CN101512100A - 用于孔隙压力预测的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在具有钻机的井场执行油田作业的方法，该钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中。该方法包括：利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；利用井筒温度模型产生地层温度模型；利用地层温度模型和压力系数产生泥浆－比重压力模型；利用泥浆－比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

Description

用于孔隙压力预测的方法及系统

相关申请的交叉参考

本申请要求2006年8月7日以Colin Michael Sayers以及LennertDavid den Boer的名义提交的名称为“由温度和垂直应力进行孔隙压力预测的方法、装置和系统”的美国临时专利申请No.60/836,099的优先权，该申请的全部内容在这里通过参考而被引用，以及要求2007年8月6日以Colin Michael Sayers以及Lennert David den Boer的名义提交的名称为“用于孔隙压力预测的方法及系统”的美国非临时专利申请No.11/834,554的优先权。

背景技术

地层孔隙压力的精确估计对于在过压沉积物中进行安全且经济的钻井来说是关键的需要。传统的预测钻井前孔隙压力的方法是基于地震波速以及速率到孔隙压力的转换，该地震波速以及速率到孔隙压力的转换被校准以补偿井数据(例如参见Sayers，C.M.，Johnson，G.M.以及Denyer，G.，2002，“Pre-drill Pore Pressure Prediction Using SeismicData，”Geophysics，67，pp.1286-1292)。然而，这些方法依赖于精确的钻井前地震波速的可用性。

地层孔隙压力的钻井前估计能够通过直接地使用补偿井、或者通过使用补偿井来确定速率到孔隙压力的转换、以及随后将该转换应用到推荐井位置的地震波速而被估计出来。这种转换的示例包括在“TheEquation for Geopressure Prediction from Well Logs”SPE 5544(Society of Petroleum Engineers of AIME，1975)中描述的Eaton方法以及在“Pore pressure estimation from velocity data：Accounting for pore-pressure mechanisms besides under compaction”SPE Drilling and Completion(June1995)，pp89-95中描述的Bowers方法。这些预测能够在钻井的同时通过随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)或者其它钻井数据进行更新。

基于墨西哥海湾数据的x射线衍射(XRD)分析(Holbrook，2002，“The primary controls over sediment compaction，”AAPG Memoir，76)的先前研究已经提出了粘土矿物从蒙皂石到伊利石的转化会与过压的起始联系在一起(Dutta，N.C.，2002，“Geopressure prediction usingseismic data：current status and the road ahead，”Geophysics，67)。该成岩过程主要地依赖于钾离子浓度以及温度，并且被认为在相对狭窄的温度范围内(175±25℉)发生。一般地特征在于温度与矿物指标(像骨架密度)之间的sigmoidal关系，具有在近似的蒙皂石到伊利石转化温度所产生的拐点(Lopez，J.L，Rappold，P.M.，Ugueto，G.A.，Wieseneck，J.B，Vu，C.K.，2004，“Integrated shared earth model：3Dpore-pressure prediction and uncertainty analysis，”The LeadingEdge，23，pp.52-59)。

图1显示了油田作业的示意性图解。本领域技术人员可以理解的是，图1中所示的油田作业仅仅设置用于示意性目的并且由此不应当被认为是限制本发明的范围。例如，图1中显示的油田作业是海底油田作业，但是油田作业可选择性地是陆地油田作业或者任意其它与勘探、提取和/或从地表下的地层的流体采出有关的油田作业类型。

如图1所示，钻机105被设置成利用连接到钻柱125远端的钻头(未示出)而钻入到地层中(例如，海底115下面的地表下的地层)。具体地，钻头被用于钻出井筒130，该井筒延伸到关注区域120。关注区域120可以是作为油田作业目标的碳氢化合物、矿源、或者流体。水深度对应于海平面110与海底115之间的垂直距离。地表下的垂直深度对应于海平面110与关注区域120之间的垂直距离。此外，关注区域120上方的地表下的层被称为覆盖层。覆盖层包括泥土以及密度变化的材料。

当低渗透物质的沉积物被掩埋或者压紧的时候，流体会陷入到由此产生的结构内(即，在低渗透物质本身内和/或在低渗透物质下面的物质(例如沙子等等)内)的孔隙中。以此方式陷入的流体对周围地层施加压力，该压力被称为孔隙压力。在给定深度处孔隙压力超过流体静力学压力的地层被称为过压地层。

当在过压地层中钻井的时候，泥浆-比重(即，传递到井筒的钻井流体的重量)必须足够高，从而防止孔隙压力使地层流体移动进入到井筒中。在最坏情况下，进入井筒的地层流体会导致钻井的毁坏和/或伤害操作钻机的人员。因此，为了安全且经济的钻井，重要的是以足够精度预测(以及监测)孔隙压力。尤其是，有利地在钻井前预测孔隙压力，即任意钻井开始之前和/或在钻头还没有到达的位置上。

