本發(fā)明屬于石油工程鉆井行業(yè)，具體地說，涉及一種用于求取鹽膏巖地層最大套管外載荷的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

地應(yīng)力是地層中存在的內(nèi)部應(yīng)力，是影響鉆井工程的重要因素。在鉆井工程和開發(fā)中，掌握油氣儲集區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力的大小和方位，可以進(jìn)行優(yōu)化鉆井工程設(shè)計(jì)、油氣田開發(fā)井網(wǎng)布置和控制井壁穩(wěn)定，減少或避免漏、噴、塌、卡等事故造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人身事故等。

通常假定地層處于三軸地應(yīng)力作用下，其三個主方向的主應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力σ_H、最小水平地應(yīng)力σ_h和垂向應(yīng)力σ_z，其中垂向應(yīng)力主要是由地層自身重力引起的，水平地應(yīng)力由巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動、地層流體壓力及地層溫度變化產(chǎn)生。但是，在進(jìn)行套管強(qiáng)度校核時，在通常的地層條件下的最大套管外荷載很少考慮水平地應(yīng)力的影響，在一些局部斷裂發(fā)育，地應(yīng)力異常的鹽膏層地層采用通常的最大外載計(jì)算方法會導(dǎo)致套管設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低，造成套管擠毀，鉆井失敗的巨大事故。

目前，對于受局部斷裂影響鹽膏巖地層異常地應(yīng)力的計(jì)算方法和套管外等效載荷校核方法進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)“基于實(shí)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬斷層對地應(yīng)力的影響”和“斷層對地應(yīng)力場影響的有限元研究”指出受斷裂的影響，相距不遠(yuǎn)的不同井位顯示出差距較大的地應(yīng)力數(shù)值，地應(yīng)力狀態(tài)的差異是由于斷層影響所致，基于有限元軟件ANSYS，利用三維有限元數(shù)值模擬方法，結(jié)合優(yōu)化反演技術(shù)，對地應(yīng)力場進(jìn)行反演，表明：由于斷層影響以及復(fù)合斷層的疊加擾動，研究區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)出復(fù)雜的非均勻分布特征。文獻(xiàn)“斷層區(qū)域地應(yīng)力場預(yù)測方法研究”指出含斷層區(qū)域地應(yīng)力分布研究是一個具有多解性的復(fù)雜問題,很難采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算,需要采用力學(xué)模型來模擬分析嘗試應(yīng)用非連續(xù)趨勢面分析法,從幾何變形的角度出發(fā),應(yīng)用小撓度薄板理論，根據(jù)非連續(xù)趨勢面主曲率分析斷層區(qū) 域的地形趨勢面和構(gòu)造應(yīng)力場的分布開展應(yīng)力場預(yù)測方法研究。文獻(xiàn)“斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程意義”指出決定斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場影響的參數(shù)主要包括：1.斷裂構(gòu)造影響的范圍；2.局部斷層構(gòu)造與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系，包括邊界應(yīng)力比值K_b的影響和邊界應(yīng)力方向和斷裂之間的夾角α的影響；3.斷裂兩側(cè)的巖石的物理力學(xué)性質(zhì)(變形模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力)的影響；4.斷裂的力學(xué)性質(zhì)(斷裂法向剛度、切向剛度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力)的影響；5.斷層的幾何形態(tài)和復(fù)合情況。

目前，鉆井手冊將鹽膏層歸為嚴(yán)重坍塌、膨脹、滑移、蠕動的地層，鹽膏層套管的外載計(jì)算采用：P_ee＝ZG₀，P_ee為套管外荷載；Z為井的深度；G₀為上覆地層壓力。此計(jì)算方法適用于構(gòu)造運(yùn)動不強(qiáng)烈的情況，對于受局部斷裂的影響產(chǎn)生較大構(gòu)造應(yīng)力，使水平地應(yīng)力數(shù)值大大超過上覆地層壓力的情況下，如果采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)會使套管強(qiáng)度明顯過小，造成套管擠毀等事故。

