[发明专利]井壁坍塌分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，特别涉及钻井井壁失稳分析，是一种非均匀地应力条件下应变软化塑性地层井壁稳定性分析的方法。

背景技术

目前，在石油工程中普遍应用弹性力学结合强度准则方法解释井壁坍塌机制和预测坍塌压力。比如，被认为是世界上最好的井壁稳定分析GMI系统，其应用的井壁坍塌模型正是基于弹性力学结合强度准则法。最新的井壁坍塌机理的理论研究表明，井壁坍塌实质上是一种极值点型失稳现象。通过确定井壁压力和井壁位移的平衡路径曲线的极值即可确定力学稳定性意义下的坍塌压力。当然，理论解作了原场地应力是各向同性均匀应力和地层满足Tresca准则的假设，这远离了实际情况。还有重要一点，在分析井壁坍塌问题时仅考虑岩石的理想弹塑性或者弹脆性-塑性特性，而大部分岩石的应力-应变曲线在峰值后下降，称为应变软化，所以不考虑岩石的应变软化特性也是不符合实际的。

国外现有Ansys，Flac，Abaqus，Adina等有限元计算软件，但是缺乏力学意义上的稳定性分析功能，没有将应变软化模型和稳定性分析结合，而且应用领域没有扩展到井壁坍塌分析。国内岩土方面计算系统比较突出的是“理正岩质边坡稳定分析系统”，所采用的也是传统的极限平衡法。未见报道应用应变软化模型和力学稳定性方法开发井壁坍塌分析系统。为了解决非均匀地应力条件下应变软化塑性地层井壁失稳问题，本发明在应变软化理论模型的基础上，应用应变软化模型和力学稳定性方法开发WellCA井壁稳定分析系统。

井壁稳定问题是世界性难题，在世界范围内，每年用于处理井壁失稳的费用高达数亿美元，而我国许多油田也存在井壁失稳复杂情况。近年来，我国在西部塔里木和准噶尔等盆地进行了多口深井、超深井的钻探施工。这些地区山前高陡构造高地应力引起的井眼稳定问题较为突出，特别是深井的井眼稳定受山前构造带地应力影响，问题更为严重。

中国专利授权公告号：CN1239920C，提供了一种“利用地震层速度钻前预测坍塌压力与破裂压力的方法”。包括下列步骤：1)将待钻井与多个相邻已钻井的地震层速度进行数据相关分析，并确定相关系数大于0.75的已钻井为待钻进具有相似构造的已钻井；2)利用声波时差、自然伽玛、密度等测井数据序列，对已钻井全井段进行分层，求出每一层用于表征一定厚度且岩性相似地层的平均声波速度、自然伽玛和地层密度；3)利用每一层的平均声波速度、自然伽玛和地层密度来确定已钻井的坍塌压力与破裂压力；4)根据已钻井的坍塌压力与破裂压力和测井分层速度建立测井模型；5)建立已钻井的层速度钻前预测模型；6)将待钻井的地震层速度代入步骤5)中的模型，获得待钻井的坍塌压力与破裂压力。

发明内容

本发明的目的是：提供一种井壁坍塌分析方法，考虑岩石的应变软化性质，使其更接近客观实际，应用于钻井井壁稳定性理论研究和建立井壁坍塌模型，效解决钻井的井壁坍塌问题。

本发明采用的技术方案是：

井壁坍塌分析方法，包括：采集并输入参数，初应力处理，第一次应力释放，第二次应力释放第一步，第二次应力释放第二步，特征值评价，广义力和广义位移，平衡路径曲线，坍塌压力处理，输出坍塌压力以及塑性区分布图。

(A)采集并输入参数：首先，采集通过相邻已钻井的测井资料和岩石力学实验得到井壁岩石材料参数，包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、内聚力、软化系数、屈服函数类型、内变量类型、水平最大主应力、水平最小主应力和深度参数，将井壁岩石材料参数输入计算程序中；输入控制参数，控制参数包括弧长、输出步、切线塑性剪切模量、残余强度。控制参数中的弧长范围10^-5～10^-6m，输出步范围100～200，控制参数中的切线塑性剪切模量、残余强度通过岩石力学实验得到。

(B)初应力处理：建立井壁几何模型，设置井筒半径，内外半径比；划分有限元计算网格单元，采用平面应变等参单元和可描述远场的无限区域单元，在最外一层设置成无限单元它的尺度在规定的方向上延伸至无穷远，起到模拟远处区域的作用，无限区域元的位移插值函数与坐标插值函数有不同的表达形式，位移在无限远处为零，通过衰减函数的引入来实现。