纳米材料不能直接影响封堵层的形成和承压,故此 作用不如D90明显。相应的,堵漏材料的摩擦系数与D90同等重要,故其重要性赋值为1。 圆球度比抗磨蚀能力稍微重要,重要性赋值为3,材料的圆球度比抗磨蚀能力更能适应裂缝 面摩擦系数的变化,增加封堵层与裂缝面摩擦力;圆球度比纳米材料与否稍重要,重要性赋 值为3,纳米材料与否并不能直接影响封堵层的形成和承压。抗磨蚀能力比纳米材料与否稍 重要,重要性赋值为3,纳米材料与否并不能直接影响封堵层的形成和承压;材料的硬度与 裂缝面摩擦系数之间无明显影响,因此将其权重视为0,在且不将其用于构建矩阵C1,而是 在后续层次总排序时带入计算。
矩阵C2为针对裂缝面弹性模量弱化选择堵漏材料参数并构建得到的判断矩阵,裂缝面弹 性模量弱化程度5.1%,矩阵C2第一行为D90相对于D90、圆球度、纳米材料与否的重要性排 序,其下每一行均同矩阵C1。在矩阵构建过程中,圆球度比D90明显重要,重要性赋值为5, 在裂缝中材料与裂缝面直接接触,圆球度低的材料更容易产生应力集中,使得裂缝面受力破 碎;纳米材料与否比D90十分重要,重要性赋值为7,纳米材料与否使裂缝面弹性模量弱化 程度低,有效的保护裂缝面。圆球度比纳米材料与否重要程度介于同等重要与稍重要之间, 重要性赋值为2,在应力环境中堵漏材料仍会出现应力集中现象,进而破坏裂缝面,纳米材 料与否并不能阻止这种应力集中现象并完全保护裂缝面;堵漏材料的摩擦系数、抗磨蚀能力、 硬度对裂缝面弹性模量无明显影响,不将其用于构建判断矩阵,且将其权重视为0。
矩阵C3为针对裂缝面压入硬度弱化选择堵漏材料参数并构建得到的判断矩阵,裂缝面压 入硬度弱化程度27.8%,矩阵C2第一行为圆球度相对于圆球度、抗磨蚀能力、硬度、纳米材 料与否的重要性排序,其下每一行均同矩阵C1。圆球度比抗磨蚀能力重要程度介于同等重要 与稍重要之间,重要性赋值为2,圆球度低的材料使裂缝面局部破碎,在应力作用下有可能 压实封堵层,抗磨蚀能力则能使得材料在到达裂缝内形状改变不大;硬度比圆球明显重要, 重要性赋值为5,材料更硬则能保证材料在地应力下更不易破碎并嵌入裂缝面;纳米材料与 否比圆球度明显重要,重要性赋值为5,页岩压入硬度降低表明局部抗破碎能力减弱,纳米 材料与否则能有效保护裂缝面并隔绝油基钻井液;硬度比抗磨蚀能力稍微重要,材料更硬则 能保证材料在地应力下更不易破碎并嵌入裂缝面;纳米材料与否比抗磨蚀能力稍微重要,重 要性赋值为3,当堵漏材料为纳米材料时能有效保护裂缝面并隔绝油基钻井液;硬度比纳米 材料与否重要程度介于同等重要与稍重要之间,重要性赋值为2,纳米材料与否对裂缝面起 保护作用,但是并不能完全保护裂缝面,故材料硬度更为重要;堵漏材料的摩擦系数、D90 对裂缝面压入硬度无明显影响,不将其用于构建判断矩阵,且将其权重视为0。
对判断矩阵G的特征向量计算过程如下:
即W=(0.64,0.11,0.26)T,判断矩阵G的最大特征值为
判断矩阵C1的最大特征值λmax=5.15,相应的特征向量W1=(0.32,0.32,0.19,0.1,0.7) T,CI=0.0375,CR=0.033<0.1,即摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与 否关于裂缝面摩擦系数的权重为(0.32,0.32,0.19,0.1,0,0.7)
判断矩阵C2的特征向量的计算过程如下:
判断矩阵C2的最大特征值λmax=3.11,相应的特征向量W2=(0.08,0.54,0.38)T,CI=0.055,CR=0.09<0.1,即摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否关于裂缝面弹 性模量的权重为(0.08,0,0,0.54,0,0.38)。
判断矩阵C3的特征向量W的计算过程如下:
