适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，该方法综合地下岩石力学、测井学、连续介质力学、弹性力学、数理统计学等多学科知识点，从地层压力衰竭后岩石骨架颗粒的微观变形情况入手，到岩石的宏观声波响应表现、特性参数变化等，并充分利用该油田地层压力未衰竭时的部分资料(如岩石骨架密度测井、泥质含量测井、地层压力以及坍塌破裂压力实测点，地层岩心等)，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。本发明专利技术计算方法的精确度较高，只有破裂压力的预测上稍微有点误差。

【技术实现步骤摘要】
适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法
本专利技术涉及油气田钻井中的压力衰竭地层井壁稳定性研究，具体地指一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法。
技术介绍
大部分油气田在开采一段时间之后，地层能量都会有不同程度的下降。根据在压力衰竭地层的现场钻井情况统计，在压力衰竭井段极易发生井漏、卡钻等事故。例如在中国南海西部莺歌海盆地MD气田经过二十多年的开采，储集层压力系数已经下降至0.5左右。为了满足生产计划要求，并于2010年起增打多口调整井，在调整井的钻进过程中压力衰竭井段井漏、卡钻等事故发生率占整个井段的80％以上。针对该现象，为了减少压力衰竭井段事故发生率，国内外研究基本上集中于钻井液性能优化、井身结构优化设计等，缺乏理论上深入研究压力衰竭地层井壁失稳原因。虽然目前也有国内外相关学者对压力衰竭地层的地应力、坍塌破裂压力变化进行了研究，但是都是建立在岩石特性参数不发生变化的基础上得到的数学计算模型，虽然据此得到的数学计算模型较简介，但是坍塌破裂压力预测精度低的同时还没有形成一套具体成型的压力衰竭地层井壁稳定性预测方法，在现场实际应用中有诸多限制。如果不对压力衰竭地层坍塌、破裂压力进行精确预测，而是沿用油气田开发初期的安全泥浆密度窗口，极有可能因为钻井液密度选用不准确而导致井漏、卡钻等事故的发生。
技术实现思路
本专利技术针对现场越来越高的精度要求以及目前对压力衰竭地层的研究不足，本专利技术综合地下岩石力学、测井学、连续介质力学、弹性力学、数理统计学等多学科知识点，从地层压力衰竭后岩石骨架颗粒的微观变形情况入手，到岩石的宏观声波响应表现、特性参数变化等，并充分利用该油田地层压力未衰竭时的部分资料(如岩石骨架密度测井、泥质含量测井、地层压力以及坍塌破裂压力实测点，地层岩心等)，最终建立了一个完整的压力衰竭地层的安全泥浆密度窗口预测方法。利用该方法可以准确预测压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，预测精度高。为实现上述目的，本专利技术提供的一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，包括以下步骤：1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，发现岩石有效应力与声波速度之间呈现出良好的曲线关系，即存在着某种数学关系。为了找出岩石有效应力与声波速度之间的数学关系，分别假设两者之间存在着二次关系、三次关系、对数关系，然后对其相关性进行分析发现，对数函数相关性高达0.85以上，因此最终确定岩石有效应力与声波速度之间存在着对数关系；2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下(油田卡开采一段时间后地层能量下降导致地层压力衰竭，但是不会影响地层岩石矿物含量，不会影响岩石骨架颗粒密度。因此，可以充分利用油田地层压力未衰竭时所测的测井资料，比如地层岩石泥质含量测井数据、地层岩石密度测井数据。)：σc＝pu-αpp(2)其中σc为有效应力、pu为上覆岩层压力、pp为地层压力、α为应力贡献系数，α为0.8～0.9；3)根据步骤2)得到的地层有效应力带入到步骤1)中得到的岩石有效应力与声波速度的对数关系，即得到压力衰竭地层的地层声波速度数据，结合该声波数据，最终得到压力衰竭后岩石弹性模量、泊松比a、弹性模量与声波速度关系b、泊松比与声波速度关系其中E1—压力衰竭后岩石弹性模量；μ1—压力衰竭后岩石泊松比；Vp—纵波速度；Vs—横波速度；4)建立地应力计算模型：a.为了得到方便应用于现场的地应力计算模型，特假设地层岩石为各向同性弹性体，压力衰竭前地层岩石变形公式为：压力衰竭后地层岩石变形公式为：式中ε为岩石形变；i、j、k分别代表空间直角坐标中三个不同的方向，同时σx＝σH(水平最大主应力)、σy＝σh(水平最小主应力)、σz＝σv(垂向主应力)；b.地层压力下降后，基岩应力必然增加将导致岩石颗粒挤压变形，油气田地表会出现一定程度的下沉，但是下沉量一般远小于储集层埋深，认为上覆岩层压力在油气压力衰竭前后不变，即σv0＝σv1＝σv；同时由于致密圈闭层的存在，限制了岩石在水平方向上的变形，即εH1-εH0＝εh1-εh0＝0，建立了地应力计算模型：其中σv、σH、σh为三个主地应力；P为孔隙压力；α为应力贡献系数；物理量下标0、1分别表示物理量处于压力衰竭前、后状态；5)利用步骤3)得到的压力衰竭后岩石特性参数值，即压力衰竭后岩石弹性模量和泊松比，及其油田原始地层数据，即原始地应力、原始弹性模量、泊松比、原始孔隙压力及衰竭后孔隙压力，计算得到压力衰竭后地层地应力值；6)根据压力衰竭地层井段的井壁应力分析公式，结合步骤5)得到压力衰竭后的地应力值，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，当在压力衰竭地层钻进时钻井液密度小于所计算的坍塌压力将会导致井壁坍塌，当钻井密度大于所计算的破裂压力时将会导致井壁破裂，从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。进一步地，所述步骤1)中，对于单组室内岩心声波实验，岩石有效应力与声波速度之间的关系为对数关系，其公式为：vp＝Aln(σc)+B(1a)其中，vp为声波速度，Km/s；σc为岩石有效应力，MPa；A、B为常数A为0～1，B为1～3。再进一步地，所述步骤1)中，对于多组室内岩心声波实验，将存在多组A、B值，为了尽量地层声波速度预测误差，在选用A、B系数值时，选用其平均值，即：最终该区块岩石有效应力与声波速度之间的关系：其中vp为声波速度，Km/s；σc为岩石有效应力，MPa；A、B为常数，与地区地层性质有关，A为0～1，B为1～3；n为实验组数，Ai、Bi分别为第i组实验数据回归公式系数值。再进一步地，所述步骤2)中，上覆岩层压力根据不同条件下，计算方式不同：a、陆地上，并且有整个井段的密度测井资料其中pu为上覆岩层压力；ρi为测井资料中第i个密度测井值；g为重力加速度；Δh为密度测井值间距；d是微分符号，dh是h的微分；b、陆地上，但是只有下部井段的密度测井资料根据部分井段的密度测井资料通过数学回归得到地层岩石密度与井深之间的函数关系ρ＝f(h)，则c、海上海上油气井井段上部地层特别是深水情况下的井段上部地层不能简单的通过下部井段密度测井资料数学回归得到密度与井深之间的关系，必须选用目前应用比较普遍的Gardner模型ρ＝m(VInt)n对浅部地层密度拟合，则其中VInt为地层层速度，m、n为常系数，均为0～1。再进一步地，所述步骤6)中，若压力衰竭地层井段为直井段，则直井井段的井壁的坍塌压力、破裂压力公式如下：pf＝3σh-σH-αpp+St(5b)其中pt、pf分别为坍塌、破裂压力，g/cm3；η为应力非线性修正系数，范围0～1；σH、σh分别为最大、最小水平主地应力，MPa；Fc为岩石粘聚力，MPa；H为井深，m；pp为地层孔隙压力，g/cm3；St为岩石抗拉强度，MPa；K＝cot(45°-φ/2)，φ为岩石内摩擦角。再进一步地，所述步骤6)中，斜井坍塌压力、破裂压力的计算公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下：σ

