一种用于设计钻井坍塌压力的方法及系统与流程

1.本发明涉及石油天然气钻井技术领域，尤其是涉及一种用于设计钻井坍塌压力的方法及系统。


背景技术：

2.钻井期间井壁应力稳定性与井筒液柱压力直接相关，当井筒液柱压力不足以维持井壁应力平衡时便会发生失稳掉块现象，进一步，在钻井液密度越小时，井筒内液柱压力越低，裸眼井壁失稳掉块就会越多，若掉块过多则将会导致井下钻具遇阻影响正常施工，甚至造成卡钻等井下复杂。因此，为了防止井壁失稳掉块引起工程事故，要求钻井液液柱压力不得低于坍塌压力。
3.在现有钻井坍塌压力设计技术中，往往是依照井壁不发生任何一点应力坍塌现象为原则，以此来确定防塌钻井液密度低限，但这种方式所产生的效果是钻井液密度往往较高。这样，既耗费钻井液材料，又影响机械钻速、加重储层伤害，严重阻碍了钻进工程提速降本工艺的形成与实施。
4.由此可知，现有钻井坍塌压力设计方案中要求井壁不发生应力失稳状态的条件是过于苛刻的，并不符合现场实际情况。实际钻井施工中，井壁有一定程度的失稳掉块和井径扩大是可以正常施工的，并不影响钻井安全，只需确保掉块被正常携带、维持井筒清洁，钻井施工仍可正常作业。因为，更低的钻井液密度可以为更好地开展储层保护、钻井提速、安全压力控制以及节约钻井材耗等工艺来优化创造条件。
5.我国油气资源丰富，2019年石油产量1.91亿吨，天然气产量1.74千亿立方米，年钻井约2万口，钻井作业工程量巨大，许多地区地层可钻性差。因此，现有技术需要形成一种新的钻井坍塌压力设计方法，使得设计的坍塌压力既能维持井内钻井作业安全，又可以通过适当降低钻井液密度来提高机械钻速和降低钻井成本，以得到更好工程经济效益。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于设计钻井坍塌压力的方法，包括：步骤一、获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据所述目标地层的钻井类型，设置在对所述目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度；步骤二、设置钻井液密度，基于此，根据所述地质力学参数，对所述目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息，所述井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征；步骤三、根据所述井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，基于此，确定在所述比例达到所述井壁圆周完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由所述坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。
7.优选地，所述地质力学参数包括但不限于：地应力参数、地层压力参数、岩石弹性参数、岩石强度参数和井眼轨迹参数。
8.优选地，在计算所述井壁圆周应力分布特征中每个井周方位角度处的应力状态
时，包括：根据所述地应力参数中垂向地应力、最大水平地应力和最小水平地应力、以及所述井眼轨迹参数中井斜角和井斜方位角，计算在井筒直角坐标系下不同方位处的地应力分量；根据所述不同方位处的地应力分量、所述岩石弹性参数中的泊松比、所述钻井液密度以及钻井垂深，计算在井眼轴坐标系下不同方位处的井壁应力分量；根据所述不同方位处的井壁应力分量、所述岩石弹性参数中的孔隙弹性系数、以及所述地层压力参数中的地层孔隙流体压力，计算不同圆周方位处的井壁岩石有效主应力。
9.优选地，利用如下表达式分别计算当前方位处的所述地应力分量、所述井壁应力分量和所述井壁岩石有效主应力：
[0010][0011][0012][0013]
其中，x、y、z分别表示与井眼轴坐标对应的空间直角坐标系下的三个方向，σa、σb、σc分别表示所述井壁岩石有效主应力，g表示重力加速度，ρm表示初始的钻井液密度，hv表示钻井垂深，η表示孔隙弹性系数，p
p
表示地层孔隙流体压力，σ
θ
、σz、τ
θz
分别表示在井眼轴坐标系下的所述井壁应力分量，s
xx
、s
yy
、s
zz
、s
xy
、s
xz
、s
yz
表示所述地应力分量，v表示泊松比，θ表示当前井周方位角度，sv表示垂向地应力，sh表示最大水平地应力，sh表示最小水平地应力，β表示最大水平地应力方位与井眼方位的夹角，αw表示井斜角。
[0014]
优选地，所述步骤三包括：根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态；根据所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结果，计算当前深度位置处的所述比例；将所述比例与所述井壁圆周完整程度进行对比，若所述比例大于所述井壁圆周完整程度参数，则将当前钻井液密度作为所述坍塌压力当量密度，否则，调整所述钻井液密度；根据所述坍塌压力当量密度，计算相应深度位置处的所述钻井坍塌压力。
[0015]
