CN101647023A - 用于远程表征在钻孔附近的断层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于表征地下体积内的断层情况的方法和系统。用于产生体积内的应力情况的数学模型的装置，从该装置可以预测沿钻孔轨迹的崩落情况。用于检测沿延伸通过该体积的钻孔的实际崩落情况的装置。比较预测崩落数据和实际检测到的崩落情况以评估预测数据和实际数据之间的相关程度。提供能够使用户修正数学模型以反映在体积中存在至少一个活动断层面的装置，其中假设的断层面不与用来产生新的预测崩落数据的钻孔交叉。修正应力模型并评估预测崩落情况之间的相关性是可重复的以实现最优的相关性和反映钻孔附近的断层情况的正确应力模型。

Description

用于远程表征在钻孔附近的断层的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及碳氢化合物勘测和生产，以及更具体地涉及用于表征钻孔附近的特征的方法和装置。

背景技术

本领域的技术人员应该理解，在对靠近钻孔却不必被钻孔穿透的地下地壳构造特性进行成像并进行识别时所面临的挑战。表征地下特征通常依靠远程感应成像应用(例如，采用地震探测技术和/或测量电势场的方法)或依靠直接采样，即钻取一个或多个钻孔。

通常，诸如钻取钻孔的直接采样技术不合乎要求的效率低下且花费大。另一方面，已经有限成功地在现有技术中采用了远程感应技术和建模技术，因此，现在存在改进远程表征地壳构造特征或状况(例如，在钻孔附近但不必被其穿透的位置处的活动断层)的技术的需要。需要了解地下的活动断层来表征通过天然裂缝和/或断层的液体流量参数的能源、资源和环境实体，这需要表征这些活动断层的位置和方向的信息。在其他需要考虑的事项中，如果要避免不期望的钻探事件(例如井眼崩落)，那么表征这样的特征是非常重要的。

发明内容

鉴于上述和其他考虑，本发明旨在一种用于表征在地下体积内的钻孔的附近但是不必被钻孔穿透的地壳构造特征的技术(方法和用于执行该方法的相关装置)。

根据本发明的一个方面，采用了一种方法，其依靠识别近来已经为活动的断层将产生叠加在远场地壳构造的应力场上的次级或局部的应力扰动。该叠加的应力场将影响钻孔引起的井眼崩落。更具体地，井眼崩落将旋转进入独特的方向，或其在钻孔壁上的发展将减少。

在本发明的一个实施例中，从有线线路和/或实时成像或其他数据可以将沿井眼的崩落的特征确定为沿井眼的位置的函数，通过模型化断层引起的应力变化对这些崩落特征的影响来使用有线线路和/或实时成像或其他数据来限制断层位置远离钻孔。

根据本发明的另一方面，该方法不需要钻孔穿透断层，也不需要任何将会存在断层的证据。相反，通过观察沿钻孔的崩落的方向和宽度的变化来推断地确定断层的存在及其形状、方向和位置。

附图说明

本发明的上述和其他特征和方面将通过参考结合附图的具体实施方式的描述而被最好地理解，其中：

图1是具有在其中示出的钻孔轨迹的地下体积的透视图；

图2a-2c是可能出现在地下区域中的各种类型的断层的透视图；

图3a和3b共同地包括示出了根据本发明的一个实施例的远程表征断层的处理的流程图；

图4a是部分钻孔的预测崩落数据的图解表示；

图4b是部分钻孔的预测崩落数据的图解表示，在其上叠加有相同部分的实际崩落数据的图解表示；

图5是示出了预测数据和实际数据之间的高度相关性的预测和实际崩落数据的图解表示；

图6是示出了预测数据和实际数据都表示不具有钻孔崩落的部分的预测和实际崩落数据的图解表示。

具体实施方式

在下面的公开中，为了简洁，不是所有的实际实施方式的特征都被描述了。当然，应该理解，在开发任何这样的实际实施方式时，与任何这样的项目相同，必须进行多次工程和技术决策来达到开发者的特定目的和子目标(例如，系统顺应性和技术约束)，其随着各个实施方式而改变。此外，有必要注意所讨论的环境中的适当的工程实践。应该理解，这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但是对于本领域的技术人员来说，其只是所采取的通常程序。

