CN115961950A - 基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，包括以下步骤：获取原状岩石声学参数和原状岩石强度参数；借助BP神经网络算法，建立基于声学信息的原状岩石强度参数预测方法；获取水岩作用导致的声学参数变化程度系数和水岩作用后的强度损伤系数；基于所述声学参数变化程度系数与强度损伤系数的相关性，建立基于声学信息的岩石强度损伤系数表征方程；基于目标地层地质力学特征与钻井工程参数，明确井壁主应力分布；根据原状岩石强度参数预测方法与岩石强度损伤系数表征方程，获得钻井过程中的岩石强度变化规律；基于岩石强度变化规律，以井壁主应力为基础，建立基于声学信息的水岩作用下稳定井壁的钻井液密度下限的预测方法。
Description
技术领域
本发明涉及水敏性地层稳定井壁地层能力评价方法领域，尤其涉及基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法。
背景技术
井壁垮塌是制约安全钻井的主要原因，尤其针对水敏性较强的泥页岩地层，钻井过程中的井下垮塌情况多发，科学精准地评价该类地层井壁稳定性是有效预防与处治井壁坍塌失稳的基础，对保障安全钻井意义重大。
水敏性地层井壁失稳的主要诱因在于水岩相互作用。由于水岩相互作用易导致水相侵入地层，与地层内部黏土等水敏性矿物发生反应，进而弱化岩石强度，增大井壁垮塌风险。同时，为了抑制水岩相互作用，放弃了低成本、环保的水基钻井液体系，进而选择成本高、污染重的油基钻井体系，不满足当前降本增效、绿色开发的行业发展趋势。
为实现采用水基钻井液安全开采水敏性地层，必然需要精准预测与评价地层安全钻井的钻井液密度下限，从而合理选取钻井液密度。实现钻井液密度下限预测的基础是准确评价水岩作用下的岩石强度特征。声波测井信息能够间接体现地下几百甚至上千米岩石的强度特征。因此，创建基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，对指导水敏性地层的钻井设计具有重要意义。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题提供基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法。
本申请通过下述技术方案实现：
本申请提供的基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，包括以下步骤：
S1、获取目标地层岩样；
S2、获取原状岩石声学参数和原状岩石强度参数；借助BP神经网络算法，以原状岩石声学参数为输入参数，原状岩石强度参数为输出参数，建立基于声学信息的原状岩石强度参数预测方法；
获取水岩相互作用下的岩石声学参数，通过对比原状岩石声学参数与水岩相互作用后的岩石声学参数，获得水岩作用导致的声学参数变化程度系数；
获取原状岩石与水岩相互作用后岩石的单轴抗压强度，依据损伤力学理论，明确水岩作用后的强度损伤系数；
S3，基于所述声学参数变化程度系数与强度损伤系数的相关性，采用层次分析法，建立基于声学信息的岩石强度损伤系数表征方程；
S4，基于目标地层地质力学特征与钻井工程参数，明确井壁主应力分布；
S5，根据所述原状岩石强度参数预测方法与所述岩石强度损伤系数表征方程，获得钻井过程中的岩石强度变化规律；基于岩石强度变化规律，以井壁主应力为基础，采用摩尔库伦准则实现井壁位置岩石临界破坏判断，建立基于声学信息的水岩作用下稳定井壁的钻井液密度下限的预测方法。
可选的，S1具体为：采用室内岩心钻机，对目标地层的露头或井下岩心柱开展取心工作，制取直径25mm、长度50mm的标准圆柱岩样。
可选的，S2中建立所述原状岩石强度参数预测方法的方法具体为：通过超声波透射实验获取至少两块岩样的原状岩石声学参数，以至少两块岩样的声学参数的平均值为最终声学参数；超声波透射实验后，对所述至少两块岩样开展不同围压的三轴测试，获得所述出岩石强度参数。
可选的，S2中获取水岩作用导致的声学参数变化程度系数的方法为：以两块岩样为一组，一块开展超声波透射实验，获取原状岩石声学参数；另一块先开展水基钻井液与岩石浸泡实验，模拟钻井过程中的水岩相互作用，随后再开展超声波透射实验，获取水岩相互作用下的岩石声学参数，通过对比原状岩石与水岩相互作用后的岩石声学参数，获得水岩作用导致的声学参数变化程度系数。
可选的，S2中通过开展单轴力学实验，分别获取原状和水岩相互作用下的岩石单轴强度。
