一种空气钻井井壁稳定性评价方法与流程

本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种空气钻井井壁稳定性评价方法。

背景技术：

欠平衡钻井是在井筒流体有效压力低于地层压力时，允许地层流体进入井筒，有控制地将其循环至地面装置的一种钻井技术，其具有提高钻速、保护储集层和有效开发低压低渗油田的重要作用，在国内外钻井行业中都得到了广泛的应用。采用欠平衡钻井技术有利于保护油气层、消除“压持效应”而提高机械钻速、避免钻井液漏失和压差卡钻事故等。

但由于空气钻井在钻进时处于负压差状态，受到诸多条件限制，对地层的要求也比其他钻井方式苛刻，不适宜进行空气钻井的地层因素会给实际施工造成困难；同时，负压差状态下井内液(气)柱压力对井壁的支撑作用很弱，也会因井壁岩石强度不足以平衡所受应力而使井壁发生垮塌，出现卡钻等复杂情况。由于地层评价的不合理往往使欠平衡钻井方式的选择不当，进而造成储集层的严重破坏和经济上的重大损失。因此，正确认识欠平衡钻井地层的适应性具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种空气钻井井壁稳定性评价方法,利于保护油气层、消除“压持效应”而提高机械钻速、避免钻井液漏失和压差卡钻事故等的发生。

本发明采用下述的技术方案：

一种空气钻井井壁稳定性评价方法，包括以下步骤：

s1、建立地层孔隙压力和坍塌压力的测井计算模型，根据地层类型，使用不同的方法计算地层压力；

s2、确定地应力的大小：根据测井资料确定出的地层最小水平主应力大小及方向和最大水平主应力的大小及方向；

s3、根据地层岩性，比较岩石内聚力和临界内聚力的大小，建立井壁稳定性判别模型：

(1)储层及其它渗透性岩层，δ＝1、φ≠0、pp＞0

(2)泥页岩、致密岩层，δ＝0，孔隙连通性差，pp＞0

(3)泥页岩、致密岩层，δ＝0、φ＝0、pp＝0

式中：

c'为岩石临界内聚力，mpa；为岩石内摩擦角，°；σ为正应力，mpa；σh最大水平主应力，mpa；σh最小水平主应力，mpa；η为井壁应力的非线性修正系数；pp为地层孔隙压力，mpa；φ为孔隙度，小数；α为biot系数。

优选的，步骤s2中，利用地层倾角测井中的双井径、相对方位角rb及井斜方位角azim曲线确定应力崩落井眼位置及其椭圆井眼长轴方向确定井壁最小水平主应力方向；或者利用fmi成像测井资料识别井壁最小水平主应力方向，并利用测井资料计算出最小水平主应力的大小。

优选的，步骤s2中，利用fmi成像测井资料识别井壁压裂缝，从而确定井壁最大水平主应力方向，并利用测井资料计算最大水平主应力大小。

优选的，步骤s1中，利用改进的伊顿法计算砂泥岩地层孔隙压力，利用bowers法计算碳酸盐地层孔隙压力。

优选的，所述改进的伊顿法的计算公式为：

pp＝σv-(σv-pw)*(δtn/δt)^c+0.00981*tvd*δρm(34)

式中，σv为上覆地层压力，mpa；pw为地层水静液柱压力，mpa；pp为地层孔隙压力，mpa；δt为观察点实测声波时差值，us/ft；δtn为与观察点同一深度的正常压实趋势线上的声波时差值，us/ft；c为地层压实指数，一般取0.914；tvd为地层垂深，m；δρm为地层孔隙压力当量密度附加校正值。

本发明的有益效果是：

本发明利于保护油气层、消除“压持效应”而提高机械钻速、避免钻井液漏失和压差卡钻事故等的发生，为实现安全快速钻进提供决策依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明目标井地层三压力梯度趋势示意图；

