專利名稱：井壁坍塌分析方法
技術領域：
本發明涉及石油鉆井工程技術領域，特別涉及鉆井井壁失穩分析，是一種非均勻地應力條件下應變軟化塑性地層井壁穩定性分析的方法。
背景技術：
目前，在石油工程中普遍應用彈性力學結合強度準則方法解釋井壁坍塌機制和預測坍塌壓力。比如，被認為是世界上最好的井壁穩定分析GMI系統，其應用的井壁坍塌模型正是基于彈性力學結合強度準則法。最新的井壁坍塌機理的理論研究表明，井壁坍塌實質上是一種極值點型失穩現象。通過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穩定性意義下的坍塌壓力。當然，理論解作了原場地應力是各向同性均勻應力和地層滿足Tresca準則的假設，這遠離了實際情況。還有重要一點，在分析井壁坍塌問題時僅考慮巖石的理想彈塑性或者彈脆性-塑性特性，而大部分巖石的應力-應變曲線在峰值后下降，稱為應變軟化，所以不考慮巖石的應變軟化特性也是不符合實際的。國外現有Ansys，Flac, Abaqus, Adina等有限元計算軟件，但是缺乏力學意義上的穩定性分析功能，沒有將應變軟化模型和穩定性分析結合，而且應用領域沒有擴展到井壁坍塌分析。國內巖土方面計算系統比較突出的是“理正巖質邊坡穩定分析系統”，所采用的也是傳統的極限平衡法。未見報道應用應變軟化模型和力學穩定性方法開發井壁坍塌分析系統。為了解決非均勻地應力條件下應變軟化塑性地層井壁失穩問題，本發明在應變軟化理論模型的基礎上，應用應變軟化模型和力學穩定性方法開發WellCA井壁穩定分析系統。井壁穩定問題是世界性難題，在世界范圍內，每年用于處理井壁失穩的費用高達數億美元，而我國許多油田也存在井壁失穩復雜情況。近年來，我國在西部塔里木和準噶爾等盆地進行了多口深井、超深井的鉆探施工。這些地區山前高陡構造高地應力引起的井眼穩定問題較為突出，特別是深井的井眼穩定受山前構造帶地應力影響，問題更為嚴重。中國專利授權公告號CN1239920C，提供了一種“利用地震層速度鉆前預測坍塌壓力與破裂壓力的方法”。包括下列步驟1)將待鉆井與多個相鄰已鉆井的地震層速度進行數據相關分析，并確定相關系數大于0. 75的已鉆井為待鉆進具有相似構造的已鉆井；2)利用聲波時差、自然伽瑪、密度等測井數據序列，對已鉆井全井段進行分層，求出每一層用于表征一定厚度且巖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確定已鉆井的坍塌壓力與破裂壓力；4)根據已鉆井的坍塌壓力與破裂壓力和測井分層速度建立測井模型力)建立已鉆井的層速度鉆前預測模型； 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。
發明內容
本發明的目的是提供一種井壁坍塌分析方法，考慮巖石的應變軟化性質，使其更接近客觀實際，應用于鉆井井壁穩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題。
本發明采用的技術方案是井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入參數，初應力處理，第一次應力釋放，第二次應力釋放第一步，第二次應力釋放第二步，特征值評價，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分布圖。(A)采集并輸入參數首先，采集通過相鄰已鉆井的測井資料和巖石力學實驗得到井壁巖石材料參數，包括彈性模量、泊松比、內摩擦角、內聚力、軟化系數、屈服函數類型、 內變量類型、水平最大主應力、水平最小主應力和深度參數，將井壁巖石材料參數輸入計算程序中；輸入控制參數，控制參數包括弧長、輸出步、切線塑性剪切模量、殘余強度。控制參數中的弧長范圍10_5 10_6m，輸出步范圍100 200，控制參數中的切線塑性剪切模量、殘余強度通過巖石力學實驗得到。(B)初應力處理建立井壁幾何模型，設置井筒半徑，內外半徑比；劃分有限元計算網格單元，采用平面應變等參單元和可描述遠場的無限區域單元，在最外一層設置成無限單元它的尺度在規定的方向上延伸至無窮遠，起到模擬遠處區域的作用，無限區域元的位移插值函數與坐標插值函數有不同的表達形式，位移在無限遠處為零，通過衰減函數的引入來實現。W1 =N1 J1(T)(1)衰減函數采用負指數函數= (r-riVi(2)剖分節點和單元，施加邊界條件，施加情況為2個直邊法向約束、徑向自由。根據網格節點坐標，由式(3)計算初始應力場各單元高斯點的應力<，τ σ°=ΗσΗ +^π)- (σΗ-σ,)οο52θτ°θ =\(σΗ -ah)sin2Θ(C)第一次應力釋放采用“釋放載荷”的方法來模擬實際鉆井過程，求擾動場Α。