本发明公开了一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，属于钻井与完井工程井漏控制领域，包括以下步骤：根据地震资料和裂缝发育特征选择模型并计算地层裂缝静态水力学宽度；构建裂缝封堵层承压模型；获取地质参数和堵漏配方性能参数，结合步骤S1获取的地层裂缝静态水力学宽度，通过裂缝封堵层承压模型计算封堵层的承压能力。本发明计算出的裂缝封堵层承压能力可以为桥塞堵漏配方设计提供依据，以便高效设计防漏堵漏配方，及时降低和解决工作液漏失，降低钻井成本、非生产时间和储层损害程度。
1.一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据地震资料和裂缝发育特征选择模型并计算地层裂缝静态水力学宽度；
S3、获取地质参数和堵漏配方性能参数，结合步骤S1获取的地层裂缝静态水力学宽度，通过裂缝封堵层承压模型计算封堵层的承压能力；
式中，P1为根据封堵层整体承压模型获取的封堵层承压能力；P2为根据封堵层剪切承压模型获取的封堵层承压能力；
式中，Pc为裂缝闭合压力；Pf为裂缝内压力；l为封堵层厚度；φ为封堵层孔隙度；μf为封堵层摩擦系数；W为裂缝静态水力学宽度；ΔP为封堵层内外压差；R为裂缝延伸长度；E为地层弹性模量；υ为岩石泊松比；Kz为封堵层渗透率；Ki为地层渗透率；Id为井筒压力渗透封堵层后压力衰减为地层压力的距离； 分别为封堵层中刚性粒子、弹性粒子、纤维体积分数；μfR、μfE、μfF分别为刚性粒子、弹性粒子、纤维与裂缝面之间的摩擦系数；Pp为地层压力；Pw为井筒压力；Δa为封堵层到裂缝尖端的距离；
式中，μf1为失稳封堵层摩擦系数；τc1为颗粒贡献抗剪强度；τc2为纤维剪切增量；AF为横截面上纤维所占面积；A为横截面积；KG为颗粒刚度；ε为颗粒弹性变形量；d为颗粒直径；δ1、δ2分别为颗粒‑颗粒间摩擦角、纤维‑颗粒间摩擦角；α为纤维初始倾斜角；Δ为封堵层中力链总变形；Lc为力链长度；x为剪切带中纤维剪切位移前横向跨度；wF为封堵层中纤维质量；
wG为封堵层中颗粒质量；GF为封堵层中纤维密度；GG为封堵层中颗粒密度；EF为纤维弹性模量；lF为纤维长度；dF为纤维直径；θ为纤维剪切后倾斜角；z为纤维两受拉点垂向距离。
2.根据权利要求1所述的一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，其特征在于，步骤S1中计算地层裂缝静态水力学宽度的模型如下：模型一：适用于地震资料显示地层中存在提供恒压边界的漏失空间，地层发育水平缝或斜缝的情况；
式中：P为裂缝中某一点的压力；Pp为地层压力；Pw为井筒压力；地层ρ为工作液在压力P下的密度；wh为裂缝在压力P下水力学宽度；W为裂缝静态水力学宽度；βf为裂缝水力学宽度指数变形系数；α为Biot系数，裂缝取1；r为一维径向坐标系下裂缝中某一点距离井筒中心的距离；v为裂缝中某一点工作液流动速度；n为流型指数；k为稠度系数；ρ0为在地层压力Pp下的工作液密度；Cp为工作液压缩系数；re为漏失边界与井筒中心的距离；P(rw，t)为t时刻井壁处的压力；P(re，t)为t时刻漏失边界上的压力；V为漏失体积；w0i为第i个设定的裂缝静态水力学宽度；t0为设定的漏失时间； 为t时刻井壁处压力梯度值；
设定漏失时间t0和3个及以上的由小到大的裂缝静态水力学宽度，联立式(1)～式(5)，利用差分法求解不同裂缝静态水力学宽度下井壁压力梯度随时间的变化值，根据式(6)求得不同裂缝静态水力学宽度下的漏失体积，拟合数据得到裂缝宽度w0i漏失体积V关系式，此时裂缝静态水力学宽度W等于w0i；根据矿场实际漏失体积计算出地层漏失裂缝静态水力学宽度；
