CN101238465A - 与从地下岩层抽取碳氢化合物相关的井建模 - Google Patents

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Abstract

描述用于开采碳氢化合物的方法和装置。在该方法中，识别完井的故障模式。构建数值工程模型，该模型描述导致所述故障模式的事件。将该数值工程模型转化为响应表面。然后，使该响应表面与被构造为提供该响应表面的用户工具联合，用于分析另一个井。

Description

与从地下岩层抽取碳氢化合物相关的井建模
相关申请的交叉参考
[001]本申请要求于2005年7月27日提交的美国临时专利申请60/702,761的权益。
背景技术
[002]本节打算向读者介绍本技术领域的各个方面，其可以与在下面进行描述和/或要求保护的本技术的示例性实施例相关。我们相信这一论述有助于向读者提供信息以便于更好地理解本技术的特别方面。因此，应该理解这些陈述应从这一角度来阅读，而不必作为现有技术的进入许可。
[003]诸如石油和天然气的碳氢化合物的开采已经进行了很多年。为了开采这些碳氢化合物，一般将矿区的一个或更多个井钻入到地下位置(其通常指的是地下岩层或盆地)。从地下位置开采碳氢化合物的过程一般涉及从设想选择阶段到开采阶段的各种阶段。一般地，在开采碳氢化合物之前的设计阶段，利用各种模型和工具来确定井的位置，评估井动态(well_performance)，评估储量并对储藏的开发做出计划。此外，可以对地下岩层进行分析以确定流体的流动和岩石地质的结构特性或参数。在开采阶段，井进行运转以从地下位置开采碳氢化合物。
[004]通常，以连续操作的方式执行从设想选择到开采的多个阶段。因此，用于不同阶段的模型被专门化且针对该阶段的具体应用。作为这一专门化的结果，用于不同阶段的井模型一般利用极其单纯化的假设来量化井动态潜能，其为井动态的评价和分析带来误差。井动态的预测和评估中的误差可能会影响矿区开发的经济效益。例如，在一个井设计阶段(如完井阶段)期间，如果不能正确地说明完井(wellcompletion)几何构形、开采条件、地质力学效应及所开采流体组分变化的影响，则会导致对生产率的估计误差。然后，在接下来的开采阶段期间，实际生产率和井动态可能会因为简化的井动态模型中的这些误差而被错误解释。结果，可能要利用昂贵且可能无效的井补救措施(即井维修)来努力促进井的开采。
[005]此外，可以针对特别的应用或开发时机来具体设计其它工程模型。这些模型可能会极度繁杂且需要大量的时间来处理特殊应用的具体信息。也就是说，这些工程模型太复杂且花费大量的时间来执行针对关心的单个井的计算。由于这些模型关注于具体应用或开发时机，因此进行不同的研究来优化完井设计和/或利用工程模型来确保每个井以其全部能力进行开采是不实际或不可能的。
[006]因此，存在对一种方法和装置的需要，该方法和装置模拟井动态，用于基于耦合物理模型在井开发的不同阶段来预测、评估、优化和描述井。
[007]其它相关材料可以在下面的文件中找到：公布于2000年8月31日的WO 00/50728；SALHI A.等人的″Structured UncertaintyAssemssment for a Mature Field Through the Application of ExperimentialDesign and Response Surface Methods″，SPE93529，2005-3-12；DEJEANJ.等人的″Managing uncertainties on production predictions usingintegrated statistical methods″，SPE 56696，1999-10-3；2003-3-20，US2003/0051873；FENG WANG等人的″Designed simulation for a detailed3D turbidite reservoir model″，SPE 75515，2002-4-30。
发明内容
[008]在一个实施例中，描述了一种与碳氢化合物的开采相关的方法。在该方法中，识别完井的故障模式。构建数值工程模型，该模型描述导致所述故障模式的事件。将该数值工程模型转化为响应表面。然后，使该响应表面与被构造为提供该响应表面的用户工具联合，用于分析另一个井。
[009]在一个可替代的实施例中，公开了一种装置。该装置包括处理器和该处理器可访问的应用程序，该处理器具有与之相连接的存储器。该应用程序被构造为从用户处接收与完井的故障模式相关的参数；利用之前生成的响应表面来提供针对该故障模式的技术限制，其中所述之前生成的响应表面基于至少一个数值工程模型，该模型表示导致该故障模式的事件；以及向所述用户提供表示所述技术限制的输出。
附图说明
[010]本技术的前述和其它优势可以通过阅读以下的详细说明并通过参考附图而变得明显，其中：
[011]图1是依照本技术某些方面的示例性开采系统；
[012]图2是依照本技术某些方面的示例性建模系统；
[013]图3是依照本技术的各方面的形成针对井可操作性限制的响应表面的示例性流程图；
[014]图4是依照本技术的表征图1中井的井压降与井供油区消耗(depletion)之间关系的示例性图表；
[015]图5是依照本技术的各方面的形成针对井生产能力限制的响应表面的示例性流程图；
[016]图6A和6B是依照本技术的图1中井的井生产能力限制的示例性图表；
[017]图7是依照本技术各方面形成耦合物理限制的示例性流程图；
[018]图8是依照本技术的图1中井的压降与消耗之间关系的示例性图表；
[019]图9是依照本技术各方面的优化技术限制的示例性流程图；以及
[020]图10A-10C是依照本技术的图1中井动态优化的示例性图表。
具体实施方式
[021]在下面的详细说明中，将会结合本发明的优选实施例对其具体实施例进行描述。但是，下面的说明针对本技术的特别实施例或特别应用，在这种意义上来说希望这仅是示例性的且仅提供对示例性实施例的简要说明。因此，本发明并不局限于下面描述的具体实施例，相反，本发明包括落入所附权利要求的真实范围内的所有替代、修改和等价物。
[022]本技术针对一种用户工具，其用于针对井的预测、评估、优化和特征描述的井动态中。在本技术之下，该用户工具是基于从多组基于详细物理性质的工程模型模拟之前生成的响应表面。这些响应表面是针对井生产能力限制和井可操作性限制形成的。一个响应表面是从与一个或更多个基于物理性质的工程模型模拟产生的一组方程或算法。这些响应表面被储存于存储器中且可通过用户工具来访问。有益的是，该用户工具给用户提供了对控制井可操作性和生产能力限制的详细物理规律的访问，而用户不必利用详细的工程模拟模型。也就是说，用户不必执行详细的基于物理性质的工程模型模拟，但就可以在井开发的各种阶段访问之前执行的对另一个井的基于详细物理性质的工程模型模拟。同样地，在井寿命周期的各种方面期间，该用户工具增强井动态预测、评估和特征描述的过程，并因此通过以有效的方式提供基于物理的工程工具来提高碳氢化合物的开采。
[023]现在来看附图，首先参看图1，其图示说明了依照本技术某些方面的示例性开采系统100。在该示例性开采系统100中，漂浮的开采设备102被连接到井103，该井具有位于海底106上的水下采油树104。为了进入水下采油树104，控制系带(umbilical)112可以在水下采油树104和漂浮的开采设备102之间提供流体流动路径以及用于和井103中的各种装置进行通信的控制电缆。通过这一水下采油树104，漂浮的开采设备102进入包含石油和天然气之类的碳氢化合物的地下岩层108中。但是，应该注意的是开采系统100仅用于进行示例性说明的目的，并且本技术在从任何位置开采流体的过程中都是有用的。
[024]为了进入地下岩层108，井103穿透海底106以形成井筒114，其延伸到并穿过至少一部分的地下岩层108。如可以了解的是，地下岩层108可以包括各种岩石层，其可能含有或可能不含有碳氢化合物且可以被称为地带(zone)。在这一示例中，地下岩层108包括开采地带或层段(interval)116。这一开采地带116可以包括流体，如水、石油和/或天然气。水下采油树104，其被安置于海底106处的井筒114之上，为井筒114之中的装置和漂浮的开采设备102之间提供界面。因此，水下采油树104可以被连接到开采管柱118以提供流体流动路径，并被连接到控制电缆120以提供通信路径，其可以与控制系带112在水下采油树104处相连。
