一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法

摘要

本发明涉及一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法，包括以下步骤：1)根据目标井测井取得的声波时差、密度、自然伽马数据及室内岩石力学实验，确定沉积岩地层岩石力学参数；2)根据自然伽马测井资料以及钻井现场地层承压能力实测值，确定地质力学参数；3)利用地质力学参数计算井周应力状态；4)判断地层是否存在坍塌压力上限；5)根据数形结合的原理，针对三种变形破坏形式，确定坍塌压力下限、破裂压力和坍塌压力上限，并得到特殊地层的安全泥浆密度窗口。利用该方法可以有效、准确的识别出存在坍塌压力上限的特殊地层，并且对这类特殊地层的安全泥浆密度窗口予以确定。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法。

背景技术

在石油工业领域，油气田勘探开发过程中的井壁失稳问题严重制约着钻井速度，并造成了巨大的经济损失。根据钻井行业统计，全世界每年由井壁失稳造成的经济损失超过1亿美元。在实际钻井过程中，通常发生井壁失稳问题的地层包括：硬脆性泥页岩地层、层理性地层、破碎性地层、高陡复杂构造和高温高压地层。井壁失稳发生破坏主要有两种形式：井壁坍塌和井壁破裂。前者主要是由于泥浆密度过低，使得井壁所承受的构造挤压应力超过岩石抗压强度，导致井壁发生剪切破坏，此时的泥浆密度称之为坍塌压力P_t|^lower；后者则主要是由于泥浆密度过高，使得井壁所承受的液柱带来的拉张应力超过地层抗拉强度所致，此时的泥浆密度称之为破裂压力P_f。

分析井壁稳定性的方法一般是通过模拟井周应力状态结合强度准则，计算出维持井壁稳定的泥浆密度，其中保证井壁不发生坍塌破坏所需的最低泥浆密度就是坍塌压力。因此钻井过程中一般采用适当泥浆密度维持井壁稳定，并且认为只要泥浆密度大于坍塌压力，且不超过破裂压力，井壁就不会发生剪切破坏也不会发生拉张破坏。但是在塔里木山前构造带现场的部分实际钻井现象反映：存在一种特殊地层，钻井过程中还存在坍塌压力的上限P_t|^up，一旦泥浆密度过高，超过了坍塌压力上限P_t|^up，此时也会发生严重的井壁坍塌。该类特殊地层的安全泥浆密度窗口不应只由破裂压力曲线限定。目前尚未有方法可以识别这种特殊地层，并计算这类特殊地层的安全泥浆密度窗口。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法，利用该方法可以有效、准确的识别出存在坍塌压力上限的特殊地层，并且对这类特殊地层的安全泥浆密度窗口予以确定。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据目标井测井取得的声波时差、密度、自然伽马数据及室内岩石力学实验，确定沉积岩地层岩石力学参数；

2)根据步骤1)得到的自然伽马测井数据以及钻井现场地层承压能力实测值，确定地质力学参数；

3)利用步骤2)得到的地质力学参数计算井周应力状态；

4)根据Mohr-Coulomb屈服准则，结合井周应力状态与地质力学参数确定井壁承受不同泥浆液柱压力过程中发生的三种变形破坏形式，判断地层是否存在坍塌压力上限；

5)根据数形结合的原理，针对三种变形破坏形式，确定坍塌压力下限P_t|^lower、破裂压力P_f和坍塌压力上限P_t|^up，并得到特殊地层的安全泥浆密度窗口如下：

P_t|^lower＜ρ_mud＜min(P_t|^up,P_f)(1)

上式中，ρ_mud为泥浆密度。

在上述步骤1)中，确定沉积岩地层岩石力学参数的室内岩石力学实验采用国家标准《工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)》；其中，沉积岩地层岩性为砂泥岩，力学性质为均质各向同性的理想线弹性体，井眼钻开后符合Mohr-Coulomb屈服准则：

τ＝C+σ·tgφ (2)

式中，τ为沉积岩的切应力；C为沉积岩的粘聚力；φ为沉积岩的内摩擦角；σ为沉积岩的正应力。

在上述步骤2)中，地质力学参数包括上覆岩层压力σ_V、水平最大地应力σ_H和水平最小地应力σ_h：

式中，ρ为沉积岩的密度；α为有效应力系数；ω₁,ω₂为构造应力系数；0-H为深度积分区间；h为目标井的井深；g为重力加速度；P_p为孔隙压力；v为泊松比。

在上述步骤3)中，根据多孔介质有效应力理论，受非均匀地应力作用的厚壁圆筒，其井周应力状态表达式为：

式中，θ为井周径向矢量与水平最大主应力方向的夹角；σ′_Z为井壁的轴向有效应力；σ′_θ为井壁的切向有效应力；σ_r′为井壁的径向有效应力；P_i为泥浆液柱压力；r为井周距离；R为井眼半径；f为孔隙度；η为非线性修正系数，取0.95；δ为渗流系数；ξ为中间变量，

