CN111236925A - 一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，属于石油与天然气钻井工程领域，该方法包括以下步骤：A、计算出各种裂缝的宽度w；B、测量钻井液的稠度系数k、流动特性指数m和钻井液屈服应力τ_y；C、计算地层压力p_p；D、根据公式计算钻井液的漏失量，钻井液漏失模型是通过钻井液质量守恒方程、漏失动量方程、流体的流变方程和迂曲度方程联立求解，得出公式(18)和公式(23)，公式(18)是压差和漏失半径的关系式，公式(23)为钻井液总的漏失量关系式。本发明可以对裂缝性地层钻井液漏失量进行预测，以便现场工程师及时根据地层漏失情况，采取合理高效的堵漏技术，及时解决钻井风险，减少钻井液漏失。

Description

一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法

技术领域

本发明涉及一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，属于石油与天然气钻井工程领域。

背景技术

漏失是裂缝性地层钻井过程中最常见的井下复杂事故之一。漏失不仅会延长建井周期，而且损失大量人力物力。如果处理不当，还会诱发井塌、井喷等重大事故。发生漏失必须具备三个必要条件：(1)地层中存在导致漏失的漏失通道；(2)漏失通道孔径应大于钻井液固相颗粒含量；(3)井底压力大于地层孔隙压力。

目前，国内外对裂缝性地层钻井液漏失预测有了一定的研究，能一定程度上实现裂缝性地层恶性漏失的预测。常规的裂缝性漏失的预测方法主要分为地面和井下两种：地面监测方法主要基于泥浆膨胀原理，简单实用，但是时间上存在滞后性。井下监测方法主要应用随钻环空压力监测，比地面监测及时准确，但是综合要求高。目前的预测方法主要通过定性评价，缺乏定量分析。裂缝性地层钻井液漏失后，采取什么措施，主要依赖于操作人员的经验判断，缺乏科学的依据，不能采取合理的防漏堵漏措施进行补救，因此现有的裂缝性地层钻井液漏失预测技术还没有一种可以及时检测和精确定量预测，以便现场工程师及时根据地层漏失情况，采取合理高效的堵漏技术，及时解决钻井风险，减少钻井液漏失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，可以对裂缝性地层钻井液漏失量进行预测，以便现场工程师及时根据地层漏失情况，采取合理高效的堵漏技术，及时解决钻井风险，减少钻井液漏失。

一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，包括以下步骤：

A、计算出各种裂缝的宽度w；

B、测量钻井液的稠度系数k、流动特性指数m和钻井液屈服应力τ_y；

C、计算地层压力p_p；

D、根据公式计算钻井液的漏失量；

具体为，裂缝性地层钻井液漏失模型通过以下方法计算得到：

由质量守恒原理，可得钻井液漏失连续性方程微分方程：

其中，r为漏失半径m；v_r为钻井液沿径向方向的流速，m/s；

由牛顿第二定律，可得钻井液漏失动量方程为：

其中，ρ为钻井液密度，kg/m³；p为钻井液压力，Pa；τ_rr为钻井液沿径向的剪切应力，Pa；，τ_θθ为钻井液沿垂直于径向方向的剪切应力，Pa；τ_rz为钻井液沿垂直方向的剪切应力，Pa；z为裂缝内钻井液距流核的距离，m；