模型二：适用于地震资料显示地层中存在提供恒压边界的漏失空间，地层发育垂直裂缝的情况；
式中：x为直角坐标系下裂缝中某一点距离井筒的距离；xe为定压漏失边界与井壁的距离；P(0，t)为垂直裂缝漏失时任意时刻井壁处压力；P(xe，t)为垂直裂缝漏失时任意时刻边界上的压力；h为裂缝高度； 为任意时刻井壁处压力梯度值；
设定漏失时间t0和3个及以上的由小到大的裂缝静态水力学宽度，联立式(7)～式(11)，利用差分法求解不同裂缝静态水力学宽度下井壁压力梯度随时间的变化值，根据式(12)求得不同裂缝静态水力学宽度下的漏失体积，拟合数据得到裂缝静态水力学宽度‑漏失体积关系式，根据矿场实际漏失体积计算出地层漏失裂缝静态水力学宽度。
一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及钻完井工程承压堵漏效果预测，具体涉及一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法。
背景技术
[0002] 裂缝性地层经常发生工作液漏失，工作液漏失入地层，造成井壁稳定、储层损害和经济损失等问题。现场会配置堵漏浆，注入井筒并循环至漏失层位，进行堵漏作业。堵漏配方的好坏，直接影响到封堵层承压能力和封堵效率。为了增加堵漏作业成功率，降低和控制工作液漏失，刚性颗粒、弹性颗粒和纤维材料需要协同配合，形成致密和承压能力高的封堵层。
[0003] 目前，封堵层承压能力一般通过室内防漏堵漏实验进行评价，也可以通过经验公式来预测架桥封堵层承压能力。但是室内防漏堵漏实验需要花费大量的时间，经验公式的不确定性较大，不适合现场堵漏施工，究其原因，由于深层环境复杂、缝内流体压力作用和堵漏配方数量繁多，使得封堵层的承压能力难以预测。因此，需要一个适用性广、准确性高的预测方法，在堵漏前预测堵漏浆形成封堵层后的承压能力，快速形成高承压封堵层，并控制工作液漏失，降低漏失带来的储层损害和经济损失，有效加快钻井建井周期。
发明内容
[0004] 鉴于上述问题，本发明综合考虑考虑堵漏材料配比、几何特性和缝内流体压力的封堵层承压能力的影响，提供了一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，其具体技术方案如下：
[0005] 一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，包括以下步骤：
[0006] S1、根据地震资料和裂缝发育特征选择模型并计算地层裂缝静态水力学宽度；
[0007] S2、构建裂缝封堵层承压模型；
[0008] S3、获取地质参数和堵漏配方性能参数，结合步骤S1获取的地层裂缝静态水力学宽度，通过裂缝封堵层承压模型计算封堵层的承压能力。
[0009] 作为本发明的一种具体实施方式，所述步骤S2中封堵层承压模型简要推导过程如下：
[0010] 封堵层整体承压模型：
[0011] 如图1所示，将封堵层看做一个整体对其进行外部受力分析。裂缝封堵层形成后，主要受到井筒压力Pw、裂缝内压力Pf、裂缝闭合压力Pc、封堵层‑裂缝面摩擦力Ff和抗剪强度τc的作用。
[0012] 井筒正压差作用在封堵层上的推力为FΔP，其计算式为：
[0013] FΔP＝(Pw‑Pf)HW＝ΔPHW
[0014] 式中：
[0015]
[0016] 式中：Pw为井底压力；Pf为裂缝内压力；H为裂缝高度；W为裂缝静态水力学宽度；ΔP为封堵层内外压差；Kz为封堵层渗透率；Ki为地层渗透率；Δa为封堵层到裂缝尖端的距离；l为封堵层厚度；Id为井筒压力渗透封堵层后压力衰减为地层压力的距离；Pp为地层压力。
