專利名稱：井壁坍塌分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鉆井井壁失穩(wěn)分析，是一種非均勻地應(yīng)力條件下應(yīng)變軟化塑性地層井壁穩(wěn)定性分析的方法。
背景技術(shù)：
目前，在石油工程中普遍應(yīng)用彈性力學(xué)結(jié)合強(qiáng)度準(zhǔn)則方法解釋井壁坍塌機(jī)制和預(yù)測(cè)坍塌壓力。比如，被認(rèn)為是世界上最好的井壁穩(wěn)定分析GMI系統(tǒng)，其應(yīng)用的井壁坍塌模型正是基于彈性力學(xué)結(jié)合強(qiáng)度準(zhǔn)則法。最新的井壁坍塌機(jī)理的理論研究表明，井壁坍塌實(shí)質(zhì)上是一種極值點(diǎn)型失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)確定井壁壓力和井壁位移的平衡路徑曲線的極值即可確定力學(xué)穩(wěn)定性意義下的坍塌壓力。當(dāng)然，理論解作了原場(chǎng)地應(yīng)力是各向同性均勻應(yīng)力和地層滿足Tresca準(zhǔn)則的假設(shè)，這遠(yuǎn)離了實(shí)際情況。還有重要一點(diǎn)，在分析井壁坍塌問(wèn)題時(shí)僅考慮巖石的理想彈塑性或者彈脆性-塑性特性，而大部分巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值后下降，稱為應(yīng)變軟化，所以不考慮巖石的應(yīng)變軟化特性也是不符合實(shí)際的。國(guó)外現(xiàn)有Ansys，F(xiàn)lac, Abaqus, Adina等有限元計(jì)算軟件，但是缺乏力學(xué)意義上的穩(wěn)定性分析功能，沒(méi)有將應(yīng)變軟化模型和穩(wěn)定性分析結(jié)合，而且應(yīng)用領(lǐng)域沒(méi)有擴(kuò)展到井壁坍塌分析。國(guó)內(nèi)巖土方面計(jì)算系統(tǒng)比較突出的是“理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)”，所采用的也是傳統(tǒng)的極限平衡法。未見(jiàn)報(bào)道應(yīng)用應(yīng)變軟化模型和力學(xué)穩(wěn)定性方法開(kāi)發(fā)井壁坍塌分析系統(tǒng)。為了解決非均勻地應(yīng)力條件下應(yīng)變軟化塑性地層井壁失穩(wěn)問(wèn)題，本發(fā)明在應(yīng)變軟化理論模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用應(yīng)變軟化模型和力學(xué)穩(wěn)定性方法開(kāi)發(fā)WellCA井壁穩(wěn)定分析系統(tǒng)。井壁穩(wěn)定問(wèn)題是世界性難題，在世界范圍內(nèi)，每年用于處理井壁失穩(wěn)的費(fèi)用高達(dá)數(shù)億美元，而我國(guó)許多油田也存在井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況。近年來(lái)，我國(guó)在西部塔里木和準(zhǔn)噶爾等盆地進(jìn)行了多口深井、超深井的鉆探施工。這些地區(qū)山前高陡構(gòu)造高地應(yīng)力引起的井眼穩(wěn)定問(wèn)題較為突出，特別是深井的井眼穩(wěn)定受山前構(gòu)造帶地應(yīng)力影響，問(wèn)題更為嚴(yán)重。中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)CN1239920C，提供了一種“利用地震層速度鉆前預(yù)測(cè)坍塌壓力與破裂壓力的方法”。包括下列步驟1)將待鉆井與多個(gè)相鄰已鉆井的地震層速度進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)分析，并確定相關(guān)系數(shù)大于0. 75的已鉆井為待鉆進(jìn)具有相似構(gòu)造的已鉆井；2)利用聲波時(shí)差、自然伽瑪、密度等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)序列，對(duì)已鉆井全井段進(jìn)行分層，求出每一層用于表征一定厚度且?guī)r性相似地層的平均聲波速度、自然伽瑪和地層密度；幻利用每一層的平均聲波速度、自然伽瑪和地層密度來(lái)確定已鉆井的坍塌壓力與破裂壓力；4)根據(jù)已鉆井的坍塌壓力與破裂壓力和測(cè)井分層速度建立測(cè)井模型力)建立已鉆井的層速度鉆前預(yù)測(cè)模型； 6)將待鉆井的地震層速度代入步驟幻中的模型，獲得待鉆井的坍塌壓力與破裂壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種井壁坍塌分析方法，考慮巖石的應(yīng)變軟化性質(zhì)，使其更接近客觀實(shí)際，應(yīng)用于鉆井井壁穩(wěn)定性理論研究和建立井壁坍塌模型，效解決鉆井的井壁坍塌問(wèn)題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入?yún)?shù)，初應(yīng)力處理，第一次應(yīng)力釋放，第二次應(yīng)力釋放第一步，第二次應(yīng)力釋放第二步，特征值評(píng)價(jià)，廣義力和廣義位移，平衡路徑曲線， 坍塌壓力處理，輸出坍塌壓力以及塑性區(qū)分布圖。