不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法

1.本发明涉及不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法，属于石油勘探开发技术领域。


背景技术：

2.随着我国经济的飞速发展，工业化进程逐渐深入，对石油等资源的消耗越来越多，非常规油气和海洋油气资源受到了越来越多的关注。近年来，由于定向井、大斜度井、水平井、大位移井技术的突破，非常规油气和海洋油气成为了油气勘探开发的热点领域。但是，采用定向井、大斜度井、水平井、大位移井等复杂结构井，在钻井的过程中不得不面临一系列的工程技术难题和挑战，其中，井壁垮塌问题是非常棘手的问题之一。
3.从力学角度来看，由于钻开地层形成井眼后，打破了原地应力平衡，导致井眼周围地层中应力重新分布，当重新分布的应力超过地层强度时，就可能发生井壁垮塌。定向井井壁坍塌压力的计算的一般思路：综合考虑地应力、井眼轨迹、井筒压力等因素计算井壁应力分布，然后将计算得到的应力带入到岩石强度准则进行判断，当井壁应力等于岩石强度时的临界井筒压力即为维持井壁稳定所需的坍塌压力。
4.一般，井壁应力主要采用基于线弹性理论的bradely公式计算，而岩石强度准则有很多种选择，常用岩石强度准则包括mohr-coulomb准则、mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、hoek-brown准则、修正lade准则、修正wiebols-cook准则等等。在井壁坍塌压力评价过程中，之所以采用不同强度准则主要是因为岩石强度准则不能完全适用于所有类型的岩石，这导致井壁坍塌压力评价方法往往具有一定的局限性，不能准确计算出任意类型岩石或地层的坍塌压力，即坍塌压力评价误差较大，只能适用于一种或几种特殊的岩石或地层，缺少一种通用的井壁坍塌压力评价方法。
5.为此，本发明通过综合mohr-coulomb准则、mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、修正lade准则、修正wiebols-cook准则等多种不同类型的强度准则，发挥不同强度准则的优势和协同作用，从而发明出一种不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法，该方法可以适用于不同类型的岩石或地层，是一种通用的井壁坍塌压力评价方法。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法。
7.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法，包括以下步骤：
8.s1、利用测录井、钻完井、室内测试资料，确定所钻地层的垂深、地层孔隙压力、上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力和最大水平地应力方位角；
9.s2、利用测录井和室内岩石力学测试资料，确定所钻地层的岩石内聚力、岩石内摩擦角、岩石泊松比、岩石孔隙度、biot系数和井壁渗透系数；
10.s3、建立不同岩石强度准则下的坍塌压力计算模型；
11.s4、对所钻地层的n组岩样进行不同岩石强度准则下的坍塌压力计算，并与通过岩石力学试验获得的数据进行拟合，确定符合不同岩石强度准则的岩样个数，再通过计算相应的比值，得到不同岩石强度准则之间的相对重要程度；
12.s5、根据不同岩石强度准则之间的相对重要程度，并采用层次分析法，建立比较系数矩阵a，对所得权重系数向量进行一致性检验，并确定出不同岩石强度准的权重系数；
13.s6、结合不同强度准则计算的坍塌压力和步骤s5确定的权重系数，建立不同强度准则协同作用下定向井坍塌压力计算模型，并计算得到不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力。
14.进一步的技术方案，所述步骤s3的具体过程为：
15.s31、计算所钻地层的井壁应力分量；
16.s32、根据井壁应力分量计算所钻地层的井壁有效主应力；
17.s33、根据井壁有效主应力建立不同强度准则下的坍塌压力非线性函数；
18.s34、利用二分法计算不同强度准则下的坍塌压力非线性函数，得到不同强度准则对应的坍塌压力计算模型。
19.进一步的技术方案，所述井壁应力分量的计算公式为：
[0020][0021]
其中，
[0022][0023]
式中：σ
rr
、σ
θθ
、σ
zz
分别为井壁径向、切向和轴向应力分量，mpa；τ
θz
、τ
rθ
、τ
rz
分别为井壁3个剪应力分量，mpa；pm为井筒压力，mpa；p