参考图1，示出了体积20内的钻探操作的计算机产生的模型。图1中所示的是从真垂线深度1000m到真垂线深度2400m延伸通过体积20的钻孔22的轨迹。如在图1中所观测到的，钻孔22并不是水平延伸直接向下进入该体，而是在大体向南偏移，这是在传统方向钻探操作中普遍采用的。并不是钻孔22在模型体积20的“底部”上的投影(阴影)24帮助观测者理解钻孔22的真实三维轨迹。

图1的描述是使用当前技术水平的传感器、分析可用数据的计算机工具和产生图形图像(诸如图1中所示的图形图像)的计算机硬件提供给钻探操作者的井数据的图形表示的典型类型，以在钻探操作者的实际操作中提供帮助。相信本领域的技术人员对于这样的各种工具、计算机硬件和应用程序以及可用的同类的东西是非常熟悉的，并且相信选择和使用这样的技术和其他资源的特定组合与实践本发明不是特别相关的。

本领域的技术人员应该理解，在任何给定地下体积中，对于体积中的每个点，假设存在背景或周围应力状态，通常被表示为“远场”应力值。在很多情况下，为了建模和分析，假设背景应力状态在所感兴趣的给定体积中是均匀的。

本领域的技术人员应进一步理解如果在体积中存在断层，则邻近断层面的应力场，即局部应力状态，将不同于远场应力状态。图2a、2b和2c示出了不同类型的断层，包括正常断层(图2a)、“冲断型”断层(图2b)、以及“走向移动”断层(图2c)。这些断层的每一个的共同特征是通常可以根据断层面，即，两个相对的地下区域之间的平界面来表征断层。如果在限定断层的区域之间存在任何相对运动，则在整体上在体积的背景应力状态中可能存在变化。

再参考图1，在假定理想的钻探操作中，钻孔22具有贯穿其长度的基本相同和基本圆形横截面。然而在实践中，本领域的技术人员应该理解，在钻探过程中，旋转的钻柱可以导致在不同深度对钻孔的机械损伤，导致钻孔不圆。此外，可能发生被称为“崩落”的现象。崩落本质上是应力引起的钻孔壁的破坏，并且通常被认为是不期望的，因为他们可能导致钻柱旋转的不规则，可能导致钻柱部件上的过分振动和磨损。崩落的特性可能被各种因素影响，包括钻柱穿透的材料的成分、环绕钻柱的区域的应力状态、以及其他因素。崩落的这些和其他特征和特性在Zorbak等人的“Well Bore Breakouts and in situStress”，J.Gephys.Res...，90，5523-5530，1985(“Zorback”)以及Bell等人的“The use of Borehole Breakouts in the Study of CrustalStress”，Zoback等人的Hydraulic Fracturing Stress Measurements中的201-209页，National Academy Press，Washington，D.C.，1983(“Bell”)中有描述。Zorback和Bell的全部内容都通过引用结合于此。

钻探操作员也对感兴趣区域中出现的断层感兴趣。断层可以促进各种不期望的状况，例如包括液体流失或液体喷发、储集层分离(reservoir compartmentalization)等。由于断层可以导致钻探泥浆循环的减少或损失、钻孔崩塌、或不期望和无计划的钻孔轨迹偏移，所以断层也可以对钻探操作者构成危险。

如上所述，多种技术和工具都可用来检测和表征钻探操作期间穿透的断层，并且这些已知的断层的影响可以在钻孔过程中被考虑在内。然而，靠近钻孔区域但不必被钻孔直接穿透的断层也可能对钻探操作和储集层特性和生产力产生类似的不期望的影响。认识到这一点就使得上述远程检测工具和技术的发展在正确检测和表征远离实际钻孔的断层状态上仅享有有限的成功，正如之前所述的。

本发明部分地基于识别活动断层和最近(变得)活动的断层将在应力状态中产生的次级或局部扰动。该局部扰动将叠加在该区域的远场应力状态上。这样叠加的应力场可能会不利地影响钻探操作。例如，局部应力场可能会促进钻孔引起或应力引起的钻孔崩落。

根据本发明的一个方面，分析在钻探操作中观察到的崩落可以帮助检测在钻孔附近却不必被钻孔穿透的断层。感兴趣的崩落特性不仅包括其位置(深度)，还包括崩落的方向。甚至崩落发展的减少也可以提供本发明在检测和表征附近的断层时所使用的信息。

