一种定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法

本发明涉及石油天然气工程的，尤其涉及一种定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法。

背景技术：

1、在石油与天然气勘探开发过程中，钻井液作为井筒与地层之间的主要介质，其密度的合理设计对于保证井壁稳定性和避免井喷等工程事故具有至关重要的作用。钻井液密度过低时，井筒周围岩石容易发生坍塌、掉块、卡钻以及井径扩大等失稳问题；而钻井液密度过高时，又可能导致地层破裂、漏失甚至诱发井喷，从而严重威胁钻井施工的安全与经济性。因此，如何在钻井前准确预测钻井液的安全密度窗口，始终是钻井工程领域的核心问题之一。

2、现有技术中，钻井液安全密度窗口的预测方法多基于地应力状态、孔隙压力以及岩石力学参数构建地质力学模型，并利用mohr-coulomb准则、drucker-prager准则等经典破坏判据来计算井筒周围岩石在不同液柱压力作用下的失稳情况。这些方法能够在一定程度上获得井壁的坍塌压力与破裂压力，为安全密度窗口的确定提供参考。然而，现有技术一般仅采用完整岩石的力学参数进行预测，这样往往会低估实际的井壁失稳风险，使得预测结果与实际钻井过程中出现的坍塌、漏失等现象存在较大偏差，降低了预测结果的可靠性。

3、因此，如何在同一预测框架内兼顾不同介质类型的失稳特征并加以精准判定，进而通过合理的融合策略获得综合安全密度窗口，是本领域亟待解决的技术问题。本申请针对上述需求，提出了一种通过分项评价与加权融合策略确定综合安全密度窗口的预测方法，旨在提高钻井液安全密度窗口预测结果的可靠性和工程适用性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，解决了现有钻井液安全密度窗口预测方案存在的仅考虑岩体基质、力学判据适配性差、权重依靠经验赋值、无法连续量化井段安全窗口中的至少一项技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：

3、本发明提供了一种定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，包括以下步骤：

4、s1、获取目标地层的地质力学参数和岩石强度参数，所述岩石强度参数包括完整岩石强度参数和裂缝弱面强度参数；

5、s2、设置初始液柱压力，基于所述地质力学参数，求解相应液柱压力下的井壁处应力状态；

6、s3、根据所述井壁处应力状态分别确定完整岩石的主应力、裂缝弱面的正应力与切应力，并分别代入相应的剪切屈服准则、拉伸屈服准则进行破坏判定；针对完整岩石和裂缝弱面，自初始液柱压力起递增遍历各液柱压力，分别记录满足剪切屈服准则、拉伸屈服准则的液柱压力；

7、s4、在满足破坏条件的液柱压力结果中，分别取剪切记录结果中的最大值作为坍塌压力，取拉伸记录结果中的最小值作为破裂压力；

8、s5、确定所述完整岩石和所述裂缝弱面二者的权重，结合二者对应的坍塌压力，得到综合坍塌密度，结合二者对应的破裂压力，得到综合破裂密度；所述综合坍塌密度、所述综合破裂密度依次作为钻井液综合安全密度窗口的下、上阈值，以此确定钻井液综合安全密度窗口。

9、进一步的，s1中，所述地质力学参数和岩石强度参数包括但不限于：三向地应力、孔隙压力、裂缝弱面的倾角和倾向、岩石泊松比、岩石杨氏模量、岩石的粘聚力和内摩擦角、裂缝弱面的粘聚力和内摩擦角、岩石抗拉强度、裂缝弱面抗拉强度。

10、进一步的，s2中，求解相应液柱压力下的井壁处应力状态，具体包括：将地应力矩阵从大地坐标系转换到井筒坐标系，获得井筒坐标系下的边界条件；基于弹性力学孔边应力集中理论，利用所述边界条件求解井壁处应力状态矩阵。

11、进一步的，s3中，根据所述井壁处应力状态分别确定完整岩石的主应力、裂缝弱面的正应力与切应力，具体包括：对井壁处应力状态矩阵进行特征值分解，获得完整岩石的主应力；将井壁处应力状态矩阵从井筒坐标系转换到裂缝坐标系，获得裂缝弱面的应力状态矩阵；根据所述裂缝弱面的应力状态矩阵求解裂缝弱面上的正应力和切应力。

12、进一步的，s3中，所述完整岩石的剪切屈服准则为mogi-coulomb屈服准则，所述裂缝弱面的剪切屈服准则为jaeger弱面屈服准则；所述完整岩石和所述裂缝弱面的拉伸屈服准则均为最大抗拉强度准则。

