一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法与流程

本发明针对将井壁崩落法应用于层理发育页岩储层的地应力反演时，对反演结果进行校正的方法，属于石油工程技术领域。

背景技术：

地应力是影响油气井钻井工程中井壁稳定性的关键因素之一，油气开采过程中的井眼轨迹设计、井身结构设计及后期的射孔、压裂施工都需要认清矿区地应力的分布机制，地应力的认识是开采施工是否有效的决定因素，但现场测试特别是深部地层地应力的测试十分困难，且耗时耗力。在常规储层中，井壁常在最小主应力方向发生崩落，石油工作者常根据该现象对井筒成像测井资料进行分析，预测地应力方位，但常规地层均质性较好，沿不同方向加载时，地层岩石强度基本保持一致，此时井壁崩落位置主要发生在最小主应力方向，形成“椭圆形”井眼。但将该方法应用于非常规储层中会产生明显的误差，大量的研究证明，页岩强度具有显著的各向异性特征，导致页岩气井钻井过程中掉块、卡钻等复杂状况频发；bautmans等都开展了页岩气水平井失稳状况的室内模拟试验，研究发现，当井眼在一定倾角层理页岩地层钻进时，井壁发生严重失稳现象，且失稳区域主要分布在井筒上下两侧，且井周围岩主要沿层理面发生崩落，最终形成“四边形井眼”，即失稳区域除集中在最小主应力方向外，还分布在井眼的左右两侧，常规的井壁崩落法不能应用于页岩储层反演地应力。但针对该现象的理论研究鲜见报道，lee等研究了页岩气井井眼轨迹对失稳区域的影响，但未针对层理倾角对井周崩落区域的影响进行研究，且在页岩储层反演地应力过程中对层理面的影响现有考虑，本发明开展不同层理倾角和围压下标准页岩岩心的压缩实验，得到页岩本体和层理面强度特征，并建立了考虑层理产状影响的井周失稳预测模型，对在不同层理倾角地层钻进的水平井失稳区域开展了研究，得到规律可对页岩储层的地应力反演结果进行校正。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，建立了考虑层理产状影响的井周失稳预测模型，得到层理倾角对井周失稳区域的影响规律，根据该规律可克服常规井壁崩落法预测层理发育页岩储层地应力方位的误差，对反演结果进行校正，消除常规方法未考虑各向异性对失稳区域影响的不足，保障地应力方位预测精度。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，它包括以下步骤：

1.一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、通过钻井、测井或现场测试得到储层地应力大小及方位、孔隙压力；

步骤二、钻取不同层理倾角页岩标准岩心样品，开展不同围压下的压缩实验得到样品强度，采用jaeger弱面准则对强度数据进行拟合，得到样品本体和层理面内聚力和内摩擦角；

步骤三、确定井眼轨迹，得到井眼在地应力坐标系下的方位和倾角，通过坐标变换得到地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，代入fairhust井周应力方程，并根据biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为主应力的形式；

步骤四、确定层理在地应力坐标系下的倾向与倾角，通过坐标转换得到井周最大主应力与层理面法向的夹角；

步骤五、确定井周某点到井眼轴线的距离r，根据步骤1～3，将得到的井周最大和最小主应力代入jaeger弱面准则，从0mpa开始逐步增大井底压力，直至该点达到临界稳定状态，此时的井底压力定义为该点的坍塌压力，逐步增大井周半径，得到距井眼轴线rw～2rw范围井周各点的坍塌压力；

步骤六、根据现场使用钻井液密度给定井底压力，将井周各点坍塌压力与该值比较，高于该井底压力值的为失稳区域，用红色表示，低于该井壁压力值的为稳定区域，用蓝色表示，得到井周失稳的区域；

步骤七、改变层理倾角，重复步骤1～6，得到不同层理倾角情况下，井周最大失稳区域与水平最大地应力的夹角，得到最大失稳区域随层理倾角的变化规律，该规律可用于校正层理发育的页岩储层对地应力的反演进行校正。

2.根据权利要求2所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤二中具体为：

2.1钻取层理倾角为0°～90°页岩岩心，间隔15°，各4块，随机分为四组，开展围压为0mpa、10mpa、20mpa和30mpa的压缩试验，采用位移加载控制方式，提取不同围压及层理倾角时，样品的失效强度；

