页岩井壁稳定评价系统、评价方法、存储介质及设备

本发明属于钻井，尤其涉及一种页岩井壁稳定评价系统、评价方法、存储介质、设备及终端。

背景技术：

1、目前，井壁失稳与井筒完整性缺失问题是石油钻井及采油过程中普遍存在的难题，尤其是引起的井下复杂情况和诱发的其它井下事故对石油钻采危害极大。井壁失稳是由多种因素造成的，如钻井液性能、构成地层岩石的成分、井壁与流体之间的物化反应等，故在研究井壁失稳时不再单纯地将其视为纯力学或化学问题，需从耦合的角度分析，以便更真实地评价井壁失稳问题。

2、然而现有的井壁稳定评价不仅缺乏精确性，同时无法快速计算出在钻遇极不稳定的页岩地层时在水化作用、压力传递、弱面结构等综合作用下的坍塌压力和破裂压力，无法精准的给出目标区域安全钻井液窗口，进行风险预警。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的井壁稳定评价不仅缺乏精确性，同时无法快速计算出在钻遇极不稳定的页岩地层时在水化作用、压力传递、弱面结构等综合作用下的坍塌压力和破裂压力，无法精准的给出目标区域安全钻井液窗口，进行风险预警。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种页岩井壁稳定评价系统、评价方法、存储介质、设备及终端。

2、本发明是这样实现的，一种页岩井壁稳定测定系统，所述页岩井壁稳定测定系统包括：

3、基础数据管理模块，用于进行油田、井的基础信息与数据的编辑、管理；

4、岩石力学参数模块，用于进行岩石力学参数的计算；

5、孔隙压力模块，用于进行密度测井数据处理，上覆岩层压力以及地层孔隙压力的计算；

6、地应力模块，用于确定地应力计算结果；

7、井壁稳定性分析模块，用于进行直井、定向井、水平井的风险分析计算；同时用于进行坍塌压力预测、破裂压力预测、层理地层预测、非层理地层预测，并生成钻井方位风险预警图、破裂压力随井斜、方位的变化图；

8、数据导出模块，用于进行基数数据、计算数据以及井壁稳定性数据的导出。

9、进一步，所述油田、井的基础信息与数据包括：油田基本信息、测井基础数据、地质分层、井眼轨迹、井身结构、钻井实用泥浆比重、地漏数据、孔隙压力、地应力方向、钻井参数以及复杂事故。

10、进一步，所述测井基础数据包括：井测深、垂深、声波、伽玛、密度、电阻率、中子。

11、进一步，所述岩石力学参数包括：岩石的动态弹性模量、动态泊松比、静态弹性模量、静态泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力以及内摩擦角。

12、进一步，所述地应力计算结果包括：地应力方向以及地应力大小。

13、本发明的另一目的在于提供一种应用于所述页岩井壁稳定测定系统的页岩井壁稳定测定方法，所述页岩井壁稳定测定方法包括：

14、根据测井基础数据、井眼轨迹、钻井参数进行建模分析计算得到井壁各部分受力状态，分析井壁破裂和坍塌的压力。

15、进一步，所述页岩井壁稳定测定方法包括以下步骤：

16、步骤一，获取测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数；

17、步骤二，基于获取的所述测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数计算岩石的动态弹性模量、动态泊松比、静态弹性模量、静态泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力以及内摩擦角；

18、其中动态弹性模量、动态泊松比计算方法如下所示：

19、

20、式中：ed―动杨氏模量(mpa)；μd―动泊松比，无量纲；ρ－地层密度，g/cm3；vp－纵波速度，m/s；vs－横波速度,m/s。

21、静态弹性模量和静态泊松比则是根据经验公式得到：

22、es(静)＝a+bed(动)，vs(静)＝a+bvd(动)

23、公式中的参数a和b由岩样实验统计获得。

24、通常的声波测井所测得的是声波在地层岩石中传播的纵波时差(δtp)，在地层岩石中的横波时差(δts)一般可以从全波测井中获得。实际上许多油气井均未进行全波测井，仅有补偿声波测井资料，利用常规纵波时差求横波时差，采用岩性相对均一的经验公式。