通常地，钻井前孔隙压力预测是基于钻井前地震波速以及速率到孔隙压力转换的使用，该转换通过补偿井数据(即，来自于钻井位置附近的其它井的数据)进行校准。然而，在一些情况下(例如，在盐沼下钻井的时候)，传统的钻井前孔隙压力预测不会充分地精确。传统钻井前孔隙压力预测技术的进一步讨论可以在Sayers CM，Johnson GM，以及Denyer G.，2002，“Pre-drill Pore Pressure Prediction Using SeismicData，”Geophysics，67，PP.1286-1292中找到。

泥浆在油田作业中被用来冷却钻头，将油田作业中产生的切削部分传送到表面，防止地层流体流入到井筒中并且稳定井筒。关于防止地层流体的流入，钻井操作者必须将泥浆-比重保持在孔隙压力或者高于孔隙压力。关于稳定井筒，钻井操作者调整泥浆-比重(即，被使用泥浆的密度)，从而抵消井筒下陷的趋势。然而，钻井操作者必须当心以免使用过高的泥浆-比重使得地层破裂。

此外，太高的泥浆-比重会导致不可接受的低钻孔速率。由此，泥浆-比重必须足够低从而保持可接受的钻孔速率以及避免地层破裂。在这种情况下，当在过压地层中钻井的时候，允许的泥浆-比重窗口(即，允许的泥浆-比重的范围)可以是小的。具体地，由泥浆施加的力必须落入孔隙压力(或者，如果高于孔隙压力的话是阻止下陷的压力)与地层破裂所需压力之间的范围内。

此外，当在过压地层中钻井的时候，所需套管柱(即，插入到井筒中的结构性支撑)的数目会增加。具体地，如果不能提供足够精确的钻井前孔隙压力预测，那么另外的套管柱将被过早地插入，用于避免钻井控制问题(例如，地层流体的流入)的可能性和/或井筒故障。过早地插入套管柱会耽搁油田作业和/或减小井筒的尺寸并且导致经济损失。

发明内容

大体上，在一方面，本发明涉及一种用于在具有钻机的井场执行油田作业的方法，该钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中。该方法包括利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，利用井筒温度模型产生地层温度模型，利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型，利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型，以及基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

大体上，在一方面，本发明涉及一种用于预测地层孔隙压力的方法。该方法包括利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，利用井筒温度模型产生地层温度模型，利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型，利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型，以及基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中推荐的井方案用于执行油田作业。

大体上，在一方面，本发明涉及一种用于在具有钻机的井场执行油田作业的系统，该钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中。该系统包括温度模块，该温度模块被设置成用于利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，以及利用井筒温度模型产生地层温度模型。该系统还包括压力模块，该压力模块被设置成用于利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型以及利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型。该系统还包括表面单元，该表面单元被设置成基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

大体上，在一方面，本发明涉及一种建模系统。该系统包括温度模块，该温度模块被设置成用于利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，以及利用井筒温度模型产生地层温度模型。该系统还包括压力模块，该压力模块被设置成用于利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型以及利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型。该系统还包括建模单元，该建模单元被设置成基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中推荐的井方案用于执行油田作业。

大体上，在一方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品体现为可被计算机执行的指令，以便执行在具有钻机的井场执行油田作业的方法步骤，该钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中，该指令包括以下功能：利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，利用井筒温度模型产生地层温度模型，利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型，利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型，以及基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

大体上，在一方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品体现为可被计算机执行的指令，以便执行获得推荐的井方案的方法步骤，该指令包括以下功能：利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型，利用井筒温度模型产生地层温度模型，利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型，利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型，以及基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中推荐的井方案用于执行油田作业。

发明的其它方面将通过接下来的描述以及附加的权利要求而变得清楚。

附图说明

图1显示了油田作业的示意性图解。

图2显示了根据本发明一个或多个实施例的系统图解。

图3-4显示了根据本发明一个或多个实施例的流程图。

图5显示了根据本发明一个或多个实施例的计算机系统的图解。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明的具体实施例。出于一致性考虑，各附图中的相同部件用相同的附图标记表示。此外，“ST”被用于表示“步骤”。

在接下来的本发明实施例的详细描述中，提出多种具体细节，从而提供本发明更为全面的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明在没有这些具体细节的情况下也能够被实施。在其它情况下，公知的特征没有被详细描述，从而避免不必要地使说明书复杂。

大体上，本发明的实施例提供了用于获取最佳井设计的方法及系统。具体地，通过地层温度模型产生地层孔隙压力模型。在本发明的一个或多个实施例中，利用井筒温度模型产生地层温度模型。基于地层孔隙压力模型获得最佳井设计。

