本發(fā)明涉及石油鉆井領域，特別涉及一種井壁坍塌壓力確定方法和裝置。

背景技術：

在石油鉆井過程中，為防止井壁坍塌，需要對井壁坍塌壓力進行預測，從而根據(jù)井壁坍塌壓力確定油井中維持井壁穩(wěn)定的鉆井液的最小密度，以實現(xiàn)鉆井安全。

一般井壁坍塌壓力模型在對井壁坍塌壓力進行預測時，通常把巖石看成是標準的彈性體，將巖石破壞過程劃分為彈性階段、巖石裂紋產(chǎn)生與破碎兩個階段，但這種劃分不能真實描述井壁的破壞過程，導致計算出的坍塌壓力過高，最終導致采用的鉆井液密度較高，不利于達到鉆井提速的要求。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明實施例提供了一種井壁坍塌壓力確定方法和裝置。所述技術方案如下：

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種井壁坍塌壓力確定方法，所述方法包括：

獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，所述力學參數(shù)包括彈性參數(shù)和塑性參數(shù)，所述彈性參數(shù)包括彈性模量、泊松比、巖石彈性階段抗壓強度和內(nèi)摩擦系數(shù)，所述塑性參數(shù)包括巖石軟化模量、塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度和產(chǎn)生裂紋時的殘余強度；

獲取所述待測井壁的基礎應力參數(shù)，所述基礎應力參數(shù)包括井深度、孔隙壓力、有效應力系數(shù)、最小地應力和地應力系數(shù)；

根據(jù)所述待測井壁中巖石的力學參數(shù)和所述待測井壁的基礎應力參數(shù)，按照以下模型計算所述待測井壁的坍塌壓力：

其中：

其中，ρ為所述坍塌壓力，E為所述彈性模量，μ為所述泊松比，σ_c為所述巖石彈性階段抗壓強度，K為所述內(nèi)摩擦系數(shù)，Q為所述巖石軟化模量，η₁為所述塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度，σ_cs為所述產(chǎn)生裂紋時的殘余強度，H為所述井深度，P_p為所述孔隙壓力，α為所述有效應力系數(shù)，σ^h為所述最小地應力，λ為所述地應力系數(shù)。

在本發(fā)明實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，包括：

采集所述待測井壁中的巖石；

通過實驗測試所述待測井壁中巖石的力學參數(shù)。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述通過實驗測試所述待測井壁中巖石的力學參數(shù)，包括：

將采集到的所述待測井壁中的巖石加工成圓柱形巖心；

對所述巖心進行巖石三軸壓縮試驗，測試出所述待測井壁中巖石的力學參數(shù)。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述圓柱形巖心的直徑為25mm，高為50mm。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述獲取所述待測井壁的基礎應力參數(shù)，包括：

從測井資料獲得所述待測井壁的基礎應力參數(shù)中的井深度、孔隙壓力和有效應力系數(shù)；

通過實驗測試所述待測井壁的基礎應力參數(shù)中的最小地應力和地應力系數(shù)。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述通過實驗測試所述待測井壁的基礎應力參數(shù)中的最小地應力和地應力系數(shù)，包括：

通過差應變法測試地應力大小，得到最大地應力和最小地應力；

計算所述最大地應力和所述最小地應力之比，得到所述地應力系數(shù)。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種井壁坍塌壓力確定裝置，所述裝置包括：

第一獲取模塊，用于獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，所述力學參數(shù)包括彈性參數(shù)和塑性參數(shù)，所述彈性參數(shù)包括彈性模量、泊松比、巖石彈性階段抗壓強度和內(nèi)摩擦系數(shù)，所述塑性參數(shù)包括巖石軟化模量、塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度和產(chǎn)生裂紋時的殘余強度；

第二獲取模塊，用于獲取所述待測井壁的基礎應力參數(shù)，所述基礎應力參數(shù)包括井深度、孔隙壓力、有效應力系數(shù)、最小地應力和地應力系數(shù)；

計算模塊，用于根據(jù)所述待測井壁中巖石的力學參數(shù)和所述待測井壁的基礎應力參數(shù)，按照以下模型計算所述待測井壁的坍塌壓力：

其中：

其中，ρ為所述坍塌壓力，E為所述彈性模量，μ為所述泊松比，σ_c為所述巖石彈性階段抗壓強度，K為所述內(nèi)摩擦系數(shù)，Q為所述巖石軟化模量，η₁為所述塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度，σ_cs為所述產(chǎn)生裂紋時的殘余強度，H為所述井深度，P_p為所述孔隙壓力，α為所述有效應力系數(shù)，σ_h為所述最小地應力，λ為所述地應力系數(shù)。

本發(fā)明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

本發(fā)明為更加真實的反映井壁巖石的應力坍塌行為，基于彈塑性理論建立井壁坍塌壓力模型，并結合相應的巖石的力學參數(shù)和井壁的基礎應力參數(shù)，計算出更加貼合實際的井壁坍塌壓力，為鉆井過程選擇合理鉆井液密度提供依據(jù)，適應鉆井提速要求，同時保證井壁安全。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種井壁坍塌壓力確定方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種井壁坍塌壓力確定裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種井壁坍塌壓力確定方法的流程圖，參見圖1，該方法包括：

