[发明专利]考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法

权利要求书

1.一种考虑地层流体渗流作用的水平井井壁稳定分析方法，其特征在于，在井壁所受剪切应力的基础上叠加井壁所受的附加地层流体渗流压力构成有效剪切应力，将有效剪切应力与岩石剪切强度比较，判断井壁失稳的可能性；该方法具体包括以下步骤：

S1、取距离目标井段不同距离的多组岩心，进行渗流模拟实验，计算岩心所在地层点的等效渗透率；

S2、根据所取岩心与目标井段的距离以及等效渗透率变化，将所取岩心的地层点分为线性流区域和椭圆流区域，并建立等效渗流几何模型，对椭圆流区域的长轴和短轴长度进行赋值，计算水平井井壁所受的附加地层流体渗流压力ΔP；

S3、建立水平井井壁单元的柱面坐标受力方程，计算柱面坐标受力方程中的六种应力分量：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr；

S4、根据步骤S2和步骤S3的结果，建立地层流体渗流作用下的水平井井壁压力模型，

式中，σ₁、σ₃、τ分别为井壁处最大主应力、最小主应力、岩石破碎面上最大剪切力，Mpa；τ^e分别为地层流体渗流作用下的井壁处有效最大主应力、有效最小主应力、有效剪切应力，Mpa；α_e为有效应力系数，无量纲；υ为泊松比，无量纲；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；y_b、y_t分别表示等效地层渗流几何模型中地层流体线性流区域长度与椭圆流区域长度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；

S5、将步骤4得到的值通过式1进行验算，若式1不成立，则返回步骤S2，对椭圆流区域的长轴和短轴长度重新赋值并计算ΔP，后重复步骤4；若式1成立，遵照岩石力学Mohre-Coulomb准则，判定水平井井壁失稳可能性：

式中，为岩石内摩擦角，°，τ₀为岩石剪切强度，MPa。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作为：在距离目标水平井段的不同距离取多组岩心，进行渗流模拟实验获取相应实验数据，并根据获取的实验数据以及文献数据、按照式2计算岩心所在地层点的等效渗透率，

式中，K为岩心所在地层点的等效渗透率，mD；λ表示岩性系数，无量纲；r_σ表示岩石孔隙平均毛管半径，μm；σ表示油-汞实验测定的表面张力，mN/m；θ_σ表示汞在油固界面的润湿角，°；φ、S分别表示岩石孔隙度和孔隙中含水饱和度，％；ε表示岩石孔隙迂曲度，无量纲；Q表示渗流模拟实验时通过岩心柱的流量，m³/s；μ表示地层流体粘度，cP；L表示岩心柱长度，m；A表示岩心柱截面积，m²；p₁、p₂分别表示岩心柱进液端压力和出液端压力，Mpa；S_Hg表示压汞实验中岩心含汞饱和度，％；p_c表示岩石孔隙毛管力，Mpa。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述等效渗流几何模型如式3所示，附加地层流体渗流压力ΔP的计算方法如式4所示

式中，h表示目标地层总厚度，m；r_w表示水平井井眼半径，m；β表示地层压力梯度，MPa/100m；P_wf表示水平井内钻井液柱压力，Mpa；P_o表示原始地层压力，Mpa；M_t表示等效渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域长轴的长度之比，M_w表示等效渗透率突变处与目标井段的距离和井壁处椭圆流区域短轴的长度之比，无量纲。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述线性流区域和所述椭圆流区域的确定方式如下：距目标井段一定距离的岩心所在地层点的等效渗透率K增减幅度不超过1％时，则这些岩心所在的地层点为线性流区域；若岩心所在地层点的等效渗透率K朝目标井段为递增时，则这些岩心所在的地层点为椭圆流区域。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：

首先建立如式5所示的基于地层三维直角坐标系的水平井井壁单元体受力方程：

式中：σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别是水平井单元体六种应力分量，Mpa；σ_H、σ_h、σ_v分别是地层中原地应力场最大水平应力、最小水平应力、剪切应力，Mpa；i、α分别为井斜角与相对方位角，°；

后将其变换为如式6所示的基于柱面坐标的水平井井壁单元体受力方程：

式中：σ_r、σ_θ、σ_z、τ_rθ、τ_θz、τ_zr分别是柱面坐标变换后的六种应力分量，Mpa；θ为从井筒轴线出发的任一径向矢量方向与其横截面夹角，°；r为水平井井筒轴线至地层某点的径向距离，m。