定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法.pdf

本发明提供一种定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，包括以下步骤：1）、获得定向井射孔点位置的地层压力、岩石内摩擦力和岩石内黏聚力；2）、获得定向井射孔点位置井周的三向主应力；3）、建立射孔孔眼相位角安全系数模型F；4）、根据所述射孔孔眼相位角安全系数模型F，计算定向井射孔点位置井周的相位角安全系数F，并建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图；5）、获取相位角安全系数F最小值所对应的相位角，该相位角为定向井射孔孔眼的安全相位角。该定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法能够直观的确定定向井射孔孔眼的安全相位角，从而为定向井射孔设计、施工中射孔孔眼安全相位角的选择提供科学依据。

1.  一种定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、根据测井资料，获得定向井射孔点位置的强度参数和地层压力P_p，所述强度参数包括岩石内摩擦力和岩石内黏聚力C；
2）、获得定向井射孔点位置井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃；
3）、建立射孔孔眼相位角安全系数模型F：

所述射孔孔眼相位角安全系数模型F中，J2=16((σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2),]]>
I₁＝σ₁+σ₂+σ₃-3αP_p，α为有效应力系数；
4）、根据所述射孔孔眼相位角安全系数模型F，计算定向井射孔点位置井周的相位角安全系数F，并建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图；
5）、根据所述相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图，获取相位角安全系数F最小值所对应的相位角，该相位角为定向井射孔孔眼的安全相位角。

2.  根据权利要求1所述的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，其特征在于：所述步骤1）中，岩石内摩擦角为：

其中，M＝a₁-b₁C，a、b、a₁、b₁为常数，C为所述岩石内黏聚力。

3.  根据权利要求1或2所述的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，其特征在于：所述步骤1）中，岩石内黏聚力C为：
C=A(1-2vd)(1+vd1-vd)2ρ2Vp4(1+0.78Vcl)]]>
其中，A为系数，v_d为岩石动态弹性模量，ρ为岩石密度，V_p为纵波速度，V_cl为泥质含量。

4.  根据权利要求1所述的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，其特征在于：所述步骤2）还包括以下分步骤：
201）、获得定向井射孔点位置井周在柱坐标系下的应力分量σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
202）、通过所述应力分量，获得定向井射孔点位置井周的三个应力不变量：
Θ₁＝σ_r+σ_θ+σ_z，
Θ2=σrτrθτrθσθ+σθτθzτθzσz+σzτzrτzrσr,]]>
Θ3=σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
203）、通过三个应力不变量Θ₁、Θ₂、Θ₃求解所述定向井射孔点井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，求解公式为：σ³-Θ₁σ²+Θ₂σ-Θ₃＝0。

5.  根据权利要求1所述的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，其特征在于：所述定向井包括斜井、水平井、大位移井、以及分支井。

定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法
技术领域
本发明涉及油气井开发领域，特别是涉及一种定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法。
背景技术
随着油气需求的日益增加和油气勘探开发的发展，低渗透油气田越来越被重视。在低渗透油气田的勘探开发中，常常用到定向井技术。定向井技术是石油勘探开发领域中最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的一种钻井工艺技术，定向井一般为水平井和斜井。采用定向井技术，可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，其能够大幅度提高油气产量，同时还能有效降低钻井成本、有利于保护自然环境，故定向井具有显著的经济效益和社会效益。
在采用定向井技术勘探开发油气田的过程中，通常采用裸眼射孔的增产措施来提高低渗透油气田的产量。射孔的目的是通过射孔枪打开油气层，以建立地层到井筒的通道，射孔设计时，要考虑要井筒安全，而井筒安全不仅需要对射孔深度进行评价，还需要对射孔在井壁上的中靶点（即射孔孔眼相位角γ）进行选择。如图1所示，所述射孔孔眼相位角γ为井壁2的中心点和射孔枪枪体1在井壁2上的中靶点3之间的连线L1与井壁2水平中心线L2之间的夹角。特别是，由于定向井受到井眼轨迹及原场地应力的控制，定向井井周的应力分布非常复杂，故需要对定向井射孔孔眼的相位角进行精确的设计，以确保射孔及后续生产、增产的安全施工。但是，目前定向井射孔孔眼相位角的设计理论主要是基于沟通油气层和完井方式，其对于井筒的完整性和安全性考虑较少，容易导致射孔后井壁垮塌，无法完成后续生产及增产措施。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够精确得到射孔孔眼安全相位角、基于井筒安全的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法。
为实现上述目的，本发明提供一种定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，包括以下步骤：
1）、根据测井资料，获得定向井射孔点位置的强度参数和地层压力P_p，所述强度参数包括岩石内摩擦力和岩石内黏聚力C；
2）、获得定向井射孔点位置井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃；
3）、建立射孔孔眼相位角安全系数模型F：