以上文獻(xiàn)都表明斷裂對局部地應(yīng)力有比較大的影響，受影響的因素也比較多。但是都沒有提出一套適合現(xiàn)場應(yīng)用的地應(yīng)力數(shù)值預(yù)測方法，更沒有對鹽膏層這種受地應(yīng)力影響較大的地層的現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)值分析，尤其是套管最大外載準(zhǔn)確數(shù)值的計(jì)算也沒有提及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上問題，本發(fā)明提供了一種用于求取鹽膏巖地層最大套管外載荷的方法及系統(tǒng)，以準(zhǔn)確求取受斷裂影響的鹽膏巖地層最大套管外載荷。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于求取鹽膏巖地層最大套管外載荷的方法，包括：

根據(jù)斷裂分布特點(diǎn)和幾何形態(tài)確定鹽膏巖地層的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)和未受影響區(qū)；

基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；

基于所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算鹽膏巖地層最大套管外載荷。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)進(jìn)一步包括：

基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力，確定所述區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、區(qū)域地應(yīng)力比和斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角；

基于所述區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、所述區(qū)域地應(yīng)力比和所述斷層走向與區(qū)域最 大水平地應(yīng)力方向的夾角，確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，基于所述區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、所述區(qū)域地應(yīng)力比和所述斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角，確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)進(jìn)一步包括：

基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力、所述區(qū)域地應(yīng)力比和所述斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角建立數(shù)值模擬模型；

基于所述數(shù)值模擬模型和所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力獲取所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的地應(yīng)力變化量；

基于所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的地應(yīng)力變化量、所述區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)和所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力獲取斷裂影響系數(shù)；

基于所述斷裂影響系數(shù)和所述區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述數(shù)值模擬模型包括所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型、最大水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角子模型、最小水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型和最小水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最小水平地應(yīng)力方向的夾角子模型。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，基于所述數(shù)值模擬模型和所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力獲取所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的地應(yīng)力變化量進(jìn)一步包括：

通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型獲取所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力增量百分比；

通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向夾角子模型獲取在所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力差值；

通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型獲取所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力增量百分比；

通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最小水平地應(yīng)力方向夾角子模型獲取所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力差值；

通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力增量百分比、受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力差值和所述未受影響區(qū)的最大水平主應(yīng)力計(jì)算所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力變化量，通過所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力增量百分比、所述受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力差值和所述未 受影響區(qū)的最小水平地應(yīng)力計(jì)算所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力變化量。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，基于所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算鹽膏巖地層最大套管外載荷通過下式計(jì)算得到：

$P_{ee}={\[\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{T\ξ}}_1{E^{\′}}_s}{1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s}+\frac{2{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_Z-{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_p)}{1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s}+\frac{{\mathrm{T\ξ}}_2{E^{\′}}_s}{1+{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s})+{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_0\]}_{MAX}+{P^{\′}}_q$

其中，P_ee為受斷裂影響的鹽膏巖地層最大套管外荷載，σ'_z為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的上覆壓力，Tξ₁和Tξ₂為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，ξ₁和ξ₂為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，T為斷裂影響系數(shù)，E'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的彈性模量，υ'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的泊松比，α'P'₀為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的作用于骨架的地層壓力，α'為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的有效應(yīng)力系數(shù)，P'₀為地層壓力，P'_q為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的作用于套管的地層壓力。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述斷裂影響系數(shù)通過下式計(jì)算得到：

$T=\frac{{{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_1}{{\mathrm{\ξ}}_1}\≈\frac{{{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_2}{{\mathrm{\ξ}}_2}$

其中，ξ'₁和ξ'₂為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，ξ₁和ξ₂為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)通過下式計(jì)算得到：

${{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_1=\frac{(1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_H+{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_h)-2{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_z-{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_p)-2{\mathrm{\α}}^{\′}(1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)P_p}{{E^{\′}}_s}$