(A)采集并輸入?yún)?shù)首先，采集通過(guò)相鄰已鉆井的測(cè)井資料和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到井壁巖石材料參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、軟化系數(shù)、屈服函數(shù)類型、 內(nèi)變量類型、水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和深度參數(shù)，將井壁巖石材料參數(shù)輸入計(jì)算程序中；輸入控制參數(shù)，控制參數(shù)包括弧長(zhǎng)、輸出步、切線塑性剪切模量、殘余強(qiáng)度?？刂茀?shù)中的弧長(zhǎng)范圍10_5 10_6m，輸出步范圍100 200，控制參數(shù)中的切線塑性剪切模量、殘余強(qiáng)度通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到。(B)初應(yīng)力處理建立井壁幾何模型，設(shè)置井筒半徑，內(nèi)外半徑比；劃分有限元計(jì)算網(wǎng)格單元，采用平面應(yīng)變等參單元和可描述遠(yuǎn)場(chǎng)的無(wú)限區(qū)域單元，在最外一層設(shè)置成無(wú)限單元它的尺度在規(guī)定的方向上延伸至無(wú)窮遠(yuǎn)，起到模擬遠(yuǎn)處區(qū)域的作用，無(wú)限區(qū)域元的位移插值函數(shù)與坐標(biāo)插值函數(shù)有不同的表達(dá)形式，位移在無(wú)限遠(yuǎn)處為零，通過(guò)衰減函數(shù)的引入來(lái)實(shí)現(xiàn)。W1 =N1 J1(T)(1)衰減函數(shù)采用負(fù)指數(shù)函數(shù)= (r-riVi(2)剖分節(jié)點(diǎn)和單元，施加邊界條件，施加情況為2個(gè)直邊法向約束、徑向自由。根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，由式(3)計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)各單元高斯點(diǎn)的應(yīng)力<，τ σ°=ΗσΗ +^π)- (σΗ-σ,)οο52θτ°θ =\(σΗ -ah)sin2Θ(C)第一次應(yīng)力釋放采用“釋放載荷”的方法來(lái)模擬實(shí)際鉆井過(guò)程，求擾動(dòng)場(chǎng)Α。首先，根據(jù)公式(4)計(jì)算第一次釋放部分應(yīng)力分量一 1^rf,一2)，公式(5)為保留的應(yīng)力分量。這樣的應(yīng)力釋放方案，等效于式(3)的應(yīng)力完全釋放而同時(shí)施加鉆井液壓力σΓ(1)-aft)cos2^(4)=τ°θ=\ (σΗ - σΑ) sin 2沒(méi)σΓ(2)=|Κ+σ ) (5)在r = a，σ) = -σΓ(1)，τθ = ，按彈性或彈-理想塑性計(jì)算，得擾動(dòng)場(chǎng)Α，σ ‘， u'，通過(guò)第一應(yīng)力釋放，得到總場(chǎng)，這個(gè)總場(chǎng)是指初始場(chǎng)加擾動(dòng)場(chǎng)A σ°+σ ‘ - σ 0 ;a' —a0 (6)(D)第二次應(yīng)力釋放第一步逐漸釋放保留的應(yīng)力分量，也就是模擬鉆井液壓力逐漸降低，計(jì)算擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)B。引入載荷參數(shù)入，在1> = ^=-/1一2)，τ ‘ θ =O0第一步用彈性方法確定彈性階段的載荷參數(shù)增量Δ λ ” Δ λ工一λ e，求出相應(yīng)的彈性擾動(dòng)場(chǎng)W , Ao ‘，得到總場(chǎng)，這個(gè)總場(chǎng)是指初始場(chǎng)加擾動(dòng)場(chǎng)A再加彈性擾動(dòng)場(chǎng)
權(quán)利要求
1. 一種井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入?yún)?shù)(1)，初應(yīng)力處理O)，第一次應(yīng)力釋放(3)，第二次應(yīng)力釋放第一步(4A)，第二次應(yīng)力釋放第二步(4B)，特征值評(píng)價(jià)(5)，廣義力和廣義位移(6)，平衡路徑曲線(7)，坍塌壓力處理(8)；其特征為A、采集并輸入?yún)?shù)(1)首先，采集通過(guò)相鄰已鉆井的測(cè)井資料得出的井壁巖石材料參數(shù)和通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到井壁巖石材料參數(shù)，將得到井壁巖石材料參數(shù)輸入計(jì)算程序中；其次輸入控制參數(shù)，控制參數(shù)中的弧長(zhǎng)范圍10_5 