p
为地层孔隙压力，mpa；σv、σh、σh分别为上覆岩石压力、最大水平地应力和最小水平地应力，mpa；δ表示井壁渗透系数，无因次，δ＝0为井壁完全不渗透、δ＝1为井壁完全渗透；φ为岩石孔隙度；ψ为井斜角，
°
；ω为井斜方位与最大水
平地应力方位夹角，
°
；θ为井周角，
°
；v为岩石泊松比；k1为渗流效应系数；α为biot系数；a、b、c、d、e、f、g、h、j为坐标变换系数。
[0024]
进一步的技术方案，所述井壁有效主应力的计算公式为：
[0025][0026]
式中：σ1为井壁最大主应力，mpa；σ2为井壁中间主应力，mpa；σ3为井壁最小主应力，mpa；α为biot系数；p
p
为地层孔隙压力，mpa。
[0027]
进一步的技术方案，所述不同强度准则下的坍塌压力非线性函数包括：
[0028]
井壁坍塌的非线性函数1：
[0029][0030]
式中：为mohr-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；c为岩石内聚力，mpa；为岩石内摩擦角，
°
；
[0031]
井壁坍塌的非线性函数2：
[0032][0033]
其中，
[0034][0035]
式中：为mogi-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；a、b为材料常数，取决于岩石内聚力和内摩擦角；
[0036]
井壁坍塌的非线性函数3：
[0037][0038]
其中，
[0039][0040]
式中：为drucker-prager准则计算得到的坍塌压力，mpa；α'、k为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；j1为平均有效应力；j2为应力偏量第二不变量；
[0041]
井壁坍塌的非线性函数4：
[0042][0043]
其中，
[0044][0045]
式中：为修正lade准则计算得到的坍塌压力，mpa；s、η为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；
[0046]
井壁坍塌的非线性函数5：
[0047][0048]
其中，
[0049][0050]
式中：为修正wiebols-cook准则计算得到的坍塌压力，mpa；a'、b'、c'为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；ucs为岩石单轴强度，mpa；j1为平均有效应力；j2为应力偏量第二不变量。
[0051]
进一步的技术方案，所述步骤s4的具体过程为：
[0052]
s41、对所钻地层的n组岩样进行不同岩石强度准则下的坍塌压力计算得到计算数据，再通过室内岩石力学试验，对所钻地层的n组岩样进行不同围压下的三轴岩石力学强度测试，得到试验数据；并将计算数据与试验数据进行拟合；
[0053]
s42、分别统计测试结果符合不同岩石强度准则的各个岩样个数，其中计算数据与试验数据的相对误差在3％以内为符合标准；
[0054]
s43、通过计算符合不同岩石强度准则的各个岩样个数之间的比值，得到两两准则之间的相对重要程度。
[0055]
进一步的技术方案，所述不同岩石强度准则包括mohr-coulomb准则、mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、修正lade准则和修正wiebols-cook准则。
[0056]
进一步的技术方案，所述步骤s5的具体步骤为：
[0057]
s51、根据不同岩石强度准则之间的相对重要程度建立不同强度准则之间的比较系数矩阵a；
[0058]
s52、计算比较系数矩阵a的特征向量；
[0059]
s53、对所得权重系数向量进行一致性检验，并确定出不同岩石强度准的权重系数。
[0060]
进一步的技术方案，所述不同强度准则协同作用下定向井坍塌压力计算模型为：
[0061][0062]
式中，w1为mohr-coulomb准则的权重系数；w2为mogi-coulomb准则的权重系数；w3为drucker-prager准则的权重系数；w4为修正lade准则的权重系数；w5为修正wiebols-cook准则的权重系数；为mohr-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；为mogi-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；为drucker-prager准则计算得到的坍塌压力，mpa；为修正lade准则计算得到的坍塌压力，mpa；为修正wiebols-cook准则计算得到的坍塌压力，mpa；pc为不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力，mpa。