${{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_2=\frac{(1+{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_H-{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_h)}{{E^{\′}}_s}$

其中，σ'_H為通過數(shù)值模擬模型計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力，σ'_z為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的上覆壓力，σ'_h為通過數(shù)值模擬模型計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力，υ'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的泊松比，E'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的彈性模量，α'為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的有效應(yīng)力系數(shù)，P'_p為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的孔隙壓力。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，確定所述未受影響區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)進(jìn)一步包括：

基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力獲取地層巖石破裂壓力、瞬時停泵壓力、地層壓力、巖石抗拉強(qiáng)度、地破點(diǎn)深度、鉆井液密度、有效應(yīng)力系數(shù)、地破面積；

基于所述瞬時停泵壓力、所述鉆井液密度、所述地破點(diǎn)深度和所述地破面積計(jì)算得到最小水平地應(yīng)力；

基于所述最小水平地應(yīng)力、所述地層巖石破裂壓力、所述有效應(yīng)力系數(shù)、所述地層壓力和所述巖石抗拉強(qiáng)度計(jì)算最大水平地應(yīng)力；

基于所述未受影響區(qū)的最小水平地應(yīng)力和所述最大水平地應(yīng)力得到所述未受影響區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于求取鹽膏巖地層最大套管外載荷的系統(tǒng)，包括：

應(yīng)力劃分模塊，根據(jù)斷裂分布特點(diǎn)和幾何形態(tài)確定鹽膏巖地層的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)和未受影響區(qū)；

構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算模塊，基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力情況確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；

最大套管外載荷計(jì)算模塊，基于所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算鹽膏巖地層最大套管外載荷。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明針對受斷裂影響地應(yīng)力異常鹽膏層地層的套管外最大載荷，根據(jù)鉆井標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算容易出現(xiàn)問題的特點(diǎn)，針對性的提出了受斷裂影響地應(yīng)力異常鹽膏層的地層的套管外最大載荷求取模型，能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)受斷裂影響的地應(yīng)力異常的鹽膏層套管強(qiáng)度，能夠順利在受斷裂影響的地應(yīng)力異常的鹽膏層順利鉆井施工。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的方法流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的一個斷裂和井位示意圖；

圖3a是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型示意圖；

圖3b是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力差值-斷層走向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角子模型示意圖；

圖4a是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型示意圖；

圖4b是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力差值-斷層走向與最小水平地應(yīng)力方向的夾角子模型示意圖；

圖5a是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的古近系鹽膏層套管邊界載荷示意圖；

圖5b是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的古近系鹽膏層套管邊界載荷示意圖；以及

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的古近系鹽膏層套管最大外載荷區(qū)域分布示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

如圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的方法流程圖，以下參考圖1來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，在步驟S110中，根據(jù)斷裂分布特點(diǎn)和幾何形態(tài)確定鹽膏巖地層的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)和未受影響區(qū)。

在該步驟中，通過地質(zhì)勘探技術(shù)，獲取鹽膏巖地層斷裂區(qū)域的形態(tài)、形狀及組合方式，并根據(jù)地層的斷裂分布特點(diǎn)和幾何形態(tài)找出地層斷裂區(qū)域的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)和未受影響區(qū)。其中，地應(yīng)力明顯大于該地區(qū)正常地應(yīng)力的區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增強(qiáng)區(qū)。距離斷層較遠(yuǎn)、受斷層影響較小的區(qū)域?yàn)槲词苡绊憛^(qū)。

接下來，在步驟S120中，基于未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力確定應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

