一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法

1.本发明涉及页岩开发技术领域，特别涉及一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法。


背景技术：

2.页岩气勘探开发在四川盆地已进入大规模开采阶段，然而由于页岩储层多发育天然裂缝与断层，且大规模水力压裂施工沟通储层区域广，极易导致页岩储层套管变形发生，影响后续压裂施工等井下作业。套管变形现象在威远区块、长宁区块、昭通区块已成为普遍性问题，套管变形会影响井筒完整性、阻碍井下工具下放，甚至导致部分压裂段放弃改造，极大影响现场施工效率。
3.已有专家学者提出可通过暂堵天然裂缝、改善固井材料、选择性固井等方式减缓地层剪切滑移对套管变形的影响，其中，选择性固井由于其工艺复杂度低、成本低、减缓套管变形效果好，正逐渐开始应用于套管变形高风险井。选择性固井就是在天然裂缝或断层滑移风险段采用特殊工艺不注入水泥固井，让套管与地层间不充填介质，这一段“空隙”的存在可一定范围内抵消地层滑移带来的套管位移，使地层断面处套管在不固井段呈现渐进式变形，而不会出现全固井时的套管直接剪切变形现象，从而减缓地层滑移对套管结构的影响。
4.然而对于选择性古井，当前研究存在不固井段对减缓套管变形程度不明确、不固井段长度无法有效评价等不足，因此亟需一种能够评价选择性固井防套变的不固井段长度的方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，以弥补现有技术中无法有效评估不固井段长度的缺陷。
6.本发明实施例的具体技术方案是：
7.一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，其特征在于，包括以下步骤:
8.(1)获取基础参数，建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型；
9.(2)通过所述地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型获取产生最大应力的位置，提取最大应力位置处套管变形参数；
10.(3)建立最大应力位置处下入工具参数与套管变形段的几何关系模型；
11.(4)通过步骤(3)中的几何关系模型获取套管变形段的下入工具长度-外径图版；
12.(5)根据下入工具长度-外径图版以及后续预下入的井下工具尺寸对不固井段长度进行评价。
13.进一步地，所述步骤(1)中基础参数包括地应力参数、岩石力学参数、天然裂缝几何参数、测井数据、不固井段长度。
14.进一步地，所述地应力参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力，所
述岩石力学参数包括岩石杨氏模量、岩石泊松比，所述天然裂缝几何参数包括天然裂缝方位角、倾角、天然裂缝长度，所述测井数据包括水平井筒方位角、水平裸眼井径、水泥环外径与壁厚、套管外径与壁厚、井筒与裂缝缝长中心距离。
15.进一步地，所述步骤(1)中还包括：根据地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型计算地应力在沿天然裂缝面方向上的剪应力、天然裂缝的相对位移量、地层的滑移位移量。
16.进一步地，地应力在沿天然裂缝面方向上的剪应力计算方法为：
17.τy＝0.5(σh+σh)sin2θ
18.式中：τy为地应力在沿天然裂缝面方向的剪应力，mpa；σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，
°
。
19.进一步地，天然裂缝的相对位移量计算方法为：
[0020][0021]
式中：δuf为天然裂缝的相对位移量，m；τy为地应力在沿天然裂缝面方向的剪应力，mpa；e为岩石杨氏模量，mpa；υ为岩石泊松比，无量纲；a为天然裂缝半缝长，m；x为井筒到裂缝缝长中心的距离，m。
[0022]
进一步地，所述步骤(2)中的套管变形参数包括套管段的位移数据与应力数据。
[0023]
进一步地，所述步骤(3)中的几何关系模型为：
[0024][0025][0026]
式中：d
case
为套管内径；l
case
为套管上部未变形段与下部变形段纵向高度差；l
no-cement
为不固井段长度；λ为套管变形后倾斜段与水平面的角度；ψ为井下工具与套管变形后倾斜段的角度；l为下入工具长度；d为下入工具外径。
[0027]
进一步地，所述步骤(5)中对不固井段长度进行评价还包括；
[0028]
根据所述下入工具长度-外径图版中允许的井下工具几何尺寸与后续预下入工具尺寸进行对比，若在图版曲线范围内则表明下入工具能顺利通过套变段，所述不固井段长度设置合理；若在图版曲线范围外则表明下入工具无法通过套变段，所述不固井段长度设置不合理。
[0029]