判断矩阵C3的最大特征值λmax=4.24,相应的特征向量W3=(0.11,0.1,0.47,0.33)T, CI=0.08,CR=0.085<0.1,即摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否关 于裂缝面压入硬度的权重为(0,0,0.11,0.1,0.47,0.33)。
在得到方案层中参数相对于准则层中各参数的权重,以及准则层中参数相对于目的层中 参数的权重之后,进行层次结构的层次总排序及其组合一致性检验,计算方法如下:
层次总排序一致性检验为
CI=(0.640.110.26)×(0.03750.0550.08)T=0.05
RI=(0.640.110.26)×(1.120.580.94)T=1.025
其中CR=0.02+CI/RI=0.07<0.1,这样,摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳 米材料与否关于封堵层承压能力的权重为(0.21,0.2,0.15,0.15,0.12,0.58),即方案层 相对于目的层的权重为(0.21,0.2,0.15,0.15,0.12,0.58)。
可以看到,该页岩样本的封堵层承压能力相对于摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、 硬度、纳米材料与否这几个参数的权重分布中纳米材料与否所占权重最大,因此在实际地层 条件下的页岩样本进行优选堵漏材料时,采用的是纳米材料与否来进行评价,即考察堵漏材 料是否是纳米材料,并优选是纳米材料的堵漏材料用于采取页岩样本的实际地层的堵漏;而 当有多种堵漏材料由纳米材料构成时,在基于纳米材料优选堵漏材料的基础上,此时继续选 择权重大小第二的参数即摩擦系数用于优选堵漏材料,在纳米材料构成的堵漏材料中选择具 有最大摩擦系数的堵漏材料作为适用于实际地层的堵漏材料,以此类推,最终通过以上选择 方法获得适用于实际地层的最优堵漏材料。
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)
1.一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:获取实际条件下的页岩样本,并提取堵漏材料性能参数;
步骤S2:获取页岩样本裂缝面性能参数,其中,页岩样本裂缝面性能参数包括裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量、裂缝面压入硬度,测试并计算页岩样本裂缝面性能参数在实际条件下的弱化程度,其具体步骤如下:
(1)分别沿页岩样本的垂直层理方向和水平层理方向钻取岩心柱,得到垂直层理柱和水平层理柱,并将两者放入烘箱中烘干24h;
(2)将垂直层理柱切割成5-10mm厚的圆片,并打磨光滑,将水平层理柱沿端面造缝;
(3)对切割垂直层理柱得到的圆片和端面造缝后的水平层理柱进行损害;
(4)分别对损害前后的垂直层理柱圆片和水平层理柱进行测试,得出裂缝面摩擦系数、裂缝面弹性模量和裂缝面压入硬度三组页岩样本裂缝面的性能参数在损害前后各自的弱化程度;
步骤S3:以所述裂缝封堵层承压能力作为目的层,所述页岩样本裂缝面的性能参数作为准则层,所述堵漏材料性能参数作为方案层,建立层次结构,结合页岩样本的裂缝面性能参数的弱化程度,利用层次分析法计算出各堵漏材料性能参数相对于裂缝封堵层承压能力的权重,其具体步骤为:分别构造准则层相对于目的层、方案层相对准则层的判断矩阵,利用判断矩阵分别计算出准则层中参数相对于目的层中参数的权重,以及方案层中参数相对于准则层中参数的权重;
其中,方案层相对于准则层的判断矩阵构建方法,以及利用该判断矩阵计算方案层中参数相对于准则层中参数权重的具体步骤如下:
I、首先选定准则层中任一参数,使用统一的标准两两比较方案层中各参数针对准则层中所选参数的相对重要程度,建立判断矩阵A:
