CN101392647B - 一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法，一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法，该方法包括以下步骤：根据岩石全应力应变试验数据及岩石的力学特性参数获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i；判断井眼内支撑力P_i的值是否大于零；若井眼内支撑力P_i小于零，则得出井壁保持稳定；若井眼内支撑力P_i大于零，则得出井壁失稳，若井眼内支撑力P_i等于零，则表明气体钻井时井壁塑性达到临界状态。该方法在岩石强度破坏准则的基础上提出，适用于气体钻井条件的井壁稳定性预测，且预测效果好。

Description

一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法

技术领域

本发明涉及油气钻井中的欠平衡钻井/气体钻井技术领域，具体涉及一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法。 

背景技术

气体钻井井壁稳定性是解决气体钻井适应性评价问题的关键技术，井壁稳定性也就是研究井周岩石状态是否稳定还是已经破坏，目前的钻井形式主要是泥浆钻井与气体钻井，气体钻井是用气体来代替泥浆作为介质来携带钻下的岩屑，目前国内外在井壁稳定方面取得的理论研究成果大都是针对泥浆钻井条件下提出的，而很少涉及周岩石状态下的气体钻井井壁稳定性问题。 

目前基于井周岩石状态的泥浆钻井钻井井壁稳定性分析是沿用的力学分析模型，主要是依据井眼弹性分析结果进行的，以井壁围岩达到弹性极限状态为判据来计算坍塌压力，其假设条件就是岩石达到峰值强度后坍塌压力大于零进而就发生了破坏，难以解释在坍塌压力大于零的情况下仍然能够实施气体钻井的实际情况。目前对于气体钻井井壁稳定性预测尚未形成一套***和行之有效的方法，没有建立起适合于气体钻井条件的井壁稳定性预测模型。 

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于气体钻井条件下的井壁稳定性的预测方法，利用该方法可以预测气体钻井条件下井壁的稳定性，预测效果好。 

利用上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法，该方法包括步骤： 

根据岩石全应力应变试验数据及岩石的力学特性参数来获取井 壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i； 

判断所述井眼内支撑力P_i的值是否大于零； 

若所述井眼内支撑力P_i小于零，则得出井壁保持稳定； 

若井眼内支撑力P_i大于零，则得出井壁失稳。 

其中，该方法中，若所述井眼内支撑力P_i等于零，则表明气体钻井时井壁塑性达到临界状态。 

其中，该方法中获取P_i是基于岩石强度破坏准则和临界损伤区范围r_c获取的。 

其中，该方法中基于岩石强度破坏准则和临界损伤区范围r_c由式(1)获取所述井眼内支撑力P_i： 

$P_i=\frac{2}{1-N}[\frac{\mathrm{AE}\′}{h+N}+\frac{(1-N){\mathrm{\σ}}_O-{\mathrm{\σ}}_q}{1+N}]{\left(\frac{r_c}{a}\right)}^{1-N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_q(1+h)-2\mathrm{AE}\′}{(1-N)(h+N)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{qr}}}{h+N}---\left(1\right)$

其中，r_c为临界损伤区范围，由式(2)获得： 

$r_c=a{\left\{\frac{\frac{2}{1-N}[\frac{\mathrm{AE}\′}{h+N}+\frac{(1-N){\mathrm{\σ}}_o-{\mathrm{\σ}}_q}{1+N}]}{p_i-\frac{{\mathrm{\σ}}_q(1+h)-2\mathrm{AE}\′}{(1-N)(h+N)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{qr}}}{h+N}}\right\}}^{\frac{1}{N-1}}---\left(2\right)$

其中，N根据式(3)由统一内磨擦角

确定： 

式(1)、式(2)和式(3)中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为岩石软化模量；σ₀为远场均匀地应力；σ_q为岩石的单轴压缩的峰值强度；σ_qr为岩石的残余强度；h为岩石的软化阶段泊松比；α为井眼半径。 

本发明提供的井壁稳定性预测方法，适合用于气体钻井条件下的井壁稳定性预测，该方法是在岩石强度破坏准则的基础上结合现场实 际应用效果提出的新方法，经过现场实际情况检验，具有很好的应用效果。 

附图说明

图1为本发明适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法流程图。 

具体实施方式

本发明提出的适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法，结合附图和实施例说明如下。 

基于理论研究，气体钻井井周岩石状态分为破坏区、损伤区和未扰动区。井眼钻开后由于应力集中，当应力超过井壁的弹性极限状态后，井眼周围出现损伤区，同时伴随着大量的微裂纹，即为损伤区；损伤区内存在大量裂缝，由于岩石具有残余强度，只有当损伤区的范围超过某一临界值时井壁才会发生坍塌破坏而形成破坏区。损伤区临界值表现形式为是否发生坍塌破坏，其大小与岩石材料峰后的应***化特性、剪切膨胀特性、岩石的残余强度等因素有关。 