进一步地，所述步骤(1)中采用abaqus软件建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析有限元模型。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，能够根据地层天然裂缝的相对位移量以及井筒的实际情况建立对应的套变的位移情况，进而根据预设的不固井段长度获取对应的下入井下工具的长度-外
径图版，从而快速为井下工具在套变段是否存在遇卡风险进行预测。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明一个实施例中天然裂缝方位角、倾角、在地层模型中位置，以及地应力方位的示意图。
[0033]
图2为本发明一个实施例中建立的地层-选择性固井段水泥环-套管的有限元模型示意图。
[0034]
图3为本发明一个实施例中井下工具在套变段遇卡示意图。
[0035]
图4为本发明一个实施例中模拟套变后套管的mises应力云图
[0036]
图5为本发明一个实施例中模拟套变后套管产生最大应力位置截面处的位移云图。
[0037]
图6为本发明一个实施例中套变段遇卡时的井下工具长度与外径关系图版。
具体实施方式
[0038]
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0039]
一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，包括以下步骤:
[0040]
(1)获取基础参数，建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型；
[0041]
(2)通过所述地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型获取产生最大应力的位置，提取最大应力位置处套管变形参数；
[0042]
(3)建立最大应力位置处下入工具参数与套管变形段的几何关系模型；
[0043]
(4)通过步骤(3)中的几何关系模型获取套管变形段的下入工具长度-外径图版；
[0044]
(5)根据下入工具长度-外径图版以及后续预下入的井下工具尺寸对不固井段长度进行评价。
[0045]
可以理解的，在上述步骤中，本领域技术人员可以根据所需建立模型需要考虑的因素而选择对应的基础参数，在一个实施例中，可以获取目标工区内页岩地层的地应力、最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力、岩石杨氏模量、岩石泊松比、天然裂缝方位角与倾角、天然裂缝长度、水平井筒方位角、水平裸眼井径、水泥环外径与壁厚、套管外径与壁厚作为建模的基础参数。
[0046]
在获取得到基础参数后，可以计算地应力在y方向(即为沿裂缝面方向)上的剪应力与天然裂缝的相对位移量；
[0047]
地应力在y方向的上的剪应力：
[0048]
τy＝0.5(σh+σh)sin2θ
[0049]
式中：σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，
°
；
[0050]
可计算出天然裂缝(滑移性裂缝)的相对位移量为：
[0051][0052]
式中：δuf为天然裂缝的相对位移量，m；e为岩石杨氏模量，mpa；υ为岩石泊松比，无量纲；a为天然裂缝半缝长，m；x为井筒到裂缝缝长中心的距离，m；
[0053]
根据目标井区的水平井固井结构参数，建立地层-选择性固井段水泥环-套管的有限元模型，本领域技术人员可以在不付出创造性劳动的基础上，选取本领域的软件进行建模。在一个实施例中，可以选取abaqus软件进行建模，其中将天然裂缝的相对位移量设置为地层的滑移位移，开展数值模拟，通过abaqus软件模拟结果中，能够提取套管段的位移云图、应力云图、位移数据、应力数据；
[0054]
根据圣维南原理，地层岩石模型的尺寸应不小于五到六倍的井眼尺寸。在一个实施例中，地层岩石模型尺寸可以确定为6m
×
2m
×
2m，分为两部分各设置为固定和滑移，水平井筒与最小水平主应力方向平行，水泥环外壁在模型最左侧和最右侧与裸眼井壁接触，中间位置设定不固井段长度，不装配水泥环以模拟不固井段，水泥环内壁与套管外壁接触；
[0055]
其中，在所建立的有限元模型里，天然裂缝方位角、倾角在模型里设置为两部分地层岩石模型间的断面角度；天然裂缝方位角为β，倾角为γ(如图1所示)；
[0056]
在所建立的有限元模型里，沿地层岩石模型长边方向为最小水平主应力方向，沿地层岩石模型短边方向为最大水平主应力方向，沿地层岩石模型垂直方向为垂向应力方向。在套管内壁面设置压力以模拟施工时在套管内壁产生的面力。地层岩石间接触面为法向刚性接触，切向摩擦系数0.4，抗拉强度为0，地层岩石与水泥环、水泥环与套管间接触面为法向刚性接触，切向摩擦系数0.7，抗拉强度为0；地层岩石模型设置预定义力场施加地应力条件，左侧岩石设置为完全固定，右侧岩石根据之前所算出的裂缝面位移值设置各个方向上的位移；左侧水泥环设置为完全固定，右侧水泥环不设置约束条件，以模拟随裂缝面滑动产生位移；两侧水泥环中部无水泥环，为套管与井壁间环空，模拟不固井段；套管不设置约束条件。
