一种优化页岩地层水平钻进方位的方法与流程

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种优化页岩地层水平钻进方位的方法。

背景技术：

在地质勘探开发领域中，钻井施工是一种不可或缺的技术手段。在钻井施工过程中，直井条件下，钻头钻进的方向与钻头作用力方向一致，垂直于层面方向比平行层面方向易于钻进；而在倾斜的层面里钻进时，钻头钻进的方向将与钻头作用力的方向不一致，在较低的钻井液密度下，井壁可能出现崩落或坍塌。

因此，为了实现预期的钻井效果，需要对钻头的施力方向进行优化调整，以改善井壁稳定。例如，利用钻头一岩石相互作用模型可以建立钻头钻进方向预测模型，通过钻头钻进方向预测模型来优化钻头的施力方向。

随着地质勘探开发技术的发展，钻井施工并不仅仅限于直井。例如在压裂施工中，需要进行水平井的钻进。页岩地层钻水平井的目的一是为了提高页岩地层的钻遇长度，二是为了大体积压裂。因此，水平井钻进需要沿着最小主应力方向，使压裂时有利于张破裂裂缝的产生。

由于直井与水平井的钻井环境不同，钻井目标也不同。在现有技术中，针对钻头钻进方向的优化主要集中在定向井或水平井施工上，针对水平井的钻进仅仅为最小主应力方向。例如：

尹虎，等，定向井井壁崩落与钻进方向优化分析。根据孔弹性理论确定斜井井壁应力分布，直井井壁崩落宽度为90°，方向是沿着最小水平主应力方向，水平井崩落宽度为30°，方向取决于三个主应力的大小和方向。

王珍，等，钻头钻进方向预测研究，在分析了影响钻头钻进方向的各种因素和提出钻头钻进特征矩阵的物理后,建立了钻头在各向异性地层中钻进方向的预测模型。

李守定，等，利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结果得出岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合，剪切破裂首先发生，剪切速率与剪切强度成非线性负相关关系。

上述原理性的分析并不足以指导水平井钻进时的钻头钻进方向的优化。

技术实现要素：

本发明提供了一种优化页岩地层水平钻进方位的方法，所述方法包括：

获取地层剪切破裂类型破裂面的方位角；

根据所述剪切破裂类型破裂面的方位角优化钻进方位。

在一实施例中，获取地层剪切破裂类型破裂面的方位角，包括：

计算地层内摩擦角；

根据所述地层内摩擦角计算剪切破裂类型破裂面的方位角。

在一实施例中，根据所述地层内摩擦角计算剪切破裂类型破裂面的方位角，其中，所述地层内摩擦角与所述剪切破裂类型破裂面的方位角满足如下关系：

式中：θ为剪切破裂面的方位角，为地层内摩擦角。

在一实施例中，计算地层内摩擦角，包括：

收集伽马测井资料；

获取所述伽马测井资料的解释成果，所述伽马测井资料的解释成果包括地层的泥质含量；

根据所述地层的泥质含量计算所述地层内摩擦角。

在一实施例中，所述伽马测井资料包括伽马或能谱伽马测井资料。

在一实施例中，根据所述地层的泥质含量计算所述地层内摩擦角，其中：

式中，为内摩擦角，vcl为泥质含量，a、b为常数。

在一实施例中，根据所述地层的泥质含量计算所述地层内摩擦角，包括：

收集电成像测井资料以及对应井的伽马测井资料；

根据所述电成像测井资料的解释成果，获取地层诱导缝破裂方位角和地层内摩察角；

根据所述伽马测井资料获取地层的泥质含量；

建立泥质含量与地层内摩察角之间的关系模型，从而确定地层的内摩察系数，其中，

在一实施例中，获取地层剪切破裂类型破裂面的方位角，包括：

收集电成像测井资料；

获取所述电成像测井资料的解释成果；

根据所述电成像测井资料的解释成果确定所述地层剪切破裂类型破裂面的方位角。

在一实施例中，所述电成像测井资料的解释成果包括诱导裂缝数量/密度以及诱导裂缝方位，根据所述诱导裂缝数量/密度以及诱导裂缝方位确定所述地层剪切破裂类型破裂面的方位角。

在一实施例中，根据所述剪切破裂类型破裂面的方位角优化钻进方位，其中：

所述剪切破裂类型破裂面的方位角为θ角，最优的钻井方位为偏最小主应力方向θ角大小。

本发明利用剪切破裂面的方位优化钻进方位，以便地层压裂时易形成网络裂缝，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1以及图5是根据本发明不同实施例的方法流程图；