优选地，在根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态
步骤中，包括：根据所述井壁应力信息，采用莫尔库伦强度分析原理，对每个井周方位角度分别进行应力稳定性量化处理；根据应力稳定性量化结果，确定每个井周方位角度的井壁稳定状态，其中，在当前应力稳定性量化参数小于或等于零时，将当前井壁稳定状态记为1，在当前应力稳定性量化参数大于零时，将当前井壁稳定状态记为0。
[0016]
优选地，根据所述井壁应力信息，结合不同方位角度下的岩石内聚力和内摩擦角参数，利用如下表达式对每个井周方位角度进行应力稳定性判断：
[0017][0018]
σ1＝max{σa,σb,σc}
[0019]
σ3＝min{σa,σb,σc}
[0020]
其中，θ表示当前井周方位角度，fmc(θ)表示当前井周方位角度的应力稳定性判断结果，σa、σb、σc表示井壁岩石有效主应力，c表示所述岩石强度参数中当前方位对应的内聚力，φ表示所述岩石强度参数中当前方位对应的内摩擦角。
[0021]
优选地，当所述钻井类型为直井时，所述井壁圆周完整程度大于60％；当所述钻井类型为斜井时，所述井壁圆周完整程度大于70％；当所述钻井类型为定向井或水平井时，所述井壁圆周完整程度大于80％。
[0022]
另一方面，本发明实施例还提供了一种用于设计钻井坍塌压力的系统，包括：参数准备模块，其配置为获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据所述目标地层的钻井类型，设置在对所述目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度；井壁应力分布模块，其配置为设置钻井液密度，基于此，根据所述地质力学参数，对所述目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息，所述井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征；坍塌压力生成模块，其配置为根据所述井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，基于此，确定在所述比例达到所述井壁圆周完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由所述坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。
[0023]
优选地，所述坍塌压力生成模块包括：井壁局部稳定状态分析单元，其配置为根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态；井壁稳定状态初步比例生成单元，其配置为根据所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结果，计算当前深度位置处的所述比例；当量密度生成单元，其配置为将所述比例与所述井壁圆周完整程度进行对比，若所述比例大于所述井壁圆周完整程度参数，则将当前钻井液密度作为所述坍塌压力当量密度，否则，调整所述钻井液密度；压力计算单元，其配置为根据所述坍塌压力当量密度，计算相应深度位置处的所述钻井坍塌压力。
[0024]
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
[0025]
本发明提供了一种用于设计钻井坍塌压力的方法及系统。该方法及系统包括用于对待钻目标地层的地质力学参数及井眼参数进行准备的步骤、用于分析井周应力环境的步骤、以及用于计算钻井液当量密度及坍塌压力的步骤。本发明在设计钻井坍塌压力时充分考虑了安全钻井施工对井壁完整程度的要求，所设计的坍塌压力既能确保钻井施工安全，又能为降低钻井液密度、提高钻井速度、降低钻井成本、以及提高钻井效率等方面创造条
件，从而获得更好的钻井工程经济效益。
[0026]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他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结构来实现和获得。
附图说明
[0027]
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：
[0028]
图1为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的方法的步骤图。
[0029]
图2为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的方法中步骤三的流程图。
[0030]
图3为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的系统的结构框图。
具体实施方式
[0031]
