专利名称：井壁坍塌分析方法
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，是一种非均勻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勻应力和地层满足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。为了解决非均勻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；幻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力)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幻中的模型，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。W1 =N1 J1(T)(1)衰减函数采用负指数函数= (r-riVi(2)剖分节点和单元，施加边界条件，施加情况为2个直边法向约束、径向自由。根据网格节点坐标，由式(3)计算初始应力场各单元高斯点的应力<，τ σ°=ΗσΗ +^π)- (σΗ-σ,)οο52θτ°θ =\(σΗ -ah)sin2Θ(C)第一次应力释放采用“释放载荷”的方法来模拟实际钻井过程，求扰动场Α。首先，根据公式(4)计算第一次释放部分应力分量一 1^rf,一2)，公式(5)为保留的应力分量。这样的应力释放方案，等效于式(3)的应力完全释放而同时施加钻井液压力σΓ(1)-aft)cos2^(4)=τ°θ=\ (σΗ - σΑ) sin 2没σΓ(2)=|Κ+σ ) (5)在r = a，σ) = -σΓ(1)，τθ = ，按弹性或弹-理想塑性计算，得扰动场Α，σ ‘， u'，通过第一应力释放，得到总场，这个总场是指初始场加扰动场A σ°+σ ‘ - σ 0 ;a' —a0 (6)(D)第二次应力释放第一步逐渐释放保留的应力分量，也就是模拟钻井液压力逐渐降低，计算扰动应力场B。引入载荷参数入，在1> = ^=-/1一2)，τ ‘ θ =O0第一步用弹性方法确定弹性阶段的载荷参数增量Δ λ ” Δ λ工一λ e，求出相应的弹性扰动场W , Ao ‘，得到总场，这个总场是指初始场加扰动场A再加弹性扰动场
权利要求
1. 一种井壁坍塌分析方法，包括采集并输入参数(1)，初应力处理O)，第一次应力释放(3)，第二次应力释放第一步(4A)，第二次应力释放第二步(4B)，特征值评价(5)，广义力和广义位移(6)，平衡路径曲线(7)，坍塌压力处理(8)；其特征为A、采集并输入参数(1)首先，采集通过相邻已钻井的测井资料得出的井壁岩石材料参数和通过岩石力学实验得到井壁岩石材料参数，将得到井壁岩石材料参数输入计算程序中；其次输入控制参数，控制参数中的弧长范围10_5 10_6m，输出步范围100 200，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O)建立井壁模型，划分有限元网格单元，施加边界条件；计算初始应力场各网格单元高斯(Gauss)点的应力C、第一次应力释放⑶计算孔壁处需释放的应力分量一1〕，41>尸，等效于实际钻井过程中应力完全释放而同时施加钻井液压力，得到扰动场A ；D、第二次应力释放第一步(4A)释放保留的应力分量，也就是模拟钻井液压力逐渐降低，第一步用弹性方法确定弹性阶段的载荷参数增量△ X1，得到弹性扰动场；E、第二次应力释放第二步GB)第二步指定微弧长增量ΔSm，引入载荷参数λ，按弹-软化塑性，用弧长法迭代求解，并求最小特征值(μ ^m，得到扰动应力场B ；F、特征值评价(5)根据得到的最小特征值(μ丄进行评价，当最小特征值(μ^>0， 时，如果111<11，则m+1 — m，即m加上1以后进入第二次应力释放第二步0B)；否则，得到的即是总场；当最小特征值(μ丄< 0时，根据插值法计算扰动场；G、广义力和广义位移(6)根据弧长法每步骤计算出的载荷因子λ，计算广义力和广义位移；H、平衡路径曲线(7)根据广义力和广义位移绘制平衡路径曲线，找出极值点对应的应变软化极限载荷因子I、坍塌压力处理(8)根据应力总场以及平衡路径曲线输出的应变软化极限载荷因子 λ…计算坍塌压力以及塑性区分布图，确定防塌钻井液的密度；
2.根据权利要求1所述的一种井壁坍塌分析方法，其特征在于所述的井壁岩石的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。
3.根据权利要求1或2所述的一种井壁坍塌分析方法，其特征在于所述的控制参数包括弧长、输出步、切线塑性剪切模量、残余强度。
全文摘要
井壁坍塌分析方法，包括采集并输入参数(1)，初应力处理(2)，第一次应力释放(3)，第二次应力释放第一步(4A)，第二次应力释放第二步(4B)，特征值评价(5)，广义力和广义位移(6)，平衡路径曲线(7)，坍塌压力处理(8)。根据得到的最小特征值(μ1)m进行评价，当最小特征值(μ1)m＞0，时，如果m＜M，则m+1→m，即进入第二次应力释放第二步(4B)；否则，得到的即是总场；当最小特征值(μ1)m＜0时，根据插值法计算扰动场；计算坍塌压力qcr，以及qcr对应的塑性区分布图，确定防塌钻井液的密度。效果是能分析非均匀地应力条件下应变软化塑性地层的井壁稳定性；设计的防塌钻井液密度，在现场钻井中起到储层保护效果。
文档编号E21B49/00GK102182453SQ20111005142
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者刘玉石, 周英操, 王倩, 王瑛, 赵庆, 陈朝伟 申请人:中国石油集团钻井工程技术研究院