所述射孔孔眼相位角安全系数模型F中，J2=16((σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2),]]>
I₁＝σ₁+σ₂+σ₃-3αP_p，α为有效应力系数；
4）、根据所述射孔孔眼相位角安全系数模型F，计算定向井射孔点位置井周的相位角安全系数F，并建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图；
5）、根据所述相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图，获取相位角安全系数F最小值所对应的相位角，该相位角为定向井射孔孔眼的安全相位角。
进一步地，所述步骤1）中，岩石内摩擦角为：其中，M＝a₁-b₁C，a、b、a₁、b₁为常数，C为所述岩石内黏聚力。
优选地，所述步骤1）中，岩石内黏聚力C为：C=A(1-2vd)(1+vd1-vd)2ρ2Vp4(1+0.78Vcl)]]>其中，A为系数，v_d为岩石动态弹性模量，ρ为岩石密度，V_p为纵波速度，V_cl为泥质含量。
进一步地，所述步骤2）还包括以下分步骤：
201）、获得定向井射孔点位置井周在柱坐标系下的应力分量σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
202）、通过所述应力分量，获得定向井射孔点位置井周的三个应力不变量：
Θ₁＝σ_r+σ_θ+σ_z，
Θ2=σrτrθτrθσθ+σθτθzτθzσz+σzτzrτzrσr,]]>
Θ3=σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
203）、通过三个应力不变量Θ₁、Θ₂、Θ₃求解所述定向井射孔点井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，求解公式为：σ³-Θ₁σ²+Θ₂σ-Θ₃＝0。
优选地，所述定向井包括斜井、水平井、大位移井、以及分支井。
如上所述，本发明涉及的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，具有以下有益效果：
该定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法中，射孔孔眼相位角安全系数模型F是基于德鲁 克-普拉格破坏准则考虑了三向主应力对强度影响确定的，其可以准确得到射孔孔眼井周任一点相位角所对应的相位角安全系数，并通过建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图能够直观的确定定向井射孔孔眼的安全相位角，从而为定向井射孔设计、施工中射孔孔眼安全相位角的选择提供科学依据，进而有效防止射孔及后续生产、增产等施工中井下复杂事故的发生。
附图说明
图1为射孔过程中射孔枪枪体与井眼的关系示意图。
图2为本发明的流程图。
图3为本发明一实施例中定向井三向主应力在井周的分布图。
图4为本发明一实施例中定向井射孔孔眼相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图。
元件标号说明
1              射孔枪枪体
2              井壁
3              中靶点
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示，本发明提供一种定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法，包括以下步骤：
1）、根据测井资料，获得定向井射孔点位置的强度参数和地层压力P_p，所述强度参数包括岩石内摩擦力和岩石内黏聚力C；
2）、获得定向井射孔点位置井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，如图3所示，即要计算井周 内所有点的三向主应力，所述井周内所有点应包括井壁2上和在井壁2外周（也就是远离井壁2）的任意点，该任意点距井壁2的距离根据现场具体需求确定；
3）、建立射孔孔眼相位角安全系数模型F：