13、进一步的，s4中，确定所述完整岩石和所述裂缝弱面的权重，具体包括：

14、基于原地应力场的主应力值和岩石强度参数，计算天然裂缝发育程度指标y：

15、将所述天然裂缝发育程度指标y作为裂缝弱面失稳指标的权重值，将1-y作为完整岩石失稳指标的权重值。

16、进一步的，所述天然裂缝发育程度指标y的计算过程如下：

17、；

18、；

19、其中为岩石黏聚力，为岩石内摩擦角；为三向地应力里依次减小的主应力。

20、进一步的，s5中，所述综合坍塌密度是根据所述完整岩石和所述裂缝弱面的权重，对二者的坍塌压力进行加权求和后转换为密度，或者将二者的坍塌压力分别转换为密度后再进行加权求和而得到；所述综合破裂密度的求取原理与所述综合坍塌密度相同。

21、进一步的，还包括多深度遍历计算步骤：

22、对目标地层内的多个深度点，分别重复执行所述s2至s5，或者重复执行所述s2至s4并将最后结果输入s5，获得各深度点对应的综合坍塌密度与综合破裂密度，以此确定各深度点的钻井液综合安全密度窗口。

23、进一步的，完成多深度遍历计算后，还包括：以深度为纵轴、钻井液密度为横轴，将各深度点的综合坍塌密度与综合破裂密度绘制成深度-钻井液密度曲线；所述曲线中，所述综合坍塌密度与所述综合破裂密度之间的带状区域，即为能够满足工程连续作业要求的钻井液综合安全密度窗口连续分布带。

24、与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

25、（1）本发明通过在同一框架内并行处理完整岩石与裂缝弱面两类失稳介质，针对各自破坏机制分别提取应力特征量并选用适配的屈服准则（完整岩石采用mogi-coulomb准则、裂缝弱面采用jaeger弱面屈服准则）进行精准判定，克服了现有技术因仅考虑单一介质而低估井壁失稳风险的缺陷，显著提高了裂缝性地层安全密度窗口预测的可靠性。

26、（2）本发明通过构建由原地应力主应力值和岩石强度参数驱动的天然裂缝发育程度指标y来确定权重值，使裂缝弱面权重随地层实际裂缝发育特征自适应匹配，避免了传统方法依赖地区经验或试错调整带来的主观性，保障了权重赋值的客观性和力学合理性。

27、（3）本发明通过全井段多深度遍历计算，能够系统揭示安全窗口沿井深的连续分布形态，并以深度-密度曲线形式直观输出，便于精准识别高风险井段并指导钻井液密度分段设计，有效促进了预测结果向工程实践的转化。

1.一种定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s1中，所述地质力学参数和岩石强度参数包括但不限于：三向地应力、孔隙压力、裂缝弱面的倾角和倾向、岩石泊松比、岩石杨氏模量、岩石的粘聚力和内摩擦角、裂缝弱面的粘聚力和内摩擦角、岩石抗拉强度、裂缝弱面抗拉强度。

3.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s2中，求解相应液柱压力下的井壁处应力状态，具体包括：将地应力矩阵从大地坐标系转换到井筒坐标系，获得井筒坐标系下的边界条件；基于弹性力学孔边应力集中理论，利用所述边界条件求解井壁处应力状态矩阵。

4.根据权利要求3所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s3中，根据所述井壁处应力状态分别确定完整岩石的主应力、裂缝弱面的正应力与切应力，具体包括：对井壁处应力状态矩阵进行特征值分解，获得完整岩石的主应力；将井壁处应力状态矩阵从井筒坐标系转换到裂缝坐标系，获得裂缝弱面的应力状态矩阵；根据所述裂缝弱面的应力状态矩阵求解裂缝弱面上的正应力和切应力。

5.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s3中，所述完整岩石的剪切屈服准则为mogi-coulomb屈服准则，所述裂缝弱面的剪切屈服准则为jaeger弱面屈服准则；所述完整岩石和所述裂缝弱面的拉伸屈服准则均为最大抗拉强度准则。

6.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s5中，确定所述完整岩石和所述裂缝弱面二者的权重，具体包括：

7.根据权利要求6所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，所述天然裂缝发育程度指标y的计算过程如下：

8.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，s5中，所述综合坍塌密度是根据所述完整岩石和所述裂缝弱面的权重，对二者的坍塌压力进行加权求和后转换为密度，或者将二者的坍塌压力分别转换为密度后再进行加权求和而得到；所述综合破裂密度的求取原理与所述综合坍塌密度相同。

9.根据权利要求1所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，还包括多深度遍历计算步骤：

10.根据权利要求9所述的定量预测裂缝性地层钻井液安全密度窗口的方法，其特征在于，完成多深度遍历计算后，还包括：以深度为纵轴、钻井液密度为横轴，将各深度点的综合坍塌密度与综合破裂密度绘制成深度-钻井液密度曲线；所述曲线中，所述综合坍塌密度与所述综合破裂密度之间的带状区域，即为能够满足工程连续作业要求的钻井液综合安全密度窗口连续分布带。