[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

本發明涉及一種基于自吸?本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，包括：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；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。本發明結合頁巖自吸特征與本構特征，構建了一種新的坍塌壓力預測方法，可為現場確定安全鉆井液密度提供科學依據。

技術領域

本發明涉及頁巖地層穩定井壁地層能力評價方法領域，尤其涉及一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法。

背景技術

頁巖氣是目前石油工業的熱點。由于頁巖氣具有巨大的潛能，世界上多個國家都逐漸增加了頁巖氣勘探開發的投入。頁巖地層鉆井過程中，井壁垮塌失穩現象嚴重，從而嚴重制約了頁巖氣的高效開發。實際鉆井過程中，鉆井液密度需要高于地層坍塌壓力，從而保持井壁不垮塌。因此，需要一種準確的坍塌壓力預測方法，指導鉆井過程中的鉆井液密度優選。

頁巖的特點之一是具有強水化特征，在鉆井過程中，隨著頁巖與鉆井液接觸，頁巖發生水化作用，力學特征發生改變，從而影響地層坍塌壓力。目前，頁巖地層坍塌壓力研究中，已經形成了明確認識：當頁巖與鉆井液接觸，隨水化時間增加，頁巖吸水量越大，水化損傷越明顯，坍塌壓力增大，井壁穩定性降低。但是，尚未形成有效的理論方法建立“吸水特征—損傷程度—坍塌壓力”的定量關系，從而導致實際鉆井過程中，坍塌壓力預測不準確，井壁失穩現象頻發。

發明內容

本申請為了解決上述技術問題提供一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法。

本申請通過下述技術方案實現：

一種基于自吸-本構模型的頁巖地層坍塌壓力預測方法，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。

其中，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-圍壓的相關性可通過以下方式獲得：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。

進一步的，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。

進一步的，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。

進一步的，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；