所述射孔孔眼相位角安全系数模型F中，J2=16((σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2),]]>
I₁＝σ₁+σ₂+σ₃-3αP_p，α为有效应力系数；
4）、根据所述射孔孔眼相位角安全系数模型F，计算定向井射孔点位置井周的相位角安全系数F，并建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图，如图4所示，该分布图即为定向井射孔点位置井周所有点的相位角安全系数F与相位角的对应关系图；另外，所述相位角安全系数F的范围为0-1，且F数值越小，表明该F值所对应的相位角越安全，相反，F数值越大，表明该F值所对应的相位角越不安全，故在设计时，应避免F值为1或接近1的相位角位置；
5）、根据所述相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图，获取相位角安全系数F最小值所对应的相位角，该相位角为定向井射孔孔眼的安全相位角，也就是确定射孔枪枪体1在井壁2上的中靶点3的最佳位置。
该定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法中，射孔孔眼相位角安全系数模型F是基于德鲁克-普拉格破坏准则考虑了三向主应力对强度影响确定的，其可以准确得到射孔孔眼井周方向任意点相位角所对应的相位角安全系数，也就是任意点的安全强度参数，并通过建立相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图能够直观的确定定向井射孔孔眼的安全相位角，从而为定向井射孔设计、施工中射孔孔眼安全相位角的选择提供科学依据，进而有效防止射孔及后续生产、增产等施工中井下复杂事故的发生。
进一步地，所述步骤1）中，所述测井资料中的数据主要包括声波时差、井径、岩石密度、电阻率、泊松比、孔隙度等。所述岩石内摩擦角为：其中，M＝a₁-b₁C，a、b、a₁、b₁均为与岩石有关常数，一般可通过实验或现场数据回归得到；C为所述岩石内黏聚力。
优选地，所述岩石内黏聚力C为：其中，A为系数，ρ为岩石密度，V_p为纵波速度，V_s为横波速度，V_cl为泥质含量，v_d为岩石动态弹性模量、 且vd=(VpVs)2-22[(VpVs)2-1].]]>
进一步地，所述地层压力P_p优选通过现场实测的方式获得，当然，地层压力P_p还可通过正常压力曲线获得，或通过有效应力模型获得，如可参考期刊《石油勘探与开发》2002年2月第29卷第1期发表的适于检测砂泥岩地层孔隙压力的综合解释方法，或参考期刊《岩土力学》2005年12月第26卷第12期发表的一种检测地层压力新方法研究——岩石力学参数法。
另外，如图4所示，本实施例中，在所述步骤4）中，相位角安全系数F在射孔点位置井周的分布图由多个同心圆构成，每个圆的半径为相位角安全系数F，圆外周的角度为相位角，曲线S1为该实施例中相位角安全系数F与相位角的关系分布曲线。读取曲线S1时，曲线S1上某个点所在的圆心角即为该点的相位角，该点所在圆的半径即为该点的相位角安全系数。由于该实施例中F的最小值要大于0.3，故该图中F标值从0.3开始，F的最小值为0.38，此时所对应的安全相位角为0°和180°；而F的最大值为0.9，此时所对应的最不安全相位角为90°和270°，故该实施例中，射孔孔眼的安全相位角应确定为0°和180°。
优选地，本发明所涉及的定向井裸眼射孔孔眼相位角选择方法可适用于结构形式为斜井、水平井、大位移井、以及分支井的定向井，当然，也可以适用于其他结构形式的定向井。所述斜井是指井斜角为0°-90°的井；水平井是指井斜角达到或接近90°、且井身沿着水平方向钻进一定长度的井；大位移井一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井，其具有很长的大斜度稳定段；分支井是指在一个主井眼中钻出两个或两个以上的井眼的井。
进一步地，为了提高射孔点位置井周内三向主应力的计算准确度，本实施例中，通过三个应力不变量来计算该点的三向主应力，具体为，所述步骤2）还包括以下分步骤：