2.2用jaeger弱面准则，如式1所示，拟合强度数据，根据最小均方根误差法确定最佳拟合强度参数，

式中，σ1,σ3分别为最大和最小主应力，so,sbp为页岩本体和弱面内聚力，mpa；φo,φbp为页岩本体和弱面内摩擦角，deg；β为最大主应力与弱面法向的夹角，deg；

最小均方根误差rsme的定义如式3所示，

式中，n为实验样品数量，为样品i室内实验强度，mpa；为样品i预测强度，mpa。

3.根据权利要求3所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤三中具体为：

3.1确定井眼在地应力坐标系下的轨迹，井眼与水平最大地应力的夹角为方位角αb，与铅垂线的夹角定义为井眼倾角βb，根据式4可将地应力转换为井眼直角坐标系下的井周应力分量，

式中，为井眼直角坐标系下地应力在井眼周围的应力分量，mpa；

3.2将式4代入式5中，并根据biot有效应力原理，最终的到的井眼极坐标系下的井周有效应力分量如下式所示：

式中，θ为井周角，°；

将式(5)代入式(6)中即可得到井周三大主应力：

对式(6)中的主应力分量进行比较，得到井周最大主应力和最小主应力：

4.根据权利要求1所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤四中具体为：

4.1定义层理面在地应力坐标系的产状，层理面与水平最大地应力的夹角为层理方位角αbp，层理面与上覆岩层压力的夹角为层理倾角βbp，在地应力坐标系下，层理面法向的方向矢量如式8所示，

4.2井眼直角坐标系下xb轴以zb为旋转轴旋转一定角度θ，即为井周最小主应力的方向，从坐标轴xb轴至井周最小主应力，即径向应力σr方向的坐标转换过程如式9所示，

其中，坐标轴xb的方向向量如式10所示，

4.3确定井周最小主应力与层理面法向的夹角，井周最大主应力与层理面法向的夹角与前者成互补关系，在得到层理面法向和井周径向应力在大地坐标下的方向向量后，即可得到两者之间的夹角，层理面法向向量与井周最小主应力向量的正弦即为层理面法向与最大主应力方向的夹角，如式11所示，

5.根据权利要求1所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤五中具体为：

5.1设定井周至井眼轴线的距离r，且井眼井周角从0-180°变化，间隔为2°；

5.2设定井底压力为pw，根据公式4～7，确定某井周角处井周围岩受到的最大和最小主应力；

5.3根据式8～11确定某井周角处最大主应力与层理面法向的夹角，将井周主应力与该夹角代入jaeger弱面准则中，判断该点的稳定情况，逐步增大井底压力，直至在该井周角处地层岩石处于保持平衡的临界状态，该井底压力即定义为该点的坍塌压力；

5.4逐步增大井周某点至井眼轴线的距离，重复步骤5.1～5.3，得到井眼周围一定范围内各点的坍塌压力；

本发明具有以下效益：

本发明解决了目前在页岩储层采用井壁崩落法反演地应力时未考虑层理产状及强度弱化对最大失稳区域影响的问题，得到层理倾角与井周最大失稳区域的关系，对地应力反演结果进行校正，进而为钻井工程及后期射孔、压裂增产提供建议。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是井周坍塌压力计算流程。

图2是井周主应力与围岩层理相对角示意图。

图3是不同围压下岩心强度实验数据及jaeger弱面准则包络线。

图4是地应力坐标系下井眼轨迹特征。

图5是地应力坐标系下储层层理面产状。

图6是井周最小主应力在井眼直角坐标系下的分布特征。

图7是层理倾角为0°时井壁坍塌压力及井周失稳区域分布规律。

图8是层理倾角为30°时井壁坍塌压力及井周失稳区域分布规律。

图9是层理倾角为60°时井壁坍塌压力及井周失稳区域分布规律。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种针对层理发育页岩储层的地应力反演，考虑强度各向异性对最大井周失稳区域的影响，对地应力反演结果进行校正，按照技术路线图1所示，其步骤如下：

1.一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、通过钻井、测井或现场测试得到储层地应力大小及方位、孔隙压力；

