本發(fā)明涉及自動(dòng)控制，特別涉及基于鹽巖蠕變特性的隨鉆擴(kuò)眼控制方法。

背景技術(shù)：

1、在油氣鉆井和地下工程施工過程中，擴(kuò)眼技術(shù)廣泛應(yīng)用于提高井徑、優(yōu)化井壁穩(wěn)定性及提升鉆井效率。特別是在鹽巖地層，由于其良好的塑性和自愈性，擴(kuò)眼施工具有降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的潛在優(yōu)勢(shì)。然而，鹽巖地層的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，如顯著的蠕變效應(yīng)和高溶解性，使得隨鉆擴(kuò)眼施工面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員和工程實(shí)踐不斷探索鹽巖擴(kuò)眼技術(shù)及井壁穩(wěn)定性控制方法，并取得了一定進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍然存在諸多局限性，導(dǎo)致擴(kuò)眼施工的安全性和可控性難以滿足工程需求。因此，深入研究基于鹽巖蠕變特性的隨鉆擴(kuò)眼控制方法，提高擴(kuò)眼過程的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，具有重要的工程價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

2、目前，隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)主要采用機(jī)械擴(kuò)眼器、液壓擴(kuò)眼器和偏心擴(kuò)眼器三類工具進(jìn)行施工。機(jī)械擴(kuò)眼器主要依靠旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)或伸縮擴(kuò)眼臂進(jìn)行擴(kuò)眼。該類工具在穩(wěn)定井眼尺寸方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，適用于較穩(wěn)定的地層。然而，在鹽巖地層施工時(shí)，由于鹽巖的蠕變特性，井徑會(huì)隨著時(shí)間持續(xù)增大，導(dǎo)致擴(kuò)眼器可能出現(xiàn)過度擴(kuò)張或無法保持均勻井徑的問題。此外，機(jī)械擴(kuò)眼器依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)控制擴(kuò)眼過程，在復(fù)雜地層應(yīng)變環(huán)境下難以自適應(yīng)調(diào)整，擴(kuò)眼軌跡容易偏移。液壓擴(kuò)眼器通過液壓驅(qū)動(dòng)控制擴(kuò)眼刀翼的展開程度，以實(shí)現(xiàn)隨鉆擴(kuò)眼的動(dòng)態(tài)控制。液壓擴(kuò)眼器在一定程度上可以根據(jù)井下壓力變化進(jìn)行擴(kuò)眼尺寸調(diào)節(jié)，適用于地層應(yīng)力變化較大的環(huán)境。然而，該技術(shù)在鹽巖地層中仍然存在局限性。一方面，液壓擴(kuò)眼器的調(diào)整機(jī)制主要依賴鉆井液壓力控制，但由于鹽巖的溶解作用，鉆井液成分變化會(huì)影響擴(kuò)眼效果，導(dǎo)致井壁支撐力降低。另一方面，液壓擴(kuò)眼器的控制精度較低，擴(kuò)眼軌跡容易受到鉆壓波動(dòng)和鉆井液流速變化的影響，難以保證擴(kuò)眼軌跡的精確可控性。偏心擴(kuò)眼器通過非對(duì)稱擴(kuò)眼機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向擴(kuò)眼，能夠在隨鉆過程中精確調(diào)整擴(kuò)眼軌跡，適用于需要控制井眼軌跡的場(chǎng)景。該技術(shù)在常規(guī)地層中表現(xiàn)良好，但在鹽巖地層下，由于鹽巖的溶解-蠕變耦合作用，偏心擴(kuò)眼器難以保持穩(wěn)定的擴(kuò)眼軌跡。蠕變導(dǎo)致井壁不斷變形，而溶解作用加劇井壁的非均勻擴(kuò)張，使得偏心擴(kuò)眼器的導(dǎo)向精度下降，最終導(dǎo)致擴(kuò)眼軌跡偏移甚至失控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提供了基于鹽巖蠕變特性的隨鉆擴(kuò)眼控制方法，通過構(gòu)建鹽巖溶解-蠕變耦合模型、動(dòng)態(tài)井壁穩(wěn)定性評(píng)估模型及擴(kuò)眼參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)眼過程的智能化控制。本方法能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算井壁的蠕變速率和溶解速率，動(dòng)態(tài)優(yōu)化鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆壓和鉆井液流量，并結(jié)合擴(kuò)眼軌跡修正策略，使鉆頭始終沿目標(biāo)軌跡前進(jìn)，確保擴(kuò)眼作業(yè)的穩(wěn)定性和精度。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠有效提高井壁穩(wěn)定性，減少蠕變導(dǎo)致的井徑不均勻擴(kuò)張風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化擴(kuò)眼軌跡控制，降低施工安全隱患，提高擴(kuò)眼效率，并適應(yīng)復(fù)雜鹽巖地層的動(dòng)態(tài)演化，為深部油氣勘探及其他復(fù)雜地層擴(kuò)眼作業(yè)提供了一種高精度、高安全性、高適應(yīng)性的智能擴(kuò)眼控制方案。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、基于鹽巖蠕變特性的隨鉆擴(kuò)眼控制方法，所述方法包括：