25、在单轴抗压强度的计算中主要使用的是经验公式法，若未在室内进行单轴抗压强度对比实验，则根据泥质含量进行计算。

26、σc＝(0.0045+0.0035×vsh)×ed

27、式中：σc-岩石抗压强度，mpa；vsh-泥质含量，无量纲；ed-动态弹性模量，动态弹性模量。

28、确定vsh的方法：

29、v′sh＝(gr-grmin)/(grmax-grmin)

30、vsh＝(2^(gcur*v′sh)-1)/((2^gcur)-1)

31、式中，grmin，grmax分别是砂岩和泥页岩的自然伽马值，gcur是与地层有关的经验系数，新地层(第三系地层)gcur＝3.7，老地层gcur＝2.0。

32、若是有室内单轴抗压强度对比实验则根据测井数据建立的单轴抗压强度模型结合实测的岩石单轴抗压强度模型拟合相关系数进行计算。

33、

34、其中a为拟合系数。

35、单轴抗拉强度的计算采用经验公式法如下所示：

36、

37、式中：st-岩石抗拉强度，mpa；σc-岩石抗压强度(算出来的)，mpa；k-抗拉系数(取8～15，默认取12)

38、粘聚力和内摩擦角的确定有三种方法，若在室内未进行单轴、三轴抗压强度对比实验，根据邻井经验系数来确定。

39、粘聚力：c＝3.326×10-6σckd或c＝a×ucs

40、此处a为邻井经验系数，一般情况下邻井系数比经验模型要精确,

41、其中，岩石的体积压缩模量：

42、若在室内进行了单轴、三轴抗压强度对比实验，则用以下公式计算：

43、c＝aσckd

44、φ＝a+bc

45、若在室内进行了单轴、三轴抗压强度对比实验，同样可通过邻井经验系数来确定：

46、c＝a×ucs

47、其中：

48、φ＝a+bc

49、步骤三，进行密度测井数据处理并计算上覆岩层压力以及地层孔隙压力；通过进行地应力的方向、地应力模型选择及模型参数的确定得到地应力计算结果；

50、上覆岩层压力计算通常需要对上部地层密度进行累计积分计算得到，对于上部密度测井段比较全的井，该计算非常简单，但在深水钻井过程中，该数据往往很难得到。因此需要借助声波数据或者下部地层密度数据进行拟合得到。

51、在此选用三种方法计算：gardner模型、powerlaw模型、miller模型。

52、gardner模型：(根据声波测密度，用于有测井数据里面缺密度部分数据)

53、ρ＝a(106/dt)bρ＝a(vint)b

54、式中，ρ为地层密度，dt为地层声波时差，vint为地层层速度，a、b为经验系数。

55、powerlaw模型：(根据井深算密度，用于完全没测井数据部分)

56、ρ＝ρ0+a·zb

57、式中，ρ0为表层地层密度，z为泥面以下地层深度，其它参数同上。

58、上覆岩层压力是进行孔隙压力分析、破裂压力计算的必要的基础参数，上覆岩层压力通常要通过对上覆地层密度的积分获得，但对于深水钻井，还要考虑水深及转盘高度的影响，设转盘面到海平面的高度为h1，海平面到海底泥面的深度为h2，泥面以下h3深度处的上覆岩层压力，可以通过下式计算：

59、

60、求得结果是obg

61、式中，ρw为海水密度，ρr为岩层密度，g为重力加速度。

62、地应力的计算主要有以下几种模型：

63、(1)黄氏模型

64、计算模型：由石油大学(北京)岩石力学室黄荣樽教授等人建立的黄氏模型，其计算方法为：

65、

66、

67、式中：ω1，ω2分别为水平构造应力系数。μs静态泊松比，α为biot系数，0.4-0.8范围内取值。σv为上覆岩层压力。

68、ω1，ω2计算过程：

69、

70、pf—地漏实验破裂压力，mpa

71、σh—最大水平主地应力

72、σh—最小水平主地应力

73、st—岩石抗拉强度

74、ps—瞬时停泵压力

75、pr—裂缝的重张压力

76、pp—地层孔隙压力

77、(2)组合弹簧模型

78、利用组合弹簧模型计算得到弹性构造应变系数。结果如表所示。

79、

80、

81、式中，μ为泊松比，a为biot系数，e为岩石弹性模量，εh、εh分别为沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数，pp为地层孔隙压力；h0为测井起始点深度；ρ0(h)为未测井段深度为h点的密度；ρ(h)为深度为h点的测井密度；g为重力加速度。

