[发明专利]一种页岩气井井眼坍塌压力预测方法

权利要求书

1.一种页岩气井井眼坍塌压力预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、获得完整页岩物理性质参数及抗压强度；

步骤(2)、根据步骤(1)得到的结果，通过水化完整页岩强度准则得出模型参数和材料参数；

步骤(3)、获得页岩结构面发育指数和不同结构面发育程度的破碎页岩抗压强度；

步骤(4)、根据步骤(2)、步骤(3)得到的结果，通过水化破碎页岩强度准则得出结构面发育指数与水化破碎页岩强度准则模型参数的关系；

步骤(5)、根据步骤(2)、步骤(4)得到的结果，结合地层应力特征和三轴应力条件下的水化破碎页岩强度准则得到地层坍塌压力；

其中，所述水化完整页岩强度准则和水化破碎页岩强度准则的确定步骤如下；

所述水化完整页岩强度准则的确定步骤为：

步骤1.1、根据页岩水化程度比，得到无限制应力情况和有限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力；

步骤1.1.1、根据非饱和页岩含水率和页岩理论饱和含水率，确定页岩水化程度比，表达式如下：

式中：ψ为页岩水化程度比，无量纲；ζ为粘土矿物含量，单位为％；η为饱和吸水质量与干燥页岩粘土矿物质量之比，无量纲；ω为页岩含水率，单位为％；

步骤1.1.2、根据页岩水化程度比，分别得到无限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力和有限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力计算方程如下：

式中：F为无限制应力情况下理想完全吸水饱和页岩膨胀等效孔隙压力，单位为MPa；σ_wF为无限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力，单位为MPa；σ_wf为限制应力为σ_f情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力，单位为MPa；f为限制应力为σ_f情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力系数；

步骤1.2、根据无限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力和石祥超基于Jaeger经验公式改进的单轴抗压强度模型，得到单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则；

步骤1.2.1、根据单轴应力条件和无限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力，得到单轴应力条件下的水化页岩强度σ_cwβ，具体如下：

式中：σ_cwβ为单轴应力条件下的水化页岩强度，单位为MPa；σ_cβ为单轴应力条件下的干燥页岩强度，单位为MPa；

步骤1.2.2、根据单轴应力条件下的水化页岩强度和石祥超基于Jaeger经验公式改进的单轴抗压强度模型，得到单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则，公式如下：

式中：β为轴向-层理倾角，单位为°；σ_cmin为随着β从0°增加到90°过程中，最小单轴抗压强度值，单位为MPa，一般出现在β为30°至45°时；β_min为当强度为σ_cmin时相应的轴向-层理倾角，单位为°；σ_c0为当β＝0°时，页岩的单轴抗压强度，单位为MPa；σ_c90为当β＝90°时，页岩的单轴抗压强度，单位为MPa；l’、n’为描述各向异性类型的模型参数，为整数或小数，无量纲；

步骤1.3、根据有效应力原理、非饱和页岩的特性、有限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力、单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则和引入各向异性特征因子的Hoek-Brown强度准则，得到三轴应力条件下的水化完整页岩强度准则；

步骤1.3.1、根据有效应力原理，得到页岩上的总应力公式，具体如下：

式中：σ为总应力，单位为MPa；σ_e为有效应力，单位为MPa；σ_w为总孔隙压力，单位为MPa；σ_wp为孔隙流体压力，MPa；

步骤1.3.2、根据非饱和页岩的特性，孔隙流体压力可忽略，再根据总应力公式得到页岩总应力与有效应力的关系式如下：

步骤1.3.3、根据步骤1.3.2得到的总应力、步骤1.1.2得到的有限制应力情况下页岩吸水膨胀的等效孔隙压力、步骤1.2.2得到的单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则和引入各向异性特征因子的广义Hoek-Brown强度准则得到三轴应力条件下的水化完整页岩强度准则，公式如下：

式中：k_β为与β有关的材料系数，无量纲；m_i为反映完整岩石软硬程度的材料参数，无量纲；σ₃为最小主应力，单位为MPa；σ₁为最大主应力，单位为MPa；

所述水化破碎页岩强度准则的确定步骤为：

步骤2.1、获取适应破碎页岩强度预测的水化完整页岩强度准则模型参数与结构面发育指数的关系；

所述步骤2.1中得到关系公式如下：

其中，J＝∑2J_dJ_s，

式中：J_d为页岩中弱结构面的线密度，无量纲；J_s为页岩中弱结构面的组数，无量纲；m_b和s_b为岩体材料参数，无量纲；k₁、k₂、k₃、k₄、i₁、i₂、i₃、i₄为模型参数，无量纲；J为结构面发育指数，无量纲；

步骤2.2、根据单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则和步骤2.1得到的结果，得到单轴应力条件下的水化破碎页岩强度准则；

所述步骤2.2的具体步骤如下：

根据单轴应力条件下的水化完整页岩强度准则和步骤2.1得到的结果l’、n’与结构面发育指数J的关系，得到单轴应力条件下的水化破碎页岩强度准则，公式如下：

步骤2.3、根据广义Hoek-Brown强度准则、三轴应力条件下水化完整页岩的强度准则和步骤2.1得到的结果，得到三轴应力条件下的水化破碎页岩强度准则；

步骤2.3.1、根据广义Hoek-Brown强度准则，变化三轴应力条件下的水化完整页岩的强度准则中的参数，得到公式：

步骤2.3.2、根据步骤2.1得到的公式和m_b、s_b与结构面发育指数的关系，得到三轴应力条件下的水化破碎页岩强度准则，公式如下：