图2为本发明目标井岩石力学及空气钻井井壁稳定性解释成果示意图；

图3为本发明目标井段地层岩石力学及空气钻井井壁稳定性解释成果图(900～1900m)；

图4为本发明目标井段地层岩石力学及空气钻井井壁稳定性解释成果图(2000～3000m)；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，一种空气钻井井壁稳定性评价方法，包括以下步骤：

s1、建立地层孔隙压力和坍塌压力的测井计算模型，根据地层类型，使用不同的方法计算地层压力；

利用改进的伊顿法计算砂泥岩地层孔隙压力，利用bowers法计算碳酸盐地层孔隙压力。

计算地层压力的方法主要有等效深度法、伊顿法(eaton)和层速度法，其中等效深度法和伊顿法计算砂泥岩剖面地层孔隙压力较精确，但是对于碳酸盐岩地层，泥岩较少，难以构建正常压实趋势方程，进而导致等效深度法和伊顿法计算碳酸盐岩剖面地层孔隙压力的精确度较差。因此砂泥岩地层采用改进伊顿法计算地层孔隙压力，碳酸盐地层采用bowers法计算地层孔隙压力。

伊顿法主要用于异常高压以欠压实作用为主的地层，考虑了钻井、实测压力值与各种测井、地质信息之间的关系，公式33所示，有效应力的比值(实测点的垂向有效应力与正常压实情况下该深度点的垂向有效应力比值)与声波时差比值(同一深度点处正常压实趋势线上的声波时差与实测的声波时差比值)呈指数相关。该方法，是一种比较实用的方法。

式中，σv—上覆地层压力，mpa；pw—地层水静液柱压力，mpa；pp—地层孔隙压力，mpa；(σv-pp)—有效应力pe，mpa；δt—观察点实测声波时差值，us/ft；δtn—与观察点同一深度的正常压实趋势线上的声波时差值，us/ft；c—地层压实指数，一般取0.914。

利用不同实测压力点资料反推的压实指数并不是一个固定值。在异常高压地层，反推的压实指数>0.914，且地层压实指数随着地层孔隙压力的增加而增加，利用反推的压实指数计算的孔隙压力在同一地层纵向上变化较大(相邻几米的孔隙压力变化有的达到10mpa或者更大)，这与同一地层孔隙压力变化较小的实际情况不符合。在原始伊顿法的基础上添加一个附加校正量δcp，同时压实指数取0.914，由此得到了适合井区砂泥岩层段的孔隙压力计算方法，改进的伊顿法的计算公式为：

pp＝σv-(σv-pw)*(δtn/δt)^c+0.00981*tvd*δρm(34)

式中，σv为上覆地层压力，mpa；pw为地层水静液柱压力，mpa；pp为地层孔隙压力，mpa；(σv-pp)为有效应力pe，mpa；δt为观察点实测声波时差值，us/ft；δtn为与观察点同一深度的正常压实趋势线上的声波时差值，us/ft；c为地层压实指数，一般取0.914，tvd为地层垂深，m。

bowers法首先由声波速度和3个经验参数(a，b，u)确定垂直有效应力(σe)，再由上覆岩层压力(σv)减去垂直有效应力从而求得孔隙压力(pp)，可以用来计算欠压实或其它机理引起的孔隙压力异常增高。在异常高压情况下，沉积物的垂直有效应力将低于过去某些时候的值，并处于所谓的“卸载”状态。此时需要知道沉积层历史最大有效应力值，并建立沉积层的“卸载unload”速度与有效应力状态，这可由卸载参数u指定。u值由经验确定；σmax由正常压实反映和用户指定vmax值计算得到；vmax为卸载发生层的最大地层声速；dmaxv为最大地层声速对应的深度，对应于卸载发生时的深度；tvd为垂深。

当dmaxv≤tvd时，发生卸载，异常孔隙压力为：

且，

式中，σmax—沉积层历史最大有效应力值，mpa；δtmin—与最大层速度vmax对应的声波时差，μs/ft；δtmax—与最小层速度vmin对应的声波时差，μs/ft；a，b，u—经验参数，通常a取-2，b取2.15，u取-1.8。