82、(3)多孔弹性水平应变模型法

83、该模型为水平应力估算最常用的模型，它以三维弹性理论为基础。

84、

85、

86、σh：最小水平主应力；σh：最大水平主应力；σv：总垂直应力；αvert：垂直方向的有效应力系数(biot系数)；αhor：水平方向的有效应力系数(biot系数)；μ：静态泊松比；pp：孔隙压力；e：静态杨氏模量；ξh：最小主应力方向的应变；ξh：最大主应力方向的应变。

87、(4)双轴应变模型法

88、双轴应变模型法是多孔弹性水平模型的一个特例，该特例以构造因子作输入参数，取代最大水平主应力方向的应变(ξh)

89、

90、σh＝khσh

91、式中，kh为非平衡构造因子，反映的是构造力作用下最大水平应力和最小水平应力的地区经验关系。

92、(5)一级压实模型

93、一级压实模型通常用于表层地层,预测地层在一级压实过程中所产生的水平应力的关系

94、σh＝(1-sinφ)σv

95、σh＝khσh

96、步骤四，通过全钻井液密度窗口、定向井风险分析计算、水平井风险分析计算进行坍塌压力预测、破裂压力预测、层理地层预测、非层理地层预测；并生成钻井方位风险预警图、破裂压力随井斜、方位的变化图。

97、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩井壁稳定测定方法如下步骤：

98、步骤一，获取测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数；

99、步骤二，基于获取的所述测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数计算岩石的动态弹性模量、动态泊松比、静态弹性模量、静态泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力以及内摩擦角；

100、步骤三，进行密度测井数据处理并计算上覆岩层压力以及地层孔隙压力；通过进行地应力的方向、地应力模型选择及模型参数的确定得到地应力计算结果；

101、步骤四，通过全钻井液密度窗口、定向井风险分析计算、水平井风险分析计算进行坍塌压力预测、破裂压力预测、层理地层预测、非层理地层预测；并生成钻井方位风险预警图、破裂压力随井斜、方位的变化图。

102、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述页岩井壁稳定测定方法如下步骤：

103、步骤一，获取测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数；

104、步骤二，基于获取的所述测井基础数据、井眼轨迹以及钻井参数计算岩石的动态弹性模量、动态泊松比、静态弹性模量、静态泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力以及内摩擦角；

105、步骤三，进行密度测井数据处理并计算上覆岩层压力以及地层孔隙压力；通过进行地应力的方向、地应力模型选择及模型参数的确定得到地应力计算结果；

106、步骤四，通过全钻井液密度窗口、定向井风险分析计算、水平井风险分析计算进行坍塌压力预测、破裂压力预测、层理地层预测、非层理地层预测；并生成钻井方位风险预警图、破裂压力随井斜、方位的变化图。

107、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述页岩井壁稳定测定系统。

108、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

109、第一、本发明采用分布式总线型模块化体系结构设计、总线型连接，配置灵活、功能开放，数据采集、处理速度快，可靠性高。

110、本发明的页岩井壁稳定测定系统设计合理、运行可靠、操作简便、人机交互界面友好。本发明的页岩井壁稳定测定系统能够为钻井和录井信息评价提供准确齐全的原始资料。

111、本发明的页岩井壁稳定测定系统硬件采用模块化技术设计，便于功能扩展，工程应用价值高。

112、本发明充分利用windows平台下的软件编程环境，采用visualstudio软件开发平台和sql server数据库平台开发了一套页岩井壁稳定测定软件，可以分析页岩井的坍塌和破裂压力，从而对钻井进行风险预警。

113、第二，本发明通过根据测井基础数据，井眼轨迹，钻井参数等数据进行建模分析计算得到井壁各部分受力状态，从而分析井壁破裂和坍塌的压力，为工程师优化钻井提供参考依据。

114、本发明能够实时准确地对钻井过程进行状态判别、油气评价和工程事故预报，达到了指导钻井的目的。

115、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

116、本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

117、本发明实现了安全钻井液密度窗口的精准化，为钻井工程设计和现场钻井技术人员推荐合理的钻井液密度窗口和井眼轨迹优化方案，维持井壁稳定的前提下实现快速钻井，并制定相应的措施提供参考和依据，有效的指导现场页岩气水平井的开发，配合现场钻井提速，降本增效的要求，实现页岩气水平井的安全、高效、快速的钻探作业。