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对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能充分理解并据以实施。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。
[0032]
钻井期间井壁应力稳定性与井筒液柱压力直接相关，当井筒液柱压力不足以维持井壁应力平衡时便会发生失稳掉块现象，进一步，在钻井液密度越小时，井筒内液柱压力越低，裸眼井壁失稳掉块就会越多，若掉块过多则将会导致井下钻具遇阻影响正常施工，甚至造成卡钻等井下复杂。因此，为了防止井壁失稳掉块引起工程事故，要求钻井液液柱压力不得低于坍塌压力。
[0033]
在现有钻井坍塌压力设计技术中，往往是依照井壁不发生任何一点应力坍塌现象为原则，以此来确定防塌钻井液密度低限，但这种方式所产生的效果是钻井液密度往往较高。这样，既耗费钻井液材料，又影响机械钻速、加重储层伤害，严重阻碍了钻进工程提速降本工艺的形成与实施。
[0034]
由此可知，现有钻井坍塌压力设计方案中要求井壁不发生应力失稳状态的条件是过于苛刻的，并不符合现场实际情况。实际钻井施工中，井壁有一定程度的失稳掉块和井径扩大是可以正常施工的，并不影响钻井安全，只需确保掉块被正常携带、维持井筒清洁，钻井施工仍可正常作业。因为，更低的钻井液密度可以为更好地开展储层保护、钻井提速、安全压力控制以及节约钻井材耗等工艺来优化创造条件。
[0035]
我国油气资源丰富，2019年石油产量1.91亿吨，天然气产量1.74千亿立方米，年钻井约2万口，钻井作业工程量巨大，许多地区地层可钻性差。因此，现有技术需要形成一种新的钻井坍塌压力设计方法，使得设计的坍塌压力既能维持井内钻井作业安全，又可以通过适当降低钻井液密度来提高机械钻速和降低钻井成本，以得到更好工程经济效益。
[0036]
为了解决目前所使用的钻井坍塌压力设计方法以无井壁坍塌为前提，限制了钻井降密度作业空间，并且阻碍了在安全作业范围内实现钻井降本和钻井提速等工艺技术的形成与应用的相关技术问题，本发明提供了一种用于设计钻井坍塌压力的方法及系统。该方法及系统首先需要确定待钻目标地层的地质力学参数、设置在对待钻目标地层进行安全钻
井施工时所需的井壁圆周完整程度参数；而后，设置初始的钻井液密度，基于此，根据地质力学参数，对待钻目标地层的井周应力进行分析，得到井壁应力信息；接着，根据井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的第一比例，在第一比例达到井壁完整程度时确定相应的钻井液当量密度，从而由钻井液当量密度计算相应的钻井坍塌压力。这样，本发明所设计的钻井坍塌压力既能够满足安全钻井施工，同时，也能够兼顾了机械钻速的提高和钻井成本的降低。
[0037]
图1为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的方法的步骤图。下面参考图1，对本发明所述的用于设计钻井坍塌压力的方法(以下简称“坍塌压力设计方法”)进行详细说明。
[0038]
如图1所示，步骤s110获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据目标地层的钻井类型，设置在对待钻目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度。
[0039]
具体地，在步骤s110中首先需要获取待钻目标地层的地质力学参数。在本发明实施例中，待钻目标地层是指当前需要进行钻穿地层钻进施工的地层区域，该区域具有一定的深度范围，并且该区域所在的井为待钻井。其中，待钻井可以包括未钻穿地层的区域，也可以包括未钻穿地层的区域和已钻穿地层。
[0040]
进一步，在获取待钻目标地层的地质力学参数过程中，需要基于与待钻井属于同一油藏工况单元区域内的已钻井的钻井资料、录井资料、测井资料、油藏分布资料和地质资料等信息来确定出当前待钻目标地层的地质力学参数。在本发明实施例中，待钻目标地层是按照预设的深度间隔将目标地层深度范围均分为多个深度段，也就是说，待钻目标地层包括多个深度段，其中，每个深度段对应有相应的地质力学参数。由此，待钻目标地层的地质力学参数包括：当前待钻目标地层深度范围内每个深度段位置对应的地质力学参数。
[0041]
进一步，每个深度段位置的地质力学参数，包括但不限于：地应力参数、地层压力参数、岩石弹性参数、岩石强度参数和井眼轨迹参数。更具体地说，地应力参数包括但不限于：垂向地应力、最小水平地应力、最大水平地应力和最大水平地应力方位角。地层压力参数包括但不限于：地层孔隙流体压力。岩石弹性参数，包括但不限于：泊松比和孔隙弹性系数。岩石强度参数，包括但不限于：孔隙弹性系数、岩石内聚力和岩石内摩擦角。井眼轨迹参数，包括但不限于：井斜角、井斜方位角和钻井垂深(其中，钻井垂深至少包括：待钻目标地层深度和非目标地层段的深度数据)。
[0042]