图2是用于获得最佳井设计的系统的示意图。该系统包括建模工具145，该建模工具145被设置成用于与表面单元135以及表面单元数据源140相互作用。表面单元135被设置成用于与表面单元数据源140相互作用。可选地，表面单元135可被进一步设置成与钻机105相互作用。在本发明的一个实施例中，建模工具145还包括温度模块150、压力模块155、深度模块160、应力模块170、密度模块175、建模模块180和建模数据源185。下面描述图2中前述组成中的每一个。

可选地，在本发明的一个或多个实施例中，表面单元135可被设置成与钻机105相互作用。更具体地，表面单元135可被设置成存储在钻机105/从钻机105获得的数据。例如，表面单元135可以存储在传感器(未示出)收集的数据，所述传感器位于(或者操作性地连接于)钻机105。在本发明的一个或多个实施例中，表面单元135可将数据存储在表面单元数据源140中。在本发明的一个或多个实施例中，表面单元数据源140是数据存储器(例如，数据库、文件系统、设定在存储器中的一个或多个数据结构、可扩展标记语言(XML)文件、一些其它存储数据的方法、或者上述任意适当的组合)，该数据存储器包括与钻机105有关的信息。

在本发明的一个或多个实施例中，表面单元135可被设置成调整在钻机105处的油田作业。更具体地，在本发明的一个或多个实施例中，表面单元135可被设置成调整钻井流体密度(即，增大或减小钻井流体密度，例如泥浆密度，视情况而定)、调整井轨迹(例如，避免过压区域，穿过低压区域等)、优化井筒中套管柱的数目(即，增加套管柱、推迟套管柱的增加等等)、或者任意其它类似的调整类型。

在本发明的一个或多个实施例中，建模工具145可被配置成与表面单元135相互作用。更具体地，在本发明的一个或多个实施例中，建模工具145可被设置成接收来自于表面单元135的数据。例如，建模工具145可被设置成接收来自于表面单元135的与钻机105相联系的数据。可选择地，建模工具145可被设置成从表面单元数据源140重新读取数据。

在本发明的一个或多个实施例中，压力模块155被设置成产生压力模型(例如，泥浆-比重压力模型，地层孔隙压力模型等等)。在本发明的一个或多个实施例中，泥浆-比重压力模型对应于描述关注区域的估计泥浆-比重压力的模型。在本发明的一个或多个实施例中，地层孔隙压力对应于描述关注区域的估计地层孔隙压力的模型。此外，在本发明的一个或多个实施例中，压力模块155与建模单元180相互作用，从而获得用于关注区域的模型。在这种情况下，压力模型可通过用于关注区域的模型而获得。在本发明的一个或多个实施例中，压力模块155被设置成接收来自于表面单元135的压力信息。可选择地，压力模块155可被设置成从表面单元数据源140获得压力信息。

在本发明的一个或多个实施例中，压力模块155被设置成产生压力系数。在本发明的一个或多个实施例中，压力系数代表地层温度与地层孔隙压力之间的相互关系。在本发明的一个或多个实施例中，压力模块155被设置成从温度模块150获得地层温度模型。

在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150被设置成产生温度模型(例如，井筒温度模型，地层温度模型等等)。在本发明的一个或多个实施例中，井筒温度模型对应于描述穿过关注区域的估计井筒温度的模型。在本发明的一个或多个实施例中，地层温度模型对应于描述穿过关注区域的估计的地层温度的模型。此外，在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150与建模单元180相互作用，从而获得用于关注区域的模型。在这种情况下，温度模型可通过用于关注区域的模型而获得。在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150可被设置成接收来自于表面单元135的温度信息。可选择地，温度模块150可被设置成从表面单元数据源140获得温度信息。

在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150被设置成产生温度系数。在本发明的一个或多个实施例中，温度系数代表垂直应力与井筒温度之间的相互关系。在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150被设置成从应力模块170获得垂直应力模型。

在本发明的一个或多个实施例中，温度模块150被设置成识别地层温度模型的子集。更具体地，温度模块150可被设置成基于标准识别地层温度模型的子集。

在本发明的一个或多个实施例中，应力模块170被设置成产生垂直应力模型。在本发明的一个或多个实施例中，垂直应力模型对应于描述关注区域的垂直应力的模型。此外，在本发明的一个或多个实施例中，应力模块170与建模单元180相互作用，从而获得关注区域的模型。在这种情况下，垂直应力模型可通过采用关注区域的模型而获得。在本发明的一个或多个实施例中，应力模块170被设置成从密度模块175获得密度模型。