首先，根據公式(4)計算第一次釋放部分應力分量一 1^rf,一2)，公式(5)為保留的應力分量。這樣的應力釋放方案，等效于式(3)的應力完全釋放而同時施加鉆井液壓力σΓ(1)-aft)cos2^(4)=τ°θ=\ (σΗ - σΑ) sin 2沒σΓ(2)=|Κ+σ ) (5)在r = a，σ) = -σΓ(1)，τθ = ，按彈性或彈-理想塑性計算，得擾動場Α，σ ‘， u'，通過第一應力釋放，得到總場，這個總場是指初始場加擾動場A σ°+σ ‘ - σ 0 ;a' —a0 (6)(D)第二次應力釋放第一步逐漸釋放保留的應力分量，也就是模擬鉆井液壓力逐漸降低，計算擾動應力場B。引入載荷參數入，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增量Δ λ ” Δ λ工一λ e，求出相應的彈性擾動場W , Ao ‘，得到總場，這個總場是指初始場加擾動場A再加彈性擾動場
權利要求
1. 一種井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入參數(1)，初應力處理O)，第一次應力釋放(3)，第二次應力釋放第一步(4A)，第二次應力釋放第二步(4B)，特征值評價(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、采集并輸入參數(1)首先，采集通過相鄰已鉆井的測井資料得出的井壁巖石材料參數和通過巖石力學實驗得到井壁巖石材料參數，將得到井壁巖石材料參數輸入計算程序中；其次輸入控制參數，控制參數中的弧長范圍10_5 10_6m，輸出步范圍100 200，切線塑性剪切模量、殘余強度通過巖石力學實驗得到；B、初應力處理O)建立井壁模型，劃分有限元網格單元，施加邊界條件；計算初始應力場各網格單元高斯(Gauss)點的應力C、第一次應力釋放⑶計算孔壁處需釋放的應力分量一1〕，41>尸，等效于實際鉆井過程中應力完全釋放而同時施加鉆井液壓力，得到擾動場A ；D、第二次應力釋放第一步(4A)釋放保留的應力分量，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增量△ X1，得到彈性擾動場；E、第二次應力釋放第二步GB)第二步指定微弧長增量ΔSm，引入載荷參數λ，按彈-軟化塑性，用弧長法迭代求解，并求最小特征值(μ ^m，得到擾動應力場B ；F、特征值評價(5)根據得到的最小特征值(μ丄進行評價，當最小特征值(μ^>0， 時，如果111<11，則m+1 — m，即m加上1以后進入第二次應力釋放第二步0B)；否則，得到的即是總場；當最小特征值(μ丄< 0時，根據插值法計算擾動場；G、廣義力和廣義位移(6)根據弧長法每步驟計算出的載荷因子λ，計算廣義力和廣義位移；H、平衡路徑曲線(7)根據廣義力和廣義位移繪制平衡路徑曲線，找出極值點對應的應變軟化極限載荷因子I、坍塌壓力處理(8)根據應力總場以及平衡路徑曲線輸出的應變軟化極限載荷因子 λ…計算坍塌壓力以及塑性區分布圖，確定防塌鉆井液的密度；
2.根據權利要求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包括彈性模量、泊松比、內摩擦角、內聚力、軟化系數、屈服函數類型、內變量類型、 水平最大主應力、水平最小主應力和深度。
3.根據權利要求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包括弧長、輸出步、切線塑性剪切模量、殘余強度。
全文摘要
井壁坍塌分析方法，包括采集并輸入參數(1)，初應力處理(2)，第一次應力釋放(3)，第二次應力釋放第一步(4A)，第二次應力釋放第二步(4B)，特征值評價(5)，廣義力和廣義位移(6)，平衡路徑曲線(7)，坍塌壓力處理(8)。根據得到的最小特征值(μ1)m進行評價，當最小特征值(μ1)m＞0，時，如果m＜M，則m+1→m，即進入第二次應力釋放第二步(4B)；否則，得到的即是總場；當最小特征值(μ1)m＜0時，根據插值法計算擾動場；計算坍塌壓力qcr，以及qcr對應的塑性區分布圖，確定防塌鉆井液的密度。效果是能分析非均勻地應力條件下應變軟化塑性地層的井壁穩定性；設計的防塌鉆井液密度，在現場鉆井中起到儲層保護效果。
文檔編號E21B49/00GK102182453SQ20111005142
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月3日 優先權日2011年3月3日
發明者劉玉石, 周英操, 王倩, 王瑛, 趙慶, 陳朝偉 申請人:中國石油集團鉆井工程技術研究院