优选地，当前待钻目标地层内每个深度段位置的地应力参数可通过针对已钻井的岩心实验、成像测井或压裂资料获取。当前待钻目标地层内每个深度段位置的地层压力参数可通过储层测试或经测试标定的测井模型计算获取。当前待钻目标地层内每个深度段位置的岩石弹性参数和岩石强度参数，可依据针对已钻井的岩心实验或经岩心实验标定的测录井模型计算获得。在本发明实施例中的针对待钻目标地层的地质力学参数还可以通过其他方式获得，本发明对此不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行选择。
[0043]
在获取到针对待钻目标地层的地质力学参数后，步骤s110还会根据当前待钻目标地层的钻井类型，来设置出在对当前待钻目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度。井壁圆周完整程度为能够达到安全钻井施工时所需到的井壁稳定状态的最小区域面积与待钻目标地层所涉及的井壁井周的整体面积之比。井壁圆周完整程度表征了钻井期间维持正常作业所需保持井壁应力稳定状态的最低程度。安全钻井施工对井壁完整程度要
求参数(井壁圆周完整程度)i，是根据待钻井所在油藏单元工区的钻井类型特征来确定的。
[0044]
具体地，当待钻目标地层所涉及的井段的钻井类型为直井时，当前井壁圆周完整程度需要大于60％，由此，才可实现针对待钻目标地层的安全钻井施工。当待钻目标地层所涉及的井段的钻井类型为斜井时，当前井壁圆周完整程度需要大于70％，由此，才可实现针对待钻目标地层的安全钻井施工。当待钻目标地层所涉及的井段的钻井类型为定向井或水平井时，当前井壁圆周完整程度需要大于80％，由此，才可实现针对待钻目标地层的安全钻井施工。
[0045]
在得到针对待钻目标地层的地质力学参数和井壁圆周完整程度后，完成步骤s110，从而进入到步骤s120，对当前待钻目标地层所涉及的井段(即待钻井段)的井周应力分析，继而在步骤s130中完成相应的钻井坍塌压力的设计。
[0046]
步骤s120设置钻井液密度，基于此，根据步骤s110得到针对当前待钻目标地层的地质力学参数，对当前待钻目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息。其中，井壁应力信息包括井眼不同方位(圆周方位角度)处的井壁圆周应力分布特征数据。
[0047]
在对待钻目标地层进行坍塌压力设计时，需要针对当前待钻目标地层内的每个深度段均按照本发明下述步骤s120和步骤s130，来设计出相应的最适应于当前深度段油藏条件和地质条件的坍塌压力当量密度及相应的钻井坍塌压力数据，从而形成为针对目标地层的钻井坍塌压力数组，以完成针对目标地层的钻井坍塌压力的设计。由于本发明针对每个深度段的坍塌压力设计过程所采用的方法均相同，故仅以其中一个深度段的钻井坍塌压力设计过程为例进行说明。
[0048]
进一步，步骤120需要针对每个深度段生成相应的井壁应力信息。在步骤s120中，设置针对当前深度段的钻井液密度，而后，基于该深度段的钻井液密度，根据步骤s110得到针对待钻目标地层中的当前深度段的地质力学参数，对当前深度段所涉及的井段的井壁井周应力进行分析，从而生成针对当前深度段的井壁应力信息。其中，当前深度段的井壁应力信息，是一种表征当前深度段所涉及的待钻井段的井壁圆周应力分布特征的数据，包括：当前深度段下的井眼不同方位处的井壁应力状态特征数据(井壁应力特征)。
[0049]
具体地，在步骤s120中，需要针对当前深度段内的每个井周方位角度依次计算出相应的地应力分量、井壁应力分量和井壁岩石有效主应力，以将该井壁岩石有效主应力作为相应井周方位角度所对应的井壁应力特征。需要说明的是，在本发明实施例中，每个深度段内的井周方位角度优选为360个，从1
°
～360
°
，步长为1
°
。
[0050]
进一步，在计算当前深度段内的每个井周方位角度所对应的地应力分量时，需要根据(当前深度段的)地应力参数中垂向地应力、最大水平地应力和最小水平地应力、以及(当前深度段的)井眼轨迹参数中的井斜角和井斜方位角，利用预设的地应力分量算式，计算在井筒直角坐标系下不同方位处对应的地应力分量。这样，针对当前深度段内的每个方位角度均得到了相应的地应力分量。其中，上述地应力分量算式利用如下表达式表示：
[0051][0052]
其中，x、y、z分别表示与井筒轴坐标对应的空间直角坐标系下的三个方向；s
xx
、s
yy
、s
zz
、s
xy
、s
xz
、s
yz
表示井筒直角坐标系下的地应力分量；sv表示当前方位对应的垂向地应力，单位为mpa；sh表示当前方位对应的最大水平地应力，单位为mpa；sh表示当前方位对应的最小水平地应力，单位为mpa；β表示最大水平地应力方位与井眼轨迹方位的夹角，单位为
°
；αw表示当前方位对应的井斜角，单位为
°
。由此，通过上述表达式(1)，当前深度段内的每个方位角度对应的井筒直角坐标系下的地应力分量。
[0053]
进一步，在完成当前深度段内的每个井周方位角度所对应的地应力分量的计算后，需要根据当前深度段内的每个方位角度对应的井筒直角坐标系下的地应力分量、(当前深度段的)岩石弹性参数中的泊松比、步骤s110所设置的钻井液密度以及钻井垂深，利用预设的井壁应力分量算式，计算在井眼轴坐标系下不同方位处对应的井壁应力分量，以将上述所有地应力分量进行坐标系转换处理。这样，针对当前深度段内的每个方位角度均得到了相应的井壁应力分量。其中，上述井壁应力分量算式利用如下表达式表示：