[025]井筒114也可以包含各种套管以便为进入地下岩层108提供支撑和稳定性。例如，可以从海底106到海底106之下的某位置之间安装表面套管柱122。在表面套管柱122之内，可以利用中间的或开采套管柱124来为井筒114的壁提供支撑。开采套管柱124可以向下延伸到靠近或穿过地下岩层108的深度。如果开采套管柱124延伸穿过地下岩层108，则可以产生穿过开采套管柱124的射孔126来允许流体流入到井筒114中。此外，可以通过井筒114中的水泥外壳或衬套125将表面套管柱122和开采套管柱124接合到固定位置，以便为井103和地下岩层108提供稳定性。
[026]为了从地下岩层108中开采碳氢化合物，可以利用各种装置来提供流动控制和井筒114不同部分之间的隔离。例如，如果在地下安全阀128之上的控制电缆120或控制系带112中发生开裂或破碎，可以利用地下安全阀128来阻塞流体从开采管柱118中流出。此外，流动控制阀130可以是在特定位置调节穿过井筒114的流体流动的阀门。同时，工具132可以包括滤砂器、流动控制阀、砾石填充工具或其它类似用于管理流体从地下岩层108穿过射孔126的流动的完井装置。最后，还可以利用封隔器134和136来隔离井筒114的环空(annulus，环形空间)内的特定地带，如开采地带116。
[027]如上所述，通常以连续的操作执行井开发的不同阶段，这些连续的操作利用专门化的或极度简化的模型来提供关于井103的具体信息。对于极其简化的模型，关于井103某些方面的一般假设会导致误差，误差可能会影响矿区的经济效益。例如，压实(compaction)是一个在脆弱的高度可压缩的地下岩层108中必须解决的机械故障问题。一般地，通过基于hog定律或经验法则对井的井底流动压力进行限制来避免压实。但是，没有技术基础来支持这一实践，其限制了从井开采碳氢化合物。此外，在井设计阶段期间错误的假设会导致在开采阶段实际产量被曲解。因此，可对井103采用昂贵的且可能无效的补救措施来努力促进开采。
[028]此外，用于说明控制井动态的物理规律的繁杂模型很耗时，计算强度高，且被开发用于感兴趣的特殊井。由于这些繁杂的模型关注于具体的应用，因此进行不同的研究来优化完井设计和/或基于这些模型来确保其它井以其全部能力进行开采是不实际的。例如，一个矿区可以包括很多每日开采碳氢化合物的井。利用这些繁杂的模型来防止井故障并优化每个井的动态是不实际的。而且，在开发井的每个阶段中利用这些繁杂模型是不合理的，因为与分析或处理数据相关的时间过长。同样地，这些繁杂的模型会导致很多井未被评估可能的故障而且保持在非优化的状态。
[029]有益的是，本技术关注于一种用户工具，其对井动态预测、评估、优化和井的特征描述进行建模。在本技术指导下，基于响应表面的工程模型提供了基于物理规律的井生产能力限制和井可操作性限制。作为替代，利用工程耦合物理模拟器来形成耦合物理技术限制。利用井生产能力限制和井可操作性限制以及耦合物理限制来形成综合的井动态限制，这在下面做更加详细的讨论。可以在井开发的每个不同阶段利用响应表面来有效地对井进行评估。据此，在图2中更加详细地讨论用户工具的一个示例性实施例。
[030]图2是依照本技术某些方面的示例性建模系统200。在这一建模系统200中，可以将第一装置202和第二装置203通过网络210连接到各种客户装置204、206和208。第一装置202和第二装置203可以是计算机、服务器、数据库或其它基于处理器的装置，而其它装置204、206和208可以是膝上型计算机、桌上型计算机、服务器或其它基于处理器的装置。这些装置202、203、204、206和208中的每一个可以包括监视器、键盘、鼠标和其他用于与用户互动的用户界面。
[031]由于这些装置202、203、204、206和208中的每一个可以被安置在不同的地理位置中，如不同的办公室、建筑物、城市或国家，网络210可以包括不同的装置(未图示)，例如路由器、交换器、桥接器。而且，网络210可以包括一个或更多个局域网、广域网、服务器区域网(server area network)或城域网，或这些不同类型网络的组合。本领域技术人员可以理解装置202、203、204、206和208所用的网络210的连通性和用途。
[032]第一装置202包括用户工具212，其被构造为向装置202、204、206和/或208的用户提供基于响应表面的不同井可操作性限制和井生产能力限制。用户工具212可以是例如应用程序，其可以存在于第一装置202内的存储器(未图示)中。这一应用程序(其在下面进一步描述)可以提供完井(如图1的井103)的基于计算机的表示，其与石油储层或沉积盆地(如图1的地下岩层108)相连。用户工具212可以被实现为电子数据表、程序、例程(routine)、软件包或现有程序中另外的计算机可读软件指令，其可以用计算机编程语言来编写，如Visual Basic、Fortran、C++、Java等。当然，储存用户工具212的存储器可以是用于储存应用程序的任何常规类型的计算机可读存储装置，其可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器(CD-ROM)和其它光介质、磁带等。
[033]作为用户工具212的一部分，可以利用基于复杂的耦合物理模型的各种工程模型来产生针对各种故障模式的响应表面。这些响应表面214可以包括各种算法和方程，其定义针对井的各种故障模式的技术限制。此外，用户工具212可以访问可以被应用于其它井的之前产生的响应表面。也就是说，用户工具212可以基于公共平台，以使用户能同时，甚至可能同步评估技术限制。此外，用户工具212可以被构造为提供图形化输出，其定义技术限制并允许用户对比不同的参数以修正技术限制，从而提高产量而不损坏井。可以以图形或图表的形式来提供这些图形化输出，这些图形或图表可以被用于确定井的某些限制或提高的生产能力。特别地，这些技术限制可以包括井可操作性限制、井生产能力限制和耦合物理限制，其分别在下面进行更详细的讨论。
[034]第二装置203包括耦合物理工具218，其被构造为将各种工程模型集成在一起用于完井。耦合物理工具218可以是例如应用程序，其可以存在于第二装置203内的存储器(未图示)中。这一应用程序(其在下面的图7和图8中进一步描述)可以提供完井(如图1的井103)的基于计算机的表示，其与石油储层或沉积盆地(如图1的地下岩层108)相连。耦合物理工具218可以被实现为程序、例程、软件包或现有程序中另外的计算机可读软件指令，其可以用计算机编程语言来编写，如Visual Basic、Fortran、C++、Java等。当然，储存耦合物理工具218的存储器可以是用于储存应用程序的任何常规类型的计算机可读存储装置，其可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器(CD-ROM)和其它光介质、磁带等。
[035]与耦合物理工具218相关联的基于复杂耦合物理模型的各种工程模型可以被用来产生针对各种故障模式的耦合物理技术限制220。耦合物理技术限制220可以包括各种算法和方程，其定义针对井的各种故障模式的技术限制，故障模式基于针对完井和接近完井的物理规律。与用户工具212类似，耦合物理技术限制220可以被其它装置(如装置202、204、206、208等)访问，且其被构造为提供定义技术限制的图形化输出。在下面图7和图8中对耦合物理限制或耦合物理技术限制做更详细讨论。