如表1与表2所示分别为目标井地应力及地层三压力数据统计表，目标井的最大、最小水平应力平均梯度分别为2.34、1.64mpa/100m。

表1目标井各地层地应力统计表

表2目标油藏各井地层三压力数据统计表

通过表1、表2所示，对目标井孔隙压力进行分析，目标井区地层压力纵向上可分为3个压力带：

正常压力带：1组为1.030mpa/100m；2组为1.030mpa/100m。

微超压压力带：3组为1.225；4组为1.375；26组为1.311mpa/100m。

超压压力带：6组为1.563；10组为1.731；13组为1.747；20组为1.747；24组为1.866；25组为1.851；29组为1.469；31组为1.528；32组为1.505；33组为1.530；34组1.590mpa/100m。

s2、确定地应力的大小：根据测井资料确定出的地层最小水平主应力大小及方向和最大水平主应力的大小及方向；

在非均匀地应力场中钻的直井，当钻井液柱压力过低时，井壁将总是沿着最小水平主应力方向坍塌，形成椭圆井眼。因此，直井中椭圆井眼长轴方向与地应力之间存在较好的对应关系，可以指示原地水平主应力的方向。

利用地层倾角测井中的双井径、相对方位角rb及井斜方位角azim曲线确定应力崩落井眼位置及其椭圆井眼长轴方向确定井壁最小水平主应力方向；或者利用fmi成像测井资料识别井壁最小水平主应力方向；

利用fmi成像测井资料识别井壁压裂缝，从而确定井壁最大水平主应力方向。井壁压裂缝的走向指示最大水平主应力方向。当钻井液柱压力过大时，井壁将总是沿着最大水平主应力方向被压裂，形成压裂缝。

利用fmi成像测井资料识别井壁压裂缝，其在fmi的响应特征为：压裂缝一般平行于井轴呈纵向延伸，成对出现，且成180°对称分布。在成像图上对称分布的两条黑色的条带，它们平行井轴，延伸较长，方位基本稳定，宽窄有较小的变化，但无天然裂缝的那种溶蚀扩大现象。

s3、根据井壁所受应力及岩石强度关系，比较岩石内聚力和临界内聚力的大小，建立井壁稳定性判别模型；

根据弹性力学理论，垂直井眼周围岩石的受力分析可以简化为在无限大平面上有一圆孔受有均匀内压pm，同时平面的无限远处受到最大水平主应力σh、最小水平主应力σh的作用，其垂直方向上受到上覆岩层压力σv的作用。

井壁岩石所受的应力状态可在圆柱面坐标系中用径向应力σr、周向应力σθ、垂直应力σz及剪应力τrθ来表示。

(1)由钻井液液柱压力pm引起的井周应力分布

根据拉密的解答(只有内压，并且外半径远远小于内半径的情况)，得到在内压pm作用下所引起的井周应力分布：

(2)由最大水平主应力σh引起的井周应力分布

(3)由最小水平主应力σh引起的井周应力分布

(4)由上覆地层压力σv引起的井周应力分布

(5)由钻井液渗流效应引起的井周应力分布

当井内流体压力增大或钻井液造壁性能不佳时，一部分钻井液将渗入井周地层，视井周地层为孔隙介质，介质中流体流动满足达西定律，则钻井液滤液在地层孔隙中的径向渗流在井壁周围所产生的附加应力场为：

(6)井壁地层压力分布

在钻井液液柱压力和地应力的联合作用下，并考虑地层压力作用，井周地层的应力分布由以上部分应力叠加得：

当井壁有渗透时，δ＝1；当井壁不渗透，δ＝0。

当r＝r时，井壁表面上的径向、切向和垂向应力分别为：

式中：r为井眼半径，m；r为极坐标半径，m；pm为钻井液液柱压力，mpa；pp为地层孔隙压力，mpa；μ为泊松比；φ为孔隙度，小数；δ为渗透系数，当井壁不可渗透时为0，井壁渗透时为1；α为有效应力系数；θ为井周上某点与水平最大主应力方向的夹角，°。