[0017] 封堵层与裂缝面之间的摩擦力为Ff：
[0018] Ff＝2μfFc
[0019] 式中：
[0020] Fc＝(Pc‑Pf)Hl(1‑φ)
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 式中：μf为封堵层摩擦系数；V1、VR、VE、VF分别为封堵层体积和刚性粒子、弹性粒子、纤维所占体积； 分别为封堵层中刚性粒子、弹性粒子、纤维体积分数；μfR、μfE、μfF分别为刚性粒子、弹性粒子、纤维与裂缝面之间的摩擦系数；FcR、FcE、FcF分别为刚性粒子、弹性粒子、纤维所受法向压力；Fc为封堵层法向压力；φ为封堵层孔隙度；R为裂缝延伸长度；υ为地层岩石泊松比。裂缝中某一点工作液流动速度。
[0027] 封堵层整体承压为：
[0028]
[0029] 封堵层剪切承压模型：
[0030] 如图2所示，部分封堵层在正压差作用下向裂缝内滑动，当封堵层受力达到某一值时，使得封堵层结构破坏，封堵失效。
[0031] 封堵层与裂缝面之间的摩擦力Ff1：
[0032] Ff1＝2μf1Fc1＝2μf1(Pc‑Pf)hl(1‑φ)
[0033] 式中：
[0034]
[0035] Fc1＝(Pc‑Pf)hl(1‑φ)
[0036] 式中：μf1为失稳封堵层摩擦系数； 分别为失稳封堵层中刚性粒子、弹性粒子、纤维体积分数；Fc1为失稳封堵层法向压力；h为失稳封堵层高度。
[0037] 封堵层抗剪强度有颗粒贡献抗剪强度τc1和纤维剪切增量τc2组成：
[0038]
[0039]
[0040] 式中：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 式中：AF为横截面上纤维所占面积；A为横截面积；KG为颗粒刚度；ε为颗粒弹性变形量；d为颗粒直径；Δ为封堵层中力链总变形；N为力链上的颗粒数；Lc为力链长度；δ1、δ2分别为颗粒‑颗粒间摩擦角、纤维‑颗粒间摩擦角；α为纤维初始倾斜角；lF为纤维长度；dF为纤维直径；EF为纤维弹性模量；θ为纤维剪切后倾斜角；x为剪切带中纤维剪切位移前横向跨度；x’为剪切带中纤维剪切位移前横向跨度；z为纤维两受拉点垂向距离；AF1、AF2、AF3…AFn为横截面上n种纤维所占面积；AG为横截面上颗粒所占面积；mF为封堵层中纤维质量；mG为封堵层中颗粒质量；wF为封堵层中纤维质量；wG为封堵层中颗粒质量；GF为封堵层中纤维密度；GG为封堵层中颗粒密度。
[0049] 封堵层剪切承压为：
[0050]
[0051] 所以封堵层承压模型为：
[0052] P＝min(P1，P2)
[0053] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0054] (1)本发明提供了一种裂缝封堵层承压能力的计算方法，可以对裂缝封堵承压能力进行计算预测，也可以为桥塞堵漏配方设计提供依据，以便高效设计防漏堵漏配方。
[0055] (2)本发明考虑堵漏配方中不同堵漏材料的占比、种类、性能参数对封堵层承压的影响，能够适应不同配方，适用广泛广，同时本发明考虑了缝内流体压力对封堵层承压的影响，大大提高深层裂缝封堵层承压能力预测的准确性，具有工业实用性。
附图说明
[0056] 图1为封堵层整体受力示意图；
[0057] 图2为封堵层剪切受力示意图；
[0058] 图3为本发明深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法的计算流程框图；
[0059] 图4为本发明实施例1中地层裂缝静态水力学宽度与漏失体积关系图；
