一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法

摘要

本发明公开了一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，包括：步骤1、定量计算地层坍塌及破裂压力；步骤2、定量表征地层坍塌及破裂压力的不确定性；步骤3、计算页岩气水平段钻进ECD，以及定量表征页岩气水平段钻进ECD的不确定性；步骤4、基于步骤2的地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征和步骤3的页岩气水平段钻进ECD不确定性定量表征，定量评价页岩气水平段井壁稳定性，即为建立了定量评估井壁稳定性的分析模型，以此解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明涉及深层页岩气复杂地层钻井技术领域，特别涉及一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法。

背景技术

近年来，中国石化加快了页岩气资源的勘探开发，并在川渝地区取得了重大突破，其中川南工区(威远、长宁、自贡等)是我国页岩气资源最为丰富、最具开发潜力的地区之一。该工区地层压力系数高、钻井地质条件复杂、井壁稳定性差，导致钻井复杂、故障频发。基于2018年完成井数据分析，钻井复杂、故障时间达5029.79h，严重制约了页岩气安全高效开发。因此，如何定量评估深层页岩气水平段井壁失稳风险，对于保障页岩气水平段安全钻进、降低井下复杂故障的发生频率，具有重要意义。

现有的井壁稳定性分析方法均以单一曲线构成的地层坍塌及破裂压力剖面为基础数据进行评价，没有考虑地层压力不确定性对井壁稳定性分析带来的影响；同时，忽略了高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，准确计算ECD难度较大，需要对其不确定性进行描述；综上两方面原因，使得无法定量描述井壁失稳风险发生的概率及风险严重程度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，能够解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术支持。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，包括：

步骤1、定量计算地层坍塌及破裂压力；

步骤2、定量表征地层坍塌及破裂压力的不确定性；

步骤3、计算页岩气水平段钻进ECD，以及定量表征页岩气水平段钻进ECD的不确定性；

步骤4、基于步骤2的地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征和步骤3的页岩气水平段钻进ECD不确定性定量表征，定量评价页岩气水平段井壁稳定性。

优选地，所述步骤2的定量表征地层坍塌及破裂压力的不确定性包括：应用蒙特卡洛模拟方法对地层坍塌及破裂压力进行多因素不确定性分析。

优选地，所述应用蒙特卡洛模拟方法对地层坍塌及破裂压力进行多因素不确定性分析包括：

(1)确定地应力与岩石力学参数概率分布

设岩石力学参数及地应力参数X的概率密度函数为f(x)，则概率密度函数f(x)的正态信息扩散估计为：

式中，h为扩散系数，m；设岩石力学参数及地应力参数X在目标层组ΔH＝[H

其中，系数λ可根据表1获得：

表1

根据公式(1)和公式(2)构建任意深度处h位置上模型输入参数的分析样本库，并基于正态信息扩散估计方法得到概率分布拟合函数F

(2)构建随机模拟样本集合

生成符合各个模型计算关键参数概率分布(特征参数，即均值和标准差)的随机数，得到地应力与岩石力学参数随机数样本，并代入计算模型中得到任意深度位置h上的压力模拟计算结果；

(3)构建地层坍塌及破裂压力分析样本集合

统计分析所述压力模拟计算结果，选取正态分布形式进行拟合得到任意深度h位置上地层坍塌及破裂压力的概率分布及累积概率分布函数f

(4)定量表征地层坍塌及破裂压力不确定性

通过上述方法，得到不同深度处地层坍塌及破裂压力累积概率，可组成集合：

根据集合(4)中的元素，获得累积概率为j

优选地，在所述步骤4中，所述定量评价页岩气水平段井壁稳定性包括：

根据井壁失稳致险机理，将广义应力定义为ECD，将广义强度定义为地层坍塌及破裂压力，将风险函数定义为井壁失稳函数，建立定量评估井壁稳定性的分析模型。

优选地，所述将风险函数定义为井壁失稳函数包括：

描述钻井液功能的参数为可靠度的随机变量，其可靠度是指钻井液液柱能够平衡地层坍塌压力的概率，即为钻井液当量循环密度大于地层坍塌压力的概率R，计算公式为：

R＝P(Q＞S)＝P(Q-S＞0)＝P(Q/S＞1) (5)

