井壁稳定评价方法、井壁坍塌压力的计算方法及系统技术方案

本公开提供了一种井壁稳定评价方法、井壁坍塌压力的计算方法及系统，井壁稳定评价方法包括以下步骤：利用地震、钻井、测井、录井、完井和测试资料，确定地质力学参数和岩石力学参数；根据地质力学参数和岩石力学参数，并给定井斜角、井斜方位角和允许扩径率，建立数学计算模型，得到坍塌压力；根据所述坍塌压力计算出坍塌压力当量密度，并绘制坍塌压力当量密度、井斜角和井斜方位角三者的关系图，关系图上的变化趋势，来实现井壁稳定性的判断。本公开的井壁稳定评价方法直接建立了完井电测井径资料与允许扩径率、坍塌压力之间的关系，便于实际钻井现场数据对比分析和应用。于实际钻井现场数据对比分析和应用。于实际钻井现场数据对比分析和应用。

【技术实现步骤摘要】
井壁稳定评价方法、井壁坍塌压力的计算方法及系统


[0001]本公开涉及钻井
，具体涉及一种允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的计算方法、井壁稳定评价方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，由于定向井、水平井、分支井技术的突破，致密油气、页岩油气、煤层气、海洋油气等非常规油气资源成为了油气勘探开发的热点领域。但是，采用定向井、水平井、分支井等复杂结构井，在钻井的过程中不得不面临一系列的工程技术难题和挑战，其中，井壁垮塌问题是非常棘手的问题之一。为了解决井壁垮塌问题，国内外学者从井壁坍塌压力预测、防塌钻井液、防塌工艺技术等多个方面开展了大量深入研究，取得了巨大的进步，井壁垮塌问题明显减少，但是仍然无法完全解决井壁垮塌问题。
[0003]从力学角度来看，井壁坍塌是由于钻开地层形成井眼后，打破了原来的应力平衡关系，导致井眼周围地层中应力发生重新分布，当重新分布的应力超过地层强度时，就会发生井壁垮塌事故。因此，解决井壁垮塌问题的一个重要方面是准确预测井壁坍塌压力，并采用合理的钻井液体系和密度，预防井壁垮塌事故的发生。为了准确计算井壁坍塌压力，国内外学者已经提出并建立了大量的理论模型和计算方法，这些方法的大体思路：综合考虑地应力、井眼轨迹、井筒压力等因素计算井壁应力分布，然后将计算得到的应力带入到岩石强度准则进行计算，从而得到维持井壁稳定所需的最低井筒压力，即为井壁坍塌压力。
[0004]公开号为CN109377101A的中国专利申请于2019年2月22日公开了一种基于风险控制模型的井壁稳定定量评价方法，提出了一种风险控制模型，引入了一个允许崩落宽度，通过计算允许崩落宽度对应的破坏临界点的临界井筒压力值得到井壁坍塌压力，克服了传统理论模型和计算方法的不足。
[0005]但是，由于岩石强度准则通常存在一定偏差，允许崩落宽度难以与完井电测井径资料建立等效关系，而实际钻井工程中通常可以容许井眼发生一定程度的井眼扩大(即井眼扩径)，这导致计算得到的井壁坍塌压力往往偏于保守，已有的理论模型和计算方法并不能克服这些问题。