在該步驟中，首先，基于未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力情況，確定區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、區(qū)域地應(yīng)力比和斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角。其中，未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力情況包括通過地破實(shí)驗(yàn)和巖心實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。井位地應(yīng)力情況包括根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)、測錄井?dāng)?shù)據(jù)及通過地破實(shí)驗(yàn)和巖心實(shí)驗(yàn)獲得的地層數(shù)據(jù)等得出的地應(yīng)力大小和方向，具體的，鉆井?dāng)?shù)據(jù)包括，井深，開次，地層分層情 況；測錄井?dāng)?shù)據(jù)包括，聲波，伽馬，密度，巖性，井眼形狀等；地破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括地層巖石破裂壓力、瞬時停泵壓力、地層壓力、巖石抗拉強(qiáng)度、地破點(diǎn)深度、鉆井液密度、有效應(yīng)力系數(shù)、地破面積；巖心實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)包括，取心點(diǎn)巖心凱塞爾效應(yīng)得出的具體位置的地應(yīng)力大小。

具體的，在該步驟中，采用七五模式，結(jié)合現(xiàn)場地破實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，確定區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ₁和ξ₂、斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角、區(qū)域地應(yīng)力比K_b。其中，ξ₁為區(qū)域最大水平地應(yīng)力系數(shù)，即未受影響區(qū)的最大水平地應(yīng)力系數(shù)；ξ₂為區(qū)域最小水平地應(yīng)力系數(shù)，即未受影響區(qū)的最小水平地應(yīng)力系數(shù)。

七五模式為假設(shè)地層為勻質(zhì)各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動過程中，地層與地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)，則最大水平地應(yīng)力σ_H、最小水平地應(yīng)力σ_h與構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ₁和ξ₂關(guān)系表示如下：

${\mathrm{\σ}}_H=\frac{1}{2}\[\frac{{\mathrm{\ξ}}_1{E}_s}{1-{\mathrm{\υ}}_s}+\frac{2{\mathrm{\υ}}_s({\mathrm{\σ}}_Z-{\mathrm{\αP}}_p)}{1-{\mathrm{\υ}}_s}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2{E}_s}{1+{\mathrm{\υ}}_s}\]+{\mathrm{\αP}}_p---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_h=\frac{1}{2}\[\frac{{\mathrm{\ξ}}_1{E}_s}{1-{\mathrm{\υ}}_s}+\frac{2{\mathrm{\υ}}_s({\mathrm{\σ}}_Z-{\mathrm{\αP}}_p)}{1-{\mathrm{\υ}}_s}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2{E}_s}{1+{\mathrm{\υ}}_s}\]+{\mathrm{\αP}}_p$

式中：ξ₁和ξ₂為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；σ_H,σ_h,σ_z為區(qū)域最大水平、最小水平地應(yīng)力和上覆壓力，最大上覆壓力根據(jù)測井資料中的密度測井或者聲波測井的值來計(jì)算出來；P_p為孔隙壓力，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；υ_s、E_s為區(qū)域地層靜態(tài)泊松比和彈性模量，根據(jù)測井資料進(jìn)行計(jì)算；α為區(qū)域有效應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)測井資料進(jìn)行計(jì)算。

通過破裂壓力與最大、最小水平地應(yīng)力的數(shù)值關(guān)系，依靠現(xiàn)場地破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，以不受斷裂影響井位的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)作為區(qū)域應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)。

具體的，未受影響區(qū)的破裂壓力與最大、最小水平地應(yīng)力如下所示：

P_f＝3σ_h-σ_H-αP_p+S_t (2)

其中，破裂壓力P_f通過地破實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到。

通過瞬時停泵壓力、鉆井液密度、地破點(diǎn)深度和地破面積計(jì)算得到最小水平地應(yīng)力，基于下式計(jì)算得到最小水平地應(yīng)力：

σ_h＝P_s+10^-6×ρ_mgH_w (3)

通過最小水平地應(yīng)力、地層巖石破裂壓力、有效應(yīng)力系數(shù)、地層壓力和巖石抗拉強(qiáng)度計(jì)算最大水平地應(yīng)力，基于下式計(jì)算得到最大水平地應(yīng)力：

σ_H＝3σ_h-P_f-α·P_p+|S_t| (4)