在本发明的一个或多个实施例中，密度模块175被设置成产生密度模型。在本发明的一个或多个实施例中，密度模型对应于描述关注区域的估计密度的模型。此外，在本发明的一个或多个实施例中，密度模块175与建模单元180相互作用，从而获得关注区域的模型。在这种情况下，密度模型可通过采用关注区域的模型而获得。在本发明的一个或多个实施例中，密度模块175可被设置成接收来自于表面单元135的密度信息。可选择地，密度模块175可被设置成从表面单元数据源140获得密度信息。

在本发明的一个或多个实施例中，建模单元180被设置成获得推荐的井方案。更具体地，建模单元可被设置成根据这些模型(例如，地层温度模型，地层孔隙压力模型等等)获得推荐的井方案。在本发明的一个或多个实施例中，推荐的井方案包括但不局限于：在海底起动钻井的位置、该位置上推荐的井的轨迹、钻井时使用的套管数量、各个套管应当被插入井中的位置、钻井时使用的泥浆-比重密度、以及钻井时关注区域中要避免的位置(例如，由于这些位置是过压的)。

在本发明的一个或多个实施例中，深度模块160被设置成向密度模块175、应力模块170、压力模块155和/或温度模块150提供水深度信息。更具体地，深度模块160可被设置成提供海底(图1中115)特定位置处的水深度。

图3显示了根据本发明一个或多个实施例的流程图。具体地，图3显示了用于产生地层孔隙压力模型的流程图。在本发明的一个或多个实施例中，下面描述的一个或多个步骤可被忽略、重复、和/或以不同次序执行。由此，图3中所示特定的步骤设置不应当被认为限制本发明的范围。

最初，用于关注区域的井筒温度模型利用水深度信息和垂直应力模型而产生(ST 302)。本领域技术人员应当理解的是，井筒温度模型可采用多个公式而产生。例如，井筒温度(T_b)可使用下述公式计算出来：

$T_b(S_V,z_w)=S_V\underset{n=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_w\right)}^n+\underset{n=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_w\right)}^n---\left(1\right)$

(注意到：在这种形式的等式以及后面的等式(例如等式3和14)中，第一总和可具有与第二总和不同的项数。等式可被写成第一总和为Q项，并且第二总和为Q’项，其中Q不等于Q’)，其中Sv为垂直应力，Zw为水深度，m_Tn和b_Tn是温度系数，以及Q是温度系数的数目。本领域技术人员可以理解的是，Q可以根据温度系数所需的精度而进行改变。例如，Q可以是常量(即，0)，线性的(即，1)，二次的(即，2)，或者一些其它维数。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域内的各个位置计算出井筒温度，从而获得井筒温度模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或者子区域计算出井筒温度。计算出来的井筒温度可随后被用于通过插值或者地统计学方法来获得地层温度模型。

可选择地，井筒温度可以根据相对于垂直应力系统地改变的任意参数而被计算出来。例如，井筒温度可以根据泥水分界线下方的垂直深度而计算出来。在这种情况下，Sv在等式(1)中可被泥水分界线下方的垂直深度所替代。下面，图4显示了用于产生井筒温度模型的一个实施例。

在ST 304中，地层温度模型通过采用井筒温度模型而产生。在本发明的一个或多个实施例中，地层温度(T_f)可通过下述公式计算出来：

T_f＝T_b+δ_T             (2)

其中T_b是井筒温度以及δ_T是平均温度偏移。例如，井筒温度通常地比原生岩石的地层温度低10-20℉。可选择地，地层温度可以通过井筒温度的霍纳(Horner)曲线而更精确地计算出来。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域的各个位置计算地层温度从而获得地层温度模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或者子区域计算地层温度。计算出来的地层温度可以随后被用于例如通过插值或者地统计学方法来获得地层温度模型。

在本发明的一个或多个实施例中，泥浆-比重压力模型通过采用压力系数以及地层温度模型而产生(ST 306)。本领域技术人员可以理解的是，泥浆-比重压力模型可通过多个公式而产生。例如，泥浆-比重压力(P)可通过以下公式计算出来：

$P(T_f,z_w)=T_f\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Pn}}\·{\left(z_w\right)}^n+\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{Pn}}\·{\left(z_w\right)}^n---\left(3\right)$

其中T_f是地层温度，z_w为水深度，m_Pn和b_Pn是压力系数，以及R是压力系数的数目。本领域技术人员应当理解的是，R根据压力系数所需要的精度而进行改变。例如，R可以是常量(即，0)，线性的(即，1)，二次的(即，2)，或者一些其它维数。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域内的各个位置计算泥浆-比重压力，从而获得泥浆-比重压力模型。可选择地，可对关注区域内的特定位置或子区域计算泥浆-比重压力。计算出来的泥浆-比重压力可随后被用于获得(例如，通过插值)泥浆-比重压力模型。注意到，如果系数通过校准到孔隙压力大小(而不是泥浆-比重)而被确定下来，等式3将直接地给出孔隙压力，孔隙压力大小可通过重复地层测试(RFT)、模块式动态地层测试(MDT)、斯伦贝谢的诊断工具、或者其它类似工具而被测量出来。

