[发明专利]一种采用U型各向异性强度准则的层状储层坍塌压力预测方法

说明书

本发明涉及的是层理发育页岩储层井壁坍塌压力的预测方法，具体为：调研现场钻井、测井资料，得到矿区地应力大小及方位、孔隙压力；通过室内实验测试得到不同围压及层理倾角岩心强度，采用“U”型的Pariseau强度准则对强度数据进行拟合；通过坐标变换得到在井眼直角坐标系下地应力及各向异性引起的井周应力，叠加后结合Biot有效应力，得到井眼极坐标下井壁有效应力分量；将井壁不同位置处最大和最小主应力，代入Pariseau准则，通过循环迭代法得到该点坍塌压力，得到井周各点处的坍塌压力后，取其最大值即为该井眼轨迹下的井壁坍塌压力；将不同井眼轨迹的坍塌压力绘制为饼状云图，可依据该图确定最为稳定井眼轨迹及井眼沿不同轨迹下钻进时的安全钻井液密度。

技术领域

本发明针对地层岩石强度具有各向异性特征且层理发育的页岩储层，对其井壁坍塌压力进行评价，属于石油工程技术领域。

背景技术

页岩气作为一种非常规资源，清洁高效且储量丰富，是未来能源产量增长主要来源，在世界范围内受到了越来越多的关注。但页岩层理发育，各向异性特征显著，导致钻井过程中井下复杂事故频发，如掉块、卡钻、坍塌等，带来巨大的经济损失。国内外对井壁稳定问题开展了大量研究，主要可分为近井眼地带应力分布和岩石强度判据两个方面。Westergaard最早给出了一种弹塑性井周应力分布模型，但需要参数较多且难以获取；因此，需求参数较少且测试方便的线弹性井周应力模型被广泛采用，Kirsch最早给出了线弹性井周应力模型，但仅在井眼指向主地应力方向时适用，Fairhust首次得到了任意井眼的线弹性井周应力模型；页岩是一种横向各向同性材料，其线弹性参数在垂直与平行层理方向差异显著，以往井壁稳定的研究大多将其视为各向同性介质，忽视了弹性各向异性对井壁稳定性的影响；此外，大量的研究证明了页岩强度随层理倾角呈现先减小至最低值，后增大的趋势，Jaeger基于Coulomb破坏理论首次提出了一种弱面强度模型，将页岩的破坏分为本体和弱面两种剪切破坏模式，很好的解释了页岩强度的各向异性，并被广泛应用于井壁稳定分析中，但该准则对页岩强度的预测存在较大误差，如垂直层理加载强度与平行层理加载强度存在显著差异，在低倾角时，页岩强度也存在显著的降低，Jaeger弱面准则不能反映以上页岩强度随层理倾角的两种变化特征；大多学者将此差异归结为页岩的非均质性或测试误差，未从物理角度对该现象加以解释。Jaeger弱面准则仅将页岩的破坏分为两种模式，事实上，在层理倾角较低时，页岩常发生混合型破坏，其裂纹部分沿层理面扩展，部分穿过层理面扩展，因此实际强度较Jaeger弱面准则预测强度偏低，又高于沿弱面破坏时的强度值，因此亟需采用一种新型各向异性强度模型对页岩强度进行评价。

层理发育的火山岩具有高强度的非均质性，简单的将其视为各向同性不能描述实际问题，实际钻井工程中也证明，依据常规模型预测页岩井壁坍塌压力引发了严重的井眼扩径现象。本方法综合考虑了页岩弹性各向异性对井周应力的影响，采用横观各向同性介质井周应力模型及一种U型的各向异性强度准则，预测层理发育的页岩储层井壁坍塌压力，以井壁失稳风险最小的最小坍塌压力方向确定最佳钻井轨迹，有利于提高现场实际钻井效率。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种U型的各向异性强度准则，该准则具有严格的物理意义，可得到连续、光滑的强度包络线，能较好的描述由本体破坏模式向层理面破坏模式转变的过渡区页岩强度特征，且能反映垂直和平行层理时强度的差异，但在很少被应用于井壁稳定的分析中。利用最小均方根误差确定最佳拟合强度参数，并结合考虑弹性各向异性的横观各向异性井周应力模型对页岩储层井壁坍塌压力进行评价，该方法克服现有的井壁稳定性评价方法的不足，保障钻井安全高效的进行。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种采用U型各向异性强度准则的层状储层井壁坍塌压力预测方法，它包括如下步骤：

步骤一、调研现场钻井、测井资料，在大地坐标系下得到目标井区地应力方位、裂缝产状、井眼深度及轨迹等空间参数；