[0054][0055]
其中，σ
θ
、σz、τ
θz
分别表示在井眼轴坐标系下不同方位对应的切向、纵向和径向的井壁应力分量；θ表示当前井周方位角度(即井眼轴坐标系下的切向坐标)；v表示泊松比；g表示重力加速度，单位m/s2；ρm表示钻井液密度，单位g/cm3；hv表示钻井垂深(优选为当前深度段的深度)。在本发明实施例中，井眼轴坐标系为以井眼轴线(当前待钻井的轴线)中心建立的柱坐标系。由此，通过上述表达式(2)，得到了当前深度段内的每个方位角度对应的井眼轴坐标系下的井壁应力分量。
[0056]
进一步，在完成当前深度段内的每个井周方位角度所对应的井壁应力分量的计算后，还需要根据当前深度段内的每个方位角度对应的井眼轴坐标系下的井壁应力分量、(当前深度段的)岩石弹性参数中的孔隙弹性系数、以及(当前深度段的)地层压力参数中的地层孔隙流体压力，利用预设的有效主应力算式，计算不同圆周方位下的井壁岩石有效主应力，以得到井壁位置处的岩石有效应力计算结果。这样，针对当前深度段内的每个方位角度均得到了相应的井壁岩石有效主应力。其中，上述有效主应力算式利用如下表达式表示：
[0057][0058]
其中，σa、σb、σc表示井壁岩石在不同方位上的有效主应力(井壁岩石有效主应力)，单位为mpa；η表示孔隙弹性系数；p
p
表示地层孔隙流体压力，单位为mpa。由此，通过上述表达式(3)，得到了当前深度段内的每个方位角度对应的井壁岩石有效主应力。
[0059]
这样，依次通过表达式(1)～(3)能够计算出同一深度段内所有圆周方位角度下的井壁应力特征数据的计算，进一步完成针对整个待钻目标地层的井周应力分析，从而结束步骤s120，进入到步骤s130。
[0060]
步骤s130根据步骤s120得到的所有深度段的井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积(井壁圆周的外表面积)的(第一)比例，并确定在第一比例达到步骤s110所设置的井壁完整程度条件时所对应的钻井液当量密度，从而由钻井液密度计算钻井坍塌压力。
[0061]
图2为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的方法中步骤三的流程图。下面结合图1和图2对步骤s130进行详细说明。
[0062]
具体地，步骤130需要针对每个深度段计算出相应的兼顾安全钻井施工和降低钻井液成本的钻井液当量密度、以及钻井坍塌压力数据。在步骤s130中，根据步骤s120得到的每个深度段的井壁应力信息，统计在针对当前深度段实施安全钻井施工时能够维持井壁圆周应力稳定状态的最小区域占井壁圆周外围面积的(第一)比例，并在针对当前深度段的第一比例达到步骤s110所设置的井壁圆周完整程度条件时，确定对应的坍塌压力当量密度，而后，根据坍塌压力当量密度，计算出相应的钻井坍塌压力。
[0063]
进一步，在步骤s130中，需要针对每个深度段内均计算出相应坍塌压力当量密度及坍塌压力。在本发明实施例中，由于每个深度段的坍塌压力当量密度及坍塌压力的计算过程均相同，故本发明仅以一个深度段为例进行说明。
[0064]
参考图2，步骤s1301根据步骤s120得到的针对当前深度段的井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态。在步骤s1301中，需要每个不同井周方位角度的井壁稳定状态，均需要按照如下过程进行识别：
[0065]
第一步，根据针对当前深度段的含有不同井周方位角度对应的井壁应力特征数据(当前深度段的井壁应力信息)，采用莫尔-库伦强度分析原理，对每个井周方位角度分别进行应力稳定性判断，计算出每个井周方位角度对应的应力稳定性量化结果。这样，将每个井周方位角度下的井壁稳定性进行了定量化表示，从而完成了每个井周方位角度的井壁局部稳定性的定量计算。
[0066]
具体地，根据当前深度段的井壁应力信息，结合当前深度段内不同方位角度下的岩石内聚力和内摩擦角参数，利用如下表达式对每个井周方位角度进行应力稳定性判断：
[0067][0068]
其中，σ1＝max{σa,σb,σc}，σ3＝min{σa,σb,σc}，fmc(θ)表示当前井周方位角度的应力稳定性量化结果，c表示当前方位对应的岩石内聚力，单位为mpa；φ表示当前方位对应的岩石内摩擦角，单位为
°
。
[0069]
第二步，根据当前深度段内每个方位角度下的应力稳定性判断结果，确定每个井周方位角度的井壁(局部)稳定状态，并进行标记，从而将该标记结果作为井壁稳定状态识别结果。其中，利用如下表达式确定每个井周方位角度的井壁局部稳定状态并完成局部稳定状态的标记：
[0070][0071]
其中，f(θ)表示当前井周方位角度下的井壁局部稳定状态的标记结果。具体地，在一个实施例中，在当前应力稳定性量化参数小于或等于零时，将当前井壁稳定状态记为1，此时，表明当前井壁处于局部稳定状态。另外，在另一个实施例中，在当前应力稳定性量化参数大于零时，将当前井壁稳定状态记为0，此时，表明当前井壁处于局部失稳状态。这样，利用上述第一步和第二步得到针对当前深度段内不同井周方位角度对应的井壁稳定状态识别结果，从而进入到步骤s1302中。