【技术特征摘要】
1.一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下：σc＝pu-αpp(2)，其中σc为有效应力、pu为上覆岩层压力、pp为地层压力、α为应力贡献系数，α为0.8～0.9；3)根据步骤2)得到的地层有效应力带入到步骤1)中得到的岩石有效应力与声波速度的对数关系，即得到压力衰竭地层的地层声波速度数据，结合该声波数据，最终得到压力衰竭后岩石弹性模量、泊松比a、弹性模量与声波速度关系b、泊松比与声波速度关系其中E1—压力衰竭后岩石弹性模量；μ1—压力衰竭后岩石泊松比；Vp—纵波速度；Vs—横波速度；4)建立地应力计算模型：a.为了得到方便应用于现场的地应力计算模型，特假设地层岩石为各向同性弹性体，压力衰竭前地层岩石变形公式为：压力衰竭后地层岩石变形公式为：式中ε为岩石形变；i、j、k分别代表空间直角坐标中三个不同的方向，同时σx＝σH(水平最大主应力)、σy＝σh(水平最小主应力)、σz＝σv(垂向主应力)；b.地层压力下降后，基岩应力必然增加将导致岩石颗粒挤压变形，油气田地表会出现一定程度的下沉，但是下沉量一般远小于储集层埋深，认为上覆岩层压力在油气压力衰竭前后不变，即σv0＝σv1＝σv；同时由于致密圈闭层的存在，限制了岩石在水平方向上的变形，即εH1-εH0＝εh1-εh0＝0，建立了地应力计算模型：其中σv、σH、σh为三个主地应力；P为孔隙压力；α为应力贡献系数；物理量下标0、1分别表示物理量处于压力衰竭前、后状态；5)利用步骤3)得到的压力衰竭后岩石特性参数值，即压力衰竭后岩石弹性模量和泊松比，及其油田原始地层数据，即原始地应力、原始弹性模量、泊松比、原始孔隙压力及衰竭后孔隙压力，计算得到压力衰竭后地层地应力值；6)根据压力衰竭地层井段的井壁应力分析公式，结合步骤5)得到压力衰竭后的地应力值，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，当在压力衰竭地层钻进时钻井液密度小于所计算的坍塌压力将会导致井壁坍塌，当钻井密度大于所计算的破裂压力时将会导致井壁破裂，从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。2.根据权利要求1所述适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：所述步骤1)中，对于单组室内岩心声波实验，岩石有效应力与声波速度之间的关系为对数关系，其公式为：vp＝Aln(σc)+B(1a)；其中，vp为声波速度，Km/s；σc为岩石有效应力，MPa；A、B为常数A为0～1，B为1～3。3.根据权利要求1所述适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：所述步骤1)中，对于多组室内岩心声波实验，将存在多组A、B值，为了尽量地层声波速度预测误差，在选用A、B系数值时，选用其平均值，即：最终该区块岩石有效应力与声波速度之间的关系：

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠慧，楼一珊，谢云红，倪亚飞，朱亮，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42