[发明专利]一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气钻井中的井壁稳定技术领域，具体涉及一种适用于煤储层钻井过程中多因素耦合作用下的井壁稳定性分析及相应的钻井泥浆密度窗口计算方法。

背景技术

煤是由古代植物遗体埋藏地下并经历长期的生物化学与地质作用而转变成的有机岩石。在煤岩的形成过程中，各种地质因素的影响使煤体内发育大量裂隙，例如煤化作用过程中挥发分、水分逸失产生收缩内应力而形成的割理裂缝，地壳运动作用下形成的剪切或拉伸裂缝。各类裂缝的大量存在使得煤岩宏观性质上呈现出强度低、脆性大、各向异性与非均质性显著。同时，由于裂缝的存在，钻井泥浆滤液易沿裂缝面渗入煤层内部，引起孔隙压力增加、煤岩强度降低，导致钻井过程中煤层段井壁极不稳定，极易发生井壁坍塌、井漏和卡钻甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的经济损失。

现有的煤层井壁稳定性分析模型大都借鉴常规油气井井壁稳定性分析模型，基于弹性力学分析得到井眼附近处的弹性应力分布，认为井壁任意一点处发生剪切破坏即引起井壁坍塌，而判断煤岩是否发生剪切破坏则一般采用摩尔-库伦准则或针对破碎地层改进的Hoek-Brown准则。由于煤岩强度低且脆性大，以井壁完全不发生任何剪切破坏进行计算得到泥浆密度较高。由于煤岩中裂缝发育，采用较高的泥浆密度进行钻井容易加剧泥浆滤液向煤层渗入，一方面造成储层伤害不利于后期开采，另一方面可能引起井周孔隙压力增加、煤岩强度降低，反而造成井壁坍塌破坏。实际上，实际钻井过程和室内模拟实验都表明，井壁附近局部位置上由于差应力超过峰值强度而发生剪切塑性变形，并不意味着井壁发生严重坍塌破坏，更合理的井壁稳定性分析方法应该是在获取煤岩物理力学参数、地质参数、钻井工程参数基础上，进行力学理论和数值模拟分析，准确预测不同泥浆密度条件下井壁坍塌破坏的形状与尺寸，再结合钻井工程实践对井壁坍塌形状或尺寸的限制，确定合理的钻井泥浆密度。

由于煤岩的结构和力学性质独特，煤层钻井井壁稳定涉及以下多重因素的耦合作用：1)煤岩在井壁附近应力集中作用下发生渐进损伤破坏，井眼附近煤岩渗透率增加，加剧钻井液向井壁内部渗流；2)钻井液向井壁内部渗流，导致井眼附近孔隙压力升高的同时钻井液浸泡使得井眼附近煤岩强度降低，加剧井壁坍塌；(3)煤岩性脆，全应力-应变曲线中的峰后效应显著，对井壁坍塌破坏形状与尺寸影响较大。在理论分析或数值模拟计算中，需要完整考虑上述多因素耦合作用的特点，才能准确计算不同泥浆密度条件下煤层井眼坍塌破坏形状与尺寸。

综上所述，现有煤层井壁稳定性分析所得结果难以反映煤层钻井井壁稳定性真实情况，计算所得泥浆密度在实际钻井过程中难以奏效。为此，本发明基于应力-损伤-渗流耦合理论及相应的有限元数值分析方法发展了一种多因素耦合作用下煤层井壁稳定性分析及相应的钻井泥浆密度窗口计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供煤层钻井井壁稳定性分析方法，综合考虑煤层钻井过程中井眼周围煤岩的应力-损伤-渗流耦合过程，准确分析计算煤层井眼坍形状与尺寸随钻井泥浆密度变化的规律，并结合钻井工程实践对井壁坍塌形状或尺寸的限制，确定合理的钻井泥浆密度。

基于上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法，该方法的应用包括步骤：

(1)采集目标井相关地质资料，包括地应力、孔隙压力、地层流体粘度、地层流体压缩性、目标煤层深度参数。

(2)利用邻井钻井取心获取目标煤层的煤岩岩心，在实验室内开展单、三轴岩石力学强度测试，获取煤岩全应力-应变试验数据，得到煤岩的岩石力学参数，包括弹性模量、泊松比、峰值强度参数(峰值粘聚力C_peak与峰值内摩擦角φ_peak)与残余强度参数(残余粘聚力C_residual与残余内摩擦角φ_residual)。

(3)利用邻井钻井取心获取目标煤层的煤岩岩心，在实验室内开展三轴条件下全应力-应变过程渗流特性实验，获得目标煤层渗透率在全应力-应变过程中的变化规律，拟合得到目标煤层在不同损伤状态D下的渗透率演化方程k(D)：