[0072]
步骤s1302根据同一深度段内所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结果，计算当前深度位置(当前深度段内)处的(第一)比例。其中，第一比例为在对当前深度段实施安全钻井施工时需要维持井壁圆周应力稳定状态的最小区域与当前深度段所涉及的井壁圆周的外围面积之比。
[0073]
在步骤s1302中，需要根据步骤s1301得到的当前深度段内每个井周方位角度所对应的井壁稳定状态识别结果，按照如下表达式，统计在对当前深度段进行安全钻井施工时所需维持的井壁圆周应力稳定区域对应的第一比例：
[0074][0075]
其中，ω表示第一比例。这样，根据上述表达式(6)便得到了针对当前深度段的第一比例，从而进入到步骤s1303中。
[0076]
步骤s1303将步骤s1302得到的第一比例与步骤s110所设定的井壁圆周完整程度数据进行对比，根据对比结果确定坍塌压力当量密度。坍塌压力当量密度是在满足针对当前深度段进行安全钻井施工时需要保持井壁应力稳定状态所对应的最低钻井液密度。其中，在第一个实施例中，若当前第一比例大于上述井壁圆周完整程度参数，则将步骤s120中所设定的初始的钻井液密度作为最终满足安全钻井施工时的最低钻井液密度条件要求的坍塌压力当量密度，从而进入到步骤s1304中。也就是说，在上述第一比例大于井壁圆周完整程度参数时，才可将当前设定的钻井液密度作为最终所需的坍塌压力当量密度。
[0077]
在第二个实施例中，若当前第一比例小于井壁圆周完整程度参数，则返回步骤s120中，重新调整已设定的钻井液密度，形成为新的钻井液密度，直至第一比例大于，才进
入到步骤s1304中，从而确定出坍塌压力当量密度。
[0078]
另外，为了兼顾安全钻井施工和钻井液成本经济化的特征，在将上述步骤s1302得到的第一比例与步骤s110所设定的井壁圆周完整程度数据进行对比时，对比依据除了需要大于上述井壁圆周完整程度之外，还需要接近于井壁圆周完整程度参数。具体地，在第一个实施例中，若当前第一比例大于上述井壁圆周完整程度参数、并且当前第一比例与上述井壁圆周完整程度参数的差值小于预设的比例对比阈值，则将步骤s120中所设定的初始的钻井液密度作为最终满足安全钻井施工时的最低钻井液密度条件要求的坍塌压力当量密度，从而进入到步骤s1304中。也就是说，在上述第一比例大于井壁圆周完整程度参数、并且第一比例接近于井壁圆周完整程度参数时，才可将当前设定的钻井液密度作为最终所需的坍塌压力当量密度。
[0079]
进一步，若当前第一比例小于井壁圆周完整程度参数，或者当前第一比例大于井壁圆周完整程度参数、并且当前第一比例与上述井壁圆周完整程度参数的差值等于或大于上述比例对比阈值，则返回步骤s120中，重新调整已设定的钻井液密度，形成为新的钻井液密度，直至第一比例大于、且该第一比例与井壁圆周完整程度参数的差值小于预设的比例对比阈值，才进入到步骤s1304中，从而确定出坍塌压力当量密度。
[0080]
步骤s1304根据步骤s1303得到的针对当前深度段的钻井液当量密度，利用坍塌压力算式，计算相应深度位置(当前深度段)处的钻井坍塌压力。其中，上述坍塌压力算式利用如下表达式表示：
[0081]bp
＝10-3
ρmghvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0082]
其中，b
p
表示钻井坍塌压力。这样，根据上述表达式(7)便完成了针对当前深度段的钻井坍塌压力的设计，从而接收步骤s130。由此，通过不断循环上述步骤s1301～步骤s1304，便完成了针对待钻目标地层内所有深度段的钻井坍塌压力的设计。
[0083]
另一方面，本发明基于上述用于设计钻井坍塌压力的方法，还提出了一种用于设计钻井坍塌压力的系统。图3为本技术实施例的用于设计钻井坍塌压力的系统的结构框图。如图3所示，本发明所述的用于设计钻井坍塌压力的系统，包括：参数准备模块31、井壁应力分布模块32和坍塌压力生成模块33。
[0084]
具体地，参数准备模块31按照上述步骤s110所述的方法实施，配置为获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据当前待钻目标地层的钻井类型，设置在对待钻目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度。井壁应力分布模块32按照上述步骤s120所述的方法实施，配置为设置钻井液密度，基于此，根据参数准备模块31得到的地质力学参数，对当前待钻目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息。其中，井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征。坍塌压力生成模块33按照上述步骤s130所述的方法实施，配置为根据井壁应力分布模块32得到的井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，并确定在该比例达到上述井壁完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由当前坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。