在上述步骤4)中，对于硬脆性泥页岩地层，井壁存在以下三种形式的变形破坏：

(1)当泥浆密度低于常规的坍塌压力下限P_t|^lower时，井周最危险的方位是θ＝90°或270°的方位，井周最大主应力与最小主应力差值为σ′_θ-σ_r′，井壁将发生下限剪切破坏；

(2)当泥浆密度高于破裂压力P_f时，井周最危险的方位是θ＝0°或180°的方位，井周应力状态为σ′_θ＜0，井壁将发生拉张破坏；

(3)对于某类特殊地层，在泥浆液柱压力P_i到达破裂压力P_f之前，在θ＝0°和180°的位置处井壁最大主应力与最小主应力差值为σ′_Z-σ′_θ，该差值过高，井壁将发生上限剪切破坏，此时的泥浆液柱压力P_i即为坍塌压力上限P_t|^up。

在上述步骤5)中，井壁存在的三种变形破坏形式中坍塌压力下限P_t|^lower、破裂压力P_f、坍塌压力上限P_t|^up三者的相对大小关系如下：

(1)井壁的切向与径向应力差曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝90°或270°的方位处，井壁上最大主应力σ′_θ与最小主应力σ_r′二者的差值，井壁的切向与径向应力差曲线方程表达式如下：

y＝3σ_H-σ_h-2x(5)

式中，x为泥浆液柱压力；y为应力差值；

井壁的切向与径向应力差曲线与剪切破坏所需应力差曲线交点的横坐标为坍塌压力下限P_t|^lower，其计算表达式如下：

式中，UCS为沉积岩的单轴抗压强度，UCS＝2·C·K；K为中间变量，K＝tan(π/4+φ/2)；

(2)井壁的轴向与切向应力差曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝0°或180°的方位处，井壁上最大主应力σ′_Z与最小主应力σ′_θ二者的差值，井壁的轴向与切向应力差曲线方程表达式如下：

y＝σ_V-(2v-1)σ_H+(2v-3)σ_h+x>

井壁的轴向与切向应力差曲线与剪切破坏所需应力差曲线交点的横坐标为坍塌压力上限P_t|^up，将式(4)代入Mohr-Coulomb屈服准则，整理后得到坍塌压力上限P_t|^up的计算表达式如下：

下限剪切破坏与上限剪切破坏之间的转换点(Xo，Yo)表达式如下：

(3)井壁的切向应力曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝0°或180°的方位处，当切向有效应力σ′_θ降低到小于0时，井壁发生拉伸破坏，井壁的切向应力曲线与x轴的交点横坐标为破裂压力P_f，计算表达式如下：

P_f＝3σ_h-σ_H-αP_p+S_t(10)

式中，St为井壁岩石抗拉强度。

对于单轴抗压强度UCS小于临界单轴抗压强度UCS_p的地层，就是必须要考虑坍塌压力上限的特殊地层，临界单轴抗压强度UCS_p通过式(11)计算得出：

UCS_P＝σ_V-2v(σ_H-σ_h)-αP_p>

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了坍塌压力上限的概念和计算方法，认为安全密度窗口除了受坍塌压力下限、破裂压力限定之外，对于特殊地层还存在坍塌压力上限，真正的安全密度窗口应由以上三者共同决定。与现有技术相比，本发明拓展了对安全密度窗口的认识。2、本发明提出了存在坍塌压力上限的特殊地层的判别方法，能通过上覆岩层压力、水平地应力、地层孔隙压力，计算得出临界单轴抗压强度(UCS_p)，单轴强度低于该临界值的地层，即属于需要考虑坍塌压力上限的特殊地层，从而在得出确定方法的同时，本发明还给出了其适用条件。

附图说明

图1为在坍塌压力下限时井壁剪切破坏示意图；

图2为井壁发生拉张破坏时示意图；

图3为在坍塌压力上限时井壁剪切破坏示意图；

图4是分别发生下限剪切破坏、上限剪切破坏、拉张破坏时对应的泥浆液柱压力曲线图；

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图5所示，本发明提供的一种特殊地层安全泥浆密度窗口确定方法，其包括以下步骤：

1)根据目标井测井取得的声波时差、密度、自然伽马数据及室内岩石力学实验，确定沉积岩地层岩石力学参数，包括沉积岩地层岩石的单轴抗压强度、粘聚力和内摩擦角；

在本实施例中，确定沉积岩地层岩石力学参数的室内岩石力学实验采用国家标准《工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)》。其中，沉积岩地层岩性为砂泥岩，力学性质为均质各向同性的理想线弹性体，井眼钻开后符合Mohr-Coulomb(莫尔-库仑)屈服准则：

τ＝C+σ·tgφ (1)

式中，τ为沉积岩的切应力；C为沉积岩的粘聚力；φ为沉积岩的内摩擦角；σ为沉积岩的正应力。

2)根据步骤1)得到的自然伽马测井数据以及钻井现场地层承压能力实测值，确定地质力学参数；其中，地质力学参数包括上覆岩层压力σ_V、水平最大地应力σ_H和水平最小地应力σ_h：