相对于径向速度，垂向速度非常小，因此可以忽略不计，即τ_rr＝τ_θθ＝0

对z积分可得：

钻井液本构方程

其中，τ为钻井液剪切应力，即钻井液流动时的剪切应力，Pa；τ_y为钻井液屈服应力，即钻井液从静止到流动需要克服的剪切应力，Pa；

为钻井液在z方向的速度梯；k为稠度系数，Pa·sⁿ；m为流动特性指数；

由幂律流体的屈服流变性可知，当-z_p≤z≤z_p时，其中，z_p为流核半宽，m，裂缝中的流体形成了流核，流核中速度一样，即

裂缝力学开度、水力开度与裂缝迂曲度间关系为：

其中，w_m为裂缝力学开度，m；w_h为裂缝水力开度，m；δ为裂缝迂曲度，取值范围为1～2；

当z_p≤z,z≤-z_p时，

由公式(4)式可知：

其中，dp为压差，Pa；dr为漏失距离的微分形式，m；

由公式(1)(5)(7)可得

积分可得流速：

当-z_p≤z≤z_p时，即为z＝z_p时的流速：

v_p为流核区域钻井液的流速，m/s；

流核区域流量为：

非流核区域流量为

裂缝的漏失速率为：

将公式(7)带入公式(13)，可得

整理公式(14)可得：

忽略高阶项，可得

由公式(16)可得

不考虑裂缝变形及迂曲度时：

p_i为钻井液漏失前缘的压力，Pa；P_w为井底压力，Pa；i取值为1,2,3…；r_i为钻井液漏失半径，m；r₀为井筒半径，m；r_f为漏失距离，dr为漏失距离的微分形式；

公式(7)中的压差dp是压力的微分形式，为钻井液漏失前缘与井底压力之差，积分后的压差等于公式(18)中的P_i-P_w；

考虑裂缝迂曲度时：

漏失速率Q与时间的关系：

其中，V_m为漏失过程中的漏失量，m³；

代入(19)可得：

其中，r_w为井底半径，m；

当

钻井液漏失最远距离为：

其中，r_max为钻井液最大的漏失距离，m；Δp为地层压力和井底压力之差，Pa；Δp＝P_p-P_w，此时的压差是漏失过程的最大压差；

钻井液的总漏失量：

其中，r_w为井底半径，m。

优选的，步骤A中，通过电成像测井资料计算出各种裂缝的宽度。

优选的，步骤B中，采用旋转粘度计测量钻井液的稠度系数、流动特性指数和流动特性指数屈服应力。

优选的，步骤C中，利用声波测井数据采用声波时差法计算地层压力p_p；在标准声波时差资料上选择泥质含量大于80％的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相应地声波时差值，并在半对数曲线上描点；建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程；将测井曲线上的声波时差值带入趋势线方程，求出等效深度H；计算出地层压力p_p。

由于泥岩相对于砂岩受岩性影响小，能真实反映所处部位的地层压力大小。本发明预测方法任何层都适合，只是选取时选取泥质含量较多的层段进行地层压力计算。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

本发明通过建立裂缝性地层钻井液漏失模型，通过裂缝特征、钻井液流变性能、井底压力和地层压力来实现钻井液漏失量的定量预测，使得钻井液能够在早期被发现，从而及时采取合理有效的针对性措施进行防漏堵漏，降低钻井风险，减少钻井液漏失。

附图说明

图1为本发明的裂缝性地层钻井液漏失模型；

图2为不同裂缝宽度w条件下的裂缝性地层钻井液漏失量变化趋势图；

图3为不同钻井液屈服应力τ_y条件下裂缝性地层钻井液漏失量变化趋势图；

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，包括以下几个步骤：

裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，包括以下步骤：

A、通过电成像测井资料计算出各种裂缝的宽度w；

B、采用旋转粘度计测量钻井液的稠度系数k、流动特性指数m和钻井液屈服应力τ_y；

C、计算地层压力p_p，具体的，利用声波测井数据采用声波时差法计算地层压力p_p；在标准声波时差资料上选择泥质含量大于80％的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相应地声波时差值，并在半对数曲线上描点；建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程；将测井曲线上的声波时差值带入趋势线方程，求出等效深度H；计算出地层压力p_p；

D、根据公式计算钻井液的漏失量；

具体为：裂缝性地层钻井液漏失模型通过以下方法计算得到：

由质量守恒原理，可得钻井液漏失连续性方程微分方程：

其中，r为漏失半径m；v_r为钻井液沿径向方向的流速，m/s；

由牛顿第二定律，可得钻井液漏失动量方程为：

其中，ρ为钻井液密度，kg/m³；p为钻井液压力，Pa；τ_rr为钻井液沿径向的剪切应力，Pa；，τ_θθ为钻井液沿垂直于径向方向的剪切应力，Pa；τ_rz为钻井液沿垂直方向的剪切应力，Pa；z为裂缝内钻井液距流核的距离，m；

