技术领域
[0001] 本发明涉及一种考虑应力卸载效应的井壁稳定多场耦合分析方法，属于油气钻井工程技术领域。
相关背景技术
[0002] 我国页岩气资源量丰富，历经10多年发展，已成为世界第3个实现页岩气商业化开发的国家。页岩地层具有低孔超低渗特征，常采用水平井钻井技术和分段压裂改造技术提高采收率，然而以长水平井穿过储层时经常面临严重的井壁失稳问题。实际页岩地层，井壁是多物理场作用下的热力学开放体系。地层被钻开后，液柱压力替代原地应力，钻井液与页岩接触后，井壁页岩受应力、化学、溶质、温度等多物理场相互扰动，在多场耦合作用下产生复杂的物质传输、物理化学反应等现象，对井壁的力学性质及应力状态产生决定性的影响[0003] 页岩井壁失稳问题一直是钻井工程中的世界性难题。目前关于卸载研究主要集中在地层被钻开后，液柱压力替代原地应力，在井筒中产生所应力卸载作用，以及基于能量耗散与释放原理结合加载卸载三轴力学实验修正强度准则。但是，综合考虑多场耦合及钻柱抽吸压力所产生应力卸载对井壁稳定性影响的相关成果较少。
具体实施方式
[0090] 为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
[0091] 实施例1
[0092] 一种考虑应力卸载效应的井壁稳定多场耦合分析方法，包括如下步骤：
[0093] S1：收集数据，确定地质力学参数和岩石力学参数，将地质力学参数和岩石力学参数导入现有的研究区块的三维地质力学模型，并将预制井眼轨迹加载至研究区块的三维地质力学模型；
[0094] 步骤S1中，收集地震、钻井、测井、录井、完井和测试资料等数据，包括储层横纵波速度、横纵波时差、密度测井数据与地震横波阻抗、拉梅阻抗、剪切阻抗等，对收集到的数据进行数据清洗、异常值处理、缺失值填充等预处理，使数据符合建模要求；对预处理后的数据进行分析，确定地质力学参数和岩石力学参数，其中，地质力学参数包括最大水平地应力σH、最小水平地应力σh、上覆岩层压力σv和地层孔隙压力p；岩石力学参数包括泊松比、体积弹性模量、杨氏模量、剪切模量、拉梅系数、单轴抗压强度、固有抗剪强度、岩石抗张强度、内聚力、内摩擦角等参数。
[0095] 优选的，步骤S1中，利用测井数据计算泊松比v的公式为：
[0096]
[0097] 式中，vp为纵波速度；vs为横波速度；Δtp为纵波时差，Δts为横波时差；
[0098] 利用测井数据计算体积弹性模量K的公式为：
[0099]
[0100] 式中，ρ为地层体积密度；
[0101] 利用测井数据计算杨氏模量E的公式为：
[0102]
[0103] 利用测井数据计算剪切模量G的公式为：
[0104]
[0105] 利用测井数据计算拉梅系数Rr的公式为：
[0106]
[0107] 利用测井数据计算单轴抗压强度Sc的公式为：
[0108] Sc＝E[0.008Vsh+0.0045(1‑Vsh)] (6)
[0109] 式中，Vsh为泥质含量；
[0110] 利用测井数据计算固有抗剪强度C的公式为：
[0111] C＝0.25Sc/k1 (7)
[0112] 式中k1为体积压缩系数；
[0113] 利用测井数据计算岩石抗张强度的公式为：
[0114] St＝Sc/12 (8)。
[0115] 内聚力计算公式： 内摩擦角计算公式： 其中，Sc为单轴抗压强度，St为岩石抗张强度，c0为内聚力，为内摩擦角。
[0116] 优选的，根据黄氏模型计算地质力学参数：
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] 式中：σH为最大水平地应力；σh为最小水平地应力；σv为上覆岩层压力；ρ为地层体积密度；H为深度；a为有效应力系数；p为地层孔隙压力；us为静泊松比，其中公式(1)计算结果泊松比v为钻井作业过程中动态条件下力学参数，即动态力学参数，需将其转化为静态力学参数才能应用于地质力学模型的计算中，通过现场取心展开岩石力学三轴压缩实验即可获得岩石静态条件下的泊松比us，采用线性回归分析方法建立动态参数和静态参数的线性表征；h为地层厚度；g为重力加速度；str1、str2为构造校正量，必须分段考虑(可通过地层压漏实验，确定出地层水平最小地应力，通过拟合方法确定出str2，然后结合地层破裂压力确定出str1)。
[0121] S2：对目的储层的岩心进行采集，通过模拟钻柱抽吸压力产生的卸载条件，开展岩石力学实验得到不同卸载条件下对应的岩石力学参数变化规律，构建不同卸载条件下的岩石力学参数变化方程；
