[發(fā)明專利]一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法

在審

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• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN111980667A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張明明;范翔宇;冉佳蔚;張千貴;趙鵬斐;么勃衛(wèi)
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B49/00;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 成都時譽(yù)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51250
• 代理人: 何悅

1.一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：在大地坐標(biāo)系下得到目標(biāo)井區(qū)地應(yīng)力方位坐標(biāo)、層理產(chǎn)狀、井眼軌跡；目標(biāo)井區(qū)地應(yīng)力、孔隙壓力大小；以及目標(biāo)井區(qū)礦區(qū)巖石本體和裂縫面內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)；

步驟二：將地應(yīng)力從大地坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到井眼直角坐標(biāo)系下，再將井眼直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力轉(zhuǎn)換到井眼極坐標(biāo)中，得到井眼極坐標(biāo)中橫觀各向同性地層的井周應(yīng)力分量，并將其轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力的形式；

步驟三：在大地坐標(biāo)系下得到地層層理面的產(chǎn)狀，建立層理面坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的關(guān)系，確定井周最大主應(yīng)力與層理面法向的夾角；

步驟四：選取MGC、ML和MWC三個真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則，與MC強(qiáng)度準(zhǔn)則對比，獲取四種準(zhǔn)則主應(yīng)力空間的強(qiáng)度包絡(luò)線；

步驟五：利用MATLAB軟件，編制不同強(qiáng)度準(zhǔn)則的井壁坍塌壓力計(jì)算程序，給定井底壓力Pw，沿井眼軸向逆時針計(jì)算不同位置處最大和最小主應(yīng)力，并代入到三個真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則中，判斷該井底壓力值下的穩(wěn)定情況，逐步升高井底壓力，利用牛頓迭代法，重復(fù)上述步驟，直至井壁穩(wěn)定時的井底壓力即為該點(diǎn)處的臨界井底壓力，得到井周各點(diǎn)的臨界井底壓力后，取其中的最大值即為該井眼軌跡下的坍塌壓力。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，其特征在于，所述的將地應(yīng)力從大地坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到井眼直角坐標(biāo)系下，再將井眼直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力轉(zhuǎn)換到井眼極坐標(biāo)中，得到井眼極坐標(biāo)中橫觀各向同性地層的井周應(yīng)力分量，并將其轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力的形式，包括如下過程：

直角坐標(biāo)系下井周應(yīng)力分量如下式所示：

式中，表示僅取括號中結(jié)果的實(shí)部，σ_x,σ_y,σ_z,τ_xy,τ_xz,τ_yz為總應(yīng)力分量，下標(biāo)i表示由地應(yīng)力引起的分量，下標(biāo)a表示由彈性各向異性引起的分量；

將井眼直角坐標(biāo)系下井周應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換到井眼極坐標(biāo)中，如下式所示：

將井眼極坐標(biāo)系中的井周應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力的形式，如下式所式：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，其特征在于，所述的在大地坐標(biāo)系下得到地層層理面的產(chǎn)狀，建立層理面坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的關(guān)系，確定井周最大主應(yīng)力與層理面法向的夾角，包括如下步驟：

井周最大主應(yīng)力與層理面法向的夾角如下式所示：

式中，n為層理面法向在大地坐標(biāo)系下的方向矢量，N為井周最大主應(yīng)力在大地坐標(biāo)系下的方向矢量，其表達(dá)式分別如下式所示：

n＝[cosα_bpsinβ_bp,sinα_bpsinβ_bp,cosβ_bp]

其中，

γ＝0.5arctan[2τ_θz/(σ_θ-σ_z)]

式中，α_bp和β_bp分別為層理傾向和層理傾角；α_b和β_b分別為井眼傾向和層理傾角；γ為最大主應(yīng)力與井眼軸線Z_e的夾角。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，其特征在于，所述的步驟五具體包括如下步驟：

1.設(shè)定井眼井周角變化范圍為0～180°，給定增量2°；設(shè)定井眼傾角變化范圍為0°～90°，間隔5°；設(shè)定井眼方位變化范圍為0°～360°，間隔2°。

2.設(shè)定井底壓力從0增加到x，間隔為0.01MPa，將其代入井眼直角坐標(biāo)系下井周應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換到井眼極坐標(biāo)公式中，分別計(jì)算井周各點(diǎn)處的井周應(yīng)力，并分別轉(zhuǎn)化為井周三大主應(yīng)力；

3.將井周主應(yīng)力代入到不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則中，重復(fù)步驟2直至達(dá)到井壁穩(wěn)定臨界條件，此時的井底壓力為維持井壁穩(wěn)定的臨界值；

4.根據(jù)步驟3，得到井周0～360°各點(diǎn)維持井壁穩(wěn)定的井底壓力臨界值，取其中的最大值即為該井眼軌跡條件下的井壁坍塌壓力。