[發明專利]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

• 申請號: 202010981632.6
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN111980667A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 張明明;范翔宇;冉佳蔚;張千貴;趙鵬斐;么勃衛
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B49/00;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 成都時譽知識產權代理事務所(普通合伙) 51250
• 代理人: 何悅

本發明公開了一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，包括在大地坐標系下得到目標井區地應力方位坐標、層理產狀、井眼軌跡等參數；根據參數得到井眼極坐標中橫觀各向同性地層的井周應力分量；在大地坐標系下得到地層層理面的產狀，建立層理面坐標系與大地坐標系的關系，確定井周最大主應力與層理面法向的夾角；選取MGC、ML和MWC三個真三軸強度準則，獲取四種準則主應力空間的強度包絡線；給定井底壓力Pw，沿井眼軸向逆時針計算不同位置處最大和最小主應力，并代入到不同的強度準則中，判斷該井底壓力值下的穩定情況，重復上述步驟，得到井周各點的臨界井底壓力后，取其中的最大值即為該井眼軌跡下的坍塌壓力。

技術領域

本發明涉及石油工程技術領域，具體是一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法。

背景技術

在鉆井過程中，井壁失穩引起的井下復雜情況和誘發的其他井下事故對油氣鉆采危害極大，井壁失穩問題一直是一個世界性的難題。頁巖氣作為一種重要的非常規資源，在世界范圍內受到了越來越多的關注，但頁巖地層所造成的井壁失穩問題卻高達75％以上。為此，國內外學者對井壁穩定問題開展了大量研究，主要可分為近井眼帶應力分布和巖石強度判據兩個方面。Kirsch首次提出了線彈性井周應力模型，但僅在井眼指向主地應力方向時適用；Fairhurst首次提出適用于任意井眼的線彈性井周應力模型；Westergaard首先提出了一種彈塑性井周應力模型，但需要太多參數，限制了其推廣應用；頁巖是一種橫向各向同性材料，其線彈性參數在垂直與平行層理方向差異顯著，以往井壁穩定的研究大多將其視為各向同性介質，忽視了彈性各向異性對井壁穩定的影響。后來Lekhnitskii首次引入彈性橫向各向同性，得到了頁巖地層井壁的應力分量。他提出的橫觀各向同性應力模型充分考慮了頁巖的巖性特征，是后來眾多學者進行頁巖地層井壁穩定分析的首選方法；此外，許多研究者對橫觀各向同性介質的強度進行了大量的研究。Jaeger基于Coulomb破壞理論首次提出了一種弱面強度準則，用這種強度準則預測的井壁破壞有兩個分量，即巖石本體強度和層理或裂縫強度，雖然很好的解釋了頁巖強度各向異性，但存在較大誤差，如垂直層理加載強度與平行層理加載強度存在顯著差異，在低傾角時，頁巖強度也顯著降低；Weijermars等人提出，隨著彈性模量的增加，井壁穩定的泥漿密度窗口減小，而泊松比對井壁穩定的影響非常有限；and Cook在井筒與層理平行的方向上進行了厚壁圓筒試驗表明，平行于或接近平行于層理方向的鉆井更容易發生嚴重的井壁失穩；Lu、Zhou、Liu等人提出，泥漿比重越大，裂縫性頁巖的孔隙壓力越大，有效應力越小，屈服強度越大。目前對頁巖地層井壁穩定性的分析一般是基于常規的應力狀態，采用Mohr-coulomb準則，忽略了中間主應力的影響。頁巖儲層處于真三軸應力狀態，大量的實驗已經表明，中間主應力對強度的影響是顯著的且具有范圍效應；Singh等人發現三軸準則估計的塑性區范圍比二軸準則小約13％～20％；Rahimi等人提出，在井壁穩定分析中修正的Lade準則、WiebolsCook準則和Mogi-Coulomb準則預測的坍塌壓力要么過于保守，要么不安全，但假設地層為各向同性，并不適用于頁巖，彈性各向異性對井筒穩定性影響的研究很少。

以上研究雖討論了頁巖諸多特征對井壁穩定的影響，但所提出的對策仍不能消除鉆井作業的復雜性。簡單地將頁巖視為各向同性介質的井壁穩定模型并不精確，頁巖穩定性受多種因素的影響。本方法將中間主應力與彈性各向異性參數結合起來，采用橫觀各向同性模型計算井壁三維應力，基于Mogi-Coulomb準則、修正的Lade準則和修正的WiebolsCook準則三種真三軸準則，評價了坍塌壓力對彈性參數各向異性度的敏感性，探索了層理頁巖中井壁失穩的新機制，并將鉆井中遇到的井壁失穩問題降到最低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種各向異性對頁巖井壁坍塌壓力影響的定量評價方法，包括如下步驟：

步驟一：在大地坐標系下得到目標井區地應力方位坐標、層理產狀、井眼軌跡；目標井區地應力、孔隙壓力大??；以及目標井區礦區巖石本體和裂縫面內聚力、內摩擦角等參數；