步驟101：獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，力學參數(shù)包括彈性參數(shù)和塑性參數(shù)，彈性參數(shù)包括彈性模量E、泊松比μ、巖石彈性階段抗壓強度σ_c和內(nèi)摩擦系數(shù)K，塑性參數(shù)包括巖石軟化模量Q、塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度η₁和產(chǎn)生裂紋時的殘余強度σ_cs。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，包括：

第一步，采集待測井壁中的巖石。

第二步，通過實驗測試待測井壁中巖石的力學參數(shù)。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，通過實驗測試待測井壁中巖石的力學參數(shù)，包括：

將采集到的待測井壁中的巖石加工成圓柱形巖心；對巖心進行巖石三軸壓縮試驗，測試出待測井壁中巖石的力學參數(shù)。具體地，通過巖石三軸壓縮試驗獲得三軸試驗曲線，再根據(jù)三軸試驗曲線計算出彈性參數(shù)和塑性參數(shù)。

在加工圓柱形巖心時，可以對圓柱形巖心進行稱重并記錄，以供后續(xù)試驗計算使用。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，圓柱形巖心的直徑為25mm，高為50mm。

步驟102：獲取待測井壁的基礎應力參數(shù)，基礎應力參數(shù)包括井深度H、孔隙壓力P_p、有效應力系數(shù)α、最小地應力σ_h和地應力系數(shù)λ。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，獲取待測井壁的基礎應力參數(shù)，包括：

第一步，從測井資料獲得待測井壁的基礎應力參數(shù)中的井深度、孔隙壓力和有效應力系數(shù)。

第二步，通過實驗測試待測井壁的基礎應力參數(shù)中的最小地應力和地應力系數(shù)。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，通過實驗測試待測井壁的基礎應力參數(shù)中的最小地應力和地應力系數(shù)，包括：

通過差應變法測試地應力大小，得到最大地應力和最小地應力；計算最大地應力和最小地應力之比，得到地應力系數(shù)。

步驟103：根據(jù)待測井壁中巖石的力學參數(shù)和待測井壁的基礎應力參數(shù)，按照以下模型計算待測井壁的坍塌壓力ρ：

其中：

下面以某油田3000m左右的井眼處的坍塌壓力預測為例進行說明效果。

通過步驟101和步驟102獲得的參數(shù)包括：彈性參數(shù)：彈性模量為20GPa，泊松比為0.4，巖石彈性階段抗壓強度37MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)1.25。塑性參數(shù)：巖石軟化模量100GPa，產(chǎn)生裂紋時的殘余強度5MPa，塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度1.5。基礎應力參數(shù)：井深度3000m，孔隙壓力32.5MPa，有效應力系數(shù)0.9，最小地應力40MPa，地應力系數(shù)2.1。

通過經(jīng)典的坍塌壓力計算模型(如背景技術)計算出的坍塌壓力為1.65g/cm³，采用本發(fā)明步驟103提供的公式計算結果為1.25g/cm³?，F(xiàn)場使用密度為1.31g/cm³的鉆井液，井壁未發(fā)生坍塌，當鉆井液密度降低至1.20g/cm³時，井段出現(xiàn)一定的擴徑。實例表明本發(fā)明計算的坍塌壓力能較為真實的預測井壁坍塌壓力，而經(jīng)典的坍塌壓力計算模型預測的坍塌壓力明顯偏高。

本發(fā)明的坍塌壓力公式考慮因素更為全面，更加真實的反映了巖石的彈塑 性特征，使得計算出的井壁坍塌壓力更準確。

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種井壁坍塌壓力確定裝置，參見圖2，該裝置包括：

第一獲取模塊201，用于獲取待測井壁中巖石的力學參數(shù)，力學參數(shù)包括彈性參數(shù)和塑性參數(shù)，彈性參數(shù)包括彈性模量、泊松比、巖石彈性階段抗壓強度和內(nèi)摩擦系數(shù)，塑性參數(shù)包括巖石軟化模量、塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度和產(chǎn)生裂紋時的殘余強度；

第二獲取模塊202，用于獲取待測井壁的基礎應力參數(shù)，基礎應力參數(shù)包括井深度、孔隙壓力、有效應力系數(shù)、最小地應力和地應力系數(shù)；

計算模塊203，用于根據(jù)待測井壁中巖石的力學參數(shù)和待測井壁的基礎應力參數(shù)，按照以下模型計算待測井壁的坍塌壓力：

其中：

其中，ρ為坍塌壓力，E為彈性模量，μ為泊松比，σ_c為巖石彈性階段抗壓強度，K為內(nèi)摩擦系數(shù)，Q為巖石軟化模量，η₁為塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度，σ_cs為產(chǎn)生裂紋時的殘余強度，H為井深度，P_p為孔隙壓力，α為有效應力系數(shù)，σ_h為最小地應力，λ為地應力系數(shù)。

關于上述實施例中的裝置，其中各個模塊執(zhí)行操作的具體方式已經(jīng)在有關該方法的實施例中進行了詳細描述，此處將不做詳細闡述說明。

本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質(zhì)中，上述提到的存儲介質(zhì)可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神 和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。