技术实现思路

[0006]本公开的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本公开提供了一种允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的计算方法，直接建立了完井电测井径资料与允许扩径率、坍塌压力之间的关系，可以更加准确地计算定向井井壁坍塌压力，便于实际钻井现场数据对比分析和应用，能够为定向井、水平井、分支井等复杂结构井钻井液密度优化设计、井眼轨道优化设计、安全高效钻井提供理论依据。
[0007]本公开的一方面提供了一种允许井眼扩径的井壁稳定评价方法，包括以下步骤：S1、确定目标地层的地质力学参数和岩石力学参数，地质力学参数包括垂向地应力σ
v
、最大水平地应力σ
H
、最小水平地应力σ
h
和地层孔隙压力 p
p
，岩石力学参数包括岩石内聚力c、内
摩擦角泊松比v和Biot系数α
p
； S2、根据地质力学参数和岩石力学参数，并给定井斜角Φ、井斜方位角Ω和允许扩径率HER，建立允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的数学计算模型，求解得到坍塌压力p
c
；S3、根据坍塌压力p
c
计算出坍塌压力当量密度ρ
c
，并绘制出坍塌压力当量密度ρ
c
、井斜角Φ和井斜方位角Ω三者的关系图，通过关系图上坍塌压力当量密度ρ
c
相对于井斜角Φ和井斜方位角Ω变化的变化趋势，来判断井壁稳定性。
[0008]在本公开的一个示例性实施例中，步骤S2可包括以下步骤：S21、通过垂向地应力σ
v
、最大水平地应力σ
H
和最小水平地应力σ
h
，以及给定的井斜角Φ和井斜方位角Ω，计算井眼直角坐标下的远场应力分量；S22、给定最小井筒压力p
w1
和最大井筒压力p
w2
，并计算平均井筒压力p
w
，平均井筒压力p
w
为最小井筒压力p
w1
和最大井筒压力p
w2
的平均值；S23、通过地层孔隙压力 p
p
、泊松比v、Biot系数α
p
、允许扩径率HER和远场应力分量，计算出井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力p
w
时各自的井壁应力分量；S24、通过井壁应力分量，计算出井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力p
w
时各自的主应力σ，主应力σ包括最大主应力σ1和最小主应力σ3；S25、确定最大主应力σ1的最大值σ
1max
和最大值σ
1max
对应的最大井周角θ
max
；S26、通过岩石内聚力和内摩擦角，以及最大井周角θmax对应的最大主应力σ1和最小主应力σ3，计算得到井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力 p
w
时各自的破坏准则函数值；S27、利用二分法对破坏准则函数值进行判断，以确定破坏准则函数的零点或破坏准则函数的零点的取值范围；S28、在确定破坏准则函数的零点的取值范围的基础上，判断最小井筒压力p
w1
与最大井筒压力p
w2
之差的绝对值是否满足精确度ε的要求，以确定破坏准则函数的零点近似值；S29、以破坏准则函数的零点或破坏准则函数的零点近似值作为坍塌压力p
c
。
[0009]在本公开的一个示例性实施例中，步骤S27可包括：如果f(pw)＝0，则平均井筒压力p
w
为破坏准则函数的零点，坍塌压力p
c
等于平均井筒压力p
w
；如果f(p
w1
)
·
f(p
w
)<0，则令p
w2
＝p
w
，此时破坏准则函数的零点∈(p
w1
,p
w
)；如果 f(p
w
)
·
f(p
w2
)<0，则令p
w1
＝p
w
，此时破坏准则函数的零点∈(p
w
,p
w2
)。
[0010]在本公开的一个示例性实施例中，步骤S28包括：在f(p
w1
)
·
f(p
w
)<0或 f(p
w
)
·
f(p
w2
)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种允许井眼扩径的井壁稳定评价方法，其特征在于，所述井壁稳定评价方法包括以下步骤：S1、确定目标地层的地质力学参数和岩石力学参数，所述地质力学参数包括垂向地应力σ
v
、最大水平地应力σ
H
、最小水平地应力σ
h
和地层孔隙压力p
p
，所述岩石力学参数包括岩石内聚力c、内摩擦角泊松比v和Biot系数α
p
；S2、根据所述地质力学参数和所述岩石力学参数，并给定井斜角Φ、井斜方位角Ω和允许扩径率HER，建立允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的数学计算模型，求解得到坍塌压力p
c
；S3、根据所述坍塌压力p
c
计算出坍塌压力当量密度ρ
c
，并绘制出所述坍塌压力当量密度ρ
c
、所述井斜角Φ和所述井斜方位角Ω三者的关系图，通过所述关系图上所述坍塌压力当量密度ρ
c
相对于井斜角Φ和所述井斜方位角Ω变化的变化趋势，来判断井壁稳定性。2.根据权利要求1所述的井壁稳定评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：S21、通过所述垂向地应力σ