(7)井壁应力的非线性修正

上述分析为假设井壁围岩为线弹性体的情况下得出的，实际上，泥页岩的弹性模量与围压有关，一般随围压pc的增加，弹性模量e也明显增大，且呈非线性关系。用线弹性理论计算出的保持井壁稳定所需的钻井液密度值与实际值相比偏大。因此，为了取得较为合理的结果，必须考虑围岩弹性模量变化对井壁应力的影响，即应对岩石非线性特性对应力的影响进行修正。

非均匀地应力作用下井周围岩石的应力计算公式修正为：

式中：η为井壁应力的非线性修正系数，η一般取0.95。

根据上式分析可知，当θ＝90°和θ＝270°时，应力差σθ-σr有最大值，此时井壁最容易坍塌失稳。在井壁上θ＝90°和θ＝270°处应力为：

(8)渗透和非渗透性地层井壁应力公式

岩石剪切破坏主要受最大、最小主应力控制，根据井壁应力公式分析可知，最大主应力为周向应力σθ、最小主应力为径向应力σr，因此可以不考虑垂向应力σz。

①当δ＝1时，渗透性井壁岩石的有效应力公式为：

②当δ＝0时，对于φ≠0、pp＞0的情况，应力公式为：

③当δ＝0时，对于φ＝0、pp＝0的情况，应力公式为：

在气体钻井中，由于泥页岩的渗透率极低(认为δ＝0)，在孔隙连通差的条件下，且pp＞0，井壁应力方程可按式47处理；对于泥页岩渗透率极低(几乎δ＝0)，孔隙度等于零(φ＝0)，这种情况认为地层孔隙压力pp＝0，井壁应力公式为48；对于储层应按式46处理。

与主应力σ1成β角的任一斜截面上的剪应力和正应力有如下关系：

上述方程为莫尔应力圆的参数方程，圆上的任一点对应于一组斜面上的剪应力和正应力状态。显然，当由主应力σ1和σ3定义的应力与极限剪切强度包络曲线相切时，岩体处于临界屈服破坏状态。将切点a所对应的剪切屈服面方位代入式50，可求得剪切屈服面上的极限剪应力和正应力，分别将他们带入剪切强度包络线中，即为莫尔－库仑强度准则的具体表达式：

井壁稳定与否最终都表现为井眼围岩的应力状态与岩石破坏准则的对比上。如果井壁应力超过强度包络线，井壁就要破坏，否则井壁就是稳定的。

根据上述分析可知，井壁坍塌失稳发生在θ＝90°和θ＝270°处，此时σθ、σr分别为最大、最小主应力。因此，将公式46、47、(公式48代入用主应力表示的摩尔－库仑强度准则公式50，令坍塌压力bp＝pm，即可获得以上条件下井眼坍塌压力bp的计算模型：

①储层及其它渗透性岩层(δ＝1、φ≠0、pp＞0)

②泥页岩、致密岩层(δ＝0，孔隙连通性差，pp＞0)

③泥页岩、致密岩层(δ＝0、φ＝0、pp＝0)

式中：

对于气体钻井来说，井筒中没有液柱压力，即液柱压力近似等于零。在这种情况下，井眼周围岩石的力学环境已不同于钻井液的力学环境，井壁的稳定性主要取决于地层岩石内聚力的临界值。公式52～54计算的坍塌压力是保证井壁稳定的最低值，气体钻井地层坍塌压力近似于零，如果坍塌压力为零，则平衡地层应力主要是岩石的内聚力，这个岩石内聚力实质上就是一个临界值。

①储层及其它渗透性岩层(δ＝1、φ≠0、pp＞0)

②泥页岩、致密岩层(δ＝0，孔隙连通性差，pp＞0)

③泥页岩、致密岩层(δ＝0、φ＝0、pp＝0)

c'为岩石临界内聚力，将其与测井计算的岩石内聚力c比较，可作为井眼周围剪切破坏时井壁稳定的判断准则：当c＞c'时，井壁稳定；当c＜c'时，井壁失稳。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。