一种人工加热致使井壁破裂的方法及其分析方法与流程

1.本发明涉及热压致裂地应力测量技术领域，具体是一种人工加热致使井壁破裂的方法及其分析方法。


背景技术：

2.目前的最大水平主应力测量过程包括井壁破裂观测、钻进诱发张裂缝测试、水力压裂测试等一系列测试。该技术已在石油、天然气工业中得到广泛应用，但仍有一些缺陷阻碍最大主应力的测量，如自然发生的井壁破裂并不可控。作为最大水平主应力的直接测量指标，井壁破裂若未出现，将会导致最大水平主应力测量出现数据缺失。
3.原先技术先通过水力压裂法测量最小水平主应力(当井壁裂缝张开或闭合时，测量当前液压，即为最小主应力大小)。随之应用线弹性理论推知钻孔周围应力分布，以最小水平主应力和破裂重张压力为基础估计最大水平主应力。最后通过井眼成像测井测得裂缝的取向，即最大水平主应力的取向。但由于裂缝取向难探测、裂缝形成不可控、井压对结果有影响等因素导致该方法精确度欠佳。直到井眼成像技术及定向井径测量技术得到发展，才促使井壁破裂成为地应力测量的重要指标。结合井壁破裂和水力压裂缝的测量数据，可较为精确地测定最大水平主应力和最小水平主应力与深度的函数关系。
4.最大水平主应力足够大且其对最小水平主应力的比率足够大时，应力集中超过岩石抗压系数，井壁破裂发生。因而井壁破裂在大多数情况下都难以发生。现有技术并不能人为诱导井壁破裂发生，因此，传统地应力测量方法并不能应用于所有地区。
5.近期研究中，一种融化回填材料以封闭钻井的井底电阻加热装置得以问世，并指出该装置在不规律加热时可能引发钻井产生压缩断裂和拉伸断裂。但该实验在各向同性介质中进行，得出的热引发井壁破裂与地应力关系并不严谨。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了人工加热致使井壁破裂的方法及其分析方法。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种人工加热致使井壁破裂的方法，其特征在于：包括以下两个步骤：
8.s1.向钻井底加入加热器:
9.s2.人工加热致使钻井井壁破裂。
10.一种人工加热致使井壁破裂方法的分析方法，包括确定性分析和数据分析两方面。
11.作为本发明的进一步方案，其中确定性分析包括：
12.(1)钻井周围热力诱发的环压的确定性分析，通过求解不同温度条件下钻井周围环压大小并与无侧限抗压强度比较，估计钻井井壁破裂产生的可能性；
13.(2)求解在不同的最大水平主应力值条件下，满足使环压超过无侧限抗压强度的
温度差，评估最大水平主应力、井壁破裂角宽度、温度升高量之间的关系。
14.作为本发明的进一步方案，该数据分析包括：
15.(1)在限定温度差、井壁破裂角宽度、材料特性参数的条件下求解最大水平主应力分布曲线，从而对热力诱导井壁破裂测量最大水平主应力方法的精度及灵敏度进行数据分析；
16.(2)在不同特定情况下开展montecarlo模拟，求得井壁破裂发生的累计概率曲线，从而对最大水平主应力测量成功概率估计进行数据分析。
17.与现有技术相比，该人工加热致使井壁破裂的方法具备如下有益效果：
18.该方法弥补了传统最大水平主应力测量中自然发生的井壁破裂不可控的缺陷，扩展了该测量方法的应用范围。该建模分析包括：钻井周围热力诱发的环压的确定性分析；最大水平主应力、井壁破裂角宽度、温度升高量之间的关系评估；热力诱导井壁破裂测量最大水平主应力方法精度及灵敏度的数据分析；对在不同特定情况下的最大水平主应力测量成功概率估计数据分析。该数据分析全面证实了人工加热致使井壁破裂方法的可行性，分析了该方法所需的条件范围，为该方法提供理论基础。
附图说明
19.图1为拟合于(a)热膨胀系数，(b)杨氏模量，(c)柏松指数，(d)ucs的正态分布曲线；
20.图2为两种不同温度条件下计算的钻井周围环压；
21.图3为最大水平主应力，角宽度，温度差之间关系的等值线图；
22.图4为角宽度为30
°
温度差为30℃条件下，基于建模参数的数值误差得到的最大水平主应力测量分布；
23.图5为最大水平主应力对材料特质分布的标准差改变量的敏感度。虚线反映了最大水平主应力标准差的基准线。
24.图6为诱导角宽度至少为0
°
的井壁破裂发生的累积成功率；
25.图7为诱导角宽度至多为50
°
的井壁破裂发生的累积成功率；
26.图8为温度差为30℃条件下累积概率对比。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