[0060] 图5为本发明实施例1中油基堵漏配方承压堵漏曲线图；
[0061] 图6为本发明实施例1中油基堵漏配方在钢制裂缝中形成的封堵层示意图。
具体实施方式
[0062] 为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述。实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。
[0063] 一种深层裂缝性地层封堵承压能力预测方法，其计算流程框图如图3所示，包括如下步骤：
[0064] S1、根据地震资料和裂缝发育特征选择模型并计算地层裂缝静态水力学宽度；
[0065] 地层裂缝静态水力学宽度的模型如下：
[0066] 模型一：适用于地震资料显示地层中存在提供恒压边界的漏失空间，地层发育水平缝或斜缝的情况；
[0067]
[0068] 式中：
[0069]
[0070]
[0071] 边界条件：
[0072] P(rw,t)＝Pw (4)
[0073] P(re,t)＝Pp (5)
[0074] 漏失体积求解方法如下：
[0075]
[0076] 式中：P为裂缝中某一点的压力；Pp为地层压力；Pw为井筒压力；地层ρ为工作液在压力P下的密度；wh为裂缝在压力P下水力学宽度；W为裂缝静态水力学宽度；βf为裂缝水力学宽度指数变形系数；α为Biot系数，裂缝可取1；r为一维径向坐标系下裂缝中某一点距离井筒中心的距离；v为裂缝中某一点工作液流动速度；n为流型指数；k为稠度系数；ρ0为在地层压力Pp下的工作液密度；Cp为工作液压缩系数；re为漏失边界与井筒中心的距离；P(rw，t)为t时刻井壁处的压力；P(re，t)为t时刻漏失边界上的压力；V为漏失体积；w0i为第i个设定的裂缝静态水力学宽度；t0为设定的漏失时间； 为t时刻井壁处压力梯度值，可通过差分法求得；
[0077] 设定漏失时间t0和3个及以上的由小到大的裂缝静态水力学宽度，联立式(1)～式(5)，利用差分法求解不同裂缝静态水力学宽度下井壁压力梯度随时间的变化值，根据式(6)求得不同裂缝静态水力学宽度下的漏失体积，拟合数据得到裂缝宽度w0i漏失体积V关系式(8)，此时裂缝静态水力学宽度W等于w0i；根据矿场实际漏失体积计算出地层漏失裂缝静态水力学宽度；
[0078] 模型二：适用于地震资料显示地层中存在提供恒压边界的漏失空间，地层发育垂直裂缝的情况；
[0079]
[0080] 式中：
[0081]
[0082]
[0083] 边界条件：
[0084] P(0,t)＝Pw (10)
[0085] P(xe,t)＝Pp (11)
[0086] 漏失体积求解方法如下
[0087]
[0088] 式中：x为直角坐标系下裂缝中某一点距离井筒的距离；xe为定压漏失边界与井壁的距离；P(0，t)为垂直裂缝漏失时任意时刻井壁处压力；P(xe，t)为垂直裂缝漏失时任意时刻边界上的压力；h为裂缝高度； 为任意时刻井壁处压力梯度值，可通过差分法求得。
[0089] 设定漏失时间t0和3个及以上的由小到大的裂缝静态水力学宽度，联立式(7)～式(11)，利用差分法求解不同裂缝静态水力学宽度下井壁压力梯度随时间的变化值，根据式(12)求得不同裂缝静态水力学宽度下的漏失体积，拟合数据得到裂缝静态水力学宽度‑漏失体积关系式，根据矿场实际漏失体积计算出地层漏失裂缝静态水力学宽度。
[0090] S2、构建裂缝封堵层承压模型；
[0091] 所以封堵层承压模型为：
[0092] P＝min(P1,P2) (13)
[0093] 式中，P1为根据封堵层整体承压模型获取的封堵层承压能力；P2为根据封堵层剪切承压模型获取的封堵层承压能力；
