[發明專利]一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法

有效

• 申請號: 202110668186.8
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113958315B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 丁乙;劉向君;梁利喜;熊健
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00;E21B47/00;G06F30/20;G06Q50/02
• 代理公司: 成都熠邦鼎立專利代理有限公司 51263
• 代理人: 李曉英

1.一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：包括以下步驟：

基于Weibull強度分布理論和損傷力學定義，構建損傷下的頁巖本構方程；

基于損傷力學理論，結合頁巖動態自吸方程、損傷下的頁巖本構方程，構建水化損傷下的頁巖自吸-本構模型；

制取頁巖巖心，對頁巖巖心開展三軸力學實驗獲得原狀頁巖力學參數；

對頁巖巖心開展自吸實驗，基于頁巖動態自吸方程，計算出頁巖平均吸水長度；

獲取井壁巖石主應力分布；

基于井壁巖石主應力分布、原狀頁巖力學參數、頁巖平均吸水長度，采用所述頁巖自吸-本構模型，實現鉆井過程中的頁巖地層坍塌壓力預測；具體的，根據井壁巖石最小主應力、原狀頁巖力學參數、頁巖平均吸水長度，采用頁巖自吸-本構模型，計算得到當前最小主應力條件下的頁巖應力—應變曲線；基于應力—應變曲線，確定當前最小主應力下的頁巖應力σ_i的峰值σ_max；當σ_max等于井壁巖石最大主應力時，井壁發生坍塌破壞；此時，井筒的液柱壓力為地層坍塌壓力；

所述損傷下的頁巖本構方程為：

上式中，σ_i為頁巖應力，ε_i為頁巖應變，E為頁巖彈性模量，u頁巖泊松比，為內聚力，σ₃為圍壓或巖石最小主應力，σ_c為不同圍壓下的抗壓強度，D為損傷系數；F、m是Weibull強度統計參數；

所述頁巖動態自吸方程為：

上式中，L_s為頁巖平均吸水長度，σ為表面張力，θ為接觸角，μ_w為水黏度，p為水密度，λ_a(t)為自吸過程中的頁巖平均孔徑。

2.根據權利要求1所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：所述原狀頁巖力學參數包括頁巖彈性模量、泊松比、內聚力、抗壓強度-圍壓的相關性；

抗壓強度-圍壓的相關性通過以下方式獲得：通過開展不同圍壓下的三軸力學實驗，獲得不同圍壓下的抗壓強度，從而進行線性擬合，確定抗壓強度-圍壓的相關性方程。

3.根據權利要求1所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：所述損傷系數D的表達式為：

上式中，L為頁巖巖樣長度，L_s為頁巖平均吸水長度。

4.根據權利要求1所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：所述的自吸實驗具體包括：

S1，對頁巖巖心開展自吸實驗，獲取不同自吸時間下的頁巖巖心；

S2，對不同自吸時間下的頁巖巖心開展壓汞實驗，獲取自吸過程中的頁巖平均孔徑。

5.根據權利要求1或4所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：所述的自吸實驗采用端部自吸方式，水沿巖心一個端面進入頁巖內部，吸水方向平行頁巖巖心軸向方向。

6.根據權利要求1、2、3或4所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：所述頁巖自吸-本構模型為：

上式中，σ_i為頁巖應力，ε_i為頁巖應變，E為頁巖彈性模量，u頁巖泊松比，為內聚力，σ₃為圍壓或巖石最小主應力，σ_c為不同圍壓下的抗壓強度，D為損傷系數；F、m是Weibull強度統計參數；

L_s為頁巖平均吸水長度，σ為表面張力，θ為接觸角，μ_w為水黏度，p為水密度，λ_a(t)為自吸過程中的頁巖平均孔徑。

7.根據權利要求1所述的一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，其特征在于：井壁巖石主應力分布的獲取方法具體包括：

基于地層三向地應力，采用井眼坐標轉換方程，得到井周應力分布：

上式中，σ_r、σ_θ、σ_z為柱坐標系下徑向、周向和軸向正應力；τ_θz、τ_rθ、τ_rz分別為柱坐標下θz、rθ、rz平面切應力；σ_xx、σ_yy、σ_zz分別為直角坐標下X、Y、Z軸方向上地應力分量；σ_xy、σ_xz、σ_yz分別為直角坐標系下XY、XZ、YZ平面上地應力分量；θ_c井周角；p_i為鉆井液液柱壓力；

基于井周應力分布，得到井壁任意位置的主應力分布，如下所示：

上式中，σ₁為井壁巖石最大主應力；σ₃井壁巖石最小主應力。