其中，单轴力学实验的单轴条件指围压为0MPa条件，单轴抗压强度就是指围压为0MPa下的抗压强度；以单轴抗压强度为依据，建立岩石强度损伤系数，如下所示：
上式中，D为强度损伤系数，分布在0-1之间；σco为原状岩石单轴抗压强度；σc(t)为水岩作用不同时间t下的单轴抗压强度。
可选的，S2中的岩石声学参数包括纵波时差、横波时差、衰减系数、最大振幅、主频。
可选的，采用下式计算岩样声波时差：
上式中，ΔAC为岩石声波时差，当采用横波信号时为横波声波时差ΔACs，当采用纵波信号时为纵波声波时差ΔACp；t2为探头对接时候的首波起跳时间；t1为岩样超声波实验时候的首波起跳时间；L为岩样长度。
可选的，采用下式计算衰减系数α：
上式中，Ao为探头对接的首波幅度，A为岩样的首波幅度。
可选的，基于超声波测试信息(声波波形图)，通过傅里叶变化获取超声波测试过程中的岩样频谱图，提取最大振幅与主频。
可选的，岩石强度参数包括岩石的内聚力Co和内摩擦角
可选的，采用不同围压(σ3 1、σ3 2)下的三轴实验结果(即三轴抗压强度，σ1 1和σ1 2)，利用摩尔库伦方程求解方程得到内聚力Co和内摩擦角
其中，摩尔库伦方程如下所示：
上式中，βo为破坏角，
可选的，声学参数变化程度系数如下所示：
上式中，RACs、RACp、Ra、RAm、RFa分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频变化程度系数，均分布在0-1之间。ΔACs、ΔACp、α、Am、Fa分别为声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频。ΔACs(t)、ΔACp(t)、α(t)、Am(t)、Fa(t)分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频。
可选的，S4中，井壁主应力的计算基于三向地应力假设，通过井眼坐标转换，进而形成井周应力分布，以井周应力为基础确定井壁最大主应力与最小主应力，井周应力分布如下所示：
式中：σr、σθ、σz为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力；τθz、τrθ、τrz为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力；σxx、σyy、σzz为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量；σxy、σxz、σyz为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量；θc井周角；pw为钻井液形成的液柱压力。
可选的，S5中的基于摩尔库伦准则的临界破坏方程为：
上式中，Co和
为原状岩石参数，D为强度损伤系数，βo为破坏角，
σ1、σ3分别为井壁岩石最大和最小主应力。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1，本申请以声学信息为基础预测钻井液密度下限，声学测试具有无损特征，可以提高岩样利用率；此外，声学信息在石油钻井过程中，可以通过声波测井技术直接获取上千米地层的声信号，工程实用性强；
2，本申请综合了多类声学信息，可提升声学信息预测岩石强度与岩石损伤的精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。
图1是实施例中基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法的流程图；
图2是实施例中基于BP神经网络算法，建立声学参数与岩石强度对应关系的示意图；
图3中(a)是纵波时差变化系数与强度损伤系数的相关性示意图，(b)是横波时差变化系数与强度损伤系数的相关性示意图，(c)是衰减系数变化系数与强度损伤系数的相关性示意图，(d)是最大振幅变化系数与强度损伤系数的相关性示意图，(e)是主频变化系数与强度损伤系数的相关性示意图；
图4是实施例中声学参数变化程度对强度损伤的影响程度的排序图；
图5是实施例中预测结果与实际钻井施工参数对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本实施案例为中国某油田泥页岩层位实际钻井情况，以该层位泥页岩岩样为测试样品。该层位地质力学特征为：垂向地应力(σv)＝2.15g/cm3，水平最大地应力(σH)＝2.01g/cm3，水平最小地应力(σh)＝1.85g/cm3，孔隙压力1.01g/cm3。