[0122] 该岩石力学参数变化规律会导入到S1所建立的三维地质力学模型，更新模型中其他的属性参数；
[0123] S3：结合现场钻井液流体，通过压力传递、三轴压缩等实验方法，获取岩石孔缝和裂隙流体与钻井液相互作用物化参数，包括：膜效率、水力传导系数、溶质扩散系数、热传导系数、孔隙流体活度和现场钻井液活度；可参考现有的测试方法得到上述参数；
[0124] S4：建立卸载条件下多场耦合物质传输模型，包括：多场耦合流动模型、化学场控制方程和地层孔隙压力场控制方程；
[0125] 多场耦合流动模型包括：流体质量平衡方程、溶质质量平衡方程、流体能量平衡方程和状态方程；
[0126] 流体流动受水力势能、化学势能和温度势能共同控制；溶质流动受化学势能和温度势能共同作用；温度传输仅受绝对温度梯度影响；
[0127] 流体质量平衡方程为：
[0128]
[0129] 式中：φ为孔隙度，ρf为流体密度，t为时间，Jv为溶剂流速度，▽为拉普拉斯算子[0130] 溶质质量平衡方程为：
[0131]
[0132] 式中：ω为盐的质量分数，Js为溶质质量流量；
[0133] 流体能量平衡方程为：
[0134]
[0135] 式中：ρo为岩石密度，cp为岩石比热容，kT为热传导系数，T为温度，Qs为页岩热源强度；
[0136] 假定溶质流体密度是压力的函数，且仅与压力有关，忽略温度和质量分数的函数对液体密度的影响，状态方程由下式给出：
[0137]
[0138] 式中：ρf为压力为p时的流体密度；β为流体的压缩系数，p0为初始压力，ρ0为压力为p0时流体密度；p为地层孔隙压力。
[0139] 化学场控制方程如下：
[0140]
[0141] 式中：D0为溶质扩散系数，Im为膜效率，c溶质浓度，DT为热扩散系数，x、y分别表示模型的笛卡尔坐标系下的x位置和y位置。
[0142] 其中，孔隙流体活度和现场钻井液活度是与膜效率Im计算相关的参数，膜效率公式为： 其中ΔP为实验测得的孔隙压力，ΔΠ为理论渗透压， R为气体常数，T为温度，V为水的偏摩尔体积， 为现场钻井液活度， 为孔隙流体活度；
[0143] 地层孔隙压力场控制方程如下：
[0144]
[0145] 式中：k为渗透率，μ为流体粘度，其中，水力传导系数Ka与流体粘度μ和渗透率k有关， ρf流体密度，g为重力加速度；vm为解离常数，R为气体常数，KT热传导系数。
[0146] S5：根据实际钻井工况设定边界条件，采用有限元计算多场耦合作用下的地层孔隙压力场；
[0147] 根据实际钻井工况设定边界条件，其中卸载为钻井过程中由于井下需要进行其他钻井作业如换钻头等，需上提钻头，此时井底产生抽吸压力，导致井壁有效应力降低，形成应力卸载，通过阶跃函数设置井壁边界条件以此来模拟卸载应力，采用有限元计算多场耦合作用下地层孔隙压力场；
[0148] 边界条件设置如下：
[0149] p(r→rw,t＞0)＝pw 卸载前 (18)
[0150] p(r→rw,t＞0)＝pw‑Sw 卸载后 (19)
[0151] 式中，Sw为抽吸压力，即模拟井壁卸载应力；r为距离井眼轴线距离；rw为井眼半径；pw为钻井液液柱压力。
[0152] S6：以地层孔隙压力场为输入参数，再次导入研究区块的三维地质力学模型中进行岩石力学参数和地质力学参数计算，得到不同卸载条件的动态地质力学场，并同步采集模拟不同地应力场井眼轨迹条件下的地质力学参数和岩石力学参数；
[0153] 步骤S6中，以地层孔隙压力场为输入参数，再次导入研究区块的三维地质力学模型中进行岩石力学参数和地质力学参数计算后，设置需要导出的模型区域，通过软件导出功能导出关键数据即可有效提取关键数据，包括井身轨迹附近井眼数据和井身附近提取的地质力学参数，其中井身轨迹附近井眼数据包括：井眼半径、井斜角和方位角等；井身附近提取的地质力学参数包括：最大水平地应力、最小水平地应力和上覆岩层压力，该数据可用于后续井周应力计算；
[0154] 将三维地质力学模型提取的地质力学参数通过坐标转换计算得到井周应力分量，井周应力分量涉及到：将地质力学参数从大地坐标系下转换到井眼直角坐标系下，再将井眼直角坐标系中的地质力学参数转换到井眼极坐标中，并将得到的井周应力分量转换为主应力的形式；
[0155] 经井眼极坐标转换后，井周应力分量如下：
[0156]