其中，S_t為巖石抗拉強(qiáng)度由巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算求得，P_s瞬時停泵壓力由地破實(shí)驗(yàn)破裂曲線數(shù)據(jù)圖讀出，Pf由破裂曲線上得到的地層巖石破裂壓力，地層壓力P_p，有效應(yīng)力系數(shù)α，由地層壓力計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)得出，ρ_m，H_w分別為鉆井液密度和地破點(diǎn)深度。由此得出未受影響區(qū)的地破點(diǎn)：σ_h最小水平地應(yīng)力，σ_H最大水平地應(yīng)力的數(shù)值，帶入下式：

${\mathrm{\ξ}}_1=\frac{(1-{\mathrm{\μ}}_s)({\mathrm{\σ}}_H+{\mathrm{\σ}}_h)-2{\mathrm{\μ}}_s({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)-2\mathrm{\α}(1-{\mathrm{\μ}}_s)P_p}{E_s}$

${\mathrm{\ξ}}_2=\frac{(1+{\mathrm{\μ}}_s)({\mathrm{\σ}}_H-{\mathrm{\σ}}_h)}{E_s}---\left(5\right)$

即可得到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ₁和ξ₂。

同時，還可以計(jì)算得到區(qū)域邊界應(yīng)力比值：

$K_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_H}{{\mathrm{\σ}}_h}.---\left(6\right)$

未受影響區(qū)的斷層走向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角通過測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到。

接下來，基于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、區(qū)域地應(yīng)力比(區(qū)域邊界應(yīng)力比值)、斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角，確定應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

在該步驟中，首先，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，采用離散單元法基于未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力、區(qū)域地應(yīng)力比和斷層走向與區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向的夾角建立數(shù)值模擬模型，找出在各種影響條件下，受斷裂影響的地應(yīng)力差值情況。該數(shù)值模擬模型包括應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型、最大水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角子模型、最小水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型和最小水平地應(yīng)力差值-斷裂方向與最小水平地應(yīng)力方向的夾角子模型。

通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型獲取在一定區(qū)域地應(yīng)力比、一定斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角和未受影響區(qū)域的最大水平地應(yīng)力(即區(qū)域最大水平地應(yīng)力)條件下的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響 的最大水平地應(yīng)力增量百分比。

通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力差值-最大水平地應(yīng)力方向與斷裂方向的夾角子模型獲取在一定斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向夾角、在一定區(qū)域地應(yīng)力比條件下的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力差值。

通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力增量百分比-區(qū)域地應(yīng)力比子模型獲取在一定區(qū)域地應(yīng)力比、一定斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向夾角和未受影響區(qū)域的最小水平地應(yīng)力條件下的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力增量百分比。

通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力差值-最大水平地應(yīng)力方向與斷裂方向的夾角子模型獲取在一定斷裂方向與最大水平地應(yīng)力方向夾角、在一定區(qū)域地應(yīng)力比條件下的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力差值。

通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力增量百分比、受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力差值和未受影響區(qū)的最大水平主應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力變化量，通過應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力增量百分比、受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力差值和未受影響區(qū)的最小水平地應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力變化量。

基于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力變化量和最小水平地應(yīng)力變化量計(jì)算得到應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平主應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力。將計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平主應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力代入七五模型反算，即代入式(5)得到應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ'₁和ξ'₂，通過該構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ'₁或ξ'₂，未受影響區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ₁或ξ₂，通過式(7)計(jì)算得到斷裂影響系數(shù)：

$T=\frac{{{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_1}{{\mathrm{\ξ}}_1}\≈\frac{{{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_2}{{\mathrm{\ξ}}_2}---\left(7\right)$

其中，通過式(5)計(jì)算應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ'₁和ξ'₂時：

${{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_1=\frac{(1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_H+{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_h)-2{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_z-{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_p)-2{\mathrm{\α}}^{\′}(1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)P_p}{{E^{\′}}_s}---(5-1)$