相对于径向速度，垂向速度非常小，因此可以忽略不计，即τ_rr＝τ_θθ＝0

对z积分可得：

钻井液本构方程

其中，τ为钻井液剪切应力，即钻井液流动时的剪切应力，Pa；τ_y为钻井液屈服应力，即钻井液从静止到流动需要克服的剪切应力，Pa；

为钻井液在z方向的速度梯；k为稠度系数，Pa·sⁿ；m为流动特性指数；

由幂律流体的屈服流变性可知，当-z_p≤z≤z_p时，其中，z_p为流核半宽，m，裂缝中的流体形成了流核，流核中速度一样，即

裂缝力学开度、水力开度与裂缝迂曲度间关系为：

其中，w_m为裂缝力学开度，m；w_h为裂缝水力开度，m；δ为裂缝迂曲度，取值范围为1～2；

当z_p≤z,z≤-z_p时，

由公式(4)式可知：

其中，dp为压差，Pa；dr为漏失距离的微分形式，m；

由公式(1)(5)(7)可得

积分可得流速：

当-z_p≤z≤z_p时，即为z＝z_p时的流速：

v_p为流核区域钻井液的流速，m/s；

流核区域流量为：

非流核区域流量为

裂缝的漏失速率为：

将公式(7)带入公式(13)，可得

整理公式(14)可得：

忽略高阶项，可得

由公式(16)可得

不考虑裂缝变形及迂曲度时：

p_i为钻井液漏失前缘的压力，Pa；P_w为井底压力，Pa；i取值为1,2,3…；r_i为钻井液漏失半径，m；r₀为井筒半径，m；r_f为漏失距离，dr为漏失距离的微分形式；

公式(7)中的压差dp是压力的微分形式，为钻井液漏失前缘与井底压力之差，积分后的压差等于公式(18)中的P_i-P_w；

考虑裂缝迂曲度时：

漏失速率Q与时间的关系：

其中，V_m为漏失过程中的漏失量，m³；

代入(19)可得：

其中，r_w为井底半径，m；

当

钻井液漏失最远距离为：

其中，r_max为钻井液最大的漏失距离，m；Δp为地层压力和井底压力之差，Pa；Δp＝P_p-P_w，此时的压差是漏失过程的最大压差；

钻井液的总漏失量：

其中，r_w为井底半径，m。

根据公式(19)和公式(23)即可计算出任一裂缝性地层钻井液总漏失量。

本发明中，钻井液漏失模型是通过钻井液质量守恒方程、漏失动量方程、流体的流变方程和迂曲度方程联立求解，得出公式(18)和公式(23)，公式(18)是压差和漏失半径的关系式，公式(23)为钻井液总的漏失量关系式。

实施例2：

一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，步骤如实施例1所示，预测裂缝性地层钻井液漏失量所需参数如表1所示

表1：计算漏失量所需参数

参数	参数值
		w	0.5mm
r<sub>w</sub>	0.03m
		r<sub>i</sub>	1m
τ<sub>y</sub>	10pa·s
		k	0.1pa·s<sup>m</sup>
m	0.8
		Q	0.1m<sup>3</sup>/s
p<sub>w</sub>	30MPa
		P<sub>p</sub>	20MPa
δ	1.8
		V<sub>lost</sub>	235.30m<sup>3</sup>
现场实际	221.02m<sup>3</sup>
		误差	6.46％

已知表1参数，根据公式(23)计算钻井液的总漏失量，为235.30m³，通过现场实际测量的总漏失量为221.02m³，误差为6.46％，说明本发明的钻井液漏失量预测方法与实际相差不大，可对裂缝性地层钻井液漏失量进行定量预测。

图1为本发明的某一裂缝性地层钻井液漏失模型示意图，图1的箭头为钻井液漏失方向。

根据公式(19)可计算不同裂缝宽度w、不同压差(即P_i-P_w)和不同钻井液屈服应力τ_y下，钻井液的漏失距离；

根据公式(23)计算得到总漏失量，在不同压差、不同裂缝的宽度下，得到图2的漏失量与不同裂缝宽度w和压差的变化关系；

由图2可以看出，随着裂缝宽度w的增加，压差越大，裂缝内的钻井液压力，即钻井液漏失前缘的压力p_i下降越缓慢，漏失量越大；当裂缝宽度为0.5mm，压力迅速下降，漏失自行停止。