步骤二、钻取不同层理倾角页岩标准岩心样品，开展不同围压下的压缩实验得到样品强度，采用jaeger弱面准则对强度数据进行拟合，得到样品本体和层理面内聚力和内摩擦角；

步骤三、确定井眼轨迹，得到井眼在地应力坐标系下的方位和倾角，通过坐标变换得到地应力在井眼直角坐标系下的应力分量，代入fairhust井周应力方程，并根据biot有效应力原理，得到井眼极坐标下井周有效应力分量，并将井周有效应力分量转换为主应力的形式；

步骤四、确定层理在地应力坐标系下的倾向与倾角，通过坐标转换得到井周最大主应力与层理面法向的夹角；

步骤五、确定井周某点到井眼轴线的距离r，根据步骤1～3，将得到的井周最大和最小主应力代入jaeger弱面准则，从0mpa开始逐步增大井底压力，直至该点达到临界稳定状态，此时的井底压力定义为该点的坍塌压力，逐步增大井周半径，得到距井眼轴线rw～2rw范围井周各点的坍塌压力；

步骤六、根据现场使用钻井液密度给定井底压力，将井周各点坍塌压力与该值比较，高于该井底压力值的为失稳区域，用红色表示，低于该井壁压力值的为稳定区域，用蓝色表示，得到井周失稳的区域；

步骤七、改变层理倾角，重复步骤1～6，得到不同层理倾角情况下，井周最大失稳区域与水平最大地应力的夹角，得到最大失稳区域随层理倾角的变化规律，该规律可用于校正层理发育的页岩储层对地应力的反演进行校正。

2.根据权利要求2所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤二中具体为：

2.1钻取层理倾角为0°～90°页岩岩心，间隔15°，各4块，随机分为四组，开展围压为0mpa、10mpa、20mpa和30mpa的压缩试验，采用位移加载控制方式，提取不同围压及层理倾角时，样品的失效强度；

2.2用jaeger弱面准则，如式1所示，拟合强度数据，根据最小均方根误差法确定最佳拟合强度参数，

式中，σ1,σ3分别为最大和最小主应力，so,sbp为页岩本体和弱面内聚力，mpa；φo,φbp为页岩本体和弱面内摩擦角，deg；β为最大主应力与弱面法向的夹角，deg；

最小均方根误差rsme的定义如式3所示，

式中，n为实验样品数量，为样品i室内实验强度，mpa；为样品i预测强度，mpa。

3.根据权利要求3所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤三中具体为：

3.1确定井眼在地应力坐标系下的轨迹，井眼与水平最大地应力的夹角为方位角αb，与铅垂线的夹角定义为井眼倾角βb，根据式4可将地应力转换为井眼直角坐标系下的井周应力分量，

式中，为井眼直角坐标系下地应力在井眼周围的应力分量，mpa；

3.2将式4代入式5中，并根据biot有效应力原理，最终的到的井眼极坐标系下的井周有效应力分量如下式所示：

式中，θ为井周角，°；

将式(5)代入式(6)中即可得到井周三大主应力：

对式(6)中的主应力分量进行比较，得到井周最大主应力和最小主应力：

4.根据权利要求1所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤四中具体为：

4.1定义层理面在地应力坐标系的产状，层理面与水平最大地应力的夹角为层理方位角αbp，层理面与上覆岩层压力的夹角为层理倾角βbp，在地应力坐标系下，层理面法向的方向矢量如式8所示，

4.2井眼直角坐标系下xb轴以zb为旋转轴旋转一定角度θ，即为井周最小主应力的方向，从坐标轴xb轴至井周最小主应力，即径向应力σr方向的坐标转换过程如式9所示，

其中，坐标轴xb的方向向量如式10所示，

4.3确定井周最小主应力与层理面法向的夹角，井周最大主应力与层理面法向的夹角与前者成互补关系，在得到层理面法向和井周径向应力在大地坐标下的方向向量后，即可得到两者之间的夹角，层理面法向向量与井周最小主应力向量的正弦即为层理面法向与最大主应力方向的夹角，如式11所示，