在本发明的一个或多个实施例中，压力系数通过采用实测的孔隙压力数据而得到。例如，压力系数可通过应用由下述等式限定的、均方根预测误差的最小二乘最小值(ξ_P)而得到：

${\mathrm{\ξ}}_p={\left\{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Pk}}\·T_f+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Pk}})-P_k]}^2\right\}}^{1/2}---\left(4\right)$

其中：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Pk}}=\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Pn}}\·{\left(z_{\mathrm{wk}}\right)}^n---\left(5\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{Pk}}=\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{Pn}}\·{\left(z_{\mathrm{wk}}\right)}^n---\left(6\right)$

以及其中μ_Pk以及β_Pk是压力系数，S_Vk是在点k的垂直应力，以及P_k是在点k的孔隙压力，以及R是压力系数的数目。本领域技术人员可以理解的是，R可以根据压力系数所需的精度而进行改变。例如，Q可以是常量(即，0)，线性的(即，1)，二次的(即，2)，或者一些其它维数。

本领域技术人员可以理解的是，实测孔隙压力可通过多种方法获得。例如，在关注区域中的位置的实测孔隙压力可通过MDT和/或RFT而获得。

可选地，压力系数可以根据在油田作业期间所需的另外实测孔隙压力数据(例如，通过贝叶斯方法)而进行校准。在这种情况下，更新的压力系数可以依赖于更大组的实测的孔隙压力数据；由此，通过等式(3)计算出来的估计泥浆-比重压力可以更加准确。

接着图3的讨论，在ST 308中，地层孔隙压力模型通过泥浆-比重压力模型而产生。在本发明的一个或多个实施例中，地层孔隙压力(p)可使用下述公式而计算出来：

$p\left(z\right)=P(T_f,z_w)-\frac{{\mathrm{\δ}}_p\·z}{19.25}---\left(7\right)$

其中P(T_f，z_w)是泥浆-比重压力，δ_p是平均压力偏移，以及z是地表下的垂直深度。在本发明的一个实施例中，δ_p在0.51b/gal-11b/gal范围之内。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域的各个位置计算地层孔隙压力，从而获得地层孔隙压力模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或子区域计算地层孔隙压力。计算出来的地层孔隙压力可随后被用于获取(例如，通过插值)地层孔隙压力模型。

在本发明的一个或多个实施例中，地层孔隙压力模型可被用于调整油田作业(ST 310)。在本发明的一个或多个实施例中，调整油田作业可包括调整钻井流体密度(即，增大或减小钻井流体密度，例如，泥浆-比重密度，视情况而定)、调整井轨迹(例如，避免过压区域，穿过低压区域等等)、优化井筒中套管柱的数目(即，增加套管柱，推迟套管柱的增加等等)、或者任一其它类似的调整类型。例如，油田作业的泥浆-比重密度可以根据地层孔隙压力模型而进行优化。

可选地，在ST 312，地层温度模型的子集可根据标准进行识别。本领域技术人员可以理解的是，标准可以确定一定范围的温度。例如，标准可确定从150℉到200℉的温度。在该示例中，地层温度模型的子集可对应于具有成为过压的极高可能性的区域。

在本发明的一个或多个实施例中，油田作业可以根据地层温度模型的子集而进行调整(ST 314)。在本发明的一个或多个实施例中，调整油田作业包括调整钻井流体密度(即，增大或减小钻井流体密度，视情况而定)、调整井轨迹(例如，避免过压区域，穿过低压区域等等)、优化井筒中套管柱的数目(即，增加套管柱，推迟套管柱的增加等等)、或者任一其它类似的调整类型。

在本发明的一个或多个实施例中，油田作业对应于钻井操作(例如，钻出井)、勘探操作(例如，确定产油层、确定可能具有产油层的区域等)、或者采油作业(例如，流体提取、完井、优化已有井的采油等)。

图4显示了根据发明一个或多个实施例的流程图。具体地，图4显示了用于产生井筒温度模型的流程图。在本发明的一个或多个实施例中，下面描述的一个或多个步骤可被忽略、重复、和/或以不同次序执行。由此，图4中所示特定的步骤设置不应当被认为是对本发明范围的限制。

首先，用于关注区域的密度模型可通过水深度信息以及实测的密度数据而产生(ST 402)。本领域技术人员可以理解的是，密度模型可通过多种公式而产生。例如，沉积物密度(ρ)可通过下面公式计算出来：

ρ＝ρ₀+a(z-z_w)^b             (8)

