CN116066092A - 一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，包括：制取页岩短圆柱样与标准圆柱样；统计岩样层理密度，开展平行层理方向与垂直层理方向的硬度测试，获取平行层理方向与垂直层理方向的硬度值；开展钻井液与岩样浸泡实验，浸泡后开展硬度试验，明确钻井液作用对页岩硬度的影响；开展平行层理方向与垂直层理方向的剪切试验，获取层理与基体的内聚力、内摩擦角；构建硬度与岩石内聚力、内摩擦角的定量对应关系；基于目标地层地质力学特征与井眼轨迹，依据硬度值与岩石内聚力、内摩擦角的定量对应关系，考虑层理密度与钻井液作用，实现基于硬度的钻井过程中坍塌压力增量预测，可为现场保障页岩地层井壁稳定提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及页岩地层稳定井壁地层能力评价方法领域，尤其涉及一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法。
背景技术
页岩是典型的钻井高危地层，钻井过程中的井壁垮塌失稳严重。尤其在钻井过程中，受到钻井液作用，地层坍塌压力逐渐增加，坍塌压力增量的预测十分困难，导致钻井液密度选取困难，难以稳定地层，造成了巨大的经济损失。
目前，常用的页岩地层坍塌压力预测方法，通常采用剪切试验或三轴压缩试验，获取岩石力学参数，进而实现井壁岩石稳定性评价。该方法具有很好的适用性，但石油钻井过程中，井下岩样非常缺乏，取样困难。剪切试验或三轴压缩试验需要标准圆柱样，对岩样数量和尺寸具有一定要求，时常难以保证足够的实验数量，影响评价精度。因此，面对石油行业这一特殊背景，急需一种更小尺寸的测试方法，实现坍塌压力增量预测，从而指导页岩钻井。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题提供一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法。
本申请通过下述技术方案实现：
本申请提供的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
制取页岩短圆柱样与标准圆柱样，采取平行层理与垂直层理方向取样；
基于短圆柱样，分别沿平行层理方向与沿垂直层理方向开展硬度测试，获取平行层理方向、垂直层理方向的硬度值；统计页岩短圆柱样层理发育密度，建立层理发育密度与平行层理方向、垂直层理方向硬度的定量关系；
开展水基钻井液与页岩的浸泡实验，基于浸泡后的短圆岩样，分别沿平行层理方向与沿垂直层理方向开展硬度测试，获得钻井液作用后的平行层理方向与垂直层理方向的硬度值,明确不同钻井时间下的硬度下降幅度；
基于标准圆柱样，开展平行层理和垂直层理的剪切试验，获取层理内聚力、层理内摩擦角、基体内聚力、基体内摩擦角；
通过线性拟合方法，建立平行层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，以及垂直层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，基于所述定量关系形成基于硬度的岩石剪切强度表征方程；
基于工区地质力学特征与井眼轨迹，明确井壁主应力分布；
利用基于硬度的岩石剪切强度表征方程，考虑层理密度与钻井液作用，采用摩尔库伦准则，判断钻井过程中的井壁岩石是否坍塌，实现钻井过程中的页岩地层坍塌压力增量预测。
可选的，页岩短圆柱样的直径25mm、长度10mm-20mm；标准圆柱样的直径25mm、长度50mm。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1，本申请基于小圆柱样评价井壁稳定性，在保证评价准确性的同时，降低对岩样尺寸的要求与井壁稳定评价成本，对实现页岩高效钻井具有重要意义；
2，本申请基于硬度试验预测坍塌压力，硬度是典型的点载荷测试，能够体现岩石强度特征，且对实验岩样的要求较低，本申请通过建立硬度与坍塌压力的相关性，可以大幅度提高岩样利用率，并保证了坍塌压力增量的预测精度，实现以少量的岩样开展准确度较高的井壁稳定评价，工程实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。
图1是实施例中基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法的流程图；