v
、所述最大水平地应力σ
H
和所述最小水平地应力σ
h
，以及给定的所述井斜角Φ和所述井斜方位角Ω，计算井眼直角坐标下的远场应力分量；S22、给定最小井筒压力p
w1
和最大井筒压力p
w2
，并计算平均井筒压力p
w
，所述平均井筒压力p
w
为所述最小井筒压力p
w1
和所述最大井筒压力p
w2
的平均值；S23、通过所述地层孔隙压力p
p
、所述泊松比v、所述Biot系数α
p
、所述允许扩径率HER和所述远场应力分量，计算出井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力p
w
时各自的井壁应力分量；S24、通过所述井壁应力分量，计算出井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力p
w
时各自的主应力σ，所述主应力σ包括最大主应力σ1和最小主应力σ3；S25、确定所述最大主应力σ1的最大值σ
1max
和所述最大值σ
1max
对应的最大井周角θ
max
；S26、通过所述岩石内聚力和所述内摩擦角，以及所述最大井周角θmax对应的最大主应力σ1和最小主应力σ3，计算得到井筒压力p
m
分别为最小井筒压力p
w1
、最大井筒压力p
w2
和平均井筒压力p
w
时各自的破坏准则函数值；S27、利用二分法对所述破坏准则函数值进行判断，以确定破坏准则函数的零点或破坏准则函数的零点的取值范围；S28、在确定破坏准则函数的零点的取值范围的基础上，判断最小井筒压力p
w1
与最大井筒压力p
w2
之差的绝对值是否满足精确度ε的要求，以确定破坏准则函数的零点近似值；S29、以所述破坏准则函数的零点或破坏准则函数的零点近似值作为坍塌压力p
c
。3.根据权利要求2所述的井壁稳定评价方法，其特征在于，所述步骤S27包括：如果f(p
w
)＝0，则平均井筒压力p
w
为破坏准则函数的零点，所述坍塌压力p
c
等于平均井筒压力p
w
；如果f(p
w1
)
·
f(p
w
)<0，则令p
w2
＝p
w
，此时破坏准则函数的零点∈(p
w1
,p
w
)；如果f(p
w
)
·
f(p
w2
)<0，则令p
w1
＝p
w
，此时破坏准则函数的零点∈(p
w
,p
w2
)。4.根据权利要求2所述的井壁稳定评价方法，其特征在于，所述步骤S28包括：在f(p
w1
)
·
f(p
w
)<0或f(p
w
)
·
f(p
w2
)<0的情况下，进一步判断是否满足精确度ε的要求，具体地：如果最小井筒压力p
w1
与最大井筒压力p
w2
之差的绝对值小于精确度ε，则将最小井筒压力p
w1
或最大井筒压力p
w2
作为坍塌压力p
c
；
如果最小井筒压力p
w1
与最大井筒压力p
w2
之差的绝对值不小于精确度ε，则重新给定所述井斜角Φ、所述井斜方位角Ω和所述允许扩径率HER，并重复所述步骤S22至S28，直至满足精确度ε的要求。5.根据权利要求1所述的井壁稳定评价方法，其特征在于，所述判断井壁稳定性的步骤为：S31、根据所述坍塌压力当量密度ρ
c
最小和最大时的所述井斜角Φ的角度，判断钻直井、斜井或水平井之间相对的稳定性；S32、通过判断所述坍塌压力当量密度ρ
c
为最小值时所述井斜方位角Ω的方向，则在所述方向钻得的直井、斜井或水平井稳定性最好。6.一种允许井眼扩径的井壁稳定评价系统，其特征在于，所述评价系统包括：参数确定模块，被配置为用于确定目标地层的地质力学参数和岩石力学参数，所述地质力学参数包括垂向地应力σ
v
、最大水平地应力σ
H
、最小水平地应力σ
h
和地层孔隙压力p
p
，所述岩石力学参数包括岩石内聚力c、内摩擦角泊松比v和Biot系数α
p
；坍塌压力计算模块，被配置为根据所述地质力学参数和所述岩石力学参数，并给定井斜角Φ、井斜方位角Ω和允许扩径率HER，建立允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的数学计算模型，求解得到坍塌压力p
c
；关系图形化模块，被配置为根据所述坍塌压力p
c
计算出坍塌压力当量密度ρ
c
，并绘制出所述坍塌压力当量密度ρ
c
相对于所述井斜角Φ和所述井斜方位角Ω变化的关系图；以及判断模块，被配置为通过所述关系图上所述坍塌压力当量密度ρ
c
相对于井斜角Φ和所述井斜方位角Ω变化的变化趋势，来判断井壁稳定性。7.根据权利要求6所述的井壁稳定评价系统，其特征在于，所述允许井眼扩径的定向井井壁坍塌压力的数学计算模型被配置为：通过所述垂向地应力σ
v
、所述最大水平地应力σ
H
和所述最小水平地应力σ
h
，以及给定的所述井斜角Φ和所述井斜方位角Ω，计算井眼直角坐标下的远场应力分量；给定最小井筒压力p
w1
和最大井筒压力p<...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾利春，刘殿琛，邓虎，陈俊斌，唐贵，李枝林，陶怀志，魏强，周杨，黄崇君，
申请(专利权)人：中国石油集团川庆钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：