[发明专利]一种裂缝性地层井壁稳定双重孔隙热弹性耦合评价方法

说明书

本发明公开一种裂缝性地层井壁稳定双重孔隙热弹性耦合评价方法，包括测量裂缝型岩心和完整型岩心的渗透率、孔隙介质力学参数及热物性参数，成像测井资料或三维CT扫描仪反演裂缝间距和裂缝宽度；利用钻进过程APIRP13D流变型钻井液循环温度场控制方程解析出反映动态温度扰动边界效应的井壁温度，结合双重孔隙热弹性理论解析出非均匀地应力条件下裂缝性地层的井周围岩受热流固耦合作用的孔隙压力场和应力场，确定裂缝性地层安全密度窗口。本发明量化了裂缝尺寸的封堵比例与井眼坍塌‑破裂的关系，且对(超)深部裂缝性地层钻前合理设计耦合动态温度扰动边界效应的“含时间相关性的安全密度窗口”提供了理论与技术指导，评价结果可信度高。

技术领域

本发明涉及一种裂缝性地层井壁稳定双重孔隙热弹性耦合评价方法，属于(超)深层油气钻井技术领域。

背景技术

钻井液密度选择不当导致井眼垮塌(井眼密度过低为掉块卡钻风险)或压漏地层(井眼密度高过高)，延长非钻进时间，增加钻井成本。钻前设计合理的安全密度窗口(通常由上限为破裂压力当量密度(防止压漏地层)和下限为坍塌压力当量密度(预防井眼垮塌)构成)可提高井眼稳定性，防止井下复杂情况发生。而井周围岩应力场和孔隙压力场是井眼稳定性评价的关键。地层岩石孔隙内部常赋存流体(油、气、水)，钻进井眼形成过程的外部载荷(如应力差改变)作用于岩石，致使岩石固相发生变形改变其渗透率和孔隙度进而影响流体流动状态，而反映流动状态的压力梯度会反作用于岩石固相抵抗其变形。这种流(流体流动)-固(固相变形)耦合作用在低渗地层尤其明显。当外部载荷瞬时施加于岩石表面，孔隙流体因低渗特性不能及时排出当前孔隙，进而承担部分外部载荷诱导孔隙压力升高为非排水载荷效应或孔隙弹性效应。常规线弹性模型不能反映流固耦合过程对安全密度窗口的影响。

类比上述情形发生于外载作用于(超)深层裂缝性岩石(如页岩，致密砂岩和干热岩)，由于其基质系统和裂缝系统拥有各自的水力(渗透率，孔隙度)和力学(弹性模量，泊松比，Skempton系数等)特征，进而两套表现出不同的孔隙弹性响应。因此，视裂缝性岩石为单孔隙型介质的做法(忽略裂缝系统的存在或引入弱面替代裂缝系统)，不可避免会对该类地层的钻前设计安全密度窗口做出错误预测。此外，深部地层钻进过程，井口冷却的钻井液经钻柱内部到达井底(加热过程)，流经钻头后由环空返出地面(底部被冷却返出过临界井深后加热上部地层)为该过程涉及的井壁处温度处于动态变化过程。由于井壁处钻井液与地层流体间温差作用使得井周围岩产生热诱导应力和诱导孔隙压力为热流固耦合效应。因此，传统恒定温差作用假设不能正确反映热流固耦合作用对井眼稳定性的影响。

目前，已有多种方法预测裂缝性地层的钻前安全密度窗口，如中国石油大学公开号为CN 104806233A(将裂缝系统视作弱面)的发明专利公开了一种预测弱面地层坍塌压力当量密度窗口的方法，包括根据弱面地层特点，将其分为致密段和裂缝段；利用岩石三轴压缩试验测试岩石本体强度和弱面强度；利用流固耦合模型反演致密型地层井周围岩的应力分布和孔隙压力分布，结合摩尔库伦破坏准则确定致密型地层坍塌压力当量密度的下限；利用岩石弱面破坏准则分析弱面地层井周围岩的破坏状态，确定裂缝型地层坍塌压力当量密度窗口的下限和上限；对比致密段坍塌压力当量密度值(下限)和裂缝段的坍塌压力当量密度值(下限和上限)，即可确定弱面地层坍塌压力当量密度窗口。

沙特阿美石油公司公开号US20190264559A1的发明专利公开了一种考虑流固耦合作用的裂缝性地层钻井液当量密度的确定方法“Determining a mudweight ofdrillingfluids for drilling through naturally fractured formations”，该方法尽管考虑裂缝系统对坍塌压力当量密度的影响，但未考虑温度影响(即使考虑恒定温度边界)不适用于(超)深部裂缝性地层的钻前安全密度窗口的设计。该方法也未考虑裂缝特征(裂缝间距和裂缝宽度)对安全密度窗口的影响。

上述两份专利及其他现有的技术方案，尽管取得了一定的技术效果，但并不全面预测受热流固耦合作用的(超)深部裂缝性地层的钻前安全密度窗口，从而使现场操作受限。

发明内容