[0094] 其中，
[0095] 所述封堵层整体承压模型为：
[0096]
[0097] 其中，
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] 式中，Pc为裂缝闭合压力；Pf为裂缝内压力；l为封堵层厚度；φ为封堵层孔隙度；μf为封堵层摩擦系数；W为裂缝宽度；ΔP为封堵层内外压差；R为裂缝延伸长度；E为地层弹性模量；υ为岩石泊松比；Kz为封堵层渗透率；Ki为地层渗透率；Id为井筒压力渗透封堵层后压力衰减为地层压力的距离； 分别为封堵层中刚性粒子、弹性粒子、纤维体积分数；μfR、μfE、μfF分别为刚性粒子、弹性粒子、纤维与裂缝面之间的摩擦系数；
[0102] 所述封堵层剪切承压为：
[0103]
[0104] 其中，
[0105]
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 式中，μf1为失稳封堵层摩擦系数；τc1为颗粒贡献抗剪强度；τc2为纤维剪切增量；AF为横截面上纤维所占面积；A为横截面积；KG为颗粒刚度；ε为颗粒弹性变形量；d为颗粒直径；δ1、δ2分别为颗粒‑颗粒间摩擦角、纤维‑颗粒间摩擦角；α为纤维初始倾斜角；Δ为封堵层中力链总变形；Lc为力链长度；x为剪切带中纤维剪切位移前横向跨度；x’为剪切带中纤维剪切位移前横向跨度；wF为封堵层中纤维质量；wG为封堵层中颗粒质量；GF为封堵层中纤维密度；GG为封堵层中颗粒密度；EF为纤维弹性模量；lF为纤维长度；dF为纤维直径。
[0113] S3、获取地质参数和堵漏配方性能参数，结合步骤S1获取的地层裂缝静态水力学宽度，通过裂缝封堵层承压模型计算封堵层的承压能力。
[0114] 以新疆阿克苏地区顺北区块D井为例，漏失发生在井底为例进行说明，具体地质参数如下表所示：
[0115] 表1地质参数统计表
[0116]
[0117]
[0118] 其地震资料显示地层中存在提供恒压边界的漏失空间，地层发育水平缝或斜缝，因此选择模型一计算其裂缝静态水力学宽度。
[0119]
[0120] 式中，裂缝水力学宽度变形方程和工作液状态方程为：
[0121]
[0122]
[0123] 边界条件为：
[0124] P(rw,t)＝Pw (4)
[0125] P(re,t)＝Pp (5)
[0126] 漏失体积求解方法如下：
[0127]
[0128] 设定漏失时间为600s、裂缝静态水力学宽度为0.1、1.0、2.5、4mm，联立式(1)～式(5)，利用差分法求解不同裂缝静态水力学宽度下井壁压力梯度随时间的变化值，根据式(6)求得不同裂缝静态水力学宽度下的漏失体积，拟合数据得到裂缝静态水力学宽度‑漏失体积关系式，根据矿场实际漏失体积计算出地层漏失裂缝静态水力学宽度。不同地层裂缝静态水力学宽度下的漏失体积、地层静态水力学宽度‑漏失体积关系式以及地层裂缝静态水力学宽度如图4所示。
[0129] 计算的到裂缝宽度为1374μm，根据缝宽确定堵漏配方，为了验证本发明计算结果与室内堵漏实验的契合程度，进行了配方承压堵漏堵漏实验，具体配方承压堵漏堵漏实验参数如表2所示，本实验所用堵漏浆为油基堵漏浆，通过阶梯加压方式获得如图5的承压曲线和图6的封堵层情况，确定封堵层承压能力为7.92MPa，。
[0130] 表2配方承压堵漏堵漏实验参数表
[0131]
[0132] 将上述堵漏配方的参数、地质参数代入构建裂缝封堵层承压模型中，计算得到封堵层的承压能力如下所示：
[0133] P＝min(P1，P2)＝min(8.84，12.76)＝8.84MPa，与模型计算所得数值相近。