4、步驟1：考慮有效應(yīng)力、溫度、蠕變持續(xù)時(shí)間以及孔隙壓力對(duì)鹽巖蠕變變形的影響，建立鹽巖蠕變應(yīng)變率的本構(gòu)方程，計(jì)算鹽巖蠕變應(yīng)變率；

5、步驟2：考慮鉆井液與井壁的接觸面積、鹽巖飽和溶解度與當(dāng)前鉆井液中鹽離子濃度差值、鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度以及鉆井液的循環(huán)流量，根據(jù)蠕變應(yīng)變率，建立鹽巖溶解-蠕變耦合模型；

6、步驟3：建立動(dòng)態(tài)井壁穩(wěn)定性評(píng)估模型，實(shí)時(shí)判斷擴(kuò)眼作業(yè)期間鹽巖井壁是否穩(wěn)定；

7、步驟4：建立擴(kuò)眼參數(shù)優(yōu)化模型，根據(jù)初始軌跡切向單位矢量和初始鉆井運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算修正運(yùn)行參數(shù)和修正擴(kuò)眼軌跡矢量，根據(jù)修正運(yùn)行參數(shù)和修正擴(kuò)眼軌跡矢量進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼控制。

8、進(jìn)一步的，所述初始鉆井運(yùn)行參數(shù)包括：初始鉆頭轉(zhuǎn)速、初始鉆壓和初始鉆井液流量。

9、進(jìn)一步的，鹽巖具有時(shí)間依賴變形特性，即使在應(yīng)力作用下會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生持續(xù)的蠕變，在隨鉆擴(kuò)眼施工過程中，鹽巖的蠕變特性會(huì)導(dǎo)致井徑變化，造成井壁的失穩(wěn)，通過如下公式，建立鹽巖蠕變應(yīng)變率的本構(gòu)方程：

10、；

11、其中，為鹽巖蠕變應(yīng)變率，單位為；為材料常數(shù)，與鹽巖礦物組成相關(guān)，單位為；為有效應(yīng)力，單位為mpa；為應(yīng)力指數(shù)，無量綱，取值范圍為3到5；為蠕變激活能，單位為kj/mol；為氣體常數(shù)，取值為8.314，單位為j/(mol·k)；為絕對(duì)溫度，單位為k；為時(shí)間，單位為s；為時(shí)間硬化指數(shù)，無量綱，取值范圍為0.3到0.5；為孔隙流體壓力，單位為mpa；為圍壓，單位為mpa；為壓力敏感指數(shù)，無量綱，取值范圍為0.8-1.2。

12、進(jìn)一步的，在擴(kuò)眼施工時(shí)，鉆井液不斷地沖刷鹽巖井壁，由于鹽巖本身易溶于水，因此井壁會(huì)發(fā)生鹽巖溶解現(xiàn)象，導(dǎo)致井徑增大，同時(shí)，鹽巖的蠕變行為會(huì)改變巖體結(jié)構(gòu)與表面微觀形貌，暴露出更多新的表面，加快鹽巖的溶解速率，通過如下公式，根據(jù)蠕變應(yīng)變率，建立鹽巖溶解-蠕變耦合模型：

13、；

14、其中，為鉆井液中鹽離子濃度，單位為kg/m3；為鹽巖溶解速率常數(shù)，單位為m/s；為接觸面積，單位為m2；為飽和溶解度，單位為kg/m3；為溶解-蠕變耦合系數(shù)，單位為s，取值范圍為0.2到0.5；為鉆頭旋轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s；為鉆井液流量，單位為m3/s；為環(huán)空體積，單位為m3；表示鉆井液中鹽離子濃度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

15、進(jìn)一步的，鹽巖溶解速率常數(shù)通過如下過程獲得：將已知質(zhì)量和形狀的鹽巖樣品浸泡在鉆井液或水溶液中，定期測(cè)量其質(zhì)量變化，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失率，則鹽巖溶解速率常數(shù)，使用如下公式計(jì)算得到：

16、；

17、其中，為鹽巖樣品的溶解接觸面積，單位為m2；為鹽巖單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失，單位為kg/s；為鹽巖密度，單位為kg/m3。

18、進(jìn)一步的，步驟3中的動(dòng)態(tài)井壁穩(wěn)定性評(píng)估模型使用如下公式進(jìn)行表示：

19、；

20、其中，為井壁穩(wěn)定性因子，無量綱，表示穩(wěn)定，否則表示不穩(wěn)定；為井壁周向應(yīng)力，單位為mpa；為井內(nèi)壓力，單位為mpa；為鹽巖屈服強(qiáng)度，單位為mpa；為蠕變影響系數(shù)，無量綱，取值范圍為0.2到0.5；為擴(kuò)眼作業(yè)時(shí)間，單位為s；為溶解影響系數(shù)，無量綱，取值范圍為0.4到0.8；為飽和溶解度，單位為kg/m3；為擴(kuò)眼半徑，單位為m；為原始鉆井半徑，單位為m。