式中，ρ为沉积岩的密度；α为有效应力系数；P_p为孔隙压力；ω₁,ω₂为构造应力系数，依靠钻井现场地层承压能力试验确定；0-H为深度积分区间；h为目标井的井深；g为重力加速度；v为泊松比。

3)利用步骤2)得到的地质力学参数计算井周应力状态(σ′_Z、σ_r′、σ′_θ)：

根据多孔介质有效应力理论，受非均匀地应力作用的厚壁圆筒，其井周应力状态表达式为：

式中，θ为井周径向矢量与水平最大主应力方向的夹角；σ′_Z为井壁的轴向有效应力；σ′_θ为井壁的切向有效应力；σ_r′为井壁的径向有效应力；P_i为泥浆液柱压力；r为井周距离；R为井眼半径；f为孔隙度；η为非线性修正系数，取0.95；δ为渗流系数；ξ为中间变量，

4)根据Mohr-Coulomb屈服准则，结合井周应力状态与地质力学参数确定井壁承受不同泥浆液柱压力过程中发生的三种变形破坏形式：

对于硬脆性泥页岩地层，可简化渗流效应及非线性特征，井壁存在以下三种形式的变形破坏：

(1)当泥浆密度低于常规的坍塌压力下限P_t|^lower时，井周最危险的方位是θ＝90°或270°的方位，井周最大主应力与最小主应力差值为σ′_θ-σ_r′，井壁将发生下限剪切破坏，破坏的形式如图1所示；

(2)当泥浆密度高于破裂压力P_f时，井周最危险的方位是θ＝0°或180°的方位，井周应力状态为σ′_θ＜0，井壁将发生拉张破坏，破坏的形式如图2所示；

(3)对于某类特殊地层，在泥浆液柱压力P_i到达破裂压力P_f之前，在θ＝0°和180°的位置处井壁最大主应力与最小主应力差值为σ′_Z-σ′_θ，该差值过高，井壁将发生上限剪切破坏，破坏的形式如图3所示，此时的泥浆液柱压力P_i即为坍塌压力上限P_t|^up。

5)根据数形结合的原理，针对三种变形破坏形式，给出坍塌压力下限P_t|^lower、破裂压力P_f、坍塌压力上限P_t|^up的计算表达式，并给出安全泥浆密度窗口：

如图4所示，井壁存在的三种变形破坏形式中坍塌压力下限P_t|^lower、破裂压力P_f、坍塌压力上限P_t|^up三者的相对大小关系如下：

(1)井壁的切向与径向应力差曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝90°或270°的方位处，井壁上最大主应力σ′_θ与最小主应力σ_r′二者的差值，井壁的切向与径向应力差曲线方程表达式如下：

y＝3σ_H-σ_h-2x(4)

式中，x为泥浆液柱压力；y为应力差值。

井壁的切向与径向应力差曲线与剪切破坏所需应力差曲线交点的横坐标为坍塌压力下限P_t|^lower，其计算表达式如下：

式中，UCS为沉积岩的单轴抗压强度，UCS＝2·C·K；K为中间变量，K＝tan(π/4+φ/2)；

(2)井壁的轴向与切向应力差曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝0°或180°的方位处，井壁上最大主应力σ′_Z与最小主应力σ′_θ二者的差值，井壁的轴向与切向应力差曲线方程表达式如下：

y＝σ_V-(2v-1)σ_H+(2v-3)σ_h+x(6)

井壁的轴向与切向应力差曲线与剪切破坏所需应力差曲线交点的横坐标为坍塌压力上限P_t|^up，将式(3)代入Mohr-Coulomb屈服准则，整理后得到坍塌压力上限P_t|^up的计算表达式如下：

下限剪切破坏与上限剪切破坏之间的转换点(Xo，Yo)表达式如下：

(3)井壁的切向应力曲线代表随泥浆液柱压力增大，在θ＝0°或180°的方位处，当切向有效应力σ′_θ降低到小于0时，井壁发生拉伸破坏，井壁的切向应力曲线与x轴的交点横坐标为破裂压力P_f，计算表达式如下：

P_f＝3σ_h-σ_H-αP_p+S_t>

式中，St为井壁岩石抗拉强度。

若坍塌压力上限P_t|^up大于破裂压力P_f，则该类地层不存在坍塌压力上限(因为地层会首先发生拉伸破坏)；若坍塌压力上限P_t|^up小于破裂压力P_f，则该类地层存在坍塌压力上限，即判断为特殊地层。

对比坍塌压力上限与破裂压力，取两者的较小值，即min(P_t|^up,P_f)作为特殊地层安全泥浆密度窗口的上限。综合以上，特殊地层的安全泥浆密度窗口如下：

P_t|^lower＜ρ_mud＜min(P_t|^up,P_f)>

式中，ρ_mud为泥浆密度。

6)为明确本发明的适用范围，分析特殊地层的力学特性，即令式(7)与式(9)相等，可计算得临界单轴抗压强度UCS_p：

UCS_P＝σ_V-2v(σ_H-σ_h)-αP_p(11)

对于单轴抗压强度UCS小于临界单轴抗压强度UCS_p的地层，就是必须要考虑坍塌压力上限的特殊地层。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。