${{\mathrm{\ξ}}^{\′}}_2=\frac{(1+{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s)({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_H-{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_h)}{{E^{\′}}_s}$

其中σ'_H，通過數(shù)值模擬模型計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最大水平地應(yīng)力；σ'_h為通過數(shù)值模擬模型計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的受斷裂影響的最小水平地應(yīng)力；υ'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的地層靜態(tài)泊松比；E'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的彈性模量； α'為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的有效應(yīng)力系數(shù)，P'_p為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的孔隙壓力。當(dāng)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的具有鉆井時，可以利用已鉆井的井位地應(yīng)力數(shù)據(jù)求取該井位對應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，再基于該井位得到的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)對計(jì)算得到的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ'₁或ξ'₂進(jìn)行修正。具體的，可采用這些構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)的平均值，或者設(shè)計(jì)權(quán)重系數(shù)來求取最終的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ'₁和ξ'₂。

最后，在步驟S130中，基于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算鹽膏巖地層最大套管外載荷。

鹽膏巖地層最大套管外載荷通過下式計(jì)算得到：

$P_{ee}={\[\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{T\ξ}}_1{E^{\′}}_s}{1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s}+\frac{2{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s({{\mathrm{\σ}}^{\′}}_Z-{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_p)}{1-{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s}+\frac{{\mathrm{T\ξ}}_2{E^{\′}}_s}{1+{{\mathrm{\υ}}^{\′}}_s})+{\mathrm{\α}}^{\′}{P^{\′}}_0\]}_{MAX}+{P^{\′}}_q---\left(8\right)$

其中，P_ee為受斷裂影響的鹽膏巖地層最大套管外荷載，Tξ₁和Tξ₂為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，ξ₁和ξ₂為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，T為斷裂影響系數(shù)，E'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的彈性模量，υ'_s為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的泊松比，α'P'₀為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的作用于骨架的地層壓力，α'為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的有效應(yīng)力系數(shù)，P'₀為地層壓力，P'_q為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的作用于套管的地層壓力。

以下通過一個具體的例子來對本發(fā)明的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。如圖2所示為受局部斷裂影響的鹽膏巖地層區(qū)塊具體井位和斷裂展布形態(tài)和幾何形狀示意圖。如圖2所示，影響麥蓋提一區(qū)塊的斷裂主要為瑪南斷裂，5號構(gòu)造帶，主體為兩條平行斷裂，外部為下盤，斷裂之內(nèi)為上盤。

如圖2所示，玉北1井、玉北1-1井、玉北1-2井處于兩條平行斷裂之間，且為斷裂的上盤位置。玉北5井、玉北6井處于平行的斷裂的兩側(cè)，且都屬于斷裂的下盤位置。根據(jù)斷裂對局部地應(yīng)力的影響，能夠判斷出玉北5井和玉北6井應(yīng)力情況與玉北1井、玉北1-1井、玉北1-2井的應(yīng)力情況有差值，且差值的大小受斷裂方向與區(qū)域最大主應(yīng)力方向的夾角大小、斷裂兩側(cè)與斷裂之間的巖石強(qiáng)度、斷裂本身的內(nèi)摩擦角大小的影響。

根據(jù)玉北1區(qū)塊的實(shí)際情況，玉北5井和玉北6井都出現(xiàn)了不同程度的套管擠毀的情況，說明在局部構(gòu)造影響的條件下，緊鄰瑪南斷裂的兩側(cè)區(qū)域的地應(yīng)力要明顯大于該地區(qū)的正常地應(yīng)力，說明這兩井位于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域。而玉北1井、玉北1-1井和玉北1-2井所處的兩條斷裂帶內(nèi)部受局部構(gòu)造應(yīng)力的影響，該區(qū)域的地應(yīng)力應(yīng)該低于該地區(qū)正常的地應(yīng)力情況，這三井位于應(yīng)力減弱區(qū)。