[0063]
本发明具有以下有益效果：本发明由于引入了权重系数，结合了其他准则的优点，获得了不同强度准则的优势协同作用，在给出合理权重系数的情况下可以更为准确的计算出坍塌压力当量密度值。
附图说明
[0064]
图1为实施流程图；
[0065]
图2为井斜方位0
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0066]
图3为井斜方位15
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0067]
图4为井斜方位30
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0068]
图5为井斜方位45
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0069]
图6为井斜方位60
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0070]
图7为井斜方位75
°
情况下坍塌压力计算结果对比图；
[0071]
图8为井斜方位90
°
情况下坍塌压力计算结果对比图。
具体实施方式
[0072]
下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
[0073]
本发明的不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法，包括以下步骤：
[0074]
s1、利用测录井、钻完井、室内测试资料，确定所钻地层的垂深、地层孔隙压力、上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力和最大水平地应力方位角；
[0075]
s2、利用测录井和室内岩石力学测试资料，确定所钻地层的岩石内聚力、岩石内摩擦角、岩石泊松比、岩石孔隙度、biot系数和井壁渗透系数；
[0076]
s3、建立不同岩石强度准则下的坍塌压力计算模型，具体包括以下步骤：
[0077]
s31、计算所钻地层的井壁应力分量；
[0078][0079]
其中，
[0080][0081]
式中：σ
rr
、σ
θθ
、σ
zz
分别为井壁径向、切向和轴向应力分量，mpa；τ
θz
、τ
rθ
、τ
rz
分别为井壁3个剪应力分量，mpa；pm为井筒压力，mpa；p
p
为地层孔隙压力，mpa；σv、σh、σh分别为上覆岩石压力、最大水平地应力和最小水平地应力，mpa；δ表示井壁渗透系数，无因次，δ＝0为井壁完全不渗透、δ＝1为井壁完全渗透；φ为岩石孔隙度；ψ为井斜角，
°
；ω为井斜方位与最大水平地应力方位夹角，
°
；θ为井周角，
°
；v为岩石泊松比；k1为渗流效应系数；α为biot系数；a、b、c、d、e、f、g、h、j为坐标变换系数；
[0082]
s32、根据井壁应力分量计算所钻地层的井壁有效主应力；
[0083][0084]
式中，σ1为井壁最大主应力，mpa；σ2为井壁中间主应力，mpa；σ3为井壁最小主应力，mpa；α为biot系数；p
p
为地层孔隙压力，mpa；
[0085]
s33、根据井壁有效主应力建立不同强度准则下的坍塌压力非线性函数；
[0086]
(1)将所钻地层的井壁有效主应力带入mohr-coulomb准则，得到求解井壁坍塌的非线性函数1；
[0087]
[0088]
式中：为mohr-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；c为岩石内聚力，mpa；为岩石内摩擦角，
°
；
[0089]
(2)将所钻地层的井壁有效主应力带入mogi-coulomb准则，得到求解井壁坍塌的非线性函数2；
[0090][0091]
其中，
[0092][0093]
式中：为mogi-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；a、b为材料常数，取决于岩石内聚力和内摩擦角；
[0094]
(3)将所钻地层的井壁有效主应力带入drucker-prager准则，得到求解井壁坍塌的非线性函数3；
[0095][0096]
其中，
[0097][0098]
式中：为drucker-prager准则计算得到的坍塌压力，mpa；α'、k为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；j1为平均有效应力；j2为应力偏量第二不变量；
