一种采用U型各向异性强度准则的层状储层坍塌压力预测方法技术

本发明专利技术涉及的是层理发育页岩储层井壁坍塌压力的预测方法，具体为：调研现场钻井、测井资料，得到矿区地应力大小及方位、孔隙压力；通过室内实验测试得到不同围压及层理倾角岩心强度，采用“U”型的Pariseau强度准则对强度数据进行拟合；通过坐标变换得到在井眼直角坐标系下地应力及各向异性引起的井周应力，叠加后结合Biot有效应力，得到井眼极坐标下井壁有效应力分量；将井壁不同位置处最大和最小主应力，代入Pariseau准则，通过循环迭代法得到该点坍塌压力，得到井周各点处的坍塌压力后，取其最大值即为该井眼轨迹下的井壁坍塌压力；将不同井眼轨迹的坍塌压力绘制为饼状云图，可依据该图确定最为稳定井眼轨迹及井眼沿不同轨迹下钻进时的安全钻井液密度。

A prediction method for collapse pressure of layered reservoir using U-shaped anisotropic strength criterion

【技术实现步骤摘要】
一种采用U型各向异性强度准则的层状储层坍塌压力预测方法
本专利技术针对地层岩石强度具有各向异性特征且层理发育的页岩储层，对其井壁坍塌压力进行评价，属于石油工程

技术介绍
页岩气作为一种非常规资源，清洁高效且储量丰富，是未来能源产量增长主要来源，在世界范围内受到了越来越多的关注。但页岩层理发育，各向异性特征显著，导致钻井过程中井下复杂事故频发，如掉块、卡钻、坍塌等，带来巨大的经济损失。国内外对井壁稳定问题开展了大量研究，主要可分为近井眼地带应力分布和岩石强度判据两个方面。Westergaard最早给出了一种弹塑性井周应力分布模型，但需要参数较多且难以获取；因此，需求参数较少且测试方便的线弹性井周应力模型被广泛采用，Kirsch最早给出了线弹性井周应力模型，但仅在井眼指向主地应力方向时适用，Fairhust首次得到了任意井眼的线弹性井周应力模型；页岩是一种横向各向同性材料，其线弹性参数在垂直与平行层理方向差异显著，以往井壁稳定的研究大多将其视为各向同性介质，忽视了弹性各向异性对井壁稳定性的影响；此外，大量的研究证明了页岩强度随层理倾角呈现先减小至最低值，后增大的趋势，Jaeger基于Coulomb破坏理论首次提出了一种弱面强度模型，将页岩的破坏分为本体和弱面两种剪切破坏模式，很好的解释了页岩强度的各向异性，并被广泛应用于井壁稳定分析中，但该准则对页岩强度的预测存在较大误差，如垂直层理加载强度与平行层理加载强度存在显著差异，在低倾角时，页岩强度也存在显著的降低，Jaeger弱面准则不能反映以上页岩强度随层理倾角的两种变化特征；大多学者将此差异归结为页岩的非均质性或测试误差，未从物理角度对该现象加以解释。Jaeger弱面准则仅将页岩的破坏分为两种模式，事实上，在层理倾角较低时，页岩常发生混合型破坏，其裂纹部分沿层理面扩展，部分穿过层理面扩展，因此实际强度较Jaeger弱面准则预测强度偏低，又高于沿弱面破坏时的强度值，因此亟需采用一种新型各向异性强度模型对页岩强度进行评价。层理发育的火山岩具有高强度的非均质性，简单的将其视为各向同性不能描述实际问题，实际钻井工程中也证明，依据常规模型预测页岩井壁坍塌压力引发了严重的井眼扩径现象。本方法综合考虑了页岩弹性各向异性对井周应力的影响，采用横观各向同性介质井周应力模型及一种U型的各向异性强度准则，预测层理发育的页岩储层井壁坍塌压力，以井壁失稳风险最小的最小坍塌压力方向确定最佳钻井轨迹，有利于提高现场实际钻井效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种U型的各向异性强度准则，该准则具有严格的物理意义，可得到连续、光滑的强度包络线，能较好的描述由本体破坏模式向层理面破坏模式转变的过渡区页岩强度特征，且能反映垂直和平行层理时强度的差异，但在很少被应用于井壁稳定的分析中。利用最小均方根误差确定最佳拟合强度参数，并结合考虑弹性各向异性的横观各向异性井周应力模型对页岩储层井壁坍塌压力进行评价，该方法克服现有的井壁稳定性评价方法的不足，保障钻井安全高效的进行。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种采用U型各向异性强度准则的层状储层井壁坍塌压力预测方法，它包括如下步骤：步骤一、调研现场钻井、测井资料，在大地坐标系下得到目标井区地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹等空间参数；步骤二、通过调研现场钻井、测井等资料得到目标井区地应力、孔隙压力大小，通过室内实验测试得到不同围压及层理倾角的页岩强度数据，采用Pariseau准则(如式1)对强度数据拟合，依据最小均方根误差(如式2)确定最佳拟合强度参数；其中，F、G、M、U、V为Pariseau准则中的材料参数，N为实验测试样品数量，为样品i室内测试强度，MPa；为样品i预测强度，MPa。步骤三、将地应力从大地坐标系下转换到井眼直角坐标系下，并与计算得到的井眼直角坐标系下各向异性引起的井周应力分量叠加，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为主应力的形式；其中，直角坐标系下井周应力分量如式(3)所示：式中为地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；σics为地应力矩阵，σics＝[σH,0,0；0,σh,0；0,0,σv]；E为将地应力转换到大地坐标系下的转换矩阵，B为将大地坐标下的地应力分量转换到井眼直角坐标系下的转换矩阵，C为将井眼直角直角坐标系的井周应力分量转换到井眼极坐标下的转换矩阵，分别为式(4)～(5)所示：式中，αi为水平最小地应力在大地坐标系下的方位，°；βi为垂向地应力的倾角，°；αb为井眼方位角，°；βb为井眼倾角，°。其中，在井眼直角坐标系下，各向异性引起的井壁上的应力分量如式(6)所示，式中，[σxx,a,σyy,a,σzz,a,τxy,a,τxz,a,τyz,a]为井眼直角坐标系下各向异性引起的井周应力分量，MPa；Re为取复数的实部。其中，Bij为井眼坐标系下的横观各向同性材料本构方程，其表示式如式(7)所示，B＝QAQT(7)式中，A为当井眼与层理面垂直时，如图1所示，层状页岩介质的本构方程；Q为将层理面坐标系下的本构方程A转换到井眼坐标系下的层状页岩介质本构方程，QT为Q的转置矩阵，其表达式如式(8)和(9)所示；其中，li，mi，ni为在大地坐标系下，井眼轴向矢量与层理法向矢量夹角的余弦，如式(10)所示，l1＝cos(xb,xbp)，l2＝cos(xb,ybp)，l3＝cos(xb,zbp)m1＝cos(yb,xbp)，m2＝cos(yb,ybp)，m3＝cos(yb,zbp)(10)n1＝cos(zb,xbp)，n2＝cos(zb,ybp)，n3＝cos(zb,zbp)其中，ξi(i＝1,2,3)为方程(11)的解，方程(11)共有六个解，且两两共轭，ξi为虚部为正的三个根，其中，其中，βij(i,j＝1,2,4,5,6)为折减应变系数，其定义如式(13)所示，其中，χi和φi'(zi)的定义如式(14)和式(15)所示，其中，其中，θ为井周角，°；根据叠加原理，井眼直角坐标系下井周有效应力分量如式(17)所示，其中，pp为孔隙压力，MPa；将井眼直角坐标系下的有效应力分量转换到极坐标下，最终的到的井眼极坐标系下的井周有效应力分量如式(18)所示，将式(18)代入式(19)中即可得到井周三大主应力：对式(19)中的主应力分量进行比较，得到井周最大主应力和最小主应力：步骤四、在大地坐标系下得到地层层理面的产状，建立层理面坐标系与大地坐标系的关系，确定井周最大主应力与层理面法向的夹角，如式(21)所示，式中，n为层理面法向在大地坐标系下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用U型各向异性强度准则的层状储层井壁坍塌压力预测方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一、调研现场钻井、测井资料，在大地坐标系下得到目标井区地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹等空间参数；/n步骤二、通过调研现场钻井、测井等资料得到目标井区地应力、孔隙压力大小，通过室内实验测试得到不同围压及层理倾角的页岩强度数据，采用Pariseau准则(如式1)对强度数据拟合，依据最小均方根误差(如式2)确定最佳拟合强度参数；/n