根据公式(23)计算得到漏失量，在不同压差、不同钻井液屈服应力τ_y下，得到图3的漏失量与不同压差、不同的钻井液屈服应力τ_y变化关系；

由图3可以看出，随着钻井液屈服应力τ_y的增加，裂缝性地层钻井液漏失量越小。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，包括以下步骤：

A、计算出各种裂缝的宽度w；

B、测量钻井液的稠度系数k、流动特性指数m和钻井液屈服应力τ_y；

C、计算地层压力p_p；

D、根据公式计算钻井液的漏失量；

具体为，裂缝性地层钻井液漏失模型通过以下方法计算得到：

由质量守恒原理，可得钻井液漏失连续性方程微分方程：

其中，r为漏失半径m；v_r为钻井液沿径向方向的流速，m/s；

由牛顿第二定律，可得钻井液漏失动量方程为：

其中，ρ为钻井液密度，kg/m³；p为钻井液压力，Pa；τ_rr为钻井液沿径向的剪切应力，Pa；，τ_θθ为钻井液沿垂直于径向方向的剪切应力，Pa；τ_rz为钻井液沿垂直方向的剪切应力，Pa；z为裂缝内钻井液距流核的距离，m；

相对于径向速度，垂向速度非常小，因此可以忽略不计，即τ_rr＝τ_θθ＝0

对z积分可得：

钻井液本构方程

其中，τ为钻井液剪切应力，Pa；τ_y为钻井液屈服应力，Pa；

为钻井液在z方向的速度梯；k为稠度系数，Pa·sⁿ；m为流动特性指数；

由幂律流体的屈服流变性可知，当-z_p≤z≤z_p时，其中，z_p为流核半宽，m，裂缝中的流体形成了流核，流核中速度一样，即

裂缝力学开度、水力开度与裂缝迂曲度间关系为：

其中，w_m为裂缝力学开度，m；w_h为裂缝水力开度，m；δ为裂缝迂曲度，取值范围为1～2；

当z_p≤z,z≤-z_p时，

由公式(4)式可知：

其中，dp为压差，Pa；dr为漏失距离的微分形式，m；

由公式(1)(5)(7)可得

积分可得流速：

当-z_p≤z≤z_p时，即为z＝z_p时的流速：

v_p为流核区域钻井液的流速，m/s；

流核区域流量为：

非流核区域流量为

裂缝的漏失速率为：

将公式(7)带入公式(13)，可得

整理公式(14)可得：

忽略高阶项，可得

由公式(16)可得

不考虑裂缝变形及迂曲度时：

p_i为钻井液漏失前缘的压力，Pa；P_w为井底压力，Pa；i取值为1,2,3…；r_i为钻井液漏失半径，m；r₀为井筒半径，m；r_f为漏失距离，dr为漏失距离的微分形式；

考虑裂缝迂曲度时：

漏失速率Q与时间的关系：

其中，V_m为漏失过程中的漏失量，m³；

代入(19)可得：

其中，r_w为井底半径，m；

当

钻井液漏失最远距离为：

其中，r_max为钻井液最大的漏失距离，m；Δp为地层压力和井底压力之差，Pa；Δp＝P_p-P_w；

钻井液的总漏失量：

其中，r_w为井底半径，m。

2.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，其特征在于，步骤A中，通过电成像测井资料计算出各种裂缝的宽度。

3.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，其特征在于，步骤B中，采用旋转粘度计测量钻井液的稠度系数、流动特性指数和流动特性指数屈服应力。

4.根据权利要求1所述的裂缝性地层钻井液漏失量预测方法，其特征在于，步骤C中，利用声波测井数据采用声波时差法计算地层压力p_p；在标准声波时差资料上选择泥质含量大于80％的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相应地声波时差值，并在半对数曲线上描点；建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程；将测井曲线上的声波时差值带入趋势线方程，求出等效深度H；计算出地层压力p_p。

Images