[0099]
(4)将所钻地层的井壁有效主应力带入修正lade准则，得到求解井壁坍塌的非线性函数4；
[0100][0101]
其中，
[0102][0103]
式中：为修正lade准则计算得到的坍塌压力，mpa；s、η为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；
[0104]
(5)将所钻地层的井壁有效主应力带入修正wiebols-cook准则，得到求解井壁坍塌的非线性函数5；
[0105][0106]
其中，
[0107][0108]
式中：为修正wiebols-cook准则计算得到的坍塌压力，mpa；a'、b'、c'为材料常数，取决于内聚力和内摩擦角；ucs为岩石单轴强度，mpa；j1为平均有效应力；j2为应力偏量第二不变量；
[0109]
s34、利用二分法计算不同强度准则下的坍塌压力非线性函数，得到不同强度准则对应的坍塌压力计算模型；
[0110]
s4、对所钻地层的n组岩样进行不同岩石强度准则下的坍塌压力计算，并与通过岩石力学试验获得的数据进行拟合，确定符合不同岩石强度准则的岩样个数，再通过计算相应的比值，得到不同岩石强度准则之间的相对重要程度；
[0111]
s41、通过室内岩石力学试验，对所钻地层的n组岩样进行不同围压下的三轴岩石力学强度测试，然后分别采用mohr-coulomb准则、mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、修正lade准则和修正wiebols-cook准则对所钻地层的n组岩样进行坍塌压力计算，将测试结果与计算结果进行拟合；
[0112]
s42、统计测试结果符合mohr-coulomb准则的岩样个数，将其标记为n1；以同样的方法统计测试结果符合mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、修正lade准则和修正wiebols-cook准则的岩样个数，分别标记为n2、n3、n4、n5；
[0113]
其中，测试结果与计算结果的相对误差在3％以内是试验数据与强度准则吻合较好的标准；
[0114]
s43、通过计算符合所述岩石强度准则的岩样个数n1、n2、n3、n4和n5之间的比值得到两两准则之间的相对重要程度a
ij
；
[0115]aij
为i准则与j准则的重要性比较结果，其值由专家根据的值，借助比例标度表
给出，且有：
[0116]
表1比例标度表
[0117]
因素i比因素j量化值同等重要1稍微重要3较强重要5强烈重要7极端重要9两相邻判断的中间值2，4，6，8
[0118]
s5、根据不同岩石强度准则之间的相对重要程度，并采用层次分析法，建立比较系数矩阵a，对所得权重系数向量进行一致性检验，并确定出不同岩石强度准的权重系数；
[0119]
s51、建立不同强度准则之间的比较系数矩阵a；
[0120][0121]
其中，a
ij
为步骤s43中求得的两两准则的相对重要程；度；
[0122]
s52、计算比较系数矩阵a的特征向量；
[0123]
首先，将矩阵每一列进行归一化处理：
[0124][0125]
其次，将归一化后的矩阵按行求和得到列向量；
[0126][0127]
然后，对求和得到的列向量进行归一化处理，得到特征向量；
[0128][0129]
s53、对权重系数进行一致性检验；
[0130]
为了验证权重系数的有效性，通过计算一致性比率(cr)即一致性指数(ci)与随机指数(ri)的比值来检验一致性；定义一致性比率为：
[0131][0132]
其中，
[0133][0134][0135][0136]
式中，cr为一致性比率；ci为一致性指数；ri为随机一致性指标；λ
max
为矩阵a的最大特征根；(aw)i为aw的第i个分量；wi为权重系数；
[0137]
所述随机一致性指标ri和比较系数矩阵阶数有关，一般矩阵阶数越大，则出现一致性随机偏离的可能性越大，其对应关系如表2；
[0138]
表2随机一致性指标ri标准值
[0139]
矩阵阶数12345678910ri0.000.000.580.901.121.241.321.411.451.49
[0140]
当一致性比率cr《0.1时，认为比较系数矩阵a的不一致程度在允许的范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量w作为权重系数向量，否则要重新构造比较系数矩阵a，对a
ij
加以调整；
[0141]
s6、结合不同强度准则计算的坍塌压力和步骤s5确定的权重系数，建立不同强度准则协同作用下定向井坍塌压力计算模型，并计算得到不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力；