如图1所示，本实施例公开的基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，包括以下步骤：
步骤一、采用室内岩心钻机，对目标地层的露头开展取心工作，制取直径25mm、长度50mm的标准圆柱岩样；
步骤二、开展超声波透射实验，获取原状岩石声学参数。其中，通过提取探头对接时候的首波起跳时间，以及岩样超声波实验时候的首波起跳时间，进而获取岩样声波时差：
上式中，ΔAC为岩石声波时差，当采用横波信号时为横波声波时差ΔACs，当采用纵波信号时为纵波声波时差ΔACp；t2为探头对接时候的首波起跳时间；t1为岩样超声波实验时候的首波起跳时间；L为岩样长度。
基于信号对比法测定岩样的声波衰减系数，记录一次探头对接时的首波振幅，然后测量出岩样的首波振幅，进而计算衰减系数α：
上式中，Ao为探头对接的首波幅度，A为岩样的首波幅度。
基于超声波测试信息(声波波形图)，进一步通过傅里叶变化获取超声波测试过程中的岩样频谱图，提取最大振幅(Am)与主频(Fα)。
以10块岩样为对象，测试得到的声学参数，如表1所示：
表1:岩石声波参数列表
| 序号 | 纵波时差(μs/ft) | 横波时差(μs/ft) | 衰减系数(dB/m) | 最大振幅(mV) | 主频(KHz) |
| 1 | 220.2 | 275.6 | 21.5 | 412.5 | 7.6 |
| 2 | 255.8 | 285.6 | 35.5 | 500.1 | 8.6 |
| 3 | 244.4 | 276.8 | 26.6 | 398.5 | 8.8 |
| 4 | 262.2 | 295.4 | 32.2 | 455.6 | 9.2 |
| 5 | 258.8 | 288.9 | 40.5 | 357.6 | 7.2 |
| 6 | 234.1 | 276.6 | 38.6 | 511.9 | 8.1 |
| 7 | 226.8 | 265.2 | 30.2 | 459.6 | 9.6 |
| 8 | 248.6 | 285.6 | 29.2 | 377.4 | 8.5 |
| 9 | 257.3 | 275.6 | 41.5 | 562.7 | 7.2 |
| 10 | 242.2 | 262.5 | 33.9 | 376.8 | 9.6 |
步骤三、以两块岩样为一组，先对两块岩样开展声学测试，采用两块岩样声学参数(纵波时差、横波时差、衰减系数、最大振幅、主频)的平均值代表该组岩石声学参数。在此基础上，以15MPa与30MP围压条件，分别对两块岩样开展三轴测试，借助摩尔库伦准则，通过两个不同围压点(σ3 1＝15MPa和σ3 2＝30MPa)下的抗压强度(σ1 1和σ1 2)，进而求解方程得到岩石强度参数，内聚力Co和内摩擦角
如下所示：
上式中，βo为破坏角，
在此基础上，借助BP神经网络算法，以声学参数为输入参数，岩石强度参数为输出参数，形成基于声学信息的岩石强度参数预测方法，如图2所示。其中，BP神经网络由输入层、输出层和隐含层构成，从输入层节点到隐含层节点的关系式如下：
上式中，Z为隐含层，zi(i＝1,2,3)为隐含层节点；X为输入层，xi(i＝1,2,3,4,5)为输入层节点，代表声波纵波时差、横波时差、衰减系数、最大振幅、主频的变化程度系数；w0为输入层与隐含层之间的权重系数，例如：wz1-x1为隐含层节点z1与输入层x1之间的权重系数。f为激活函数，通常选用sigmod函数，如下所示：
基于隐含层节点分布，按照同样的方法，得到隐含层到输出层的关系式如下：
上式中，Y为输出层，yi(i＝1,2)为输出层节点，代表岩石内聚力和内摩擦角。w1为输出层与隐含层之间的权重系数。wyi-zi为输出层节点yi与隐含层zi之间的权重系数。例如：wy1-z1为输出层节点y1与隐含层z1之间的权重系数。
显然，一次运算得到的输出层参数与实测岩石强度具有误差。基于该误差，通过多次正向运算(从输入层到输出层)与反向运算(输出层到输入层)，不断修正权重系数(w0和w1)，从而获得误差最小条件下的权重系数，明确输入层(声学参数)与输出层(强度参数)之间的定量关系，从而建立基于声学参数的岩石强度参数预测方法。本实施例在计算过程中，采用500次最大学习次数，精度为0.001。
步骤四、以两块岩样为一组，一块直接开展超声波测试，获取原状岩石声学参数；一块先开展水基钻井液与岩石浸泡实验，模拟钻井过程中的水岩相互作用，在此基础上，开展超声波透射实验，获取水岩相互作用下的岩石声学参数。通过对比原状岩石与水岩相互作用下的岩石声学参数，明确水岩作用导致的声学参数变化程度，如下所示：