[0085]
进一步，坍塌压力生成模块33，包括：井壁局部稳定状态分析单元331、井壁稳定状态初步比例生成单元332、当量密度生成单元333和压力计算单元334。其中，井壁局部稳定状态分析单元331配置为根据井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态。井壁稳定状态初步比例生成单元332配置为根据所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结
果，计算当前深度位置处的(第一)比例。当量密度生成单元333配置为将当前(第一)比例与上述井壁圆周完整程度进行对比，若当前(第一)比例大于所述井壁圆周完整程度，则将当前钻井液密度作为坍塌压力当量密度，否则，调整当前钻井液密度。压力计算单元334配置为根据坍塌压力当量密度，计算相应深度位置处的钻井坍塌压力。
[0086]
本发明公开了一种用于设计钻井坍塌压力的方法及系统。该方法及系统包括用于对待钻目标地层的地质力学参数及井眼参数进行准备的步骤、用于分析井周应力环境的步骤、以及用于计算钻井液当量密度及坍塌压力的步骤。本发明在设计钻井坍塌压力时充分考虑了安全钻井施工对井壁完整程度的要求，所设计的坍塌压力既能确保钻井施工安全，又能为降低钻井液密度、提高钻井速度、降低钻井成本、以及提高钻井效率等方面创造条件，从而获得更好的钻井工程经济效益。
[0087]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
[0088]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0089]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0090]
虽然本发明所披露的实施方式如上，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。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种用于设计钻井坍塌压力的方法，包括：步骤一、获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据所述目标地层的钻井类型，设置在对所述目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度；步骤二、设置钻井液密度，基于此，根据所述地质力学参数，对所述目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息，所述井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征；步骤三、根据所述井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，基于此，确定在所述比例达到所述井壁圆周完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由所述坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质力学参数包括但不限于：地应力参数、地层压力参数、岩石弹性参数、岩石强度参数和井眼轨迹参数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在计算所述井壁圆周应力分布特征中每个井周方位角度处的应力状态时，包括：根据所述地应力参数中垂向地应力、最大水平地应力和最小水平地应力、以及所述井眼轨迹参数中井斜角和井斜方位角，计算在井筒直角坐标系下不同方位处的地应力分量；根据所述不同方位处的地应力分量、所述岩石弹性参数中的泊松比、所述钻井液密度以及钻井垂深，计算在井眼轴坐标系下不同方位处的井壁应力分量；根据所述不同方位处的井壁应力分量、所述岩石弹性参数中的孔隙弹性系数、以及所述地层压力参数中的地层孔隙流体压力，计算不同圆周方位处的井壁岩石有效主应力。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用如下表达式分别计算当前方位处的所述地应力分量、所述井壁应力分量和所述井壁岩石有效主应力：述地应力分量、所述井壁应力分量和所述井壁岩石有效主应力：述地应力分量、所述井壁应力分量和所述井壁岩石有效主应力：
其中，x、y、z分别表示与井眼轴坐标对应的空间直角坐标系下的三个方向，σ
a
、σ
b
、σ
c
分别表示所述井壁岩石有效主应力，g表示重力加速度，ρ
m
表示初始的钻井液密度，h
v
表示钻井垂深，η表示孔隙弹性系数，p
p
表示地层孔隙流体压力，σ
θ
、σ
z
、τ
θz
分别表示在井眼轴坐标系下的所述井壁应力分量，s
xx
、s
