确定井壁强化条件的方法与系统及井壁强化的方法与系统技术方案

技术编号:22753201 阅读:36 留言:0更新日期:2019-12-07 03:08
本发明专利技术涉及钻井勘探领域,公开了一种用于确定井壁强化条件的方法与系统、及井壁强化的方法与系统。所述用于确定井壁强化条件的方法包括:根据井壁强化模型、所述井壁的预设承压及热流固耦合方程,计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布;根据所述井壁所需冷却至的目标温度,获得钻井液的温度;以及根据所述裂缝开度分布及粒径匹配准则,获取强化材料的粒径分布。本发明专利技术一方面可对井壁强化过程所需的钻井液的温度和强化材料的粒径分布进行定量化表征,从而实现对井壁强化过程的精细化控制;另一方面,利用温度变化所产生的热应力增强了强化材料充填对井周应力的影响,从而提高了井壁的承压能力。

The method and system of determining the conditions of wellbore strengthening and the method and system of wellbore strengthening

The invention relates to the field of drilling exploration, and discloses a method and system for determining the conditions of well wall strengthening, and a method and system for well wall strengthening. The method for determining the wellbore strengthening conditions includes: calculating the target temperature to which the wellbore needs to be cooled and the fracture opening distribution of the fracture extending from the wellbore to the formation according to the wellbore strengthening model, the preset pressure bearing and thermal fluid structure coupling equations of the wellbore; obtaining the temperature of the drilling fluid according to the target temperature to which the wellbore needs to be cooled; and According to the opening distribution and particle size matching criterion, the particle size distribution of the strengthening material is obtained. On the one hand, the invention can quantitatively characterize the temperature of the drilling fluid and the particle size distribution of the strengthening material required in the well wall strengthening process, so as to realize the fine control of the well wall strengthening process; on the other hand, the influence of the strengthening material filling on the well wall stress is enhanced by the thermal stress generated by the temperature change, so as to improve the pressure bearing capacity of the well wall.