上式中，RACs、RACp、Ra、RAm、RFa分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频变化程度系数，均分布在0-1之间，如表2所示；ΔACs(t)、ΔACp(t)、α(t)、Am(t)、Fa(t)分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频。
表2:岩石声波参数变化程度系数
步骤五、以步骤四中的两块岩样为对象，开展单轴力学实验，获取原状和水岩相互作用下的岩石单轴抗压强度。其中，单轴条件指围压为0MPa条件，单轴抗压强度就是指围压为0MPa下的抗压强度；以单轴抗压强度为依据，建立岩石强度损伤系数，如下所示：
上式中，D为强度损伤系数，分布在0-1之间；σco为原状岩石单轴抗压强度；σc(t)为水岩作用不同时间t下的单轴抗压强度。
其中，强度损伤系数如表3所示：
表3：强度损伤系数列表
| 序号 | 强度损伤系数 |
| 1 | 0.53 |
| 2 | 0.40 |
| 3 | 0.27 |
| 4 | 0.69 |
| 5 | 0.74 |
步骤六、综合水岩作用不同时间下的岩石声波参数变化程度系数与强度损伤系数，通过拟合方法明确两者相关性(R2)，如图3所示。以相关性大小，确定声学参数变化程度对强度损伤的影响程度排序，如图4所示。以此为依据，借助层次分析法，确定权重系数，建立基于声波参数的强度损伤系数计算方程，如下所示：
D＝0.32RACp+0.2RACs+0.19Ra+0.16RAm+0.13RFa
基于目标地层地质力学特征与钻井工程参数，建立井壁主应力分布。其中，井壁主应力的计算基于三向地应力假设，通过井眼坐标转换，进而形成井周应力分布：
上式中，σr、σθ、σz为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力；τθz、τrθ、τrz为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力；σxx、σyy、σzz为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量；σxy、σxz、σyz为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量；θc井周角；pw为钻井液形成的液柱压力(受钻井液密度控制)。
以井周应力分布为基础，进一步确定井壁最大主应力(σ1＝max(σi,σj,σk))与最小主应力(σ3＝min(σi,σj,σk))，如下所示:
步骤八、综合基于声波参数的岩石强度参数预测方法与基于声波参数的强度损伤系数，以井壁主应力为基础，采用摩尔库伦准则实现井壁位置岩石临界破坏判断，建立以声学信息为基础的水岩作用影响下稳定井壁的钻井液密度下限的预测方法。其中，基于摩尔库伦准则的临界破坏方程为：
上式中，Co、
为原状岩石参数，D为强度损伤系数，βo为破坏角，
C
Co、
和D均可以由声学信息计算，进而实现以声学信息判断井壁失稳。
由于钻井液密度pw与井壁主应力密切相关，钻井液密度下限pwmin指能维持井壁稳定(即是井壁岩石不发生破坏)的最小钻井液密度。以上述判断方法为依据，从而明确水岩作用下稳定井壁的钻井液密度下限。
计算得到的变化规律与实际钻井液使用情况对比图，如图5所示。可以发现，前期钻井液密度低于安全钻井液密度下限，此时钻井资料显示，出现明显的井壁垮塌现象；为此，后续逐渐提升钻井液密度，在钻井48小时后，钻井液密度大于安全钻井液密度下限，钻井资料显示，此时钻井顺利。对比结果论证了本方法的适用性。
以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于岩石声学信息的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获取目标地层岩样；
S2、获取原状岩石声学参数和原状岩石强度参数；借助BP神经网络算法，以原状岩石声学参数为输入参数，原状岩石强度参数为输出参数，建立基于声学信息的原状岩石强度参数预测方法；
获取水岩相互作用下的岩石声学参数，通过对比原状岩石声学参数与水岩相互作用后的岩石声学参数，获得水岩作用导致的声学参数变化程度系数；
获取原状岩石与水岩相互作用后岩石的单轴抗压强度，依据损伤力学理论，明确水岩作用后的强度损伤系数；
S3，基于所述声学参数变化程度系数与强度损伤系数的相关性，采用层次分析法，建立基于声学信息的岩石强度损伤系数表征方程；
S4，基于目标地层地质力学特征与钻井工程参数，明确井壁主应力分布；