玉北4井、玉北8井和玉北9井，距離斷層較遠(yuǎn)，地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力和區(qū)域構(gòu)造決定，受局部構(gòu)造影響較小，屬于該地區(qū)正常的地應(yīng)力情況，不受局部構(gòu)造影響的井位，位于未受影響區(qū)。

玉北7井在瑪南斷裂北側(cè)，在一條單線斷裂西北側(cè)，總體來說應(yīng)該與玉北5井地應(yīng)力的趨勢一致，但是相對較弱，受局部構(gòu)造影響的結(jié)果是應(yīng)該稍微高于正常地應(yīng)力。玉北3井由于離瑪南主斷裂較遠(yuǎn)，并且附近鄰井較少，具體情況還需要繼續(xù)判斷。

圖2中各井相對斷層幾何形態(tài)的具體位置如表1所示。

表1

接下來，根據(jù)未受影響區(qū)域的井位地應(yīng)力情況，基于式(2)、(3)、(4)計(jì)算得到未受影響區(qū)的最小水平地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力。然后基于式(5)和(6)計(jì)算得到未受影響區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)ξ₁＝0.778和ξ₂＝0.368，進(jìn)而通過式(6)計(jì)算得到區(qū)域邊界應(yīng)力比值通過井位地應(yīng)力情況還可以得到區(qū)域最大水平地應(yīng)力方向?yàn)榻媳狈较?N4°/184°)，斷裂走向與主應(yīng)力夾角約為45°。進(jìn)而得到區(qū)域最小水平地應(yīng)力方向，斷裂走向與最小水平地應(yīng)力夾角。

基于數(shù)值模擬模型根據(jù)玉北地區(qū)區(qū)域應(yīng)力比K_b值約為1.26，斷層走向與最大水平地應(yīng)力夾角約為45°，根據(jù)圖3a、3b和4a、4b的數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)實(shí)施例區(qū)塊的具體情況，可知斷裂對地應(yīng)力的影響約為區(qū)域地應(yīng)力的25％左右，將該夾角條件下的最大主應(yīng)力差值乘以25％可得到應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力變化量。應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最小水平地應(yīng)力變化量按以上方法得到。將計(jì)算得到的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力帶入式(5)得到：應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)：ξ₁＝0.844，ξ₂＝0.399，基于式(7)計(jì)算得到斷裂影響系數(shù)T。

將計(jì)算得到斷裂影響系數(shù)T代入式(8),即可得到應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的一個最大外 載值。通過式(8)計(jì)算應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的所有最大外載值并從中選擇得到的最大值，即為所要求取的最大套管外載荷。如圖5a和圖5b的兩口井邊界載荷示意圖所示，可以選取所有套管邊界載荷的最大值作為設(shè)計(jì)套管外載荷的依據(jù)。最終得到的外載荷數(shù)值剖面如圖6所示，如圖中平面的凹凸所示，其中，平面中越凸出的部分表示外載荷最大。圖6中外載荷最大部分對應(yīng)圖2中應(yīng)力加強(qiáng)區(qū)的玉北井5和玉北井6區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于求取鹽膏巖地層最大套管外載荷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括應(yīng)力劃分模塊、構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算模塊和最大套管外載荷計(jì)算模塊。

其中，應(yīng)力劃分模塊，根據(jù)斷裂分布特點(diǎn)和幾何形態(tài)確定鹽膏巖地層的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)和未受影響區(qū)；構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算模塊，基于所述未受影響區(qū)的井位地應(yīng)力情況確定所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；最大套管外載荷計(jì)算模塊，基于所述應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算鹽膏巖地層最大套管外載荷。

本發(fā)明采用定性與定量的方式相結(jié)合的方式，提出一套合理的相對準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)值求取方法，能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)受斷裂影響的地應(yīng)力異常的鹽膏層套管強(qiáng)度，能夠順利在受斷裂影響的地應(yīng)力異常的鹽膏層順利鉆井施工。

雖然本發(fā)明所公開的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。