【技术特征摘要】
1.一种采用U型各向异性强度准则的层状储层井壁坍塌压力预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、调研现场钻井、测井资料，在大地坐标系下得到目标井区地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹等空间参数；
步骤二、通过调研现场钻井、测井等资料得到目标井区地应力、孔隙压力大小，通过室内实验测试得到不同围压及层理倾角的页岩强度数据，采用Pariseau准则(如式1)对强度数据拟合，依据最小均方根误差(如式2)确定最佳拟合强度参数；






其中，F、G、M、U、V为Pariseau准则中的材料参数，N为实验测试样品数量，为样品i室内测试强度，MPa；为样品i预测强度，MPa；
步骤三、将地应力从大地坐标系下转换到井眼直角坐标系下，并与计算得到的井眼直角坐标系下各向异性引起的井周应力分量叠加，根据Biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为主应力的形式；
其中，直角坐标系下井周应力分量如式(3)所示：



式中为地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，MPa；σics为地应力矩阵，σics＝[σH,0,0；0,σh,0；0,0,σv]；E为将地应力转换到大地坐标系下的转换矩阵，W为将大地坐标下的地应力分量转换到井眼直角坐标系下的转换矩阵，分别为式(4)～(5)所示：






式中，αi为水平最小地应力在大地坐标系下的方位，°；βi为垂向地应力的倾角，°；αb为井眼方位角，°；βb为井眼倾角，°；
其中，在井眼直角坐标系下，各向异性引起的井壁上的应力分量如式(6)所示，



式中，[σxx,a,σyy,a,σzz,a,τxy,a,τxz,a,τyz,a]为井眼直角坐标系下各向异性引起的井周应力分量，MPa；Re为取复数的实部；
其中，Bij为井眼坐标系下的横观各向同性材料本构方程，其表示式如式(7)所示，
B＝QAQT(7)
式中，A为当井眼与层理面垂直时，如图1所示，层状页岩介质的本构方程；Q为将层理面坐标系下的本构方程A转换到井眼坐标系下的层状页岩介质本构方程，QT为Q的转置矩阵，其表达式如式(8)和(9)所示；






其中，li，mi，ni为在大地坐标系下，井眼轴向矢量与层理法向矢量夹角的余弦，如式(10)所示，



其中，ξi(i＝1,2,3)为方程(11)的解，方程(11)共有六个解，且两两共轭，ξi为虚部为正的三个根，



其中，



其中，βij(i,j＝1,2,4,5,6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明明，范翔宇，张千贵，赵鹏斐，么勃卫，冉佳蔚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51