201）、获得定向井射孔点位置井周在柱坐标系下的应力分量σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
202）、通过所述应力分量，获得定向井射孔点位置井周的三个应力不变量：
Θ₁＝σ_r+σ_θ+σ_z，
Θ2=σrτrθτrθσθ+σθτθzτθzσz+σzτzrτzrσr,]]>
Θ3=σrτrθτrzτrθσθτθzτrzτθzσz;]]>
203）、通过三个应力不变量Θ₁、Θ₂、Θ₃求解所述定向井射孔点井周的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，求解公式为：σ³-Θ₁σ²+Θ₂σ-Θ₃＝0，该一元三次方程的求解可采用数值计算方法，也可通过解析解获得，进而获得井周范围内所有点的三向主应力；当然在实际操作中，为了减轻工作量，可选取若干等距的点来计算，具体两个相邻点之间的间距应由现场需求来确定。
优选地，所述步骤201）是用于获得定向井射孔点位置井周在柱坐标系下的应力分量，由于定向井一般为斜井或水平井，其井轴与三位坐标系中的Z轴不平行，故以下提供一种计算过程简单、且计算准确度高的应力分量计算过程：
①、先根据测井资料获得射孔点位置井周的三向地应力，所述三向地应力包括上覆岩层压力σ_v、最大水平地应力σ_H和最小水平地应力σ_h，具体为：
上覆岩层压力σ_v通过密度测井的积分获得：
最大水平地应力σ_H通过分层理论获得：
最小水平地应力σ_h通过分层理论获得：
其中，ξ₁、ξ₂为构造应力系数，α为所述有效应力系数。
②、利用井眼轨迹数据（包括射孔点位置的方位角Ω和井斜角Ψ）和应力分解，求解以井轴为Z轴所在的三维坐标系下的应力分量，具体为：
σ_xx＝σ_Hcos²Ψcos²Ω+σ_hcos²Ψsin²Ω+σ_vsin²Ψ；
σ_yy＝σ_Hsin²Ω+σ_hcos²Ω；
σ_zz＝σ_Hsin²Ψcos²Ω+σ_hsin²Ψsin²Ω+σ_vcos²Ψ；
σx_y＝-σ_HcosΨcosΩsinΩ+σ_hcosΨcosΩsinΩ；
σ_xz＝σ_HcosΨsinΨcos²Ω+σ_hcosΨsinΨsin²Ω-σ_vsinΨcosΨ；
σ_yz＝-σ_HsinΨcosΩsinΩ+σ_hsinΨcosΩsinΩ。
③、将上述在以井周为Z轴所在的三维坐标系下的应力分量转换为在柱坐标系下的应力 分量，具体为：
σr=R2r2Pi+(σxx+σyy)2(1-R2r2)+(σxx-σyy)2(1+3R4r4-4R4r2)cos2θ+σxy(1+3R4r4-4R4r2)sin2θ+δ[α(1-2υ)2(1-υ)(1-R2r2)-φ](Pi-Pp);]]>
σθ=-R2r2Pi+(σxx+σyy)2(1+R2r2)-(σxx-σyy)2(1+3R4r4)cos2θ-σxy(1+3R4r4)sin2θ+δ[α(1-2υ)2(1-υ)(1-R2r2)-φ](Pi-Pp);]]>
σz=σzz+υ[σxx+σyy-2(σxx-σyy)(Rr)2cos2θ+4σxysin2θ]+δ[α(1-2υ)1-υ-φ](Pi-Pp);]]>
τrθ=σxy(1-3R4r4+2R2r2)cos2θ;]]>
τθz=σyz(1+R2r2)cosθ-σxz(1+R2r2)sinθ;]]>
τθ=σxz(1-R2r2)cosθ-σyz(1-R2r2)sinθ;]]>
其中，P_i为井眼内压力，也就是泥浆的压力；R为井眼半径；δ为渗流系数，有渗流时δ=1，无渗流时δ=0；α为所述有效应力系数；φ为孔隙度；υ为泊松比。
通过上述步骤最终获得的井周所有点的三向主应力的分布图如图3所示，其也是由多个同心圆构成，每个圆的半径为主应力大小，圆外周的角度为相位角。图3中，曲线X1为井周所有点最大主应力的分布曲线，曲线X2为井周所有点中间主应力的分布曲线，曲线X3为井周所有点最小主应力的分布曲线。曲线X1、曲线X2、曲线X3上某一点的读取方法为：该点所在的圆的半径为该点的主应力大小，该点所在的圆心角为该点的相位角。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。