[036]有益的是，在本技术指导下，可以通过源于利用基于响应表面214的用户工具212的技术限制来增强井的操作，响应表面214是基于有限差分法、3D地质力学有限元法、有限元法、有限体积法，或用于解偏微分方程的其它基于点或栅格/单元的数值离散方法，利用工程模拟模型或计算模拟模型形成的。与繁杂的工程模型不同，用户工具212基于源于利用并非针对具体应用或开发时机所设计的工程模型的响应表面214。基于响应表面214的用户工具212可以被用于多种不同的井。也就是说，响应表面214可以表示详细的工程模型而不需要巨大的计算能力和熟练的专门技术来操作、设定和评估软件包，比如但不限于ABAQUSTM、FluentTM、ExcelTM和MatlabTM。同时，与简化的模型相反，利用用户工具212形成的技术限制可说明控制井动态的物理规律。也就是说，用户工具212解释各种物理参数，这些参数被仅基于简化模型的分析所忽略，例如产量、hog定律(hog′s laws)和/或经验法则。
[037]此外，由于已经针对响应表面214对详细的工程模型进行简化，所以用户工具212可以被应用于多种井以评定机械的井完整性或可操作性故障的风险、井生产能力的潜力或流动能力限制，并利用井可操作性限制以及井生产能力限制和/或耦合物理技术限制来优化井动态，其中如下所述，耦合物理技术限制关注于可操作性限制和生产能力限制未关注的其它物理现象。例如，可以在设想选择阶段期间进行风险评定来辅助完井选择决策，在井计划阶段期间进行风险评定来辅助井和完井设计，而在开采阶段期间进行风险评定来防止故障并基于技术限制来提高产量。也就是说，用户工具212的响应表面214可以被应用于井开发的各个阶段，因为用户可以调整针对给定井的广泛范围的输入参数，而没有工程模型的时间和费用或与简化模型中的限制假设相关的误差。因此，用户工具212可以被用于提供涉及井可操作性限制(如与图3-4相关的讨论)和井生产能力限制(如与图5-6相关的讨论)的井技术限制。此外，源于井可操作性限制和/或井生产能力限制和/或耦合物理限制(如与图7-8相关的讨论)的用户工具212可以被用于优化各种技术限制或井操作参数(如与图9-10相关的讨论)。
[038]作为一个实施例，用户工具212可以被用于提供响应表面214，其针对确定井可操作性限制。在机械故障事件发生之前，井可操作性限制和井的机械完整性限制相关。机械故障可以是使井不能被用于实现其预期目的的事件。例如，图1中井103的机械故障可以归因于在井的开采或注入操作过程中的压实、侵蚀、出砂、崩塌、鼓胀、分离、剪切、弯曲、泄漏或其它类似的机械问题。一般地，这些机械故障导致昂贵的油井维修、用于获取图1的地下岩层108中的碳氢化合物储藏的井侧钻或重钻操作。这些故障后解决方案是昂贵且费时的反应性地解决机械故障的方法。但是，借助用户工具212，可以在不同的阶段期间识别潜在的井机械故障问题，从而不仅防止故障，而且在其技术限制范围内以有效的方式对井进行操作。
[039]图3是依照本技术的某些方面的通过图2的用户工具212产生和利用井可操作性限制的示例性流程图。这一流程图(其标示为参考数字300)可以通过同时察看图1和图2得到最好的理解。在这一流程图300中，可以形成并利用响应表面214来提供针对井103的设想选择、井计划、经济分析、完井设计和/或井开采阶段的完井限制和指导方针。也就是说，本技术可以以有效的方式提供针对各种机械的或完整性故障模式的响应表面214，这些模式来自在诸如用户工具212的应用程序上执行和储存的详细模拟。因此，基于耦合物理工程模型的响应表面214向其它用户提供被用于更有效地解决机械的井完整性问题的算法和方程。
[040]该流程图开始于块302。在块304中，建立故障模式。故障模式(其为井的机械故障)的建立包括确定具体的井如何变得故障。例如，故障模式可以是由岩石的剪切断裂或拉伸断裂造成的出砂。这一故障事件会导致损失井103的开采。
[041]在块306中，构建故障模式的工程模型来建模井构架组件之间的相互作用。这些组件包括管子、流体、岩石、水泥、滤网和共同开采条件下的砂砾，以及井底流动压力(FBHP)、压降、消耗、产量、水油比(WOR)、气油比(GOR)等。基于井特征来确定故障标准，这些特征可以和井的具体故障事件相关。例如，如果故障模式为出砂，工程模型可以利用岩石的机械特性结合储层和井的数值模拟模型来预测在不同的开采条件下什么时候会发生出砂，这些条件可以包括产量、压降和/或消耗。然后校验工程模型以确定该工程模型是有效的，如块308所示。对工程模型的校验可以包括对比工程模型的结果和来自于井103的真实数据，对比响应表面的结果和工程模型的结果，或对比工程模型和该矿区内的其它井，以确定简化的假设有效。
[042]由于这些工程模型一般是详细的有限元模型，其花费大量的时间来评估，如从一个或几个小时到数天，因此将工程模型转化为被称为响应表面214的一个或更多个算法或方程，如块310所示。该转化包括用工程模型对一系列可能的参数执行参数研究以生成不同的响应表面214。该参数研究可以利用数值设计实验来提供针对不同状况的算法。有益的是，该参数研究可捕获各种物理参数和特性，它们不能用一般被用于代替数值模型的解析模型来解释。对参数研究的结果进行精简以通过拟合技术或统计软件包来简化方程，从而形成响应表面214。这些曲线和表面拟合技术定义广义的方程或算法，其可以基于工程模型的工程判决和/或解析简化。具体地说，可以利用试错方法来定义响应表面214的合理形式，其可以符合来自于参数研究的大量结果。因此，可以利用各种假设进一步简化响应表面214，例如储层区中的同质岩石特性、穿过采层的线性井通路和/或盘形储层。
[043]在块312，定义响应表面214的算法和方程被包含于用户工具212中。如上所述，可以利用用户工具212为用户提供技术限制的图形化输出。这些图形化输出可以比较开采信息或注入信息，如产量和压力等。以这种方式，用户(如操作员或工程师)可以评估当前生产率或注入率与响应表面214所指示的技术限制之间的关系，以调整某些参数从而防止井故障或改进井103的动态。可以以简化的方式来执行这一评估，因为可以访问之前生成的响应表面而不是必须利用工程模型来模拟针对井的各个条件。同样地，用户可以将定量的风险分析应用于响应表面214所生成的技术限制，以说明输入参数的不确定性并管理相关的风险。在块314中，可以利用用户工具212来将之前生成的响应表面214有效地应用于经济决策阶段、井计划阶段、井设想选择阶段和井操作阶段。相应地，该过程结束于块316。
[044]作为具体示例，井103可以是包括各种射孔126的下套管完井。在这种类型的完井中，基于储层压降和消耗的地下岩层108的砂面处孔隙压力的变化可以增大对采层或地带116的岩石中射孔126上的应力。如果开采地带116中的岩石上的有效应力超过剪切断裂包络或岩石失效标准，则砂砾会通过射孔126进入井筒114而被采出。将砂砾采入井筒114会损坏诸如采油树104及阀门128和130等设备，以及诸如开采设施102的设施。因此，地下岩层108中岩石的剪切断裂或越过工程模型中的岩石失效标准可以被识别为故障模式，如块304中所述的。
[045]一旦识别出故障模式，可以构建工程模型来描述机械的井可操作性限制(WOL)，如块306所述。工程模型构建可以包括定义有限元模型来模拟从开采地带116通过射孔126进入井筒114的井供油。这些三维(3-D)模型可以包括代表采层116中的储层岩石、水泥衬套125和开采套管柱124的参数。例如，可以将开采套管柱124中的射孔126模拟为圆柱形通孔，而水泥衬套125和储层岩石中的射孔126可以被模拟为截锥形且在射孔顶端具有半球形表面。
[046]此外，也可以为储层岩石、水泥衬套125和开采套管柱124选定特性和参数。例如，模型中的对称是以射孔相位和射击密度为基础的。同样，边界条件被应用于代表储层压力条件。然后，在各种压降水平下对每个模型进行评估以确定射孔126处的岩石超过剪切断裂包络或岩石失效标准的点。压降可以被建模为从井供油半径到射孔126的放射式达西流动(radial Darcy flow)。井供油面积是向井筒114提供流体的地下岩层108的面积。