本发明建立了基于损伤破坏准则的适用于气体钻井井壁稳定性新的预测方法。所依据的理论基础为：井眼钻开后由于应力集中，在井眼周围产生损伤，损伤区呈渐进式扩展并且分为两种情况。第一是稳定扩展的情况，随着边界上应力的增加，损伤区扩展后能够稳定下来，直到达到临界损伤状态；第二种情况，如果边界上应力超过井眼的极限承载能力，损伤区就发生失稳性扩展，井眼周围出现大范围的损伤而失去稳定状态。 

实施例 

本发明是依据井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i来判断气体钻井井壁是否稳定，如图1所示，该方法包括步骤：根据岩石全应力应变试验数据及岩石的力学特性参数来获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i；判断所述井眼内支撑力P_i的值是否大于零；若P_i小于零，则表明井壁损伤区没有达到临界状态，井 壁保持稳定；若P_i大于零，则表明井壁周围形成了残余损伤区，井壁将发生坍塌，井壁失稳；由于井壁达到临界状态时的井眼内支撑力为P_i，Critical为零，即井壁围岩在井壁位置恰好达到塑性残余状态定义为气体钻井的临界状态，是井壁稳定的极限状态，该极限状态对应的井眼内支撑力P_i，Critical为零，若井眼内支撑力P_i等于零，则表明气体钻井时井壁塑性达到临界状态。 

本实施例中根据岩石全应力应变试验数据及岩石的力学特性参数来获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i，是基于岩石强度破坏准则和临界损伤区范围r_c获取的。优选地由式(1)获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i： 

$P_i=\frac{2}{1-N}[\frac{\mathrm{AE}\′}{h+N}+\frac{(1-N){\mathrm{\σ}}_O-{\mathrm{\σ}}_q}{1+N}]{\left(\frac{r_c}{a}\right)}^{1-N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_q(1+h)-2\mathrm{AE}\′}{(1-N)(h+N)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{qr}}}{h+N}---\left(1\right)$

其中，r_c为临界损伤区范围，由式(2)获得： 

$r_c=a{\left\{\frac{\frac{2}{1-N}[\frac{\mathrm{AE}\′}{h+N}+\frac{(1-N){\mathrm{\σ}}_o-{\mathrm{\σ}}_q}{1+N}]}{p_i-\frac{{\mathrm{\σ}}_q(1+h)-2\mathrm{AE}\′}{(1-N)(h+N)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{qr}}}{h+N}}\right\}}^{\frac{1}{N-1}}---\left(2\right)$

其中，N为中间变量，根据式(3)由岩石的统一内磨擦角

来确定： 

式(1)、式(2)和式(3)中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为岩石软化模量；σ₀为远场均匀地应力；σ_q为岩石的单轴压缩的峰值强度；σ_qr为岩石的残余强度；h为岩石的软化阶段泊松比；α为井眼半径。 

其中，

为岩石的一个固有的基本参数，井壁周围岩石弹性和塑 性软化交界处的弹性极限应变值A、岩石软化模量可E′可以利用现有技术通过岩石力学试验确定，远场均匀地应力σ₀、岩石的单轴压缩的峰值强度σ_q、岩石的残余强度σ_qr及岩石的软化阶段泊松比h均可以通过现有技术获取，这里不再详述。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (1)

1.一种适用于气体钻井的井壁稳定性预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

根据岩石全应力应变试验数据及岩石的力学特性参数来获取井壁达到临界塑性状态时对应的井眼内支撑力P_i；

判断所述井眼内支撑力P_i的值是否大于零；

若所述井眼内支撑力P_i小于零，则得出井壁保持稳定；

若所述井眼内支撑力P_i等于零，则表明气体钻井时井壁塑性达到临界状态；

若井眼内支撑力P_i大于零，则得出井壁失稳；

其中，该方法中获取P_i是基于岩石强度破坏准则和临界损伤区范围r_c获取的；

该方法中基于岩石强度破坏准则和临界损伤区范围r_c由式（1）获取所述井眼内支撑力P_i：

其中，r_c为临界损伤区范围，由式（2）获得：

其中，N根据式（3）由统一内磨擦角 确定：

式（1）、式（2）和式（3）中，A为井壁周围岩石弹性和塑性软化交界处的弹性极限应变值；E′为岩石软化模量；σ₀为远场均匀地 应力；σ_q为岩石的单轴压缩的峰值强度；σ_qr为岩石的残余强度；h为岩石的软化阶段泊松比；α为井眼半径。 

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