[0057]
计算井下工具在套变段遇卡时的工具长度-外径图版；
[0058]
寻找产生最大应力的位置，提取套管在该位置的套管断面形态图，从计算结果中提取该处套管内壁的坐标与位移；
[0059]
同时根据套变段尺寸、位移，计算井下工具在套变段允许通行的井下工具长度-外径图版；
[0060]
其中，在上述步骤中，井下工具在套管变形段遇卡示意图如图3所示，图中套管变形后倾斜段与水平面的角度为λ，井下工具与套管变形后倾斜段的角度为ψ，则井下工具与水平面夹角为λ-ψ，井下工具长度为l，外径为d；井下工具左侧与套管上部未变形段接触点为s1，井下工具左侧下部为s2，过s1点做垂线与井下工具交点为s3，与水平面交点为s4；井下工具与套管下弯曲点交点为t1，井下工具与套管上弯曲点交点为t2，与井下工具右侧与套管下部水平段接触点为t3，套管下弯曲点为t4，t2点与t4点的连线与井下工具最下方交于点t5，
过t2点作与井下工具下部的垂线交点为t6。
[0061]
根据模拟计算结果中的套管位移值与模型参数，可得到l与d几何关系：
[0062][0063]
其中，d与ψ的几何关系：
[0064][0065]
式中：d
case
为套管内径，l
case
为套管上部未变形段与下部变形段纵向高度差，l
no-cement
为不固井段长度；
[0066]
根据上述几何关系得到套变段允许通过的井下工具长度l与外径d的图版；
[0067]
进一步地，根据工具长度-外径图版以及后续预下入的井下工具尺寸对不固井段长度进行评价；
[0068]
根据图版中允许的井下工具几何尺寸与后续预下入的井下工具尺寸进行对比；
[0069]
若在图版曲线内则可判断套变不影响后续施工，井下工具能顺利通过套变段，则该合理；
[0070]
若在图版曲线外，则不固井段长度可判断套变对后续施工产生影响，井下工具无法通过套变段，则该不固井段长度不合理。
[0071]
需要指出地是，本发明说明书中对于天然裂缝的相对位移量、地应力在y方向的上的剪应力、下入工具参数与套管变形段的几何关系模型仅是为了便于对本发明技术方案的理解而提供的一种实施例，其并不构成对本发明技术构思的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，例如可以采用其他的计算方法来建立对应的受力分析模型以及套变几何关系模型，理应都属于本发明保护的范围之内。
[0072]
此外，为了便于本领域技术人员对于本发明的理解以及运用，本发明以某页岩气压裂井区为例，进行相应步骤的阐释。
[0073]
首先获取得到该井以下基础参数：
[0074][0075]
地应力在y方向的上的剪应力τy＝6.93mpa；
[0076]
可计算出天然裂缝的相对位移量δuf＝0.084m；
[0077]
在abaqus软件里建立地层-选择性固井段水泥环-套管的有限元模型。其中，模型各部件尺寸如下：
[0078][0079]
设定不固井段长度为2m；在预定义力场设置地应力条件，套管内壁设置施工压力，地层岩石间接触面为法向刚性接触，切向摩擦系数0.4，抗拉强度为0；地层岩石与水泥环、水泥环与套管间接触面为法向刚性接触，切向摩擦系数0.7，抗拉强度为0；左侧岩石设置为完全固定，右侧岩石设置垂直方向上的位移值为0.09m；左侧水泥环设置为完全固定，右侧水泥环不设置约束条件；套管不设置约束条件；abcd四个点所在的面即为天然裂缝面(图2)。开展数值模拟计算应力与位移；
[0080]
计算结果中，提取根据计算后的套管的mises应力云图(图4)，截取该处套管截面的位移云图(图5)，得到该套管截面上椭圆环的坐标值，根据椭圆长轴与短轴的四个顶点的坐标，可计算出该处套管位移值最大为0.3mm，短轴处套管内径为0.013964m，说明该处套变程度很小。
[0081]
其中该套管截面内壁处椭圆环长轴与短轴的四个顶点的坐标如下表：
[0082][0083]
计算结果中，同时提取套管的位移与套变倾斜段夹角，计算出套管在套变段遇卡时的井下工具长度与外径关系图版(图6)；
[0084]
以该区块后续预下入的常用可钻桥塞为例，其外径为0.114mm，长度0.5～0.6m，尺寸在图版中对应点在曲线内，因此可判断套变不影响后续施工，所设定的2m的不固井长度值合理。
[0085]