[047]作为一个示例，可以通过改变某些参数来生成一个或更多个有限元模型。这些参数可以包括：(1)岩石特性，如岩石无约束抗压强度(USC)、岩石摩擦角(RFA)，弹性或剪切模量和/或岩石泊松比(RPR)等；(2)套管特性，如管子等级(例如L80、P110、T95、Q125)等；(3)水泥特性(无约束抗压强度(USC)、摩擦角、弹性或剪切模量、泊松比)；(4)井供油半径(WDR)；(5)射孔几何形状(PG)(射孔入口直径(PED)、射孔长度(PL)和射孔圆锥角(PTA))；(6)套管尺寸(套管外径(COD)和套管直径/厚度(D/T)之比(CDTR))；(7)水泥接合环空尺寸；(8)射孔相位；以及(9)每英尺的射孔数(PSPF)。尽管这些参数中的每一个都可以使用，但简化、取消或合并参数以便于进行参数研究是有益的。这一参数精简可以基于工程的专门技术来组合实验或利用实验性的设计方法或过程来简化参数研究。可以利用这些自动化的脚本来便于模型构建，模拟和模拟数据收集，以进一步简化参数研究。对于这一示例，确定套管特性、射孔相位和每英尺的射孔数以具有最小的影响并将其从参数研究中去除掉。因此，可以对剩余的参数进行参数研究，这些参数被包含于下面的表1中。
表1：WOL参数研究
模型号 RC  RFA  RPR  WDR  PED  PL  PTA  COD  CDTR
    1     1     1     1     1     1     1     1     1     1
    2     1     2     1     3     2     1     3     2     2
    3     3     2     2     3     1     1     1     3     1
    4     2     3     2     2     1     3     1     3     2
[048]在这一示例中，可以为上面列出的9个参数中的每一个定义3个数值。结果，作为参数研究的一部分，可能必须对19683种可能的组合或模型进行评估。可能要在多个压降值下对每个模型进行评估以形成针对每个模型的单独技术限制(例如，压降对消耗的关系)。
[049]生成工程模型后，可以对这些工程模型进行校验并将其转化为响应表面214。这些工程模型的校验(如块308中所述)可以涉及到对比单独的工程模型结果和真实的现场数据以确保评估足够准确。真实的现场数据可以包括针对完井的具体压降下的出砂。然后，可以将工程模型转化为响应表面，这在块310中进行讨论。特别地，可以将针对不同工程模型的结果和各个参数在电子数据表或统计评估软件中汇编。对个别地且交互式地改变9个参数的影响进行评估以形成针对工程模型的响应表面214。所得到的响应表面方程或方程组提供作为压降的函数的技术限制或井可操作性限制。
[050]如果用户工具212为包括电子数据表的计算机程序，则可以将响应表面214和相关参数存储在该程序可访问的单独文件中，或使其与大数据库中的其它响应表面214和参数相结合。不论如何，如上所述，其它用户可以通过网络来访问这些响应表面和参数。例如，用户工具212可以接受来自键盘的用户输入项来描述另一个井的具体参数。嵌入在用户工具212中的响应表面214可以根据用户提供的各种输入项来计算井可操作性限制。这些输入项优选处于工程模型的参数研究所研究的数值范围内。
[051]作为这一过程的结果，图4图示说明了依照本技术表征井压降与井消耗之间关系的示例性图表。在图4中，图表(其大体标示为参考数字400)比较井压降402与井103的消耗404。在这一示例中，响应表面214可以定义技术限制406，其为由用户工具212产生的井可操作性限制。如图表400所示，技术限制406可以基于压降402和消耗404的相对值发生改变。只要开采或注入水平408低于技术限制406，井103就仍具有开采性或处于非故障模式。如果开采量或注入水平408高于技术限制406，则很可能会发生地下岩层108中的岩石剪切断裂。也就是说，当高于技术限制406时，井103会变得不可操作或出砂。因此，可以基于响应表面所指示的技术限制来利用响应表面管理储层压降和消耗。
[052]有益的是，在本技术之下，可以通过利用用户工具212来确定井可操作性限制并保持井103在这些限制之内，加强井103的不同开发阶段。也就是说，用户工具212在井103的每个开发阶段期间向用户提供之前生成的响应表面214。由于已经针对参数和特性对响应表面214进行了评估，用户工具212可提供关于机械完整性或井可操作性限制的准确信息，而没有与复杂模型相关的延迟和过度简化模型中出现的误差。此外，用户工具212可以提供用于操作井103的指导方针来防止故障事件并提高开采达到井可操作性限制。
[053]作为另一个有益之处，可以利用响应表面来产生井可注入性限制。该井可注入性限制根据井向地下岩层的特定区域中注入指定的流体流量或流体和固体的能力定义针对注入井的技术限制。可注入性限制可能处理的故障模式的一个示例是与注入相关的碎裂传播到所述区域之外并因此导致丢失一致性的可能。可以被处理的故障模式的另一个示例是在多井相互作用过程中井套管或套筒的剪切的可能，这些相互作用是由封闭空间井开发(closed spaced well development)中的注入操作导致的。也可以将井可注入性限制的响应表面用作储层模拟器中的井入流动态模型来模拟注入井，或用作独立井或完井模拟器中的井入流动态模型来模拟注入井动态。
[054]与所讨论的机械故障类似，流量和井特征的缺陷影响井的产量或注入量。这些缺陷可以归因于射孔几何形状和/或高速流动(即非达西流动)、近井筒岩石损坏、压实引入的永久损失或其它类似效应。由于描述这些缺陷的模型被过度简化，这些模型所提供的井生产能力或可注入性分析忽略某些参数并提供不准确的结果。因此，来自其它模型的井生产能力或可注入性的预测和/或评估中的误差会不利地影响对矿区经济价值的评估。例如，不能准确地解释完井几何形状、开采条件、地质力学效应和流体成分变化的影响会导致对产量的评估误差。在随后的开采阶段，评估误差会导致对井测试数据的错误解释，其可致使需要昂贵且可能无效的油井维修来尽力促进开采。除了伴随简单模型的误差，复杂模型失效，因为这些模型仅关注于特别的状况。因此，各种井不能被充分评估或会被忽略，因为没有工具来以全面但有效的方式为这些井提供响应表面。
[055]在本技术之下，可以通过利用诸如用户工具中的响应表面之类的数据来提高井的生产能力或可注入性。如上所述，这些响应表面可以是基于工程计算模型(如3D地质力学有限元模型)的简化工程模型。这使得不同的用户能够访问之前生成的响应表面，用于各个阶段(如设想选择、井计划、经济分析、完井设计和/或井开采阶段)内对不同井的分析。例如，在井监督过程中，常常根据所测量的“外表”数值来解释缺陷。但是，外表数值(skin value)并不是井的真实动态相对于其技术限制的有效指示。因此，如上所述，通过将工程模型转化为响应表面，可以利用其它参数来向用户提供作为井的技术限制的更有效指示的图表和数据。这提高了用户的分析效率，甚至可以被用于井开发的每个阶段。图5中提供了这一过程的示例性流程图，其用于确定井生产能力限制。
[056]如图5所示，示出了依照本技术各方面的示例性流程图，其涉及到图2中的用户工具212对井生产能力限制的利用。这一流程图(其通过参考数字300标示)可以通过同时察看图1、图2和图3得到最好的理解。在这一实施例中，可以形成并利用与流量和流动特征相关的响应表面来提供针对设想选择、井计划、经济分析、完井设计和/或井开采阶段的技术限制和指导方针。也就是说，用户工具212可以以有效的方式，以之前为其它井执行的详细模拟为基础提供针对各种井生产能力限制的响应表面214。
[057]该流程图开始于块502。在块504中，识别井103的缺陷模式。对缺陷模式的识别包括确定阻碍到井103或在其内部的流体流量或阻碍流体和/或固体的注入量从井103进入到岩层108的条件。如上所述，缺陷是控制近井筒流动的物理机制或者是井103不能以其理论产量或注入量分别流出或注入的故障情况。例如，缺陷模式可以包括在井103中充当流动堵塞物的射孔。
[058]在块506，构建针对缺陷模式的工程模型来模拟井特征的相互作用。这些特征包括井和完井组件、管子、流体、岩石、滤网、射孔和共同开采条件下的砂砾，井底流动压力(FBHP)、压降、消耗、产量、水油比例(WOR)、气油比(GOR)等。例如，如果缺陷是表现为流动堵塞物的射孔，工程模型就可以用储层、井和射孔的数值模拟模型利用岩石和流体的特性来预测在不同开采条件下的缺陷量，这些条件比如是产量、压降和/或消耗。然后对工程模型进行校验，如块508所示。对工程模型的校验可以类似于块308中所述的校验。