21、進(jìn)一步的，修正運(yùn)行參數(shù)包括：修正鉆井液流量、修正鉆頭轉(zhuǎn)速和修正鉆壓，使用如下公式計(jì)算得到：

22、；

23、其中，為初始鉆頭轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；為初始鉆壓，單位為kn；為初始鉆井液流量，單位為l/s；為修正鉆頭轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；為修正鉆壓，單位為kn；為修正鉆井液流量，單位為l/s；為穩(wěn)定性調(diào)整系數(shù)，無量綱；為溶解-蠕變綜合影響系數(shù)，單位為s，取值范圍為0.5到1.2；為飽和溶解度，單位為kg/m3；為半徑控制增益系數(shù)，無量綱，取值范圍為0.5到2.0；為目標(biāo)擴(kuò)眼半徑，單位為m；為當(dāng)前擴(kuò)眼半徑，單位為m。

24、進(jìn)一步的，穩(wěn)定性調(diào)整系數(shù)使用如下公式計(jì)算得到：

25、；

26、其中，為參考穩(wěn)定性調(diào)整系數(shù)，取值范圍為0.1到0.5。

27、進(jìn)一步的，通過如下公式，計(jì)算修正擴(kuò)眼軌跡矢量：

28、；

29、其中，為修正擴(kuò)眼軌跡矢量，單位為m；為沿井軸的曲線長(zhǎng)度參數(shù)，單位為m；為初始軌跡切向單位矢量，單位為m；為工具面角度，單位為rad；為特征長(zhǎng)度，單位為m，取值范圍為7到12。

30、采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明產(chǎn)生了以下有益效果：本發(fā)明通過引入井壁穩(wěn)定性因子及相關(guān)評(píng)估模型，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井壁的蠕變狀態(tài)和溶解速率，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整擴(kuò)眼參數(shù)，確保井壁在擴(kuò)眼過程中的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有擴(kuò)眼方法通常采用靜態(tài)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)眼，而忽略了鹽巖的溶解-蠕變耦合作用。由于鹽巖在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生緩慢變形，即使擴(kuò)眼完成后，井壁仍然可能繼續(xù)變形，導(dǎo)致井徑擴(kuò)大、井壁強(qiáng)度降低，最終增加井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于能夠基于實(shí)時(shí)計(jì)算的井壁穩(wěn)定性因子，調(diào)整擴(kuò)眼參數(shù)，使施工過程自適應(yīng)井壁的演化狀態(tài)，從而有效避免井壁因應(yīng)力重分布或局部溶解加劇而產(chǎn)生的失穩(wěn)問題。通過動(dòng)態(tài)評(píng)估井壁的穩(wěn)定狀態(tài)，鉆井操作人員可以在擴(kuò)眼過程中及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，降低井壁受損風(fēng)險(xiǎn)，提高井壁的整體穩(wěn)定性。其次，本發(fā)明能夠提高擴(kuò)眼軌跡的精準(zhǔn)度，確保擴(kuò)眼作業(yè)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)路徑進(jìn)行?，F(xiàn)有的擴(kuò)眼方法在鹽巖地層中的應(yīng)用受限于蠕變導(dǎo)致的井壁形變及溶解作用的井徑變化，難以保證鉆頭按照預(yù)定軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)井壁發(fā)生局部不均勻變形時(shí)，鉆頭的受力狀態(tài)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致擴(kuò)眼軌跡發(fā)生偏移，最終影響井眼的幾何形態(tài)。本發(fā)明采用擴(kuò)眼參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)合實(shí)時(shí)計(jì)算的井壁狀態(tài)數(shù)據(jù)，精確調(diào)整鉆頭的運(yùn)動(dòng)方向，使擴(kuò)眼軌跡能夠隨井壁狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行同步調(diào)整。這種實(shí)時(shí)軌跡修正策略，避免了由于井壁局部變形而導(dǎo)致的擴(kuò)眼軌跡失控，確保擴(kuò)眼后的井徑符合設(shè)計(jì)要求，提高施工的精準(zhǔn)性。在施工安全性方面，本發(fā)明能夠降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，提高擴(kuò)眼作業(yè)的可控性。由于鹽巖的蠕變行為會(huì)導(dǎo)致井壁的長(zhǎng)期應(yīng)力重分布，如果擴(kuò)眼過程中未能及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，可能會(huì)使井壁的某些區(qū)域應(yīng)力集中，最終引發(fā)局部塌陷或井徑異常擴(kuò)張。而本發(fā)明所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)井壁穩(wěn)定性評(píng)估模型，可以實(shí)時(shí)計(jì)算井壁的受力狀態(tài)，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果調(diào)整鉆井液流速、鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆壓，使擴(kuò)眼作業(yè)始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。此外，本發(fā)明采用溶解-蠕變耦合控制策略，確保鉆井液的流動(dòng)狀態(tài)能夠適應(yīng)井壁的溶解速率，防止局部區(qū)域溶解過快，導(dǎo)致井壁局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。