28.该建模分析建立在经典kirsch解基础上。虽然经典kirsch解严格要求钻孔为圆形，但近代研究已将其分析范围扩展到椭圆形，即通常情况下坍塌发生前的钻孔形状。相比于椭圆形钻井分析，经典kirsch解由于一些表面形状差异倾向于低估最大水平主应力，但差距较小。为了分析简便，在此采用经典kirsch解并与传统井壁破裂分析保持一致。图1展示了垂直钻孔的水平应力组成，方位角取向以及井壁破裂示意。
29.通过图1以及kirsch解，可得温度差不变情况下井周环压：
30.σ
θθ
＝s
hmin
s
hmax
2(s
hmax-s
hmin
)cos2θ-p
0-pm α
t
eδt/(1-ν)(1)
31.σ
θθ
为井周环压，
32.s
h min
为最小水平主应力，
33.s
h max
为最大水平主应力,
34.θ为最小水平主应力方向为极轴的方位角，
35.p0为钻井压力，
36.pm为泥土自重或钻井内壁压力，
37.α
t
，e，ν分别为岩石热膨胀相关密度系数，杨氏模量，泊松比率，δt为井壁表面温度改变量。
38.为使井壁破裂发生，钻井表面所受挤压必须超过岩石的抗压强度。由式(1)，诱导井壁温度上升会导致井壁环压增大，为诱导井壁破裂发生提供了可控方法。长久以来，井壁环压的热弹性效应都是钻井安全性计算的一个重要因素。本专利用环压大于无侧限抗压强度作为井壁破裂发生依据。即
39.σ
θθ
≥uc s
40.(2)
41.实地规模的岩石无侧限抗压强度常比实验室规模的岩石无侧限抗压强度小2到10个单位强度。为对人工诱导井壁破裂发生的方法进行理论证明，得到理论产生井壁破裂的保守温度差，本专利采用实验室规模的岩石无侧限抗压强度。考虑到简便性，式(1)只考虑了平稳热传递以及井壁表面温差。虽然瞬时热传递能为热压力变化提供更精确的估测数据，但为表现该理论基础及其局限性，本专利忽略了瞬时热传递效应。
42.在式(1)中，本专利引入并定义应力，压力以及材料密度等物理参数以计算井壁表面环压，并认为应力和压力能通过实际条件精确确定。相对而言，由于地质复杂性，通常情况下材料特质表现出固有的可变特性，难以被精确确定。由于实际应用中的不确定性，本专利通过现有数据材料估计材料特质。
43.本专利利用典型钻井区域中的地球物理电缆测井数据以及理论关系、经验关系来得到材料特质的偏差。基于这些偏差，为得到材料特质的合理数据期望，本专利为每个材料特质拟合了正态分布曲线。表1列出了本次研究所用的建模参数，图1列出了拟合每个材料特质参数的正态分布曲线。
[0044][0045]
表1—建模参数
[0046]
具体实施方法
[0047]
s1：确定性分析：本次数据建模分析进行以下两种确定性分析：
[0048]
a：确定钻井周围热力诱发的环压。在这个过程中，本专利用表1中列出的确定的平均参数值来解方程(1)，从而得到井壁破裂产生的可能性。
[0049]
b：明确评估最大水平主应力、井壁破裂角宽度、温度升高量之间的关系。在这个过程中，本专利利用方程(1)以求解在不同的最大水平主应力值条件下，满足使环压超过无侧限抗压强度的温度差。
[0050]
s2：数据分析：本次建模数据分析进行以下两种数据分析：
[0051]
a：对热力诱导井壁破裂测量最大水平主应力方法的精度及灵敏度进行数据分析。在温度差和井壁破裂角宽度已知，材料特性参数基于图1中的正态分布曲线数据取样的条件下，本专利采用monte carlo方法解方程(1)以求解最大水平主应力。
[0052]
b：对在不同特定情况下的最大水平主应力测量成功概率估计进行数据分析。基于材料特性数值正态分布，本专利进一步利用monte carlo模拟方法评估最大水平主应力测量的积累成功概率。在该过程中，本专利进行了500000次重复实验以得到代表性数据组。
[0053]
建模分析结果如下：
[0054]
a：确定性评估：本次建模分析确定性评估结果如下：
[0055]
①
：基于表1中的参数平均值，在加热钻井温度差为0℃(温度不上升)和30℃的条件下解出方程(1)中的环压大小。如图2所示，在温差为0℃时环压不能超过无侧限抗压强度，井壁破裂不会发生。相比之下，当钻井被加热升温30℃时，环压大小超过无侧限抗压强度界限，产生大约35
°
角宽度的井壁破裂现象。实际应用中，将测得的井壁破裂角宽度和温度差带入方程(1)反算出最大水平主应力。而当温度差为0℃时，井壁破裂不会发生，无法估算最大水平主应力。
[0056]
②
：本方法进一步推广该确定性分析方法到评估热力引起井壁破裂的过程。图3展示了最大水平主应力，井壁破裂角宽度和温度差之间关系的等值线图。
[0057]
基于图3，可以得到以下重要结论：
[0058]
1:在没有人为加热致使井壁升温的条件下，发生井壁破裂现象至少需约45mpa的最大水平主应力。
[0059]