[059]由于工程模型一般是详细的有限元模型，如上面的块306所述，所以将工程模型转化为包括一个或更多个算法或方程的响应表面214，如块510所示。类似于上面关于块310的讨论，执行参数研究以根据各种参数和特性来提供响应表面。有益的是，参数研究可获取通常用来取代数值模型的解析模型所不能解决的一些方面。同样的，通过拟合技术或统计软件包将来自参数研究的这些结果精简为数值方程，从而形成响应表面214。
[060]在块512中，响应表面214的算法被包含于用户工具212中。如上面块312中所述，可以利用用户工具212为用户提供针对井生产能力限制的技术限制的图形化输出。以这种方式，用户可以评估当前的开采或注入与技术限制之间的关系，以调整产量或确定井的缺陷。在块514中，可以利用响应表面214来将之前生成的响应表面214有效地应用于经济决策阶段、井计划阶段、井设想选择阶段和/或井开采阶段。相应地，该过程结束于块516。
[061]作为具体示例，井103可以是包括各种射孔126的已下套管完井。在这种类型的完井中，进入井筒114中的流体流可能会因为射孔126的“堵塞”效应而被削弱。如果这种缺陷足够严重，在相关联的压降下井就达不到目标产量。从这种意义上说，缺陷与故障是同一个意思。在这些情况下，可以接受更低的产量，但这些更低的产量不利地影响矿区经济效益。作为替代，可以增大井103的压降压力以便使井103恢复到目标产量。但是，这一方法可能会由于开采设施102处的压力限制、针对井可操作性的压降限制和其它相关限制而不可行。因此，可以将进入和穿过完井的射孔126的压降识别为井103的缺陷或故障模式，如上面的块504所述。
[062]一旦识别出缺陷模式，可以构建工程模型来描述井生产能力限制(WPL)，如块506所述。针对井生产能力限制的工程模型构建可以包括定义诸如有限元模型的工程计算模型来模拟通过井103中射孔126进入井筒的汇聚流。与上面所讨论的井可操作性限制的工程模型构建类似，这些工程模型可以包括代表采层116中的储层岩石、水泥衬套125和开采套管柱124的参数。
[063]此外，也可以再一次对储层岩石、水泥衬套125和开采套管柱124选定特性和参数。例如，在各种压降水平下对每个工程模型进行评估以确定缺陷超越阈值时的压降，其阻止达到目标产量。根据这一点，通过改变下面这些些参数来为参数研究生成多个有限元模型：(1)岩石渗透性；(2)射孔相位；(3)射孔密度；(4)射孔长度；(5)射孔直径；(6)井供油半径；以及(7)井筒直径。可以通过去除供油半径和井筒直径参数来简化该示例，这两个参数被认为对参数研究的结果具有最小的影响。因此，可以对剩余的参数进行参数研究，这些参数被包含于下面的表2中。
表2：WPL参数研究
模型号 岩石渗透性 射孔相位 射孔密度 射孔长度 射孔尺寸
    1     1     1     1     1     1
    2     1     2     1     3     2
    3     3     2     2     3     1
    4     2     3     2     2     1
[064]在这一示例中，如果为上面列出的5个参数中的每一个定义3个数值，则可能必须对243种可能的组合或模型进行评估。在多个压降值下对每个模型进行评估以形成针对每个模型的单独限制状态(例如，产量对压降的关系)。因此，对于这一示例，可以通过完井不能以特定目标产量进行开采来定义井生产能力限制(WPL)。
[065]由于生成了工程模型，可以对这些工程模型进行校验并将其转化为响应表面，如块508和510及上面的示例所述。同样的，通过对工程模型的方程进行归纳的拟合技术来生成响应表面214。如上所述，所得到的方程或方程组提供限制状态或井生产能力限制，其可以被存储在用户工具212中。
[066]作为这一过程的结果，图6A和6B依照本技术图示说明了井生产能力限制的示例性图表。在图6A中，图表(其大体标示为参考数字600)比较缺陷602的测量与井103的压降604。在这一示例中，响应表面214可以定义技术限制606，其是从用户工具212产生的井生产能力限制。如图表600所示，技术限制606可以基于缺陷602和压降604的相对值发生改变。只要测得的缺陷低于技术限制606，井103就仍具有开采性或处于非缺陷模式。如果测得的缺陷高于技术限制606，则射孔126的“堵塞”效应或其他缺陷模式会限制产量。也就是说，高于技术限制606时，井103的开采低于目标产量且可以执行补救措施来解决缺陷。
[067]在图6B中，图表(其大体标示为参考数字608)对比井103的压降610与消耗612。在这一示例中，技术限制606可以设定为针对不同井身结构或井剖面(well profile)614、616和618的各种数值。例如，井剖面可以包括完井几何形状、储层和岩石特征、流体特性和开采条件。如图表608所示，井剖面614可以是砂砾填充的射孔，而井剖面616可以是没有砂砾的自然射孔。并且，井剖面618可以包括碎裂刺激。井剖面614、616和618基于井的不同几何形状或其它特征图示说明了射孔126的具体“堵塞”效应或其它缺陷模式。
[068]有益的是，如上所述，来自任何位置的用户都可以访问用户工具212以生成井生产能力限制并确定特别参数(如射孔设计、岩石特征、流体特性和/或井的开采条件)预期的缺陷数量。用户工具212可以是有效机制，因为它在井开发的各个阶段或进程中访问和提供之前确定的响应表面214。例如，在设想选择和井计划阶段期间，可以利用用户工具212来审阅不同完井设计的预期动态产量。类似地，在设计阶段期间，用户工具212可以增强或优化井设计的具体方面。最后，在开采阶段期间，可以利用用户工具212来对比观测的缺陷和预期缺陷，以监视完井的动态。
[069]作为本技术的第三个实施例，可以基于与描述流入或流出井的物理特性相关的工程模型，利用图2中的用户工具212来预测、优化和评估井103的动态。如上所述，井103可以运行于开采或注入模式，其可以被用来开采各种流体，如石油、天然气、水或蒸汽。一般，工程建模技术不能解释控制流体流入或流出井筒和在完井内的流体流动的第一基本物理完整集。结果，工程模型一般利用分析解，其基于高度简化的假设，如重叠原理的广泛利用和描述控制井动态的物理性质的线性化本构模型。特别地，这些简化假设可以包括单相流体流动理论、简单重叠原理的应用、将完井的有限长度处理为“点汇(pointsink)”、井压力瞬态数据分析中的单相压力扩散理论，以及利用单个“标量”参数来获取与在井筒、完井和近井筒区域的流动相关的井筒压降和近井压降。而且，如前所述，工程模型可以依靠hog定律和非物理的自由参数来尽力补救由这些简化造成的不足。最后，这些工程模型的简化形式不能帮助诊断井的问题，因为从这些工程模型得到的诊断数据常常是非唯一的且不能达到其预期目的，即识别影响井动态的个别根本原因问题。因此，这些工程模型不能解释同时影响井动态的各种物理现象的结合和缩放。
[070]为了将问题和简化假设配合在一起，工程模型一般是基于井的具体区域并以连续的方式进行管理。也就是说，工程模型是针对井操作的具体方面(如井设计、井动态分析和储层模拟器等)来设计的。通过关注于具体方面，这些工程模型还是不能一致地解决同时影响井动态的各种物理现象。例如，在其各自的孤立框架内，完井工程师设计井，开采工程师分析井，而储量工程师模拟井开采。结果，针对这些不同组的每个工程模型都将其他区域视为孤立的事件且对控制流体进入井的操作和流动的物理相互作用进行限制。关注于单一方面的个体进行的井设计、评估和建模具有连续的特性，这个特性并不能有助于综合基于解决井动态问题的方法的物理性质的技术。
[071]因此，在本技术之下，图2的耦合物理工具218可以被构造为提供针对井的耦合物理限制。这些耦合物理限制为技术限制，它们可以被用于井的上述各个阶段。这些耦合物理限制可以包括各种参数或因素的影响；如储层岩石的地质概况和不同成分，岩石流动和地质力学特性，表面设施约束，井操作条件，完井类型，耦合物理现象，相位隔离，与渗透性降低和井筒套管的形变相关的岩石压实，高速率流动效应，缩放沉降(scale precipitation)，岩石碎裂，出砂和/或其它类似的问题。由于这些因素中的每一个都影响流体的流动，该流动对于开采井来说是从地下储层岩石进入或穿过完井，或对于注入井来说是穿过完井进入地下岩层中，这些物理性质的综合提供了增强的井动态建模工具，其在图7中更详细讨论。