【技术实现步骤摘要】
确定井壁强化条件的方法与系统及井壁强化的方法与系统
本专利技术涉及钻井勘探领域,具体地涉及一种用于确定井壁强化条件的方法与系统、及井壁强化的方法与系统。
技术介绍
井漏是指在压差作用下,钻井工作流体通过裂缝向地层漏失的现象。井漏作为最严重的井下复杂情况之一,不仅会造成钻井液损失与污染储层,还会导致井塌、井喷等一系列的井下复杂事故,这些事故每年对全球钻井行业造成的经济损失高达20~30亿美元。为了预防井漏事故的发生,减少井漏所造成的损害,井漏处理技术开始由“后期堵漏”向“先期预防”方向发展。例如,井壁强化技术作为一种重要的防漏技术措施,已得到广泛地推广和应用,但其具体作用机理尚未明确。目前,常用的井壁强化方法为经验性地加入一系列尺寸的封堵剂进行随钻预防。由于地层裂缝开度难以准确预测,导致加入的随钻封堵材料充填效率较低,因此,该方法缺少定量化的施工参数,对井壁强化技术实施过程难以实现精细化控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于确定井壁强化条件的方法与系统、及井壁强化的方法与系统,其一方面可对井壁强化过程所需的钻井液的温度和强化材料的粒径分布进行定量化表征,从而实现对井壁强化过程的精细化控制;另一方面,利用温度变化所产生的热应力增强了强化材料充填对井周应力的影响,从而提高了井壁的承压能力。为了实现上述目的,本专利技术一方面提供一种用于确定井壁强化条件的方法,该方法包括:根据井壁强化模型、所述井壁的预设承压及热流固耦合方程,计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度;根据所述井壁所需冷却至的目标温度,获得钻井液的温度;以及根据所述裂缝开度分布及粒径匹配准则,获取强化材料的粒径分布。优选地,所述计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布包括:根据所述井壁强化模型及所述井壁的预设承压,计算在所述井壁被填充强化材料后的裂缝尖端的第一应力强度因子;根据所述热流固耦合方程、及所述井壁的预设承压与预设目标温度,计算裂缝尖端的第二应力强度因子;以及调整所述井壁的预设目标温度,并重新计算所述裂缝尖端的第二应力强度因子,直至所计算的第二应力强度因子与所述第一应力强度因子的差值的绝对值小于或等于预设值;根据最后一次调整的所述井壁的预设目标温度,获取所述井壁所需冷却至的目标温度;以及根据由所述热流固耦合方程与最后一次调整的所述井壁的预设目标温度得到的所述地层的位移场在所述井壁的裂缝处的位移,获取所述裂缝开度分布。优选地,所述计算在所述井壁被填充强化材料后的裂缝尖端的第一应力强度因子包括:根据所述井壁强化模型,获取用于计算所述第一应力强度因子的第一公式;以及根据所述第一公式、所述井壁的预设承压、及距所述井壁无限远处的最小水平地应力与最大水平地应力,计算所述第一应力强度因子。优选地,用于计算所述第一应力强度因子KIa的第一公式为:KIa=(F1+F2)·[2Pw-(σH+σh)]+(F1+3F3)·(σH-σh)-2F4·(Pw-P),其中,σh为距所述井壁无限远处的最小水平地应力;σH为距所述井壁无限远处的最大水平地应力;P为地层的孔隙压力;Pw为所述井壁的预设承压;F1、F2、F3、F4分别为第一积分函数、第二积分函数、第三积分函数及第四积分函数,其中,所述第一积分函数F1、第二积分函数F2、第三积分函数F3及第四积分函数F4分别通过以下公式获得:其中,L为裂缝尖端与井筒中心的距离,a为裂缝长度,R为井筒半径,D为强化材料在裂缝内封堵架桥的位置到井筒中心的距离,以及r为裂缝内任一点到井筒中心的距离。优选地,所述计算裂缝尖端的第二应力强度因子包括:根据所述热流固耦合方程、及所述井壁的预设承压与预设目标温度,计算地层的位移场;以及根据J积分算法及所述地层的位移场,计算所述裂缝尖端的第二应力强度因子。优选地,所述热流固耦合方程包括:应力平衡方程、流体质量守恒方程及能量平衡方程,相应地,所述计算所述地层的位移场包括:根据所述应力平衡方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述位移场;根据所述流体质量守恒方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述地层的孔隙压力场;根据所述能量平衡方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述地层的温度场;在计算得到所述位移场、所述地层的孔隙压力场及所述地层的温度场的情况下,对该迭代计算过程进行计数;以及判断所述迭代计算过程的计数是否等于预设次数,在所述迭代计算过程的计数小于所述预设次数的情况下,将计算得到的所述位移场、所述地层的孔隙压力场与温度场作为初始值继续进行迭代计算过程。优选地,所述粒径匹配准则包括:第一预设百分比的强化材料的累积粒径分布对应的粒径等于第一预设裂缝开度;且第二预设百分比的强化材料的累积粒径分布对应的粒径等于第二预设裂缝开度,其中,所述第一预设百分比小于所述第二预设百分比,所述第一预设裂缝开度小于所述第二预设裂缝开度,且所述第一预设裂缝开度及所述第二预设裂缝开度与所述裂缝开度分布中的最大裂缝开度相关。通过上述技术方案,本专利技术创造性地通过井壁强化模型、井壁的预设承压及热流固耦合方程,定量计算井壁所需冷却至的目标温度和裂缝的裂缝开度分布,然后,根据井壁所需冷却至的目标温度,获取所需泵入的钻井液的温度,根据裂缝开度分布与粒径匹配准则,获取所需填充的强化材料的粒径分布,其可对井壁强化过程所需的钻井液的温度和强化材料的粒径分布进行定量化表征,从而可实现对井壁强化过程的精细化控制,为强化井壁过程奠定重要的基础。本专利技术第二方面提供一种用于确定井壁强化条件的系统,该系统包括:计算装置,用于根据井壁强化模型、所述井壁的预设承压及热流固耦合方程,计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布;温度获取装置,用于根据所述井壁所需冷却至的目标温度,获得钻井液的温度;以及粒径分布获取装置,用于根据所述裂缝开度分布及粒径匹配准则,获取强化材料的粒径分布。有关本专利技术提供的用于确定井壁强化条件的系统的具体细节及益处可参阅上述针对用于确定井壁强化条件的方法的描述,于此不再赘述。本专利技术第三方面提供一种井壁强化方法,该井壁强化方法包括:获取根据所述的用于确定井壁强化条件的方法获得的钻井液的温度及强化材料的粒径分布;泵入具有所述温度的钻井液;以及填充具有所述粒径分布的强化材料。通过上述技术方案,本专利技术创造性地获取通过上述用于确定井壁强化条件的方法获得的钻井液的温度及强化材料的粒径分布,然后按照所获取的温度泵入所需的钻井液,并按照所获取的粒径分布填充所需的强化材料,从而利用温度变化所产生的热应力增强了强化材料充填对井周应力的影响,从而提高了井壁的承压能力。本专利技术第四方面提供一种井壁强化系统,该井壁强化系统包括:获取设备,用于获取根据所述的用于确定井壁强化条件的方法获得的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,该方法包括:/n根据井壁强化模型、所述井壁的预设承压及热流固耦合方程,计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布;/n根据所述井壁所需冷却至的目标温度,获得钻井液的温度;以及/n根据所述裂缝开度分布及粒径匹配准则,获取强化材料的粒径分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,该方法包括:
根据井壁强化模型、所述井壁的预设承压及热流固耦合方程,计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布;
根据所述井壁所需冷却至的目标温度,获得钻井液的温度;以及
根据所述裂缝开度分布及粒径匹配准则,获取强化材料的粒径分布。