式中，Q为钻井液当量循环密度的随机变量，S为地层坍塌压力的随机变量；

在钻井液当量循环密度随机变量Q与地层坍塌压力随机变量S均为正态分布时，干涉随机变量Z＝Q-S也为正态分布，其概率密度函数为：

式中，μ

当Q>S或Q-S>0时，井壁稳定，故可靠度R表达式为：

井壁失稳的概率与可靠度是互逆概率，即井壁失稳的概率F为：

优选地，在所述步骤3中，所述计算页岩气水平段钻进ECD包括：

钻井液当量静态密度(Equivalent Static Density，简写成ESD)，表示钻井液在井筒任意一截面所受液柱压力的当量密度值，用公式表示：

式中，ESD为井深H处钻井液当量静态密度，g/cm

钻井液的当量循环密度(Equivalent Circulating Density，简写为ECD)定义为钻井液的当量静态密度与钻井液流动造成的环空压降之和，当量循环密度表达式如下：

式中，ESD为井深为H处的钻井液当量静态密度，g/cm

所述ESD的计算过程：首先建立井筒温度场、钻井液密度预测模型，并采用迭代数值方法建立钻井液循环期间ESD计算模型。

优选地，在所述步骤3中，所述定量表征页岩气水平段钻进ECD的不确定性，其不确定因素至少包括高压环境、井径不规则和排量的不稳定。

优选地，所述步骤1的定量计算地层坍塌及破裂压力包括：

计算坍塌压力

式中，ρ

计算破裂压力

ρ

式中，ρ

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，具有以下的有益效果：

1、本发明建立和完善了现有深层页岩气地层坍塌及破裂压力计算模型，并对地层坍塌及破裂压力进行了定量表征，其结果不再是单一的地层压力曲线，而是具有概率信息的地层压力区间剖面；

2、本发明综合考虑高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，建立了ECD不确定性定量表征方法；

3、本发明建立了能够定量评估井壁稳定性分析方法，解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效地降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的井壁失稳风险定量评估模型示意图；

图3为本发明实施例提供的地层坍塌压力-循环当量钻井液密度的概率干涉分布图；

图4为本发明实施例提供的XX井3210m地层破裂压力概率分布；

图5为本发明实施例提供的XX井3720m地层坍塌压力概率分布；

图6为本发明实施例提供的XX井3210m钻井液当量循环密度概率分布；

图7为本发明实施例提供的XX井3720m钻井液当量循环密度概率分布；

图8为本发明实施例提供的XX井3210m井壁破裂风险评估结果；

图9为本发明实施例提供的XX井3720m井壁坍塌风险评估结果。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，建立和完善了现有地层坍塌及破裂压力计算模型；在此基础之上，建立了地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征方法；同时，综合考虑高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，基于不确定度理论建立了ECD不确定性定量表征方法；在上述两方面研究的基础上，建立了定量评估井壁稳定性的分析模型，解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术支持。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，如图1所示，包括：

步骤1、定量计算地层坍塌及破裂压力；

步骤2、定量表征地层坍塌及破裂压力的不确定性；

步骤3、计算页岩气水平段钻进ECD，以及定量表征页岩气水平段钻进ECD的不确定性；

步骤4、基于步骤2的地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征和步骤3的页岩气水平段钻进ECD不确定性定量表征，定量评价页岩气水平段井壁稳定性。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法，具有以下的有益效果：

1、本发明建立和完善了现有深层页岩气地层坍塌及破裂压力计算模型，并对地层坍塌及破裂压力进行了定量表征，其结果不再是单一的地层压力曲线，而是具有概率信息的地层压力区间剖面；

2、本发明综合考虑高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，建立了ECD不确定性定量表征方法；

3、本发明建立了能够定量评价井壁稳定性的方法，解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效地降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术保证。

在本发明实施例提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法中，步骤2的定量表征地层坍塌及破裂压力的不确定性包括：应用蒙特卡洛模拟方法对地层坍塌及破裂压力进行多因素不确定性分析，在借鉴选择相似构造的基础上，以此建立了地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征方法，其结果不再是单一的地层压力曲线，而是具有概率信息的地层压力区间剖面，从而有助于提高了深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法的准确性。

具体地，所述应用蒙特卡洛模拟方法对地层坍塌及破裂压力进行多因素不确定性分析包括：

(1)确定地应力与岩石力学参数概率分布

为分析岩石力学参数及地应力的不确定性，并确定其概率分布，需要首先建立岩石力学参数及地应力参数的样本库，根据层序地层学可知：“在同一的地质时期、同样的沉积条件下，地层岩石具有同样的岩性，会产生相似的地震或测井响应”。因此，选取同一层组一定深度范围内岩石力学参数及地应力的测井解释结果为样本，构建样本库。