[072]图7是依照本技术各方面的形成耦合物理限制的示例性流程图。在该流程图中(其大体标示为参考数字700)，可以形成并利用耦合物理技术限制或耦合物理限制来量化在计划阶段预期的井动态，设计并评估各种完井类型以在现场开发阶段实现所需的井动态，执行假想研究和定量风险分析(QRA)以量化预期的井动态中的不确定性，识别在日常的现场监督中井动态下的根本问题(root issue)和/或优化各个井操作。也就是说，本技术可以提供(若干)技术限制，其为针对基于广义耦合物理模型的各种井动态限制的算法的集合，这些广义耦合物理模型由针对该井或其它井执行的详细模拟产生。这些模拟可以由应用程序来执行，如图2中的用户工具212或耦合物理工具218。
[073]该流程图开始于块702。在块704和706中，识别针对具体井的各种参数和第一基本物理规律。在块704中，识别影响井动态的物理现象和第一基本物理规律。控制井动态的第一基本物理规律包括但是不限于控制穿过储层岩石和完井的多相流流动和压降的流体力学原理、控制近井筒岩石的形变和附随的井套管形变和岩石流动特性变化的地质力学原理、与近井储层岩石和完井内的热传导和对流现象相关的热力学和/或控制与储层岩石层和缩放及沉降岩层起反应的非原产(non-native)储层流体(即酸、蒸汽等)背后的现象的化学性质。然后，还识别与完井、储层地质特性(流动和地质力学)和流体(储层和非原产储层)特性相关的参数，如块706所示。这些参数可以包括上述的各种参数。
[074]由于物理规律和参数被识别，可以形成耦合物理限制，如块708-714所示。在块708中，可以选择一组耦合物理模拟器来用于确定井动态。这些耦合物理模拟器可以包括工程模拟计算机程序，其模拟岩石流体流动、岩石机械形变、非原产流体与储层岩石和流体之间的反应动力学、岩石碎裂等。然后，可在一定范围的井操作条件下，如压降和消耗、井刺激(stimulation)操作和在块706中识别的参数，可以利用耦合物理模拟器进行井建模模拟。可以利用这些模拟所得到的结果来刻画井的动态，如块710所示。在块712中，基于井建模模拟的耦合物理限制可以形成为所需井操作条件和参数的函数。该耦合物理限制为合并影响井动态的复杂且耦合的物理现象的技术限制。这一耦合物理限制包括用于维持井的给定产量或注入量水平的井操作条件的组合。相应地，该过程结束于块714。
[075]有益的是，可以利用该耦合物理限制来以有效的方式增强井的动态。例如，基于耦合物理模拟的综合的井建模提供于井设计、评估和描述有用的井动态的可靠预测、评估和/或优化。耦合物理限制提供建模井注入和/或开采的基于物理性质的技术限制。例如，耦合物理限制在设计完井、刺激操作、基于压力瞬态分析或井下温度分析或结合的压力和温度数据分析对井动态进行评估，和/或利用入流动态模型在储层模拟器中模拟井入流能力时是有用的。结果，当评估或模拟井动态时利用耦合物理限制消除了非物理自由参数所产生的误差。最终，本技术提供用于评估井动态或形成一组独特诊断数据的可靠的耦合物理限制，从而识别影响井动态的根本原因问题。
[076]作为具体示例，井103可以是用于深水GOM矿区的破裂砂砾填充的完井，这些矿区具有位于砂岩中的的储层且其特征为弱的切变强度和高度可压缩性。砂岩的这些岩石地质力学特征会导致储层岩石压实和伴随的井流量的丧失，其基于与压实相关的砂岩渗透性的降低。同样地，控制流体流入破裂砂砾填充的完井中的物理现象可以包括岩石压实、非达西流动(non-Darcy flow)条件、近井区域内与射孔和裂缝翼(fracture wing)中的砾沙有关的压降。
[077]由于这些物理现象中的每一个都可能以联系的方式在近井区域和完井内同时发生，可以利用基于有限元分析(FEA)的物理系统模拟器来以联系的方式模拟流体流过致密多孔介质进入破裂砂砾填充的完井中的流动。可以利用普通岩石的基本性能来建模在这一耦合FEA模拟器中的岩石压实，这些基本性能诸如是弹性、塑性(即Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Cap塑性等)或粘弹性-塑性。为了解决与高的井流量所产生的多孔介质流相关的压降，通过非达西压力梯度与流量的关系来近似压力梯度。结果，形成FEA工程模型，其代表井筒(即套管、管子、砂砾填充的环空、套管和水泥射孔等)，近井筒区域(射孔和裂缝翼)以及达到供油半径的储层岩石。这一FEA工程模型使用合适的岩石本构模型和压降的非达西流动模型，且该FEA工程模型被用于求解由动量守恒和质量守恒所产生的耦合方程，动量守恒和质量守恒分别控制岩石形变和通过多孔介质的流动。该模型中所用的边界条件是井筒中固定的井底流动压力和供油半径处的远场压力。这些边界条件可以被共同改变以模拟一系列井压降和消耗。
[078]可以识别控制完井动态的参数。例如，这些参数可以包括(1)井压降(即远场压力和井底流动压力之差)；(2)井消耗(即与原始储层压力相比远场压力的减小量)；(3)井筒直径；(4)滤网直径；(5)裂缝翼长度；(6)裂缝宽度；(7)套管和水泥中的射孔尺寸；(8)射孔相位；(9)砂砾的渗透性和/或(10)砂砾的非达西流动系数。这些参数中的一些，如岩石本构模型参数和岩石流动特性等，可以从岩心测试获得。
[079]在这一示例中，在FEA模型中可以将参数(3)-(7)固定在给定水平。由于固定了这些参数，可以利用FEA模型来进行针对压降和消耗变化水平的一系列稳态模拟。可以利用耦合FEA模型的结果来计算井流动效率。特别地，如果利用FEA模型来预测针对给定的消耗和压降水平的流动流，井流动效率就可以被定义为耦合FEA模型计算出的井流量与理想流量之比。在这一实例中，理想流量被定义为流入形成裸眼完井的完全穿通直井的流量，该直井有与完全耦合FEA模型相同的井筒直径、压降、消耗和岩石特性。所用的岩石流动特性和渗透性是理想流量计算结果，其与完全耦合模型相同，因为忽略了岩石压实和非达西流动效应。因此，针对变化的压降和消耗水平以及针对一组固定参数(3)-(7)对一系列完井效率进行评估。然后，可以为耦合物理限制的变化的压降和消耗水平产生完井效率的简化数学曲线。
[080]作为这一过程的结果，图8依照本技术图示说明了井压降与井消耗的关系的示例性图表。在图8中，图表(其大体标示为参考数字800)对比井103的压降802与消耗804。在这一示例中，耦合物理限制可以定义出由流程图700所产生的技术限制806。如图表800所示，技术限制806可以基于压降802和消耗804的相对值发生改变。只要井压降和消耗被约束在技术限制806内，井103就仍可开采。本示例中的技术限制表示在井套筒经受导致在从致密储油岩层进行开采时的井开采故障的机械完整性问题之前，井可能承受的最大压降和消耗。作为替代，技术限制806也可以表示在从致密储油岩层进行开采时，与储层岩石压实相关的岩石渗透性降低所导致的给定的流动缺陷程度的最大井压降和消耗水平。在另一个示例性场景中，耦合物理限制可以表示对井动态的组合技术限制，其针对由高速非达西流动的组合耦合物理特性所显示出的给定流动缺陷，该高速非达西流动和岩石压实所诱发的渗透性降低相结合发生。
[081]不管什么技术限制，技术限制可以包括耦合物理限制、井可操作性限制、井生产能力限制或其它技术限制，都可以以各种原因从各种技术限制的角度来优化井的动态。图9是依照本技术各方面的用图2的用户工具212或依照图2的耦合物理限制工具203对井操作条件和/或完井体系结构进行优化的示例性流程图。在这一流程图(其等同标示为参考数字900)中，可以组合并利用一个或更多个技术限制来形成在整个井寿命的优化的井操作条件或优化的完井体系结构，从而通过依照井开采技术限制完成井来实现沿完井的优化入流剖面。可以在现场开发计划阶段进行井优化过程，在现场开发阶段进行井设计以评估各种完井类型从而实现与技术限制一致的所需井动态，在日常的现场监督中识别井动态下的根本问题和/或执行假想研究和定量风险分析(QRA)以量化预期井动态中的不确定性。也就是说，本技术可以提供在整个井寿命的优化的井操作条件或用于完井中的优化的井体系结构(即完井硬件)，其基于与一个或更多个技术限制相关的各种故障模式。同样地，可以通过用户与应用程序(如图2中的用户工具212)的互动来执行这一优化过程，从而优化综合的井动态。