图2中的(a)是垂直层理方向的硬度试验示意图，(b)是平行层理方向的硬度试验示意图；
图3中的(a)是层理密度与平行层理方向硬度的定量关系图，(b)是的层理密度与垂直层理方向硬度的定量关系图；
图4是中的(a)是不同钻井时间下平行层理方向的硬度图，(b)是不同钻井时间下垂直层理方向的硬度图；
图5中的(a)是平行层理的剪切试验示意图，(b)是垂直层理的剪切试验示意图；
图6中的(a)是平行层理方向的硬度值与岩石剪切强度参数的拟合关系曲线，(b)是垂直层理方向的硬度值与岩石剪切强度参数的拟合关系曲线；
图7是本申请方法预测结果与实际钻井施工参数对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本实施案例为中国某油田页岩层位实际钻井情况，以该层位岩样为测试样品。该层位地质力学特征为：垂向地应力(σv)＝2.08g/cm3，水平最大地应力(σH)＝1.99g/cm3，水平最小地应力(σh)＝1.71g/cm3，孔隙压力为1.08g/cm3。层理倾角和层理倾向分别为12°和145°，井斜角为65°，方位角为165°。
如图1所示，本实施例公开的基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，包括以下步骤：
步骤一、采用室内岩心钻机，对目标地层的露头或井下岩心柱开展取心工作。制取页岩短圆柱样(直径25mm、长度10mm-20mm)与标准圆柱样(直径25mm、长度50mm)，采取平行层理与垂直层理方向取样。
步骤二、统计页岩短圆柱样层理发育密度，发育密度指单位长度上发育的层理条数，如下所示：
上式中，N为层理发育条数，L为长度。
步骤三、基于短圆柱样，采用硬度试验，以三个岩样为一组，分别沿平行层理方向开展三次硬度测试、沿垂直层理方向开展三次硬度测试，分别获取平行层理方向硬度值与垂直层理方向硬度值，采用三次测试的平均值为最终硬度值，测试示意图如图2所示。
步骤四、依据短圆柱样的层理密度以及测试得到的硬度值，建立层理发育密度与硬度的定量对应关系。其中，定量对应关系分别为层理密度与平行层理方向硬度的定量对应关系、层理密度与垂直层理方向的定量对应关系，如图3所示，发育密度与硬度的对应方程如下：
上式中，Psb(De)为不同层理密度下平行层理方向的硬度，Pso(De)为不同层理密度垂直层理方向的硬度，De为发育密度。
步骤五、开展水基钻井液与页岩岩样的浸泡实验，采用浸泡后岩样，开展硬度试验(如步骤三)，明确钻井液作用后平行层理方向与垂直层理方向的硬度值，进而明确不同钻井时间下的硬度下降幅度，如图4所示。钻井时间与硬度下降幅度的对应方程如下：
上式中，ΔPsb(t)为钻井不同时间下平行层理方向的硬度下降幅度，ΔPso(t)为钻井不同时间下垂直层理方向的硬度下降幅度。
步骤六、采用标准圆柱样，开展平行层理和垂直层理的剪切试验，如图5所示，从而获取层理强度参数与基体强度参数，强度参数指内聚力与内摩擦角，如下所示：
上式中，τz为剪切试验的剪应力，σz为剪切试验的上部压应力；co为基体内聚力，cb为层理内聚力，MPa；
为基体内摩擦角，
为层理内摩擦角。
步骤七、通过线性拟合方法，建立平行层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，以及垂直层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，如图6所示。基于该定量关系，形成基于硬度测试的岩石强度表征方法，实现以硬度预测岩石基体与层理的内聚力和内摩擦角，表征方法如下所示：
上式中，cb(Psb)为平行层理方向硬度与层理内聚力的相关性方程，
为平行层理方向硬度与层理内摩擦角的相关性方程，c0(Ps0)垂直层理方向硬度与层理内聚力的相关性方程，
为垂直层理方向硬度与层理内摩擦角的相关性方程，Psb为平行层理方向的硬度，Ps0为垂直层理方向的硬度。
步骤八、基于工区地质力学特征与井眼轨迹，明确井周应力分布。其中，井壁主应力的计算基于三向地应力假设，通过井眼坐标转换，形成井周应力分布：
上式中，σr、σθ、σz为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力；τθz、τrθ、τrz为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力；σxx、σyy、σzz为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量；σxy、σxz、σyz为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量；θc井周角；pw为钻井液形成的液柱压力(受钻井液密度控制)。
