一種多因素耦合作用下的煤層井壁穩(wěn)定性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及煤層氣鉆井中的井壁穩(wěn)定技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種適用于煤儲層鉆井 過程中多因素禪合作用下的井壁穩(wěn)定性分析及相應(yīng)的鉆井泥漿密度窗口計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤是由古代植物遺體埋藏地下并經(jīng)歷長期的生物化學與地質(zhì)作用而轉(zhuǎn)變成的有 機巖石。在煤巖的形成過程中，各種地質(zhì)因素的影響使煤體內(nèi)發(fā)育大量裂隙，例如煤化作用 過程中揮發(fā)分、水分逸失產(chǎn)生收縮內(nèi)應(yīng)力而形成的割理裂縫，地殼運動作用下形成的剪切 或拉伸裂縫。各類裂縫的大量存在使得煤巖宏觀性質(zhì)上呈現(xiàn)出強度低、脆性大、各向異性與 非均質(zhì)性顯著。同時，由于裂縫的存在，鉆井泥漿濾液易沿裂縫面滲入煤層內(nèi)部，引起孔隙 壓力增加、煤巖強度降低，導致鉆井過程中煤層段井壁極不穩(wěn)定，極易發(fā)生井壁巧塌、井漏 和卡鉆甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。
[0003] 現(xiàn)有的煤層井壁穩(wěn)定性分析模型大都借鑒常規(guī)油氣井井壁穩(wěn)定性分析模型，基于 彈性力學分析得到井眼附近處的彈性應(yīng)力分布，認為井壁任意一點處發(fā)生剪切破壞即引起 井壁巧塌，而判斷煤巖是否發(fā)生剪切破壞則一般采用摩爾-庫倫準則或針對破碎地層改進 的化ek-Brown準則。由于煤巖強度低且脆性大，W井壁完全不發(fā)生任何剪切破壞進行計算 得到泥漿密度較高。由于煤巖中裂縫發(fā)育，采用較高的泥漿密度進行鉆井容易加劇泥漿濾 液向煤層滲入，一方面造成儲層傷害不利于后期開采，另一方面可能引起井周孔隙壓力增 加、煤巖強度降低，反而造成井壁巧塌破壞。實際上，實際鉆井過程和室內(nèi)模擬實驗都表明， 井壁附近局部位置上由于差應(yīng)力超過峰值強度而發(fā)生剪切塑性變形，并不意味著井壁發(fā)生 嚴重巧塌破壞，更合理的井壁穩(wěn)定性分析方法應(yīng)該是在獲取煤巖物理力學參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)、 鉆井工程參數(shù)基礎(chǔ)上，進行力學理論和數(shù)值模擬分析，準確預(yù)測不同泥漿密度條件下井壁 巧塌破壞的形狀與尺寸，再結(jié)合鉆井工程實踐對井壁巧塌形狀或尺寸的限制，確定合理的 鉆井泥漿密度。
[0004] 由于煤巖的結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)獨特，煤層鉆井井壁穩(wěn)定設(shè)及W下多重因素的禪合作 用：1)煤巖在井壁附近應(yīng)力集中作用下發(fā)生漸進損傷破壞，井眼附近煤巖滲透率增加，加 劇鉆井液向井壁內(nèi)部滲流；2)鉆井液向井壁內(nèi)部滲流，導致井眼附近孔隙壓力升高的同時 鉆井液浸泡使得井眼附近煤巖強度降低，加劇井壁巧塌；（3)煤巖性脆，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線 中的峰后效應(yīng)顯著，對井壁巧塌破壞形狀與尺寸影響較大。在理論分析或數(shù)值模擬計算中， 需要完整考慮上述多因素禪合作用的特點，才能準確計算不同泥漿密度條件下煤層井眼巧 塌破壞形狀與尺寸。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)有煤層井壁穩(wěn)定性分析所得結(jié)果難W反映煤層鉆井井壁穩(wěn)定性真實 情況，計算所得泥漿密度在實際鉆井過程中難W奏效。為此，本發(fā)明基于應(yīng)力-損傷-滲流 禪合理論及相應(yīng)的有限元數(shù)值分析方法發(fā)展了一種多因素禪合作用下煤層井壁穩(wěn)定性分 析及相應(yīng)的鉆井泥漿密度窗口計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供煤層鉆井井壁穩(wěn)定性分析方法，綜合考慮煤層鉆井過程中井 眼周圍煤巖的應(yīng)力-損傷-滲流禪合過程，準確分析計算煤層井眼巧形狀與尺寸隨鉆井泥 漿密度變化的規(guī)律，并結(jié)合鉆井工程實踐對井壁巧塌形狀或尺寸的限制，確定合理的鉆井 泥漿密度。
[0007] 基于上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下：
[0008] 一種多因素禪合作用下的煤層井壁穩(wěn)定性分析方法，該方法的應(yīng)用包括步驟：