其中，ρ₀是海床的密度，z_w是水深度，a和b是密度系数，以及z是地表下的垂直深度(从海平面(图1中的110)到表面下的位置测量的)。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域的各个位置计算密度，从而获得密度模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或子区域计算密度，从而获得密度模型。

等式9显示了根据本发明一个实施例的等式8的变型：

${\mathrm{\ρ}}_T\left(z\right)=\frac{16.3+1.6{\left[\frac{(z-z_w)}{3125}\right]}^{0.6}}{8.3454}[g/{\mathrm{cm}}^3]---\left(9\right)$

其中z是地表下的垂直深度以及z_w是水深度。本领域技术人员可以理解的是，等式(9)中的密度系数可通过另外的实测密度数据而被更新(例如，通过贝叶斯方法)。对于贝叶斯方法的更多信息，请参考AlbertoMalinverno被作为发明人、名称为“用于预测地表下的地层的孔隙和断裂压力的方法和装置”的美国专利No.6,826,486。

本领域技术人员可以理解的是，密度系数(例如等式(8)中的a和b)可通过实测密度数据的反演而获得(即，局部校准)。此外，在本发明的一个或多个实施例中，密度模型可通过使用走向克里格法(trendkriging)而产生，采用以等式(8)形式的关系，作为三维走向。

继续图4中的讨论，在ST 404中，垂直应力模型可根据密度模型而产生。本领域技术人员可以理解的是，垂直应力模型可通过多个公式产生。例如，垂直应力(Sv)可通过下面公式计算出来：

$S_V\left(z\right)=g{\∫}_0^z\mathrm{\ρ}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(10\right)$

其中z是地表下的垂直深度以及ρ是密度。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域的各个位置计算垂直应力，从而获得垂直应力模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或子区域计算垂直应力。计算出来的地层垂直应力可随后被用于例如通过插值或者地统计学方法来获得垂直应力模型。

在本发明的一个或多个实施例中，温度系数可通过实测温度数据而获得(ST 406)。例如，温度系数可通过应用由下述公式限定的、均方根预测误差的最小二乘最小值(ξ_T)而得到：

${\mathrm{\ξ}}_T={\left\{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Tk}}\·S_{\mathrm{Vk}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Tk}})-T_k]}^2\right\}}^{1/2}---\left(11\right)$

其中：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Pk}}=\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_{\mathrm{wk}}\right)}^n---\left(12\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{Tk}}=\underset{n=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_{\mathrm{wk}}\right)}^n---\left(13\right)$

其中μ_Tk以及β_Tk是温度系数，S_Vk是点k的垂直应力，以及T_k是点k的实测温度，以及Q是温度系数的数目。本领域技术人员可以理解的是，Q可以根据温度系数所需精度而进行改变。例如，Q可以是常量(即，0)、线性的(即，1)、二次的(即，2)、或者一些其它维数。

可选地，温度系数可以根据在油田作业期间获取的另外实测温度数据而被更新(例如，贝叶斯方法)。在这种情况下，更新的温度系数是基于较大组的实测温度数据；由此，通过下面等式(14)计算出来的井筒温度会更加准确。

在ST 408中，井筒温度模型可通过水深度信息、垂直应力模型以及温度系数而产生。本领域技术人员可以理解的是，井筒温度模型可通过各种公式产生。例如，井筒温度(T_b)可通过下面公式计算出来：

$T_b(S_V,z_w)=S_V\underset{n=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_w\right)}^n+\underset{n=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{Tn}}\·{\left(z_w\right)}^n---\left(14\right)$

其中S_v是垂直应力，z_w是水深度，m_Tn和b_Tn是温度系数，以及Q是温度系数的数目。本领域技术人员应当理解的是，Q可根据温度系数所需要的精度而进行改变。例如，Q可以是常量(即，0)、线性的(即，1)、二次的(即，2)、或者一些其它维数。在本发明的一个或多个实施例中，可对关注区域内的各个位置计算井筒温度，从而获得井筒温度模型。可选择地，可对关注区域的特定位置或者子区域计算井筒温度。计算出来的井筒温度可随后被用于获得(例如通过插值)井筒温度模型。

本发明的一个或多个实施例提供了一种利用垂直应力以及水深度精确地预测地层孔隙压力的装置。由此，本发明的一个或多个实施例可以阻止地层流体流入井筒，由此防止了对井和/或操作钻机的人员的危害。此外，本发明的一个或多个实施例防止了过早插入套管柱的财务花销。本发明的一个或多个实施例在油田勘探以及在分级各种油区中具有重要应用。例如，孔隙压力的信息可被用于检查密封的有效性、密封故障可能性、以及沉积盆地的水力连通性。