假设岩石力学参数及地应力在井深ΔH范围内有2n+1个测井解释结果，将其作为一组测量样{x

式中，h为扩散系数，m；设岩石力学参数及地应力参数X在目标层组ΔH＝[H

其中，系数λ可根据表1获得：

表1

根据公式(1)和公式(2)构建任意深度处h位置上模型输入参数的分析样本库，并基于正态信息扩散估计方法得到概率分布拟合函数F

(2)构建随机模拟样本集合

生成符合各个模型计算关键参数概率分布(特征参数，即均值和标准差)的随机数，得到地应力与岩石力学参数随机数样本，并代入计算模型中得到任意深度位置h上的压力模拟计算结果；

(3)构建地层坍塌及破裂压力分析样本集合

统计分析所述压力模拟计算结果，选取正态分布形式进行拟合得到任意深度h位置上地层坍塌及破裂压力的概率分布及累积概率分布函数f

(4)定量表征地层坍塌及破裂压力不确定性

通过上述方法，得到不同深度处地层坍塌及破裂压力累积概率，可组成集合：

根据集合(4)中的元素，获得累积概率为j

为了进一步优化上述的技术方案，在所述步骤4中，所述定量评价页岩气水平段井壁稳定性包括：

根据井壁失稳致险机理，将广义应力定义为ECD，将广义强度定义为地层坍塌及破裂压力，将风险函数定义为井壁失稳函数，建立定量评估井壁稳定性的分析模型，解决了深层页岩气水平段井壁失稳的识别难题，实现了井壁稳定性定量评价，可以有效降低故障发生率、提高钻井效率、缩短钻井周期，为页岩气钻井施工降本提速提供技术支持。

具体地，所述将风险函数定义为井壁失稳函数包括：

描述钻井液功能的参数为可靠度的随机变量，其可靠度是指钻井液液柱能够平衡地层坍塌压力的概率，即为钻井液当量循环密度大于地层坍塌压力的概率R，计算公式为：

R＝P(Q＞S)＝P(Q-S＞0)＝P(Q/S＞1) (5)

式中，Q为钻井液当量循环密度的随机变量，S为地层坍塌压力的随机变量；需要说明的是，此处是以井壁坍塌风险发生为例具体阐述分析过程，如图2所示。井壁坍塌风险发生的原因是井筒内钻井液液柱压力小于地层坍塌压力，不能维持井壁稳定，造成井筒安全屏障失效；

为了推导风险概率计算模型，把钻井风险示意图2中的干涉阴影部分放大，如图3所示。在钻井液当量循环密度随机变量Q与地层坍塌压力随机变量S均为正态分布时，干涉随机变量Z＝Q-S也为正态分布，其概率密度函数为：

式中，μ

当Q>S或Q-S>0时，井壁稳定，故可靠度R表达式为：

井壁失稳的概率与可靠度是互逆概率，即井壁失稳的概率F为：

另外，井壁破裂风险发生的原因是井筒内钻井液液柱压力大于地层破裂压力，不能维持井壁稳定，造成井筒安全屏障失效；同理，可求得井壁破裂风险的概率值。

优选地，在所述步骤3中，所述计算页岩气水平段钻进ECD包括：

钻井液当量静态密度(Equivalent Static Density，简写成ESD)，表示钻井液在井筒任意一截面所受液柱压力的当量密度值，用公式表示：

式中，ESD为井深H处钻井液当量静态密度，g/cm

钻井液的当量循环密度(Equivalent Circulating Density，简写为ECD)定义为钻井液的当量静态密度与钻井液流动造成的环空压降之和，当量循环密度表达式如下：

式中，ESD为井深为H处的钻井液当量静态密度，g/cm

所述ECD的计算包括ESD和环空压耗两大部分。其中，所述ESD的计算过程：首先建立井筒温度场、钻井液密度预测模型，并采用迭代数值方法建立钻井液循环期间ESD计算模型，以便于考虑到高压环境、井径不规则和排量的不稳定等不稳定性因素对于ESD计算的影响，以此提高ESD计算模型的精度。当然，在本方案中，针对钻井循环时环空的摩擦压力损失问题已被公开，本发明不再累述。本方案讨论ECD不确定性的来源：ECD的不确定性来源于计算模型的精度，模型中参数的随机性、模糊性等；然后基于不确定度理论，推导了ECD不确定度计算公式。

为了进一步优化上述的技术方案，在所述步骤3中，所述定量表征页岩气水平段钻进ECD的不确定性，其不确定因素至少包括高压环境、井径不规则和排量的不稳定，以便于综合考虑高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，再基于不确定度理论建立了ECD不确定性定量表征方法，以此降低准确计算ECD的难度。