以井周应力分布为基础，进一步确定井壁主应力：
基于主应力分布，进一步确定井壁最大主应力(σ1＝max(σi,σj,σk))与最小主应力(σ3＝min(σi,σj,σk))。
步骤九、利用基于硬度实验的岩石强度表征方法，考虑层理密度与钻井液作用，采用摩尔库伦准则，判断井壁岩石是否坍塌，坍塌形式主要有基体破坏与层理破坏两类：
当使用不同钻井液密度时，将形成不同的井周应力σ1与σ3。当
时，井壁稳定，井壁岩石未破坏；当
时，井壁失稳，井壁岩石沿基体出现破坏。其中，
就是产生沿基体破坏的临界条件。
同理，当
时，井壁稳定，井壁岩石未破坏；当
时，井壁失稳，井壁岩石沿层理出现破坏。其中，
就是产生沿层理破坏的临界条件。
上式，βo为页岩基体破坏面与最大主应力的夹角，βb为页岩层理面与最大主应力的夹角，均通过井眼轨迹与应力空间关系确定；co(t)为不同钻井时间下的页岩基体内聚力，
为不同钻井时间下的页岩基体内摩擦角；cb(t)为不同钻井时间下的页岩层理内聚力，
为不同钻井时间下的页岩层理内摩擦角。
基于页岩硬度与剪切强度参数的相关性方程(见步骤七)，将上式转换为硬度表达式，如下所示：
上式中，co(Psb(De,t))、
为硬度与页岩基体内聚力、内摩擦角的相关性方程；cb(Psb(De,t))、
为硬度与页岩层理内聚力、内摩擦角的相关性方程；相关性方程由步骤七拟合得到；Pso(De,t)、Psb(De,t)分别为一定层理发育密度条件下钻井不同时间下平行层理、垂直层理的硬度。
通过前期实验数据(见步骤四和步骤五)拟合得到，可写为：
上式中，Pso(De)、Psb(De)为不同层理密度下垂直层理方向与平行层理方向的硬度；ΔPso(t)、ΔPsb(t)为钻井液作用不同时间下垂直层理方向与平行层理方向的硬度。
以井周应力为基础式(6)和式(7)，采用式(9)和式(10)判断不同钻井液密度下井壁岩石是否破坏，从而明确钻井过程中地层坍塌压力(保持井壁稳定、不破坏的最小钻井液密度，即是坍塌压力)的变化规律。基于此规律，计算得到钻井过程中的页岩地层坍塌压力增量：
ΔPc(t)＝Pc(t)-Pc(0)(11)
上式中，ΔPc(t)为钻井不同时间下的坍塌压力增量，Pc(t)为钻井不同时间下的坍塌压力，Pc(0)为原始地层坍塌压力(钻井时间为0时刻)。
对实施案例地层开展预测分析，如图7所示。实际钻井过程中，钻井液密度在前期稳定(无增加)，钻井顺畅。在钻井40小时后，井下出现垮塌掉块，逐步提升钻井液密度，在65小时钻井液密度增量达到0.13。对比实际钻井液密度增量与预测坍塌压力增量，两者吻合效果较好，体现了预测的准确性。
以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
制取页岩短圆柱样与标准圆柱样，采取平行层理与垂直层理方向取样；
基于短圆柱样，分别沿平行层理方向与沿垂直层理方向开展硬度测试，获取平行层理方向、垂直层理方向的硬度值；统计页岩短圆柱样层理发育密度，建立层理发育密度与平行层理方向、垂直层理方向硬度的定量关系；
开展水基钻井液与页岩的浸泡实验，基于浸泡后的短圆岩样，分别沿平行层理方向与沿垂直层理方向开展硬度测试，获得钻井液作用后的平行层理方向与垂直层理方向的硬度值,明确不同钻井时间下的硬度下降幅度；
基于标准圆柱样，开展平行层理和垂直层理的剪切试验，获取层理内聚力、层理内摩擦角、基体内聚力、基体内摩擦角；
通过线性拟合方法，建立平行层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，以及垂直层理方向硬度与内聚力、内摩擦角定量关系，基于所述定量关系形成基于硬度的岩石剪切强度表征方程；
基于工区地质力学特征与井眼轨迹，明确井壁主应力分布；
利用基于硬度的岩石剪切强度表征方程，考虑层理密度与钻井液作用，采用摩尔库伦准则，判断钻井过程中的井壁岩石是否坍塌。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：页岩短圆柱样的直径25mm、长度10mm-20mm；标准圆柱样的直径25mm、长度50mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：钻井时间与硬度下降幅度的对应方程如下：