2:在最大水平主应力和最小水平主应力都近似为20mpa的条件下(水平应力比率接近1.0)，诱发井壁破裂产生需要使井壁温度上升约100℃。同时，在最大水平主应力和最小水平主应力较小时，井壁破裂角宽度明显对微小温差改变敏感。这种在微小水平应力比率条件下的温差敏感性和质疑onkalo热力诱导井壁破裂实验(siren et al.2015)的观点相吻合。
[0060]
3:有时并不需要精确控制钻井加热器加热的温度差以达到井壁破裂条件。例如当最大水平主应力为40mpa时，加热温度差在20℃到70℃之间能诱导角宽度为0
°
到90
°
的井壁破裂产生。
[0061]
b：数据评估：本次建模分析数据评估结果如下：
[0062]
①
：考虑到地质材料的固有不确定性，本专利运用材料特质正态分布以数据化评估热力诱导井壁破裂过程。考虑到简便性，本专利只考虑材料特性误差，并通过图1中的正态分布拟合曲线刻画该误差。基于材料特性误差，运用方程(1)对monte carlo模拟评估最大水平主应力的取值分布。
[0063]
以角宽度为30
°
，温度差为30℃为例，建模参数采用表1所列值(除了最大水平主应力)进行模拟。图4展示了由此得来的最大水平主应力结果。对于采用的参数及材料特性误差，所得的最大水平主应力期望为大约39mpa，与图3所示结果一致。所得标准差为3.8mpa。基于拟合于最大水平主应力模拟结果的正态分布曲线，最大水平主应力测量值在33mpa到45mpa的范围内的概率大约是90％。
[0064]
②
：为评估每个材料特质对最大水平主应力分布测量的影响，本专利开展了一个敏感度测试，单独考虑每种材料特质标准差，得到相应的最大水平主应力标准差。如图5所示，杨氏模量，泊松指数和热膨胀系数对于最大水平主应力标准差影响相对较小。因此，在热力诱导井壁破裂技术实地应用中，若要减少最大水平主应力测量的不确定性，则需改进无侧限抗压强度标准描述(或其他应用的破裂标准)。
[0065]
传统利用自然井壁破裂的办法同样受制于相同的非封闭抗压强度精度。因此，热力诱导井壁破裂方法中最大水平主应力对无侧限抗压强度的灵敏度应与传统方法一致。在引入热压力的kirsch解中，最大水平主应力同样不对其他的材料特质参数(热膨胀系数，杨氏模量，泊松系数)表现出灵敏性。因此，在测量最大水平主应力过程中，相比于应用传统钻井引发井壁破裂技术，应用热力诱导井壁破裂技术并不会带来更多不确定性。
[0066]
③
：为了解在不同加热温度、不同最大水平主应力的情况下热力诱导井壁破裂的累积成功率，本专利采用图1所示材料特质参数分布，进一步开展了monte carlo模拟。图6展示了井壁破裂角宽度至少为0
°
(井壁破裂发生的最小条件)的累积概率。基于图6，可以得到以下结论：
[0067]
1:在温度差为0℃的条件下(没有升温)，最大水平主应力大于约45mpa，诱导井壁破裂发生的可能性处于合理范围内。
[0068]
2:在温度差为60℃的条件下，最大水平主应力大于约30mpa，诱导井壁破裂发生的可能性处于合理范围内。
[0069]
3:基于材料特性的固有误差和适中的加热温度(最多60℃)，在30mpa到45mpa之间的最大水平主应力和对应的建模参数下，热力诱导井壁破裂技术可行。
[0070]
④
：图6只展示了成功诱导井壁破裂产生的成功概率，但却没有考虑过大的井壁破裂角宽度带来的潜在不稳定性甚至井壁完全坍塌的可能性。因此，本专利进行了monte carlo模拟来评估井壁破裂角宽度不超过50
°
的积累可能性(井壁破裂角宽度不足以破坏钻井稳定性)。图7展示了可能性的模拟结果。
[0071]
基于图7，可以得到以下结论：
[0072]
1:当温度差为0℃时，为确保井壁破裂角宽度不会太大，最大水平主应力小于约55mpa。
[0073]
2:当温度差为60℃时，为确保井壁破裂角宽度不太大，最大水平主应力小于约35mpa。
[0074]
3:基于材料特质的固有误差和适中的加热温度差(最大60℃)，为避免钻井不稳定，热力诱导井壁破裂技术应用时需考虑合适的温度以得到确定的最大水平主应力值。
[0075]
⑤
：结合图6图7结论，本专利以升温30℃为例进行了可能性对比，大致评估了成功诱导井壁破裂且不会产生过大的角宽度的可能性。结果如图8所示。
[0076]
基于图8，可以得到以下结论：
[0077]
1:当最大水平主应力为40mpa时，井壁破裂角宽度在0
°
到50
°
之间的概率约为75％。
[0078]
2:相对地，井壁破裂不发生(角宽度小于0
°
)或角宽度过大的概率是25％。
[0079]
3:如图8虚线所示，如果最大水平主应力大小在37mpa到43mpa之间，则角宽度在0
°
到50
°
范围内的井壁破裂发生概率约为50％。
[0080]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。