图2是根据本发明一实施例的电成像测井资料图；

图3是根据本发明一实施例的诱导缝数量与内摩擦角关系示意图；

图4是根据本发明一实施例的地层泥质含量与内摩擦角关系示意图；

图6是根据本发明一实施例的地层泥质含量与内摩擦系数关系示意图；

图7是根据本发明一实施例的内摩擦系数与钻进方向关系示意图；

图8是根据本发明一实施例的不同地质区域的内摩擦系数与钻进方向关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随着地质勘探开发技术的发展，钻井施工并不仅仅限于直井。例如在压裂施工中，需要进行水平井的钻进。页岩地层钻水平井的目的一是为了提高页岩地层的钻遇长度，二是为了大体积压裂。因此，水平井钻进需要沿着最小主应力方向，使压裂时有利于张破裂裂缝的产生。

由于直井与水平井的钻井环境不同，钻井目标也不同。在现有技术中，针对钻头钻进方向的优化主要集中在定向井或水平井施工上，针对水平井的钻进仅仅为最小主应力方向。目前没有其他的指导水平井钻进时的钻头钻进方向的优化方面的方法。

针对上述问题，本发明提出了一种优化页岩地层水平钻进方位的方法

由于页岩地层钻水平井的目的一是为了提高页岩地层的钻遇长度，二是为了大体积压裂。因此，水平井钻进通常沿着最小主应力方向，使压裂时有利于张破裂裂缝的产生。

大体积压裂要求地层尽可能出现多种破裂类型，地层压裂过程中通常有两种破裂类型，一种是张破裂，另一种是剪切破裂。张破裂是在地层存在裂缝或微裂缝的情况下，当外加应力超过地层临界应力强度因子是所产生的破裂，而剪切破裂主要与地层的内摩擦角、聚合强度和地层应力相关。

实际压裂过程中也常常出现张破裂和剪切破裂，由于张破裂方向沿最大主应力方向，该方向在页岩地层通常具有特定、与沉积和构造相关的方向；但是剪切破裂方向跟钻进的方向有关，因此要达到大体积压裂的目的，就需要充分考虑剪切破裂，优化钻进方位。本发明利用利用剪切破裂面的方位优化钻进方位，以便地层压裂时易形成网络裂缝，降低页岩气地层的勘探开发成本，提高页岩地层的开发效率。

接下来基于流程图详细描述本发明实施例的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，在一实施例中，优化页岩地层水平钻进方位的方法包括：

s110，获取地层剪切破裂类型破裂面的方位角；

s120，根据所述剪切破裂类型破裂面的方位角优化钻进方位。

具体的，在一实施例中，在步骤s120中，根据剪切破裂类型破裂面的方位角优化钻井方位使其偏离最小主应力方向。

具体的，剪切破裂类型破裂面的方位角为θ角，最优的钻井方位为偏最小主应力方向θ角大小。

进一步的，如果有电阻率成像测井资料，能识别钻井诱导缝，该诱导缝为剪切破裂裂缝，可以用成像测井资料直接读取诱导缝的破裂面。

具体的，钻井过程中，在井眼周围由于受到地层的各向异性作用和泥浆重力及钻具的作用力而产生钻井诱导缝，根据库仑破裂准则，该钻井诱导缝为剪切破裂缝，利用电成像测井资料(fmi)资料能有效识别地层在钻井过程中形成的诱导缝(如图2所示)。图2中，由左到右分别是：诱导缝和层理缝；诱导缝；诱导缝、高导缝和高阻缝。

因此，在一实施例中，通过电成像测井资料确定地层剪切破裂类型破裂面的方位角。具体的，在一实施例中，首先收集电成像测井资料；然后获取该电成像测井资料的解释成果；最后根据电成像测井资料的解释成果确定地层剪切破裂类型破裂面的方位角。

具体的，在一实施例中，电成像测井资料包括地层水平井、直井电阻率成像测井资料。进一步的，由于某些水平井并没有电阻率成像测井资料，因此在一实施例中，电成像测井资料仅为直井电阻率成像测井资料。

具体的，在一实施例中，电成像测井资料的解释成果包括诱导裂缝数量/密度以及诱导裂缝方位，根据诱导裂缝数量/密度以及诱导裂缝方位确定地层剪切破裂类型破裂面的方位角。

具体的，在一实施例中，实际成像测井资料评价的地层内摩察角与诱导缝密度之间有明显的反比关系(如图3所示，纵坐标为内摩擦角大小，横坐标为诱导缝数量)，从图3中可以看出，地层内摩察角越小，越容易发生剪切破裂，地层诱导缝密度就越大；相反，地层内摩察角越大，地层出现的诱导缝密度就越少，越难发生剪切破裂。