上式中，ΔPsb(t)为钻井不同时间下平行层理方向的硬度下降幅度，ΔPso(t)为钻井不同时间下垂直层理方向的硬度下降幅度。
4.根据权利要求1所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：发育密度与硬度的定量关系方程如下：
上式中，Psb(De)、Pso(De)为不同层理密度下平行层理与垂直层理方向的硬度，De为发育密度。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：硬度下降幅度的对应方程为：
上式中，ΔPsb(t)为钻井不同时间下平行层理方向的硬度下降幅度，ΔPso(t)为钻井不同时间下垂直层理方向的硬度下降幅度。
6.根据权利要求1所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：基于硬度的岩石剪切强度表征方程为：
上式中，cb(Psb)为平行层理方向硬度与层理内聚力的相关性方程，
为平行层理方向硬度与层理内摩擦角的相关性方程，c0(Ps0)垂直层理方向硬度与层理内聚力的相关性方程，
为垂直层理方向硬度与层理内摩擦角的相关性方程，Psb为平行层理方向的硬度，Ps0为垂直层理方向的硬度。
7.根据权利要求1所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：井壁主应力的计算基于三向地应力假设，基于工区地质力学特征与井眼轨迹，通过井眼坐标转换，形成井周应力分布：
上式中，σr、σθ、σz为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力；τθz、τrθ、τrz为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力；σxx、σyy、σzz为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量；σxy、σxz、σyz为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量；θc井周角；pw为钻井液形成的液柱压力；
以井周应力分布为基础，确定井壁主应力；基于主应力分布，确定井壁最大主应力与最小主应力。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：坍塌形式包括基体破坏与层理破坏：
上式中，σ1为井壁最大主应力，σ3为井壁最小主应力；βo为页岩基体破坏面与最大主应力的夹角，βb为页岩层理面与最大主应力的夹角，均通过井眼轨迹与应力空间关系确定；
为基体内摩擦角，
为层理内摩擦角；co(Psb(De,t))、
为硬度与页岩基体内聚力、内摩擦角的相关性方程；cb(Psb(De,t))、
为硬度与页岩层理内聚力、内摩擦角的相关性方程。
9.根据权利要求8所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：基于层理发育密度与硬度的定量关系，以及不同钻井时间下的硬度下降幅度方程，拟合得到下式：
上式中，Pso(De)、Psb(De)为不同层理密度下垂直层理方向与平行层理方向的硬度；ΔPso(t)、ΔPsb(t)为钻井液作用不同时间下垂直层理方向与平行层理方向的硬度。
10.根据权利要求1或9所述的一种基于硬度实验的页岩地层坍塌压力增量预测方法，其特征在于：基于所述公式(10)，明确钻井过程中地层坍塌压力的变化规律，基于变化规律，计算得到钻井过程中的页岩地层坍塌压力增量：
ΔPc(t)＝Pc(t)-Pc(0)
上式中，ΔPc(t)为钻井不同时间下的坍塌压力增量；Pc(t)为钻井不同时间下的坍塌压力；Pc(0)为原始地层坍塌压力。
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-
2023
- 2023-02-03 CN CN202310054788.3A patent/CN116066092B/zh active Active
Patent Citations (11)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116066092B (zh) | 2024-04-26 |
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