一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及煤层气钻井中的井壁稳定技术领域，具体设及一种适用于煤储层钻井 过程中多因素禪合作用下的井壁稳定性分析及相应的钻井泥浆密度窗口计算方法。
【背景技术】
[0002] 煤是由古代植物遗体埋藏地下并经历长期的生物化学与地质作用而转变成的有 机岩石。在煤岩的形成过程中，各种地质因素的影响使煤体内发育大量裂隙，例如煤化作用 过程中挥发分、水分逸失产生收缩内应力而形成的割理裂缝，地壳运动作用下形成的剪切 或拉伸裂缝。各类裂缝的大量存在使得煤岩宏观性质上呈现出强度低、脆性大、各向异性与 非均质性显著。同时，由于裂缝的存在，钻井泥浆滤液易沿裂缝面渗入煤层内部，引起孔隙 压力增加、煤岩强度降低，导致钻井过程中煤层段井壁极不稳定，极易发生井壁巧塌、井漏 和卡钻甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的经济损失。
[0003] 现有的煤层井壁稳定性分析模型大都借鉴常规油气井井壁稳定性分析模型，基于 弹性力学分析得到井眼附近处的弹性应力分布，认为井壁任意一点处发生剪切破坏即引起 井壁巧塌，而判断煤岩是否发生剪切破坏则一般采用摩尔-库伦准则或针对破碎地层改进 的化ek-Brown准则。由于煤岩强度低且脆性大，W井壁完全不发生任何剪切破坏进行计算 得到泥浆密度较高。由于煤岩中裂缝发育，采用较高的泥浆密度进行钻井容易加剧泥浆滤 液向煤层渗入，一方面造成储层伤害不利于后期开采，另一方面可能引起井周孔隙压力增 加、煤岩强度降低，反而造成井壁巧塌破坏。实际上，实际钻井过程和室内模拟实验都表明， 井壁附近局部位置上由于差应力超过峰值强度而发生剪切塑性变形，并不意味着井壁发生 严重巧塌破坏，更合理的井壁稳定性分析方法应该是在获取煤岩物理力学参数、地质参数、 钻井工程参数基础上，进行力学理论和数值模拟分析，准确预测不同泥浆密度条件下井壁 巧塌破坏的形状与尺寸，再结合钻井工程实践对井壁巧塌形状或尺寸的限制，确定合理的 钻井泥浆密度。
[0004] 由于煤岩的结构和力学性质独特，煤层钻井井壁稳定设及W下多重因素的禪合作 用：1)煤岩在井壁附近应力集中作用下发生渐进损伤破坏，井眼附近煤岩渗透率增加，加 剧钻井液向井壁内部渗流；2)钻井液向井壁内部渗流，导致井眼附近孔隙压力升高的同时 钻井液浸泡使得井眼附近煤岩强度降低，加剧井壁巧塌；（3)煤岩性脆，全应力-应变曲线 中的峰后效应显著，对井壁巧塌破坏形状与尺寸影响较大。在理论分析或数值模拟计算中， 需要完整考虑上述多因素禪合作用的特点，才能准确计算不同泥浆密度条件下煤层井眼巧 塌破坏形状与尺寸。
[0005] 综上所述，现有煤层井壁稳定性分析所得结果难W反映煤层钻井井壁稳定性真实 情况，计算所得泥浆密度在实际钻井过程中难W奏效。为此，本发明基于应力-损伤-渗流 禪合理论及相应的有限元数值分析方法发展了一种多因素禪合作用下煤层井壁稳定性分 析及相应的钻井泥浆密度窗口计算方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供煤层钻井井壁稳定性分析方法，综合考虑煤层钻井过程中井 眼周围煤岩的应力-损伤-渗流禪合过程，准确分析计算煤层井眼巧形状与尺寸随钻井泥 浆密度变化的规律，并结合钻井工程实践对井壁巧塌形状或尺寸的限制，确定合理的钻井 泥浆密度。
[0007] 基于上述目的，本发明采用技术方案如下：
[0008] 一种多因素禪合作用下的煤层井壁稳定性分析方法，该方法的应用包括步骤：
[0009] (1)采集目标井相关地质资料，包括地应力、孔隙压力、地层流体粘度、地层流体压 缩性、目标煤层深度参数。