S5，根据所述原状岩石强度参数预测方法与所述岩石强度损伤系数表征方程，获得钻井过程中的岩石强度变化规律；基于岩石强度变化规律，以井壁主应力为基础，采用摩尔库伦准则实现井壁位置岩石临界破坏判断，建立基于声学信息的水岩作用下稳定井壁的钻井液密度下限的预测方法。
2.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S1具体为：采用室内岩心钻机，对目标地层的露头或井下岩心柱开展取心工作，制取直径25mm、长度50mm的标准圆柱岩样。
3.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S2中建立所述原状岩石强度参数预测方法的方法具体为：通过超声波透射实验获取至少两块岩样的原状岩石声学参数，以至少两块岩样的声学参数的平均值为最终声学参数；超声波透射实验后，对所述至少两块岩样开展不同围压的三轴测试，获得所述出岩石强度参数。
4.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S2中获取水岩作用导致的声学参数变化程度系数的方法为：以两块岩样为一组，一块开展超声波透射实验，获取原状岩石声学参数；另一块先开展水基钻井液与岩石浸泡实验，模拟钻井过程中的水岩相互作用，随后再开展超声波透射实验，获取水岩相互作用下的岩石声学参数，通过对比原状岩石与水岩相互作用后的岩石声学参数，获得水岩作用导致的声学参数变化程度系数。
5.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S2中通过开展单轴力学实验获取原状和水岩相互作用下的岩石单轴强度，采用下式计算岩石强度损伤系数：
上式中，D为强度损伤系数；σco为原状岩石单轴抗压强度；σc(t)为水岩作用不同时间t下的单轴抗压强度。
6.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：所述岩石声学参数包括纵波时差、横波时差、衰减系数、最大振幅、主频；所述岩石强度参数包括岩石的内聚力Co和内摩擦角
7.根据权利要求6所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：采用不同围压下的三轴实验结果，求解以下方程得到内聚力Co和内摩擦角
其中，摩尔库伦方程如下所示：
上式中，σ3 1、σ3 2为围压；σ1 1、σ1 2为三轴抗压强度；βo为破坏角，
8.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：声学参数变化程度系数的计算公式为：
上式中，RACs、RACp、Ra、RAm、RFa分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频变化程度系数，均分布在0-1之间；ΔACs、ΔACp、α、Am、Fa分别为声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频；ΔACs(t)、ΔACp(t)、α(t)、Am(t)、Fa(t)分别为水岩作用不同时间下的声波横波时差、纵波时差、衰减系数、最大振幅、主频。
9.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S4中，井壁主应力的计算基于三向地应力假设，通过井眼坐标转换，进而形成井周应力分布，以井周应力为基础确定井壁最大主应力与最小主应力，井周应力分布如下所示：
式中：σr、σθ、σz为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力；τθz、τrθ、τrz为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力；σxx、σyy、σzz为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量；σxy、σxz、σyz为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量；θc井周角；pw为钻井液形成的液柱压力。
10.根据权利要求1所述的水岩作用下钻井液密度下限预测方法，其特征在于：S5中的基于摩尔库伦准则的临界破坏方程为：
上式中，Co和
为原状岩石参数，D为强度损伤系数，βo为破坏角，
σ1、σ3分别为井壁岩石最大和最小主应力。
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