[082]该流程图开始于块901。在块902和904中，识别故障模式并获得技术限制。故障模式和技术限制可以包括上述的故障模式以及针对这些故障模式所产生的相关技术限制。特别地，这些技术限制可以包括如上所述的耦合物理限制、井可操作性限制和井生产能力限制。在块906中，可以用公式表示目标函数。该目标函数是要被优化的目标任务的数学抽象。例如，该目标函数可以包括优化井的开采以形成与技术限制一致的在整个井寿命周期中的开采通路。作为替代，该目标函数可以包括优化进入基于各种技术限制的完井的入流剖面，这些技术限制控制沿完井长度方向从岩层向外的开采。在块908中，可以利用优化求解器以及由各种技术限制所定义的优化约束来解决该目标函数所定义的优化问题，从而提供优化的解决方案或井动态。具体的情形可以包括比较井可操作性限制和井生产能力限制或甚至包括多种故障模式的耦合物理限制。例如，如果发生储层岩石的气孔崩塌，则很快会发生导致开采性缺陷的与岩石压实相关的渗透性损失。尽管提高产量是有益的，但以可导致气孔崩塌的流量流动井会永久损坏井并限制后面的产量和采收率。因此，可以利用额外的压降来维持产量，这可以由定义井的机械故障极限的井可操作性限制来限制。因此，优化的解决方案可以是在井寿命周期内的井压降和消耗，其同时降低与压实相关的渗透性损失所产生的流动缺陷效应造成的井生产能力风险和岩石压实造成的井可操作性风险，同时使来自井的初始产量和总采收率最大化。当向岩层中注入流体和/或固体时，也可以将之前的讨论应用于注入操作。在另一个优化示例中，可以形成针对从完井所分割的各种岩石层起沿完井长度方向的入流的技术限制。可以用公式表示目标函数以便针对给定的井总产量或总注入量来优化入流剖面。同时，可以利用优化求解器以及由各种技术限制所定义的优化约束来解决该目标函数所定义的优化问题。这一优化求解器可以提供优化的解决方案，其是与所需井动态技术限制和目标井产量或注入量一致的优化的入流剖面。
[083]基于来自该优化求解器的解决方案，可以形成针对现场的现场监督方案，如块910所示且在下面作进一步的讨论。该现场监督方案可以遵循优化解决方案和技术限制约束，从而以有效和增强的方式来提供碳氢化合物。作为替代，可以在井中设计并安装完井体系结构，即完井类型、硬件和入流控制装置，从而依照控制从各种岩层进入到井内的入流的技术限制来管理井入流。然后，在块912中，可以利用井以遵循监督方案的方式来开采碳氢化合物或注入流体和/或固体，以保持操作处于技术限制之内。相应地，该过程结束于块914。
[084]有益的是，通过优化井动态，可以降低开采碳氢化合物或注入流体和/或固体的失败几率。而且，可以调整井的操作以防止不希望的事件并提高井在其寿命周期内的经济效益。此外，本方法向日常的井操作提供了技术基础，其与利用hog定律或基于不完善假设的其它经验性规则不同。
[085]作为具体示例，井103可以是下套管完井，其为参考上述图3和图5的过程讨论的示例的延续。如前所述，可以通过图3-6B所述的过程获得井可操作性限制和井生产能力限制，或者可以通过图7-8所述的过程获得耦合物理限制。不管哪种来源，这些技术限制都可被访问用来定义优化约束。此外，从井/矿区的经济效益角度来看，可以使用任何所需的目标函数。目标函数可以包括最大化井产量或优化井入流剖面等。因此，为了优化井产量，可以同时将井可操作性限制和井生产能力限制用作约束来形成在井寿命周期内的最优井压降和消耗历史。以这种方式形成的井操作条件可以系统地管理井机械整体性故障的风险，同时降低各种流动缺陷模式对井流动能力的潜在影响。作为替代，为了优化进入完井的入流剖面，可以同时将针对完井所分割的每个岩层的井可操作性限制和井生产能力限制用作约束来形成在井寿命周期内沿完井长度方向的最优入流剖面。这一最优入流剖面被用于形成完井体系结构，即完井类型、硬件和能够利用优化的流动条件来进行开采或注入的入流控制装置。
[086]有了针对目标函数和技术限制的优化解决方案，开发现场监督方案。该现场监督可以包括监视各种数据，如所测量的表面压力或井下井底流动压力，对静态关井井底压力的评估，或其它任何表面或井下的物理数据测量结果，如温度、压力、个别液相流量、流量等。可以从表面或井底的压力表、分布式温度光纤电缆、单点温度表、流量表和/或可以被用于确定来自井中每个岩石层的压降、消耗和产量的任何其它实时的表面或井下物理数据测量装置来获得这些测量结果。因此，现场监督方案可以包括各种设备，例如但不限于井底压力表，其被永久地安装于井底或通过线绳导入。同时，光纤温度测量和其它装置可以分布在完井的长度方向上，以向中心计算机服务器传送实时数据测量结果，以由工程师用来根据现场监督方案调整井开采操作条件。也就是说，现场监督方案可以指示现场工程师或人员应该每天针对一组目标水平来检查井压降和消耗或其它井开采条件，以维持优化的井动态。
[087]图10A-10C依照本技术图示说明与图1中的井优化相关的示例性图表。特别地，图10A依照本技术针对井压降1002与井消耗1004的关系比较井可操作性限制和井生产能力限制。在图10A中，图表(其大体标示为参考数字1000)比较图4所述的井可操作性限制1006和图6A所述的井生产能力限制1007。在这一示例中，提供了非优化或典型的开采通路(production path)1008和优化的综合井动态(IWP)开采通路1009。该非优化的开采通路1008可以基于单个限制状态，如井可操作性限制来提高每天的开采，而IWP开采通路1009可以是优化的开采通路，其基于利用上述目标函数和技术限制的优化问题的解决方案。仅通过观察压降与消耗的关系，综合井动态开采通路1009与非优化的开采通路1008相比的直接益处不立刻显现出来。
[088]在图10B中，图表(其大体标示为参考数字1010)比较开采通路的产量1012和时间1014。在这一示例中，非优化的开采通路1016(其与开采通路1008相关)和IWP开采通路1018(其与开采通路1009相关)被表示为每个开采通路在一段操作时间内的井产量。对于非优化的开采通路1016，其产量初始时较高，但随着时间会降低到IWP开采通路1018之下。因此，IWP开采通路1018表现出较长的稳定时间(plateau time)，并在经济上是有利的。
[089]在图10C中，图表(其大体标示为参考数字1020)比较开采通路的总bb1(桶数)1022和时间1024。在这一示例中，非优化的开采通路1026(其与开采通路1008相关)和IWP开采通路1028(其与开采通路1009相关)被表示为每个开采通路在一段操作时间内来自井的总桶数。对于非优化的开采通路1026，同样地初始时其总桶数高于IWP开采通路1028，但是在整个时段IWP开采通路1028比非优化的开采通路1026开采更多。因此，在与非优化的开采通路1026相同的时间段内更多的碳氢化合物如石油被开采出来，这导致IWP开采通路获取更多的储量。
[090]作为替代，该优化过程可以利用耦合物理限制和目标函数来优化井动态。例如，由于大多数的深水完井的经济价值对初始稳定井产量和稳定时间的长度很敏感，所以目标函数可以是最大化井产量。因此，可以利用标准储层模拟器为其动态要被优化(即最大化井产量)的目标井形成单个井模拟模型。该储层模拟模型可以依赖于体积栅格/单元离散化方法，其基于井使用的储层的地质模型。该体积栅格/单元离散化方法可以是基于有限差分、有限体积、有限元的方法，或用于求解偏差分方程的任何其它数值方法。该储层模拟模型被用于预测对于一组给定的井操作条件(如压降和消耗)，井产量与时间的关系。在给定的压降和消耗水平，耦合物理过程700中形成的耦合物理限制约束该模拟模型中的井动态。对井动态的额外约束，如气油比(GOR)、水油比(WOR)等的上限，也可以被用作预测和优化井动态时的约束。可以使用优化求解器来解决上述优化问题，以便计算井压降和消耗的时间历史，其将稳定的井产量最大化。然后，如上所述可以开发并利用现场监督方案。