[0142][0143]
式中：w1为mohr-coulomb准则的权重系数；w2为mogi-coulomb准则的权重系数；w3为drucker-prager准则的权重系数；w4为修正lade准则的权重系数；w5为修正wiebols-cook准则的权重系数；为mohr-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；为mogi-coulomb准则计算得到的坍塌压力，mpa；为drucker-prager准则计算得到的坍塌压力，mpa；为修正lade准则计算得到的坍塌压力，mpa；为修正wiebols-cook准则计算得到的坍塌压力，mpa；pc为不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力，mpa。
[0144]
实施例1
[0145]
本发明的一种不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力评价方法，包括：
[0146]
s1、利用测录井、钻完井、室内测试资料，确定出所钻地层的垂深为3000m、地层孔隙压力为42mpa、上覆岩层压力为90mpa、最大水平地应力为80mpa、最小水平地应力为60mpa、最大水平地应力方位角为0
°
；
[0147]
s2、利用测录井和室内岩石力学测试资料，确定出所钻地层的岩石内聚力为25mpa、岩石内摩擦角为35
°
、岩石泊松比为0.25、岩石孔隙度为0.1、biot系数为0.8、井壁渗透系数为0；
[0148]
s3、根据步骤s1和s2所确定的基础参数，建立不同岩石强度准则下的坍塌压力计算模型，利用二分法计算不同强度准则下的坍塌压力非线性函数，得到不同强度准则对应的坍塌压力计算模型将坍塌压力换算为当量密度，其计算结果如图2～图8所示；
[0149]
s4、开展室内岩石力学试验，确定符合所述岩石强度准则的岩样个数n1、n2、n3、n4和n5，通过计算相应的比值，得到不同准则之间的相对重要程度；
[0150]
s5、采用层次分析法，建立比较系数矩阵a，对所得权重系数向量进行一致性检验，并确定出权重系数；
[0151]
首先，建立不同强度准则之间的比较系数矩阵a；
[0152][0153]
其次，将矩阵a每一列进行归一化处理，得到：
[0154][0155]
再将归一化后的矩阵按行求和得到列向量；
[0156][0157]
然后对求和得到的列向量进行归一化处理，得到特征向量：
[0158]
w＝[0.22 0.48 0.04 0.06 0.20]
t
[0159]
为了验证权重系数的有效性，通过计算一致性比率(cr)即一致性指数(ci)与随机指数(ri)的比值来检验一致性：
[0160][0161][0162][0163]
验证后发现，一致性比率cr＜0.1，通过一致性检验；因此，权重系数为w1＝0.22、w2＝0.48、w3＝0.04、w4＝0.06、w5＝0.20；
[0164]
s6、结合不同强度准则计算的坍塌压力和步骤s5确定的权重系数，建立不同强度准则协同作用下定向井坍塌压力计算模型，并计算得到不同强度准则协同作用下定向井井壁坍塌压力；
[0165][0166]
于是，将采用mohr-coulomb准则、mogi-coulomb准则、drucker-prager准则、修正lade准则、修正wiebols-cook准则计算得到的结果带入上式，即可得到不同强度准则协同作用下的坍塌压力pc，将坍塌压力换算为当量密度，其计算结果如图2～图8所示。
[0167]
由图2～图8可以看出：(1)随着井斜角增大，坍塌压力当量密度也随之增大。在不同的方位角下，各准则所计算的坍塌压力当量密度有所差异，其中，mohr-coulomb准则由于忽略了中间主应力对岩石破坏的影响，使其计算的坍塌压力明显高于其他计算模型。然后依次是新模型、mogi-coulomb准则、修正lade准则和修正wiebols-cook准则，而drucker-prager准则在所有情况中对坍塌压力的计算都明显过低。新模型由于引入了权重系数，结合了其他准则的优点，获得了不同强度准则的优势协同作用，只要给出的权重系数合理，就可以计算出更为准确的坍塌压力当量密度值。
[0168]
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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，可利用上述揭示的技术内容作出些变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。