[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

摘要

本发明为一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法，属于煤层钻井工程技术领域。煤岩强度低、脆性大、非均质性显著，导致井壁极不稳定。现有煤层井壁稳定分析方法未能反映煤层应力-损伤-渗流耦合过程，计算所得泥浆密度在实际钻井过程中难以奏效。本发明基于多孔介质弹塑性与渗流流动理论及相应的有限元数值方法发展了一种多因素耦合作用下煤层井壁稳定性分析方法，准确预测应力、损伤、渗流多因素耦合作用下井周煤岩坍塌破坏形状与尺寸，结合目标煤层钻井实际情况，提出对井壁坍塌区域尺寸的限制，确定相应的煤层钻井安全泥浆密度窗口。本发明计算精度高，预测效果好，设计的钻井泥浆密度在现场钻井中稳定井壁，又能起到储层保护的效果。

主权项

一种多因素耦合作用下的煤层井壁稳定性分析方法，其特征在于，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)。(4)基于多孔介质弹塑性应力分析理论与渗流流动分析理论建立煤岩应力‑损伤‑渗流耦合分析理论模型，并建立相应的有限元数值求解离散方程，基于离散形式的有限元数值求解方程编制相应的有限元计算程序，其中非线性方程可采用增量步方法结合牛顿‑拉弗森迭代方法进行求解，采用人工数值阻尼方法解决计算过程中井周发生局部坍塌破坏时的计算稳定性与收敛性难题。(5)建立井壁稳定分析几何模型、进行有限元划分，施加初始条件与边界条件，针对特定泥浆密度计算井周坍塌破坏区域形状与尺寸。(6)计算得到井周煤岩坍塌区域尺寸(井眼扩大率、井眼坍塌角度)随钻井泥浆密度变化的曲线，结合目标煤层钻井实际情况，提出对井壁坍塌区域尺寸的限制，确定相应的煤层钻井安全泥浆密度窗口。