进一步地，目前地层破裂压力及坍塌压力的计算过程主要流程是：求取岩石力学参数，选择适当的地应力模型计算地应力，根据地质环境岩性等特点选择地层坍塌及破裂压力计算模型，最终计算求取地层坍塌及破裂压力。在计算地层坍塌及破裂压力时，很多关键计算参数对结果产生影响，主要包括地应力和岩石力学参数，都可以基于测井资料或地震解释资料计算得到。

具体地，所述步骤1的定量计算地层坍塌及破裂压力包括：

(1)、求取岩石力学参数；其中，所述岩石力学参数分为岩石力学物理参数、岩石弹性参数和岩石强度参数，所述求取岩石力学参数包括：

1)、计算所述岩石力学物理参数

岩石纵波速度Vp为：

岩石横波速度Vs为：

式中，ΔT

2)、计算所述岩石弹性参数

各个所述岩石弹性参数之间的关系为：

式中，E为杨氏模量，MPa；G为切变模量，MPa；K

其中，所述岩石弹性参数分为动态弹性参数和静态弹性参数：

2.1、求取所述动态弹性参数

根据式(11)、式(12)、式(13)，推导出动态岩石力学弹性参数公式，如表2所示：

表2

2.2、所述动态弹性参数和所述静态弹性参数的转换

所述动态弹性参数、所述静态弹性参数之间的转换关系为：

μ

式中，A

3)、计算所述岩石强度参数，其中，所述岩石强度参数的计算公式如表3所示：

表3

表中，ρ为岩石密度，g/cm

(2)、计算所述地应力

σ

地区构造较为剧烈时：

式中，σ

式中，最大、最小水平地应力通过地应力测量方法测得，其余参数根据测井资料计算；

(3)、计算坍塌压力

式中，ρ

(4)、计算破裂压力

ρ

式中，ρ

下面结合图表和实施例对本发明进行详细的描述：

XX井是川南工区内一口深层页岩气探井，XX井四开水平段钻井过程中出现了漏、塌共存的井下复杂情况，严重影响了正常安全钻进，因此选取XX井进行实例分析。XX井四开井段内最小破裂压力和最大坍塌压力所在井深位置为3210m和3720m，分别计算得到3210m和3720m处的地应力与岩石力学参数概率分布形式及特征参数，结果如表4所示

表4

根据表4中地应力与岩石力学参数的概率分布，基于蒙特卡洛模拟将随机数设定为4000，产生一定数量的随机数值；将随机数值分别代入式(18)式(19)，得到地层坍塌及破裂压力的一系列计算结果，并基于概率统计及正态信息扩散估计方法，得到地层坍塌和破裂压力的概率分布，结果如图4的3210m破裂压力—N(1.63,0.005^2)和图5的3720m地层坍塌—N(1.576,0.0085^2)所示。基于建立的ECD不确定性分析方法，得到了钻进至井深3720m处ECD的概率分布，结果如图7的210m ECD—N(1.61,0.008^2)所示，及井深3210m处ECD的概率分布，结果如图6的210m ECD—N(1.61,0.008^2)所示；根据建立的井壁稳定性评价方法，定量计算3210m和3720m井深位置上的井壁失稳概率，并与实际情况进行对比，结果如图8和图9所示。从图8中可以看出：在井深3210m处，地层破裂压力概率分布特征参数为：μ

综上所述，本发明实施例提供的适用于深层页岩气水平段井壁稳定性定量评价方法中，首先，收集了区域内重点已钻井的测井资料，建立和完善了现有页岩气地层坍塌及破裂压力计算模型；在此基础之上，应用蒙特卡洛模拟方法对预测模型进行了多因素不确定性分析，在借鉴选择相似构造的基础上，建立了地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征方法；同时，综合考虑高温高压环境、井径不规则、排量不稳定等不确定性因素对ECD计算结果的影响，基于不确定度理论建立了ECD不确定性定量表征方法；在上述两方面研究的基础上，基于广义应力与强度干涉的可靠性理论，将广义应力定义为井筒钻井液当量循环密度(ECD)，将广义强度定义为维持井壁稳定性的安全钻井液密度窗口上下限：即坍塌压力下限和破裂压力上限，风险函数定义为井壁失稳函数；最终，建立了井壁稳定性定量评估模型。该方法主要分为以下四个步骤：(1)地层坍塌及破裂压力定量计算；(2)地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征；(3)页岩气水平段钻进ECD计算及不确定性分析；(4)页岩气水平段井壁稳定性定量评价。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。