其中,参数i与参数j为方案层中任意两性能参数,
且矩阵A满足:
用于表示参数i相对于参数j的重要程度,且重要程度符合下表中的标度关系:
II、对判断矩阵A的每一列元素进行归一化处理,得到元素的一般项为:
其中,aij表示判断矩阵A第i行j列的元素,n表示判断矩阵阶数;
III、对各列归一化的判断矩阵A按行相加,得到:
并进一步计算得出判断矩阵A的特征向量W,采用以下步骤:
特征向量W中的元素即为方案层对应准则层所选参数的权重;
IV、结合判断矩阵A和特征向量W对判断矩阵A的一致性进行检验,具体步骤如下:计算判断矩阵A的最大特征根λmax
其中,(AW)i表示向量的第i个元素;
之后由下列公式对判断矩阵的一致性进行检验:
式中,RI为平均随机一致性参数,CI为一致性参数,n为判断矩阵的阶数,RI的值与判断矩阵阶数n符合下表所示的关系:
当CR<0.1时,可认为判断矩阵A的不一致性程度为可以接受,表示判断矩阵有效,否则需要返回步骤I中,不断调整两参数之间的相对重要程度值,直至判断矩阵A满足一致性条件;
V、对准则层中的其余参数采用相同的方法分别计算出方案层对应该准则层参数的权重;
准则层相对于目的层的判断矩阵构建方法,以及利用该判断矩阵计算准则层中参数相对于目的层中参数权重的具体步骤如下:
构建准则层相对于目的层的判断矩阵G,且有:
且矩阵G满足:
其中,参数1表示裂缝面性能参数中的裂缝面摩擦系数,参数2表示裂缝面性能参数中的裂缝面弹性模量,参数3表示裂缝面表示裂缝面性参数中的裂缝面压入硬度;
判断矩阵G中参数i相对于参数j的重要程度gij则根据准则层中各性能参数的弱化程度计算得出,具体步骤如下:
(a)依照以下各表,分别对准则层中各性能参数的弱化程度对应进行赋分:
(b)利用对准则层中各性能参数赋予的分值以下式计算参数i和参数j两两比较时的重要程度gij:
(C)计算得出判断矩阵G,并采用相同方法对其一致性进行检验;
得出判断矩阵G之后,采用与判断矩阵A相同的方法计算出准则层相对于目的层的权重;
根据上述判断矩阵的特征向量,计算方案层相对于目的层的层次总排序,并对递阶层次的组合判断其一致性之后,得出方案层相对于目的层的权重;
步骤S4:将权重最大的堵漏材料性能参数因子作为选择堵漏材料的选择依据,根据实际条件的需要针对性选择裂具有最佳缝面堵漏效果的堵漏材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于:步骤S1中所述的堵漏材料性能参数的提取依据包括但不限于漏失控制预测模型,其根据实际条件下的页岩情况进行选择性提取。
3.根据权利要求1所述的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于:步骤S1中所述堵漏材料性能参数包括材料摩擦系数、D90、抗磨蚀能力、圆球度、硬度、纳米材料与否。
4.根据权利要求1所述的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于:步骤S2中所述的水平层理柱端面造缝方法为巴西劈裂法。
5.根据权利要求1所述的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于:步骤S2中所述的垂直层理柱圆片和水平层理柱的损害方法为,分别将垂直层理柱圆片和水平层理柱放入岩心夹持器中,在常温5MPa围压的条件下,采用2MPa压力驱替实际条件下用于页岩样本施工的油基钻井液穿过岩心夹持器24h。
6.根据权利要求1所述的一种基于页岩裂缝面力学性质变化的堵漏材料优选方法,其特征在于:步骤S2中所述的裂缝面摩擦系数测试方法为,在固定岩板上粘结堵漏材料,将水平层理柱置于堵漏材料上拉动,测得堵漏材料的摩擦系数。
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