5.根据权利要求1所述的一种将井壁崩落法应用于页岩储层反演地应力的校正方法，其中步骤五中具体为：

5.1设定井周至井眼轴线的距离r，且井眼井周角从0-180°变化，间隔为2°；

5.2设定井底压力为pw，根据公式4～7，确定某井周角处井周围岩受到的最大和最小主应力；

5.3根据式8～11确定某井周角处最大主应力与层理面法向的夹角，将井周主应力与该夹角代入jaeger弱面准则中，判断该点的稳定情况，逐步增大井底压力，直至在该井周角处地层岩石处于保持平衡的临界状态，该井底压力即定义为该点的坍塌压力；

5.4逐步增大井周某点至井眼轴线的距离，重复步骤5.1～5.3，得到井眼周围一定范围内各点的坍塌压力；

实施例

以四川盆地cn区块下志留系lmx组页岩为例：

(1)计算过程

步骤一、通过钻井、测井或现场测试得到储层垂向地应力为136.4mpa，最大水平地应力为155mpa，最小水平地应力117.8mpa，孔隙压力82.46mpa，为典型的走滑型断裂机制；

步骤二、井周最大主应力与层理面法向的夹角随井周角的改变而改变，如图2所示；钻取不同层理倾角页岩标准岩心样品，开展不同围压下的压缩实验得到样品强度，采用jaeger弱面准则对强度数据进行拟合，如图3所示，得到样品本体内聚力和内摩擦角分别为41.6mpa和39.2°，层理面内聚力和内摩擦角分别为29.45mpa和26.85°；

步骤三、井眼在地应力坐标系下方位角和倾角如图4所示，假设井眼轨迹为沿水平最大地应力方向钻进的水平井，即αb为0°，βb为90°，井周角变化范围为0°～360°，间隔2°；输入以上数据，根据公式4～7，确定某井周角处井周围岩受到的最大和最小主应力，根据式8～11确定某井周角处最大主应力与层理面法向的夹角，代入jaeger弱面准则计算该点坍塌压力；

步骤四、层理在地应力坐标系下的产状如图5所示，假设层理方位角为0°，倾角分别为0°，30°和60°，井周角变化范围为0°～360°，间隔2°；jaeger弱面准则中的夹角β为最大主应力与层面面法向的夹角，但井周最大主应力与层理面法向的夹角不易确定，而井周最小主应力为径向应力，该应力在井眼直角坐标系下方向如图6所示，通过坐标转换得到井周最大主应力与层理面法向的夹角；

步骤五、确定井周某点到井眼轴线的距离r，根据步骤1～3，将得到的井周最大和最小主应力代入jaeger弱面准则，从0mpa开始逐步增大井底压力，直至该点达到临界稳定状态，此时的井底压力定义为该点的坍塌压力，逐步增大井周半径，得到距井眼轴线rw～2rw范围井周各点的坍塌压力；

步骤六、根据现场使用钻井液密度给定井底压力63mpa，将井周各点坍塌压力与该值比较，高于该井底压力值的为失稳区域，用红色表示，低于该井壁压力值的为稳定区域，用蓝色表示，得到在rw～2rw范围内井周失稳的区域；

步骤七、改变层理倾角，重复步骤1～6，得到当层理倾角为0°，30°和60°时，井壁坍塌压力及井周失稳区域分别图7～9所示；分析图7～9可得井周最大失稳区域与水平最大地应力的夹角，得到最大失稳区域随层理倾角的变化规律，该规律可用于校正层理发育的页岩储层对地应力的反演进行校正。

(2)结果分析

分析图7～9可见，随层理倾角的增大，页岩本体的坍塌压力在井壁上保持不变，且均在井周角为90°处取得最大值，最大失稳区域均发生在最小主应力方向；但维持层理稳定的井底压力大小及沿井周分布位置均发生很大改变，井周最大崩落位置并未发生在的传统模型认为的最小主应力方向，且井周最大失稳区域与水平最大地应力的夹角逐渐增大。因此，不同于常规储层，页岩地层的井周崩落位置与常规储层差异显著，采用传统方法对矿区地应力的反演会出现严重偏差；在层理发育的页岩储层，沿水平最大地应力方向钻进井眼最大井周层理面滑动失稳区域发生在θ＝βbp+45°+φbp/2处，根据本规律可对页岩储层地应力的反演结果进行校正。