[发明专利]一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于油气钻探工程技术领域，涉及钻井液性能参数的设计方法，尤其涉及一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法。

背景技术

近年来，国内外许多油气田在钻遇裂缝型地层时经常发生井壁坍塌掉块、井径扩大、井漏、卡钻、埋住井下钻具和电测仪器等复杂事故，导致钻井周期延长，钻井成本提高，严重阻碍了油气的勘探开发。裂缝型地层的显著特点是微裂缝(岩石弱面)普遍发育。一方面，微裂缝的存在本身会降低岩石的力学强度；另一方面，微裂缝为钻井液侵入地层岩石内部提供了通道，当钻井液不能对地层微裂缝形成有效封堵时，钻井液很容易沿着微裂缝侵入地层岩石内部。钻井液侵入地层岩石内部，不仅降低地层有效应力，而且降低岩石裂缝面间的滑动阻力，诱发微裂缝逐渐扩展和岩石力学强度进一步下降，从而导致地层坍塌压力增大，加剧井壁失稳。

目前，关于裂缝型地层防塌钻井液性能的设计方法，主要通过地质调研、现场钻井复杂情况调研、失稳井段地层理化性能分析等手段，再根据经验选择钻井液配方和优化钻井液性能。该设计方法主要从定性评价和提高钻井液性能方面入手，不涉及井壁稳定力学模型，未考虑钻井液对井周围岩的力学性能和应力分布的影响，也未建立钻井液关键性能参数与井壁稳定性的内在联系，无法定量反映钻井液对保持井壁稳定的实际应用效果，因此，急需开发一种基于岩石力学的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，以满足井壁稳定的要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：对钻井取芯获得的岩石进行加工，制备岩芯样品；

步骤二：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验和声发射试验，确定岩芯样品所处地层的地应力；

步骤三：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验，测试岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤四：选取岩芯样品，置于钻井液中浸泡不同时间，并进行岩石三轴压缩试验，测试浸泡不同时间后岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤五：将岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角分别与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间进行线性拟合；

步骤六：利用流固耦合力学理论建立裂缝型地层井周围岩应力分布模型，并结合流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理，求解裂缝型地层井周围岩应力分布的解析值；

步骤七：利用弹性力学坐标变换理论建立裂缝型地层弱面破坏模型；

步骤八：基于裂缝型地层的井周围岩应力分布模型和弱面破坏模型，结合岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与浸泡时间的拟合函数，计算满足一定井壁稳定条件所要求的钻井液性能参数，并确定钻井液性能参数之间的关系图版；

步骤九：根据现场井壁稳定的要求，在钻井液性能参数之间的关系图版中选择合理的钻井液性能，即可实现裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计。

本发明的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，主要通过建立适于裂缝型地层的井壁稳定力学模型，结合室内试验，计算出实现现场井壁稳定要求所需要的钻井液关键性能参数。根据对裂缝型地层井壁失稳机理的分析发现，钻井液密度选择不合理和钻井液封堵性能较差是导致井壁失稳的重要原因。因此，本发明设计的钻井液关键性能参数为钻井液密度和钻井液渗透系数。本发明的设计方法充分结合了影响井壁稳定的力学因素和化学因素，能够定量设计钻井液关键性能参数和定量反映钻井液对保持井壁稳定的实际应用效果，更好的实现井壁稳定的要求。

优选的是，所述步骤一中，制备十四块岩芯样品，其中四块用于确定岩芯样品所处地层的地应力，两块用于测试未经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角，八块用于测试经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角。针对井下某一构造深度的裂缝型地层，钻井取芯获得任意形状的岩石，通常为圆柱形；然后制备岩芯样品，其形状通常为圆柱形。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品，其不含有微裂缝或者基本不含有微裂缝。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品的钻取方法为，在垂直岩石方向和垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取。即所述岩芯样品的钻取方法为在垂直岩石方向钻取一块、在垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取三块。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，岩芯样品所处地层的地应力包括上覆地层地应力、地层最大水平主应力和地层最小水平主应力。