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，包括:(1)获取基础参数，建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型；(2)通过所述地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型获取产生最大应力的位置，提取最大应力位置处套管变形参数；(3)建立最大应力位置处下入工具参数与套管变形段的几何关系模型；(4)通过步骤(3)中的几何关系模型获取套管变形段的下入工具长度-外径图版；(5)根据下入工具长度-外径图版以及后续预下入的井下工具尺寸对不固井段长度进行评价。2.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(1)中基础参数包括地应力参数、岩石力学参数、天然裂缝几何参数、测井数据、不固井段长度。3.如权利要求2所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述地应力参数包括最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力，所述岩石力学参数包括岩石杨氏模量、岩石泊松比，所述天然裂缝几何参数包括天然裂缝方位角、倾角、天然裂缝长度，所述测井数据包括水平井筒方位角、水平裸眼井径、水泥环外径与壁厚、套管外径与壁厚、井筒与裂缝缝长中心距离。4.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(1)中还包括：根据地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型计算地应力在沿天然裂缝面方向上的剪应力、天然裂缝的相对位移量、地层的滑移位移量。5.如权利要求4所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，地应力在沿天然裂缝面方向上的剪应力计算方法为：τ
y
＝0.5(σ
h
+σ
h
)sin2θ式中：τ
y
为地应力在沿天然裂缝面方向的剪应力，mpa；σ
h
为最大水平主应力，mpa；σ
h
为最小水平主应力，mpa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，
°
。6.如权利要求4所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，天然裂缝的相对位移量计算方法为：式中：δu
f
为天然裂缝的相对位移量，m；τ
y
为地应力在沿天然裂缝面方向的剪应力，mpa；e为岩石杨氏模量，mpa；υ为岩石泊松比，无量纲；a为天然裂缝半缝长，m；x为井筒到裂缝缝长中心的距离，m。7.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(2)中的套管变形参数包括套管段的位移数据与应力数据。8.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(3)中的几何关系模型为：
式中：d
case
为套管内径；l
case
为套管上部未变形段与下部变形段纵向高度差；l
no-cement
为不固井段长度；λ为套管变形后倾斜段与水平面的角度；ψ为井下工具与套管变形后倾斜段的角度；l为下入工具长度；d为下入工具外径。9.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(5)中对不固井段长度进行评价还包括；根据所述下入工具长度-外径图版中允许的井下工具几何尺寸与后续预下入工具尺寸进行对比，若在图版曲线范围内则表明下入工具能顺利通过套变段，所述不固井段长度设置合理；若在图版曲线范围外则表明下入工具无法通过套变段，所述不固井段长度设置不合理。10.如权利要求1所述的选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，所述步骤(1)中采用abaqus软件建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析有限元模型。

技术总结
本发明公开了一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，包括：获取基础参数，建立地层-选择性固井段水泥环-套管受力分析模型；通过受力分析模型获取产生最大应力的位置，提取最大应力位置处套管变形参数；建立最大应力位置处下入工具参数与套管变形段的几何关系模型；通过几何关系模型获取套管变形段的下入工具长度-外径图版；根据下入工具长度-外径图版以及后续预下入的井下工具尺寸对不固井段长度进行评价。本发明提供了一种选择性固井防套变的不固井段长度评价方法，能够根据预设的不固井段长度获取对应的下入工具的长度-外径图版，从而快速为下入工具在套变段是否存在遇卡风险进行预测并进行不固井段长度评价。卡风险进行预测并进行不固井段长度评价。卡风险进行预测并进行不固井段长度评价。


技术研发人员：路千里 白杰经 郭建春 何乐 张航 刘壮 母青平 龚新伟
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/7/20