[0009] (1)采集目標井相關(guān)地質(zhì)資料，包括地應(yīng)力、孔隙壓力、地層流體粘度、地層流體壓 縮性、目標煤層深度參數(shù)。
[0010] (2)利用鄰井鉆井取屯、獲取目標煤層的煤巖巖屯、，在實驗室內(nèi)開展單、=軸巖石力 學強度測試，獲取煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)，得到煤巖的巖石力學參數(shù)，包括彈性模量、 泊松比、峰值強度參數(shù)（峰值粘聚力Cp。。,與峰值內(nèi)摩擦角（1) 與殘余強度參數(shù)（殘余粘 聚力Cfesidual與殘余內(nèi)摩掠角4residual)。
[0011] (3)利用鄰井鉆井取屯、獲取目標煤層的煤巖巖屯、，在實驗室內(nèi)開展=軸條件下全 應(yīng)力-應(yīng)變過程滲流特性實驗，獲得目標煤層滲透率在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的變化規(guī)律，擬 合得到目標煤層在不同損傷狀態(tài)D下的滲透率演化方程kO):
(1) (2)
[0014] 式中，<為塑性體積應(yīng)變古P為等效塑性應(yīng)變；哥為臨界等效塑性應(yīng)變，即煤巖 強度降低至殘余強度時的等效塑性應(yīng)變。k。是未損傷煤層的滲透率；kD為發(fā)生損傷破壞時 煤層的滲透率；參數(shù)a為實驗數(shù)據(jù)擬合確定。
[0015] (4)基于多孔介質(zhì)彈塑性應(yīng)力分析理論與滲流流動分析理論建立煤巖應(yīng)力-損 傷-滲流禪合分析理論模型，并建立相應(yīng)的有限元數(shù)值求解離散方程；
[0016] 上述煤巖應(yīng)力-損傷-滲流禪合分析理論模型主要由W下基本方程（4)~（7)構(gòu) 成
[0017] 平衡方程 O J= 0(i，j = 1，2，：3)做 陽0化]幾何方程
（4)
[0019] 本構(gòu)方程叫町-)=巧如， (5)
[0020] 屈服函數(shù) （6) 陽02 U 滲流方程 （7) 陽0巧式中，O 1為應(yīng)力；e。為應(yīng)變；U 1為位移；P P為孔隙壓力；％為彈塑性剛度矩陣； (T為粘聚力，4巧1內(nèi)摩擦角，兩者依賴于等效塑性應(yīng)變，當fP=〇時，分別取峰值粘聚力 Cp。。,與峰值內(nèi)摩擦角4 當時，分別殘余粘聚力與殘余內(nèi)摩擦角4 當0<^r<哥時，通過線性插值確定；K =k/y為滲透系數(shù)，y為地層流體粘度；M與a 為地層多孔彈性常數(shù)。
[0023] 上述基本方程（4)~（7)可利用伽迂金方法構(gòu)建離散形式的流固禪合有限元求解 方程
[0024] 怔]{u} + [L]{p}=識 (O)
[00巧][友]{戶} +[沖{&} +[巧{p} = {《}
[0026] 式中，{u}為單元結(jié)點位移列向量；{p}為單元結(jié)點孔隙壓力列向量；識、{q}分別 為單元結(jié)點外力矢量與流量矢量，怔]、[L]、[S]、出]為系數(shù)矩陣?？紤]到相容性，有限單元 內(nèi)的位移插值形函數(shù)采用二階多項式，孔隙壓力插值形函數(shù)采用一階多項式?；谏鲜鲭x 散形式的有限元數(shù)值求解方程可編制相應(yīng)的有限元計算程序，其中非線性方程（8)可采用 增量步方法結(jié)合牛頓-拉弗森迭代方法進行求解?？紤]到煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值強 度之后的劇烈軟化效應(yīng)，在采用隱式有限元方法進行非線性分析時，一旦井周發(fā)生局部巧 塌破壞，計算分析穩(wěn)定性與收斂性可能變差而難W進行下去，本發(fā)明中利用一種人工數(shù)值 阻尼方法，能夠較好地解決運一問題，使計算能穩(wěn)定地進行。
[0027] (5)根據(jù)實際目標鉆井井眼幾何參數(shù)，建立井壁穩(wěn)定幾何模型，采用平面應(yīng)變等參 單元劃分有限元計算網(wǎng)格，其中靠近井壁附近區(qū)域進行網(wǎng)格細化，并逐漸過渡至遠離井眼 區(qū)域處的粗網(wǎng)格。給定初始孔隙壓力、初始地應(yīng)力等初始條件?？紤]到鉆井過程在遠離井 眼較遠處產(chǎn)生的擾動較小，模型外部邊界上給定位移和孔隙壓力固定邊界條件，在井壁處 根據(jù)泥漿密度給定壁面壓力和孔隙壓力邊界條件。設(shè)定增量步長控制參數(shù)W及牛頓-拉弗 森迭代控制參數(shù)，即可對問題進行求解，得出位移、應(yīng)力、孔隙壓力、等效塑性應(yīng)變等場量的 分布，W等效塑性應(yīng)變達到臨界等效塑性應(yīng)變（強度相應(yīng)地降低到殘余強度）的區(qū)域為完 全損傷而巧塌破壞的區(qū)域，即可得到該泥漿密度條件對應(yīng)的巧塌破壞區(qū)域形狀與尺寸。
[0028] (6)從某一較低的鉆井泥漿密度值開始逐步提高鉆井泥漿密度，針對每一泥漿密 度值利用步