2.根据权利要求1所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,所述计算所述井壁所需冷却至的目标温度和所述井壁向地层延伸的裂缝的裂缝开度分布包括:
根据所述井壁强化模型及所述井壁的预设承压,计算在所述井壁被填充强化材料后的裂缝尖端的第一应力强度因子;
根据所述热流固耦合方程、及所述井壁的预设承压与预设目标温度,计算裂缝尖端的第二应力强度因子;
调整所述井壁的预设目标温度,并重新计算所述裂缝尖端的第二应力强度因子,直至所计算的第二应力强度因子与所述第一应力强度因子的差值的绝对值小于或等于预设值;
根据最后一次调整的所述井壁的预设目标温度,获取所述井壁所需冷却至的目标温度;以及
根据由所述热流固耦合方程与最后一次调整的所述井壁的预设目标温度得到的所述地层的位移场,获取所述裂缝开度分布。


3.根据权利要求2所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,所述计算在所述井壁被填充强化材料后的裂缝尖端的第一应力强度因子包括:
根据所述井壁强化模型,获取用于计算所述第一应力强度因子的第一公式;以及
根据所述第一公式、所述井壁的预设承压、及距所述井壁无限远处的最小水平地应力与最大水平地应力,计算所述第一应力强度因子。


4.根据权利要求3所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,用于计算所述第一应力强度因子KIa的第一公式为:KIa=(F1+F2)·[2Pw-(σH+σh)]+(F1+3F3)·(σH-σh)-2F4·(Pw-P),
其中,σh为距所述井壁无限远处的最小水平地应力;σH为距所述井壁无限远处的最大水平地应力;P为地层的孔隙压力;Pw为所述井壁的预设承压;F1、F2、F3、F4分别为第一积分函数、第二积分函数、第三积分函数及第四积分函数,
其中,所述第一积分函数F1、第二积分函数F2、第三积分函数F3及第四积分函数F4分别通过以下公式获得:其中,L为裂缝尖端与井筒中心的距离,a为裂缝长度,R为井筒半径,D为强化材料在裂缝内封堵架桥的位置到井筒中心的距离,以及r为裂缝内任一点到井筒中心的距离。


5.根据权利要求2所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,所述计算裂缝尖端的第二应力强度因子包括:
根据所述热流固耦合方程、及所述井壁的预设承压与预设目标温度,计算地层的位移场;以及
根据J积分算法及所述地层的位移场,计算所述裂缝尖端的第二应力强度因子。


6.根据权利要求5所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,所述热流固耦合方程包括:应力平衡方程、流体质量守恒方程及能量平衡方程,
相应地,所述计算所述地层的位移场包括:
根据所述应力平衡方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述位移场;
根据所述流体质量守恒方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述地层的孔隙压力场;
根据所述能量平衡方程、所述井壁的预设承压与预设目标温度、地层的初始孔隙压力、所述地层的初始温度、及所述地层的初始位移,计算所述地层的温度场;
在计算得到所述位移场、所述地层的孔隙压力场及所述地层的温度场的情况下,对该迭代计算过程进行计数;以及
判断所述迭代计算过程的计数是否等于预设次数,在所述迭代计算过程的计数小于所述预设次数的情况下,将计算得到的所述位移场、所述地层的孔隙压力场与温度场作为初始值继续进行迭代计算过程。


7.根据权利要求1所述的用于确定井壁强化条件的方法,其特征在于,所述粒径匹配准则包括:第一预设百分比的强化材料的累积粒径分布对应的粒径等于第一预设裂缝开度;且第二预设百分比的强化粒径的累积粒径分布对应的粒径等于第二预设裂缝开度,
其中,所述第一预设百分比小于所述第二预设百分比,所述第一预设裂缝开度小于所述第二预设裂缝开度,且所述第一预设裂缝开度及所述第二预设裂缝开度与所述裂缝开度分布中的最大裂缝开...

【专利技术属性】
技术研发人员:邱正松李佳钟汉毅赵欣杨一凡黄维安
申请(专利权)人:中国石油大学华东
类型:发明
国别省市:山东;37

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