进一步的，在某些应用场景中，并没有足够数据量的电成像测井资料以获取目标区域的地层剪切破裂类型破裂面的方位角。因此，在本发明其他实施例中，根据其他测井资料确定目标区域的地层剪切破裂类型破裂面的方位角。

根据莫尔圆确定破裂面，破裂面的方位也可以由莫尔圆求出，根据破裂面与内摩察角关系，得到地层岩石的内摩察角与破裂面的方位角之间满足如下关系：

式中：θ为方位角，为内摩擦角。

结合上述分析，在一实施例中，获取地层剪切破裂类型破裂面的方位角，包括：

计算地层内摩擦角；

根据地层内摩擦角计算剪切破裂类型破裂面的方位角。

具体的，在一实施例中，地层内摩擦角与剪切破裂类型破裂面的方位角满足公式(5)的计算关系。

进一步的，通过分析内摩擦系数与其它变量之间的关系，发现泥质含量与内摩擦系数相关性最强，两者的相关系数达到0.94，说明利用泥质含量能有效表征内摩擦系数。如图4所示的泥质含量与内摩擦角之间的关系。

因此，在一实施例中，用测井资料中的自然伽马或伽马能谱能有效地评价出泥质含量，然后利用泥质含量计算出地层的内摩擦角。

具体的，在一实施例中，计算地层内摩擦角，包括：

收集伽马测井资料；

获取所述伽马测井资料的解释成果，所述伽马测井资料的解释成果包括地层的泥质含量；

根据地层的泥质含量计算所述地层内摩擦角。

具体的，在一实施例中，伽马测井资料包括伽马或能谱伽马测井资料。

具体的，在一实施例中，根据地层的泥质含量计算地层内摩擦角，其中：

式中，为内摩擦角，vcl为泥质含量，a、b为和地层物理特性相关的常数。

进一步的，在一实施例中，利用现有的电成像测井资料以及伽马测井资料确定地层的泥质含量与地层内摩擦角之间的计算关系。

具体的，如图5所示：

收集电成像测井资料(s511)以及对应井的伽马测井资料(s512)；

根据电成像测井资料获取地层诱导缝破裂方位角(s513)，计算地层内摩擦系数(s514)；

根据伽马测井资料计算地层的泥质含量(s515)；

建立泥质含量与地层内摩擦系数间的关系模型(s516)，从而确定泥质含量与地层内摩擦角间的计算关系。

这样，在钻头进行钻进时，就可以：

获取并评价目标区域的井伽马或能谱伽马测井资料(s521)；

从而获取井伽马或能谱伽马测井资料的解释成果(地层泥质含量)(s522)；

结合步骤s516获取的泥质含量与地层内摩擦角之间的关系模型，根据步骤s722获取的地层泥质含量预测地层内摩擦角(s523)；

根据步骤s523预测的地层内摩擦角预测评价井地层的剪切破裂面方位(s524)；

根据步骤s524预测的剪切破裂面方位确定优化钻进方位(s525)。

下面通过一具体应用实例详细说明本发明一实施例的执行过程。

如图6所示，利用伽马计算的泥质含量预测地层内摩擦角，并计算地层内摩察系数，从而获取泥质含量与内摩擦系数之间的关系，其中，内摩察系数＝tg(内摩察角)。。

根据地层发生剪切破裂的基本原理，可以推导出地层出现剪切破裂时的破裂方位，破裂方位主要取决于地层的内摩察角。通过研究成像测井资料中内摩察角与泥质含量之间的关系，发现他们之间一致性关系较大，因此通过泥质含量有利于预测地层的内摩察角。如图7所示，横坐标为内摩擦系数(小数)，纵坐标为钻进方位。钻进方位与内摩擦系数呈非常线性关系，内摩擦系数越大，钻进方位偏离最小主应力方位越大。

如图8所示，横坐标为内摩擦系数(小数)，纵坐标为钻进方位。图中黑线为推导得内摩擦系数与钻进方向之间的关系示意图，内摩擦系数越高，则钻进方向沿最小地应力方向偏离越大，钻进方向在30°-40°之间。对于不同的页岩地层，其内摩擦系数不一样，所以钻进的方向也不一样，地层a钻进方向大于地层b，地层b大于地层c。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。