10_6m，輸出步范圍100 200，切線塑性剪切模量、殘余強(qiáng)度通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到；B、初應(yīng)力處理O)建立井壁模型，劃分有限元網(wǎng)格單元，施加邊界條件；計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)各網(wǎng)格單元高斯(Gauss)點(diǎn)的應(yīng)力C、第一次應(yīng)力釋放⑶計(jì)算孔壁處需釋放的應(yīng)力分量一1〕，41>尸，等效于實(shí)際鉆井過(guò)程中應(yīng)力完全釋放而同時(shí)施加鉆井液壓力，得到擾動(dòng)場(chǎng)A ；D、第二次應(yīng)力釋放第一步(4A)釋放保留的應(yīng)力分量，也就是模擬鉆井液壓力逐漸降低，第一步用彈性方法確定彈性階段的載荷參數(shù)增量△ X1，得到彈性擾動(dòng)場(chǎng)；E、第二次應(yīng)力釋放第二步GB)第二步指定微弧長(zhǎng)增量ΔSm，引入載荷參數(shù)λ，按彈-軟化塑性，用弧長(zhǎng)法迭代求解，并求最小特征值(μ ^m，得到擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)B ；F、特征值評(píng)價(jià)(5)根據(jù)得到的最小特征值(μ丄進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)最小特征值(μ^>0， 時(shí)，如果111<11，則m+1 — m，即m加上1以后進(jìn)入第二次應(yīng)力釋放第二步0B)；否則，得到的即是總場(chǎng)；當(dāng)最小特征值(μ丄< 0時(shí)，根據(jù)插值法計(jì)算擾動(dòng)場(chǎng)；G、廣義力和廣義位移(6)根據(jù)弧長(zhǎng)法每步驟計(jì)算出的載荷因子λ，計(jì)算廣義力和廣義位移；H、平衡路徑曲線(7)根據(jù)廣義力和廣義位移繪制平衡路徑曲線，找出極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變軟化極限載荷因子I、坍塌壓力處理(8)根據(jù)應(yīng)力總場(chǎng)以及平衡路徑曲線輸出的應(yīng)變軟化極限載荷因子 λ…計(jì)算坍塌壓力以及塑性區(qū)分布圖，確定防塌鉆井液的密度；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井壁坍塌分析方法，其特征在于所述的井壁巖石的材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、軟化系數(shù)、屈服函數(shù)類型、內(nèi)變量類型、 水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種井壁坍塌分析方法，其特征在于所述的控制參數(shù)包括弧長(zhǎng)、輸出步、切線塑性剪切模量、殘余強(qiáng)度。
全文摘要
井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入?yún)?shù)(1)，初應(yīng)力處理(2)，第一次應(yīng)力釋放(3)，第二次應(yīng)力釋放第一步(4A)，第二次應(yīng)力釋放第二步(4B)，特征值評(píng)價(jià)(5)，廣義力和廣義位移(6)，平衡路徑曲線(7)，坍塌壓力處理(8)。根據(jù)得到的最小特征值(μ1)m進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)最小特征值(μ1)m＞0，時(shí)，如果m＜M，則m+1→m，即進(jìn)入第二次應(yīng)力釋放第二步(4B)；否則，得到的即是總場(chǎng)；當(dāng)最小特征值(μ1)m＜0時(shí)，根據(jù)插值法計(jì)算擾動(dòng)場(chǎng)；計(jì)算坍塌壓力qcr，以及qcr對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)分布圖，確定防塌鉆井液的密度。效果是能分析非均勻地應(yīng)力條件下應(yīng)變軟化塑性地層的井壁穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)的防塌鉆井液密度，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井中起到儲(chǔ)層保護(hù)效果。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102182453SQ20111005142
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者劉玉石, 周英操, 王倩, 王瑛, 趙慶, 陳朝偉 申請(qǐng)人:中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院