yy
、s
zz
、s
xy
、s
xz
、s
yz
表示所述地应力分量，v表示泊松比，θ表示当前井周方位角度，s
v
表示垂向地应力，s
h
表示最大水平地应力，s
h
表示最小水平地应力，β表示最大水平地应力方位与井眼方位的夹角，α
w
表示井斜角。5.根据权利要求2～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态；根据所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结果，计算当前深度位置处的所述比例；将所述比例与所述井壁圆周完整程度进行对比，若所述比例大于所述井壁圆周完整程度参数，则将当前钻井液密度作为所述坍塌压力当量密度，否则，调整所述钻井液密度；根据所述坍塌压力当量密度，计算相应深度位置处的所述钻井坍塌压力。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态步骤中，包括：根据所述井壁应力信息，采用莫尔库伦强度分析原理，对每个井周方位角度分别进行应力稳定性量化处理；根据应力稳定性量化结果，确定每个井周方位角度的井壁稳定状态，其中，在当前应力稳定性量化参数小于或等于零时，将当前井壁稳定状态记为1，在当前应力稳定性量化参数大于零时，将当前井壁稳定状态记为0。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述井壁应力信息，结合不同方位角度下的岩石内聚力和内摩擦角参数，利用如下表达式对每个井周方位角度进行应力稳定性判断：σ1＝max{σ
a
,σ
b
,σ
c
}σ3＝min{σ
a
,σ
b
,σ
c
}其中，θ表示当前井周方位角度，fmc(θ)表示当前井周方位角度的应力稳定性判断结果，σ
a
、σ
b
、σ
c
表示井壁岩石有效主应力，c表示所述岩石强度参数中当前方位对应的内聚力，φ表示所述岩石强度参数中当前方位对应的内摩擦角。8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，当所述钻井类型为直井时，所述井壁圆周完整程度大于60％；当所述钻井类型为斜井时，所述井壁圆周完整程度大于70％；当所述钻井类型为定向井或水平井时，所述井壁圆周完整程度大于80％。9.一种用于设计钻井坍塌压力的系统，包括：参数准备模块，其配置为获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据所述目标地层的钻井类型，设置在对所述目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度；井壁应力分布模块，其配置为设置钻井液密度，基于此，根据所述地质力学参数，对所述目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息，所述井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征；
坍塌压力生成模块，其配置为根据所述井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，基于此，确定在所述比例达到所述井壁圆周完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由所述坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述坍塌压力生成模块包括：井壁局部稳定状态分析单元，其配置为根据所述井壁应力信息，分别识别不同井周方位角度的井壁稳定状态；井壁稳定状态初步比例生成单元，其配置为根据所有井周方位角度的井壁稳定状态识别结果，计算当前深度位置处的所述比例；当量密度生成单元，其配置为将所述比例与所述井壁圆周完整程度进行对比，若所述比例大于所述井壁圆周完整程度参数，则将当前钻井液密度作为所述坍塌压力当量密度，否则，调整所述钻井液密度；压力计算单元，其配置为根据所述坍塌压力当量密度，计算相应深度位置处的所述钻井坍塌压力。

技术总结
本发明公开了一种用于设计钻井坍塌压力的方法，包括：获取待钻目标地层的地质力学参数，并根据目标地层的钻井类型，设置在对目标地层进行安全钻井施工时所需的井壁圆周完整程度；设置钻井液密度，基于此，根据地质力学参数，对目标地层的井周应力进行分析，生成井壁应力信息，井壁应力信息包括井眼不同方位处的井壁应力特征；根据井壁应力信息，统计在实施安全钻井施工时维持井壁圆周应力稳定状态的区域占井壁圆周面积的比例，并确定在当前比例达到井壁圆周完整程度时对应的坍塌压力当量密度，从而由坍塌压力当量密度计算钻井坍塌压力。本发明既能确保钻井施工安全，又能达到降低钻井液密度、提高钻井速度、降低钻井成本的效果。效果。效果。


技术研发人员：钟敬敏 刘其明 齐丛丽 张涛 彭红利 智慧文 陈汉军 钱守泓
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司西南油气分公司
技术研发日：2020.11.06
技术公布日：2022/5/25