[091]尽管本发明的当前技术可以容许各种修改和替代形式，但仅以示例的方式展示了上述示例性实施例。但是，同样应该理解的是并不希望本发明被局限于这里所公开的特殊实施例。实际上，本发明的当前技术可以覆盖处于由所附权利要求限定的发明思想和范围之内的所有修改、等价和替代形式。

Claims (48)

1.一种与碳氢化合物的开采相关的方法，其包含：
识别井的一个故障模式；
构建数值工程模型来描述导致所述故障模式的事件；
将所述数值工程模型转化为响应表面；以及
将所述响应表面与被构造为提供所述响应表面的用户工具联合，用于分析另一个井。
2.根据权利要求1所述的方法，其包含利用所述响应表面来生成井可操作性限制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述故障模式包含确定与所述井的完井相关的岩石的剪切断裂或拉伸断裂何时出砂。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述故障模式包含确定所述由碳氢化合物开采产生的储层岩石压实所导致的所述井的崩塌、压碎、鼓胀和剪切中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其包含通过对比所述数值工程模型的结果和从所述井中测得的结果来校验所述工程模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其包含通过对比所述响应表面的结果和所述数值工程模型的结果来校验所述响应表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其包含在另一个井的设想选择阶段期间利用所述响应表面来辅助多个设计。
8.根据权利要求1所述的方法，其包含利用所述响应表面来辅助另一个井的所述详细设计阶段。
9.根据权利要求1所述的方法，其包含基于由所述响应表面指示出的技术限制，利用所述响应表面来管理所述产量。
10.根据权利要求1所述的方法，其包含基于由所述响应表面指示出的技术限制，利用所述响应表面来管理储层压降和消耗。
11.根据权利要求1所述的方法，其包含利用所述响应表面来生成井生产能力限制。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述故障模式包含确定穿过近完井和在所述井的井筒中的压降何时阻碍流体流入所述井筒。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述故障模式包含确定由流动缺陷所导致的压降何时减少从岩层到所述井中的流体流动，所述流动缺陷是由非达西效应、压实效应、近井多相流动效应或近井细微迁移效应产生的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述故障模式包含确定与其它缺陷模式相关的压降何时阻碍流体流入所述井的井筒中。
15.根据权利要求1所述的方法，其包含利用所述响应表面来生成井注入能力限制。
16.根据权利要求1所述的方法，其包含对具有一系列参数的所述数值工程模型执行参数研究以生成所述响应表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数表示关于所述井、储层岩石特性、所开采的流体特性和所注入的流体特性的各种物理特性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述物理特性包含以下项中的至少一个：开采套管中射孔的几何形状、水泥衬套中射孔的几何形状、所述岩层中射孔的几何形状、裂缝长度的几何形状、各种形式完井参数的几何形状及其任意组合。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述参数表示与流体流入所述井筒和在所述井筒内流体的流动相关各种物理特性。
20.根据权利要求16所述的方法，其包含基于实验性设计方法减少所述参数以简化所述参数研究。
21.根据权利要求16所述的方法，其包含基于量纲分析减少所述参数以简化所述参数研究。
22.根据权利要求16所述的方法，其包含基于自动化脚本来减少所述参数，以促进针对所述参数研究的模型构建、模拟和模拟数据的收集。
23.根据权利要求1所述的方法，其中从所述响应表面形成的技术限制被用于储层模拟器中来模拟井入流动态。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述数值工程模型包含基于以点或栅格/单元为基础的离散化方法的至少一个工程模拟模型。
25.根据权利要求1所述的方法，其中从所述响应表面形成的技术限制被用于储层模拟器中来模拟井动态。
26.根据权利要求1所述的方法，其中从所述响应表面形成的技术限制被用于井或完井模拟器中来模拟井动态。
27.一种装置，其包含：
处理器；
连接到所述处理器的存储器；和
应用程序，其可被所述处理器访问且被储存于所述存储器中，其中所述应用程序被构造为：
从用户处接收与井的故障模式相关的参数；
利用之前生成的响应表面来提供针对所述故障模式的技术限制，其中所述之前生成的响应表而基于至少一个数值工程模型，该模型表示导致所述故障模式的事件；
向所述用户提供表示所述技术限制的输出。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述技术限制包含井可操作性限制。
29.根据权利要求27所述的装置，其中所述应用程序被构造为在所述设想选择阶段期间辅助评估针对另一个井的多个设计。
30.根据权利要求27所述的装置，其中所述技术限制包含井生产能力限制。
31.根据权利要求27所述的装置，其中所述技术限制包含井注入能力限制。
32.根据权利要求27所述的装置，其中所述之前生成的响应表面基于对具有多个参数的所述至少一个数值工程模型执行的参数研究。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述多个参数中的每一个表示所述井的物理特性。
34.根据权利要求32所述的装置，其中所述多个参数中的每一个表示与井的所述完井中的所述流体流动相关的物理特性。
35.根据权利要求27所述的装置，其中所述技术限制被用于从所述井中开采碳氢化合物。
36.根据权利要求27所述的装置，其中所述输出包含所述技术限制的图解图像。
37.根据权利要求27所述的装置，其中所述之前生成的响应表面被储存于所述存储器中。
38.一种与碳氢化合物的开采相关的方法，其包含：
识别井的故障模式；
访问用户工具来确定所述井的技术限制；以及
利用之前生成的响应表面来提供所述技术限制，其中所述之前生成的响应表面基于至少一个数值工程模型，该模型表示导致所述故障模式的事件。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述技术限制包含井可操作性限制。
40.根据权利要求38所述的方法，其包含在所述设想选择阶段期间，利用所述之前生成的响应表面来辅助评估针对所述井的多个设计。
41.根据权利要求38所述的方法，其包含利用所述之前生成的响应表面来生成井生产能力限制。
42.根据权利要求38所述的方法，其中所述技术限制包含井注入能力限制。
43.根据权利要求38所述的方法，其中所述之前生成的响应表面基于对具有多个参数的所述至少一个数值工程模型执行的参数研究。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述多个参数中的每一个表示所述井的物理特性。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述物理特性包含以下项中的至少一项：开采套管中射孔的几何形状、水泥衬套中射孔的几何形状和二者的任意组合。
46.根据权利要求43所述的方法，其中所述多个参数中的每一个表示与所述井的完井中的所述流体流动相关的物理特性。
47.根据权利要求38所述的方法，其包含基于所述技术限制从所述完井中开采碳氢化合物。
48.根据权利要求38所述的方法，其包含基于所述技术限制向所述完井中注入固体或流体。
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