[发明专利]适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法

权利要求书

1.一种适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)收集距离待钻井位最近的已钻井的储层岩心，通过大量室内岩心声波实验，记录岩石有效应力与对应的声波传播速度数据，通过对大量的实验数据统计并标识在坐标纸上，得到岩石有效应力与声波速度之间的关系；其中，

对于单组室内岩心声波实验，岩石有效应力与声波速度之间的关系为对数关系，其公式为：

v_p＝A ln(σ_c)+B (1a)；

其中，v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数A为0～1，B为1～3；

对于多组室内岩心声波实验，将存在多组A、B值，为了尽量减少地层声波速度预测误差，在选用A、B系数值时，选用其平均值，即：

最终该岩石有效应力与声波速度之间的关系：

其中v_p为声波速度，Km/s；σ_c为岩石有效应力，MPa；A、B为常数，与地区地层性质有关，A为0～1，B为1～3；n为实验组数，A_i、B_i分别为第i组实验数据回归公式系数值；

2)首先根据岩石密度测井数据积分得到上覆岩层压力，再根据油气田储集层地层压力衰竭情况，确定出地层岩石有效应力大小，然后确定上覆岩层压力、地层压力、有效应力三者之间的关系如下：

σ_c＝p_u-αp_p (2)，

其中σ_c为有效应力、p_u为上覆岩层压力、p_p为地层压力、α为应力贡献系数，α为0.8～0.9；

3)根据步骤2)得到的地层有效应力带入到步骤1)中得到的岩石有效应力与声波速度的对数关系，即得到压力衰竭地层的地层声波速度数据，结合该声波数据，最终得到压力衰竭后岩石弹性模量、泊松比

a、弹性模量与声波速度关系

b、泊松比与声波速度关系

其中E₁—压力衰竭后岩石弹性模量；μ₁—压力衰竭后岩石泊松比；V_p—纵波速度；V_s—横波速度；ρ—地层密度；

4)建立地应力计算模型：

a.为了得到方便应用于现场的地应力计算模型，特假设地层岩石为各向同性弹性体，压力衰竭前地层岩石变形公式为：

压力衰竭后地层岩石变形公式为：

式中ε为岩石形变；i、j、k分别代表空间直角坐标中三个不同的方向，同时σ_x＝σ_H，σ_H为水平最大主应力；σ_y＝σ_h，σ_h为水平最小主应力；σ_z＝σ_v，σ_v为垂向主应力；

b.地层压力下降后，基岩应力必然增加将导致岩石颗粒挤压变形，油气田地表会出现一定程度的下沉，但是下沉量一般远小于储集层埋深，认为上覆岩层压力在油气压力衰竭前后不变，即σ_v0＝σ_v1＝σ_v；同时由于致密圈闭层的存在，限制了岩石在水平方向上的变形，即ε_H1-ε_H0＝ε_h1-ε_h0＝0，建立了地应力计算模型：

其中σ_v、σ_H、σ_h为三个主地应力；P为孔隙压力；α为应力贡献系数；物理量下标0、1分别表示物理量处于压力衰竭前、后状态；

5)利用步骤3)得到的压力衰竭后岩石特性参数值，即压力衰竭后岩石弹性模量和泊松比，及其油田原始地层数据，即原始地应力、原始弹性模量、泊松比、原始孔隙压力及衰竭后孔隙压力，计算得到压力衰竭后地层地应力值；

6)根据压力衰竭地层井段的井壁应力分析公式，其中，

若压力衰竭地层井段为直井段，则直井井段的井壁的坍塌压力、破裂压力公式如下：

p_f＝3σ_h-σ_H-αp_p+S_t (5b)

其中p_t、p_f分别为坍塌、破裂压力，g/cm³；η为应力非线性修正系数，范围0～1；σ_H、σ_h分别为最大、最小水平主地应力，MPa；F_c为岩石粘聚力，MPa；H为井深，m；p_p为地层孔隙压力，g/cm³；S_t为岩石抗拉强度，MPa；K＝cot(45°-φ/2)，φ为岩石内摩擦角；

若压力衰竭地层井段为斜井，斜井坍塌压力、破裂压力的计算公式：

a、斜井井壁上的三个主应力

其中σ_1,2、σ_r为斜井井壁上的三个主应力；σ_z为井壁轴向应力；σ_θ为井壁周向应力；σ_θz为轴向切应力；φ为岩石孔隙度，范围为0～1；p_i为井底压力；p_p为孔隙压力；当斜井井壁渗漏时，δ＝1；当井壁无渗漏时，δ＝0；

b、岩石剪切破坏

c、拉伸破坏准则

σ_min-δα(p_i-p_p)-αp_p＝-T (6c)

其中T为岩石抗拉强度；

d、坍塌压力确定

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据计算出θ值；

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，看其满足式(6b)哪一个条件，然后带入相应的强度准则表达式中看其是否满足式(6b)选中的那个条件；如果满足，则p_i值即为坍塌压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止；

e、破裂压力计算

(1)给定一个初值p_i值；

(2)根据计算出θ值

(3)根据式(6a)计算出σ_1,2、σ_r；

(4)比较σ₁、σ₂、σ_r的大小，令其最小值等于σ_min，然后带入式(6c)中看其是否满足式(6c)等式；如果满足，则p_i值即为破裂压力；如果不满足，则改变p_i值重复上述计算过程，直至满足为止；

结合步骤5)得到压力衰竭后的地应力值，最终确定出压力衰竭地层的坍塌、破裂压力，当在压力衰竭地层钻进时钻井液密度小于所计算的坍塌压力将会导致井壁坍塌，当钻井密度大于所计算的破裂压力时将会导致井壁破裂，从而为压力衰竭地层钻井的钻井液密度选择提供指导依据。

2.根据权利要求1所述适用于压力衰竭地层的井壁稳定的研究方法，其特征在于：所述步骤2)中，上覆岩层压力根据不同条件下，计算方式不同：

a、陆地上，并且有整个井段的密度测井资料

其中p_u为上覆岩层压力；ρ_i为测井资料中第i个密度测井值；g为重力加速度；Δh为密度测井值间距；d为微分符号，dh为h的微分；

b、陆地上，但是只有下部井段的密度测井资料

根据部分井段的密度测井资料通过数学回归得到地层岩石密度与井深之间的函数关系ρ＝f(h)，则

c、海上

海上油气井井段上部地层特别是深水情况下的井段上部地层不能简单的通过下部井段密度测井资料数学回归得到密度与井深之间的关系，必须选用目前应用比较普遍的Gardner模型ρ＝m(V_Int)ⁿ对浅部地层密度拟合，则

其中V_Int为地层层速度，m、n为常系数，均为0～1。