无论被使用的平台如何，本发明可实质地在任意类型的计算机上执行。例如，如图5所示，计算机系统500包括处理器502、相关存储器504、存储装置506、以及当今计算机典型的多种其它部件以及功能件(未示出)。计算机500还可包括输入装置，例如键盘508和鼠标510，以及输出装置，例如显示器512。计算机系统500可经由网络接口连接(未示出)而连接到网络(514)(例如，局域网(LAN)、诸如Internet的广域网(WAN)、或者任意其它类似类型的网络)。本领域技术人员可以理解的是，这些输入和输出装置可以采取其它形式。

此外，本领域技术人员可以理解的是，前述计算机系统500的一个或多个部件可以设置在远程位置并且通过网络连接到其它部件。此外，本发明可以在具有多个节点的分布式系统上执行，其中本发明的各个部分(例如，应力灵敏度系数模块、总应力模块、孔隙压力模块等等)可以设置在分布式系统中的不同节点上。在本发明的一个实施例中，节点对应于计算机系统。可选择地，节点可对应于具有相关物理存储器的处理器。节点可选择性地对应于具有共享存储器和/或源的处理器。此外，用于执行本发明实施例的软件指令可以存储在诸如光盘(CD)、磁盘、磁带、文件或者任意其它计算机可读存储装置的计算机可读介质上。此外，在本发明的一个实施例中，预测的孔隙压力(包括采用图3中所述方法计算出来的所有孔隙压力)可以通过图形用户界面(例如显示装置)而显示给用户。

尽管本发明已针对有限数目的实施例进行了描述，但是从本说明书受益的本领域技术人员能够理解的是，可以设计出其它实施例而不会脱离这里所述的本发明范围。由此，本发明范围应当仅通过权利要求而进行限定。

Claims (48)

1.一种用于在具有钻机的井场执行油田作业的方法，所述钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中，所述方法包括：

利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型；

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据标准来识别地层温度模型的子集；以及

根据地层温度模型的子集来调整油田作业。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，标准是从150度华氏温度到200度华氏温度的温度范围。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述产生井筒温度模型之前：

利用水深度信息和实测密度数据产生用于关注区域的密度模型；

利用密度模型产生垂直应力模型；以及

利用实测温度数据获得温度系数，其中，所述温度系数被另外地用于产生井筒温度模型。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，产生密度模型还包括基于水深度信息和实测密度数据获得三维走向。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，获得垂直应力模型包括对密度模型求积分。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，三维走向通过走向克里格法被更新。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，获得温度系数还包括应用均方根估计的最小二乘最小值，其中均方根估计是基于垂直应力模型和实测温度数据。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的温度数据被用于更新温度系数，从而获得更新的温度系数，其中更新的温度系数被用于获得更新的井筒温度模型。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压力系数通过应用均方根估计的最小二乘最小值而获得，其中均方根估计是基于地层温度模型和实测压力数据。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的压力数据被用于更新压力系数，从而获得更新的压力系数，其中更新的压力系数被用于获得更新的泥浆-比重压力模型。

12.一种用于预测地层孔隙压力的方法，该方法包括：

利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型；

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中推荐的井方案被用于执行油田作业。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，油田作业是选自由勘探操作、钻井操作以及采油操作构成的组中的一个。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

基于标准识别地层温度模型的子集；以及

利用地层温度模型的子集更新推荐的井方案，从而获得更新的推荐的井方案，其中更新的推荐的井方案限定了井轨迹，所述井轨迹避开地层温度模型的子集。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述标准是从150度华氏温度到200度华氏温度的温度范围。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述产生井筒温度模型之前：

利用水深度信息和实测密度数据产生用于关注区域的密度模型；

利用密度模型产生垂直应力模型；以及

利用实测温度数据获得温度系数，其中，所述温度系数被另外地用于产生井筒温度模型。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，产生密度模型还包括基于水深度信息和实测密度数据获得三维走向。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，获得垂直应力模型包括对密度模型求积分。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，三维走向利用走向克里格法被更新。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，获得温度系数还包括应用均方根估计的最小二乘最小值，其中均方根估计是基于垂直应力模型和实测温度数据。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的温度数据被用于更新温度系数，从而获得更新的温度系数，其中更新的温度系数被用于获得更新的井筒温度模型。

22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，压力系数通过应用均方根估计的最小二乘最小值而获得，其中均方根估计是基于地层温度模型和实测压力数据。

23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的压力数据被用于更新压力系数，从而获得更新的压力系数，其中更新的压力系数被用于获得更新的泥浆-比重压力模型。

24.一种用于在具有钻机的井场执行油田作业的系统，所述钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中，所述系统包括：