[0157] 式中，σx为X面X方向正应力分量，σy为Y面Y方向正应力分量，σv为Z面Z方向正应力分量，τxy为X面Y方向剪应力分量，τxz为X面Z方向剪应力分量，τyz为Y面Z方向剪应力分量，φ为孔隙度，δ为渗流系数，pw为钻井液井底压力，p为地层孔隙压力，α为Biot系数，v为泊松比，θ为井周角；σr为径向应力分量，MPa；σθ为周向应力分量，MPa；σz为轴向应力分量，MPa；τrθ为r平面θ方向的剪应力分量，MPa；τθz为θ平面z方向的剪应力分量，MPa；τrz为r平面z方向的剪应力分量，MPa；
[0158] 将井眼极坐标系中的井周应力分量转换为主应力的形式，如下式所示：
[0159]
[0160] 式中，σ1为第一主应力；σ2为第二主应力；σ3为第三主应力。
[0161] 优选的，步骤S7中，摩尔‑库伦准则如下：
[0162]
[0163] 式中，τ为剪切面上的剪应力，MPa；σn为剪切面上的正应力，MPa；c0为内聚力，MPa；为内摩擦角，°；
[0164] 联立公式(20)‑(22)，以pw为未知求解变量，通过计算机编程，采用牛顿迭代法计算卸载条件下临界井底压力pw，卸载条件下坍塌压力可能对应井周地层孔隙压力p或临界井底压力pw，取两者最大值为坍塌压力，坍塌压力即为所求的卸载条件下泥浆密度，由此得到卸载条件下泥浆密度。
[0165] S7：最后，联立摩尔‑库伦准则进行临界井底压力的计算，计算卸载条件下泥浆密度可能对应井周孔隙压力值或临界井底压力，取其中最大值为坍塌压力，由此得到卸载条件下泥浆密度。
[0166] 实施例2
[0167] 一种考虑应力卸载效应的井壁稳定多场耦合分析方法，包括如下步骤：
[0168] S1：收集数据，确定地质力学参数和岩石力学参数，将地质力学参数和岩石力学参数导入现有的研究区块的三维地质力学模型，并将预制井眼轨迹加载至研究区块的三维地质力学模型；
[0169] S2：对目的储层的岩心进行采集，通过模拟钻柱抽吸压力产生的卸载条件，开展岩石力学实验得到不同卸载条件下对应的力学参数变化规律，构建不同卸载条件下的岩石力学参数变化方程；计算结果如表所示：
[0170] 表1参数计算结果
[0171] 名称 数值 单位最大水平地应力 105 MPa
最小水平地应力 98 MPa
垂直地应力 83 MPa
孔隙压力 40 MPa
泊松比 0.25
井眼半径 0.108 m
有效应力系数 0.85
粘聚力 35.03 MPa
内摩擦角 23.69 °
[0172] S3：结合现场钻井液流体，通过压力传递、三轴压缩等实验方法，获取岩石孔缝和裂隙流体与钻井液相互作用物化参数，包括：膜效率、水力传导系数、溶质扩散系数、热传导系数、孔隙流体活度和现场钻井液活度；
[0173] S4：建立卸载条件下多场耦合物质传输模型，包括：多场耦合流动模型、化学场控制方程和地层孔隙压力场控制方程；
[0174] S5：根据实际钻井工况设定边界条件，采用有限元计算多场耦合作用下的地层孔隙压力场；
[0175] S6：以地层孔隙压力场为输入参数，再次导入研究区块的三维地质力学模型中进行岩石力学参数和地质力学参数计算，得到不同卸载条件的动态地质力学场，并同步采集模拟不同地应力场井眼轨迹条件下的地质力学数据和岩石力学参数；
[0176] S7：最后，联立摩尔‑库伦准则进行临界井底压力的计算，计算卸载条件下泥浆密度可能对应井周孔隙压力值或临界井底压力，取其中最大值为坍塌压力，由此得到卸载条件下泥浆密度。
[0177] 如图1所示，为考虑卸载前后的地层抗压强度变化结果图，卸载后岩石裂缝扩展导致岩石强度降低，将导致坍塌压力增加，不利于井壁稳定；
[0178] 图2为考虑和不考虑卸载应力后井周孔隙压力分布云图，可以看出，卸载后，井周孔隙压力迅速降低，将导致岩石颗粒负载增加，破坏了原有地层应力状态；
[0179] 图3为考虑和不考虑卸载应力后井周坍塌压力分布云图；结合图1‑图3的结果可知，一方面卸载后岩石裂缝扩展导致岩石强度降低；另一方面井周孔隙压力迅速降低，导致岩石颗粒负载增加，最终将导致井周坍塌压力升高。
[0180] 研究表明：一方面卸载后岩石裂缝扩展导致岩石强度降低；另一方面井周孔隙压力迅速降低，导致岩石颗粒负载增加，最终将导致井周坍塌压力升高，因此井壁稳定分析中应重点考虑卸载作用对井壁失稳的影响。
[0181] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