[0010] (2)利用邻井钻井取屯、获取目标煤层的煤岩岩屯、，在实验室内开展单、=轴岩石力 学强度测试，获取煤岩全应力-应变试验数据，得到煤岩的岩石力学参数，包括弹性模量、 泊松比、峰值强度参数（峰值粘聚力Cp。。,与峰值内摩擦角（1) 与残余强度参数（残余粘 聚力Cfesidual与残余内摩掠角4residual)。
[0011] (3)利用邻井钻井取屯、获取目标煤层的煤岩岩屯、，在实验室内开展=轴条件下全 应力-应变过程渗流特性实验，获得目标煤层渗透率在全应力-应变过程中的变化规律，拟 合得到目标煤层在不同损伤状态D下的渗透率演化方程kO):
(1) (2)
[0014] 式中，<为塑性体积应变古P为等效塑性应变；哥为临界等效塑性应变，即煤岩 强度降低至残余强度时的等效塑性应变。k。是未损伤煤层的渗透率；kD为发生损伤破坏时 煤层的渗透率；参数a为实验数据拟合确定。
[0015] (4)基于多孔介质弹塑性应力分析理论与渗流流动分析理论建立煤岩应力-损 伤-渗流禪合分析理论模型，并建立相应的有限元数值求解离散方程；
[0016] 上述煤岩应力-损伤-渗流禪合分析理论模型主要由W下基本方程（4)~（7)构 成
[0017] 平衡方程 O J= 0(i，j = 1，2，：3)做 阳0化]几何方程
（4)
[0019] 本构方程叫町-)=巧如， (5)
[0020] 屈服函数 （6) 阳02 U 渗流方程 （7) 阳0巧式中，O 1为应力；e。为应变；U 1为位移；P P为孔隙压力；％为弹塑性刚度矩阵； (T为粘聚力，4巧1内摩擦角，两者依赖于等效塑性应变，当fP=〇时，分别取峰值粘聚力 Cp。。,与峰值内摩擦角4 当时，分别残余粘聚力与残余内摩擦角4 当0<^r<哥时，通过线性插值确定；K =k/y为渗透系数，y为地层流体粘度；M与a 为地层多孔弹性常数。
[0023] 上述基本方程（4)~（7)可利用伽迂金方法构建离散形式的流固禪合有限元求解 方程
[0024] 怔]{u} + [L]{p}=识 (O)
[00巧][友]{户} +[冲{&} +[巧{p} = {《}
[0026] 式中，{u}为单元结点位移列向量；{p}为单元结点孔隙压力列向量；识、{q}分别 为单元结点外力矢量与流量矢量，怔]、[L]、[S]、出]为系数矩阵。考虑到相容性，有限单元 内的位移插值形函数采用二阶多项式，孔隙压力插值形函数采用一阶多项式。基于上述离 散形式的有限元数值求解方程可编制相应的有限元计算程序，其中非线性方程（8)可采用 增量步方法结合牛顿-拉弗森迭代方法进行求解。考虑到煤岩全应力-应变曲线中峰值强 度之后的剧烈软化效应，在采用隐式有限元方法进行非线性分析时，一旦井周发生局部巧 塌破坏，计算分析稳定性与收敛性可能变差而难W进行下去，本发明中利用一种人工数值 阻尼方法，能够较好地解决运一问题，使计算能稳定地进行。
[0027] (5)根据实际目标钻井井眼几何参数，建立井壁稳定几何模型，采用平面应变等参 单元划分有限元计算网格，其中靠近井壁附近区域进行网格细化，并逐渐过渡至远离井眼 区域处的粗网格。给定初始孔隙压力、初始地应力等初始条件。考虑到钻井过程在远离井 眼较远处产生的扰动较小，模型外部边界上给定位移和孔隙压力固定边界条件，在井壁处 根据泥浆密度给定壁面压力和孔隙压力边界条件。设定增量步长控制参数W及牛顿-拉弗 森迭代控制参数，即可对问题进行求解，得出位移、应力、孔隙压力、等效塑性应变等场量的 分布，W等效塑性应变达到临界等效塑性应变（强度相应地降低到残余强度）的区域为完 全损伤而巧塌破坏的区域，即可得到该泥浆密度条件对应的巧塌破坏区域形状与尺寸。
[0028] (6)从某一较低的钻井泥浆密度值开始逐步提高钻井泥浆密度，针对每一泥浆密 度值利用步