温度模块，所述温度模块被设置成：

利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；以及

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

压力模块，所述压力模块被设置成：

利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型；以及

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

表面单元，所述表面单元被设置成基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

25.如权利要求24所述的系统，其特征在于：

温度模块还被设置成基于标准识别地层温度模型的子集；以及

表面单元还被设置成基于地层温度模型的子集调整油田作业。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述标准是从150度华氏温度到200度华氏温度的温度范围。

27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括：

密度模块，所述密度模块被设置成利用水深度信息和实测密度数据产生用于关注区域的密度模型；以及

应力模块，所述应力模块被设置成利用密度模型产生垂直应力模型；

其中，所述温度模块还被设置成利用实测温度数据获得温度系数，所述温度系数被另外地用于产生井筒温度模型。

28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，产生密度模型还包括基于水深度信息和实测密度数据获得三维走向。

29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，获得垂直应力模型包括对密度模型求积分。

30.如权利要求28所述的系统，其特征在于，三维走向利用走向克里格法被更新。

31.如权利要求27所述的系统，其特征在于，获得温度系数还包括应用均方根估计的最小二乘最小值，其中均方根估计是基于垂直应力模型和实测温度数据。

32.如权利要求27所述的系统，其特征在于，在油田作业期间获取的温度数据被用于更新温度系数，从而获得更新的温度系数，其中更新的温度系数被用于获得更新的井筒温度模型。

33.如权利要求25所述的系统，其特征在于，压力系数通过应用均方根估计的最小二乘最小值而获得，其中均方根估计是基于地层温度模型和实测压力数据。

34.如权利要求25所述的系统，其特征在于，在油田作业期间获取的压力数据被用于更新压力系数，从而获得更新的压力系数，其中更新的压力系数被用于获得更新的泥浆-比重压力模型。

35.一种建模系统，包括：

温度模块，所述温度模块被设置成：

利用水深度信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；以及

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

压力模块，所述压力模块被设置成：

利用地层温度模型和压力系数产生泥浆-比重压力模型；以及

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

建模单元，所述建模单元被设置成基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中推荐的井方案被用于执行油田作业。

36.如权利要求35所述的系统，其特征在于，油田作业是选自由勘探操作、钻井操作以及采油操作构成的组中的一个。

37.如权利要求35所述的系统，其特征在于：

温度模块还被设置成基于标准识别地层温度模型的子集；以及

建模单元，所述建模单元还被设置成利用地层温度模型的子集来更新推荐的井方案从而获得更新的推荐的井方案，其中，更新的推荐的井方案限定了井轨迹，所述井轨迹避开了地层温度模型的子集。

38.如权利要求37所述的系统，其特征在于，所述标准是从150度华氏温度到200度华氏温度的温度范围。

39.如权利要求35所述的系统，其特征在于，还包括：

密度模块，所述密度模块被设置成利用水深度信息和实测密度数据产生用于关注区域的密度模型；以及

应力模块，所述应力模块被设置成利用密度模型产生垂直应力模型；

其中，温度模块还被设置成利用实测温度数据获得温度系数，所述温度系数被另外地用于产生井筒温度模型。

40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，产生密度模型还包括基于水深度信息和实测密度数据的校准获得三维走向。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，获得垂直应力模型包括对密度模型求积分。

42.如权利要求40所述的方法，其特征在于，三维走向利用走向克里格法被更新。

43.如权利要求39所述的方法，其特征在于，获得温度系数还包括应用均方根估计的最小二乘最小值，其中均方根估计是基于垂直应力模型和实测温度数据。

44.如权利要求39所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的温度数据被用于更新温度系数，从而获得更新的温度系数，其中更新的温度系数被用于获得更新的井筒温度模型。

45.如权利要求35所述的方法，其特征在于，压力系数通过应用均方根估计的最小二乘最小值而获得，其中均方根估计测是基于地层温度模型和实测压力数据。

46.如权利要求35所述的方法，其特征在于，在油田作业期间获取的测井压力数据被用于更新压力系数，从而获得更新的压力系数，其中更新的压力系数被用于获得更新的泥浆-比重压力模型。

47.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品体现为可被计算机执行的指令，以便执行在具有钻机的井场执行油田作业的方法步骤，所述钻机设置成用于使钻井工具向前进入到地表下的地层中，所述指令包括以下功能：

利用水深信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型；

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

基于地层孔隙压力模型调整油田作业。

48.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品体现为可被计算机执行的指令，以便执行获得推荐的井方案的方法步骤，所述指令包括以下功能：

利用水深信息和垂直应力模型产生用于关注区域的井筒温度模型；

利用井筒温度模型产生地层温度模型；

利用地层温度模型和压力系数来产生泥浆-比重压力模型；

利用泥浆-比重压力模型产生地层孔隙压力模型；以及

基于地层孔隙压力模型获得推荐的井方案，其中，推荐的井方案被用于执行油田作业。

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