图3a和3b一起形成了流程图，示出了根据用于远程检测和表征断层的本发明的当前优选实施例中所采用的步骤。

从图3a开始，根据本发明的一个实施例的处理始于为感兴趣的区域建立数学应力模型，由块50表示。为了描述，将参考图1中示出的特定体积20。产生数学应力模型是经常被本领域的技术人员执行的并且使用各种技术的惯常的处理，该应力模型将体积20再分成多个独立的三维点(每特定体积具有特定数量点(三维像素)的分辨率(例如，在每个x、y和z维度中x个点))，并且至少包括用于该体积内的每个点的应力值。该基于三维像素的处理通常被本领域的技术人员所采用并熟悉。然而，本领域的技术人员应该理解，数学应力模型不需要是基于三维像素的，可以由其他项目表示。

对于用于实现在此公开的本发明的计算机硬件，本领域的技术人员几乎无一例外地在其配置适当的计算机系统中都具有，其范围可以从通用的“个人”计算机到更加强大的工作站等等。根据传统实践，计算机系统包括一个或多个处理器，用来执行在此描述的数据处理和数学计算，以及进一步包括大容量存储器设备，用于存储数据和存储实现本发明的软件。当然，计算机硬件还可以包括图形界面，用于呈现数据的图形表示给用户，以及用户界面(例如，键盘和诸如鼠标的光标控制装置)，用于使得用户能够指定和控制各种由系统执行的处理。

相信，为了理解和实践本发明，选择一个特定计算机系统而不是另一个是不重要的，并且本领域的技术人员能够选择并为适当计算机系统编写程序以执行在此所述的功能。

根据本发明的一个方面，在块50产生的初始应力模型假设在体积20中既没有断层，也没有任何已知的断层是活动的并因此而对应力模型没有影响。应力模型部分地基于如下内容而产生：在区域中或靠近区域的前次钻探操作中所获取的数据，对该区域可能可用的任何地震勘探数据，以及可以执行的各种测试和实验，例如泄露测试和水力压裂实验。获得的模型基本上对应于用于该体积20的背景或远场应力状态。

在根据本发明当前公开的实施例的处理中的下一步骤是执行钻探操作以形成钻孔22或其一部分。这由图3a中的块52表示。

同样，为了帮助表征储集层的特性(例如，进行关于生产的预测、资源的整体价值的重要指示)，块52还代表获取包括钻孔内的崩落数据的实际应力数据的步骤。这通常是在钻探操作期间或之后使用传统和已知工具和技术完成的。对于本领域的技术人员来说，不能识别和定位体积中的断层是非常不期望的。

接下来，有必要将实际应力数据与由块50中产生的模型所预测的数据进行比较。该比较由图3a中的块54表示。具体地，比较的步骤54包括使用所述初始模型来产生表示沿钻孔的预测崩落特性的曲线图。

图4a是一种能够将对应于在步骤50(图3a)产生的背景应力状态模型的数据呈现给用户的方式。(本领域的技术人员应该理解，存在许多其他方法来图形地呈现数据/模型；图4a所举的方法的例子确信对于本发明是有效的)。具体的，图4a示出了一种方法，通过该方法，示出了从初始应力模型导出的预测的崩落特性。在图4a中，曲线图的垂直轴表示沿体积20内的钻孔的测量深度，在该特定情况下，在1000m和2600m之间的范围内。多个“崩落符号”(例如，典型地在虚线80内示出的那一个)显示在图4a中。每个崩落符号包括一个中心“点”，具有一条水平穿过并延伸出该点右侧和左侧一定距离的线。每个崩落符号传递若干信息项。首先，每个崩落符号的垂直位置标识了该崩落符号所对应的垂直深度，如同左侧垂直轴上的刻度所测量的(1000m至2600m)。每个崩落符号的每个中心点的水平位置标识了由该符号所表示的崩落的方向，如同相对于底部水平刻度(例如，北/东/南/西，或顶、左、底、右)所对准的。

此外，图4a中的曲线81示出了钻孔通过的材料的无限制的压缩强度，其是相对于在图4a的底部示出的刻度0.0-2.5所测量的。

通过每个崩落符号中的每个点的水平线表示了崩落的宽度，如相对于钻孔周边(例如，在图4a的底部所示的左下、顶、右下)所测量的。在崩落符号中的水平线的每个端部上的垂直条表示崩落的深度。

当然，在图4a中，一系列的崩落符号表示基于初始应力模型的预测崩落特性(即，方向、宽度和深度)，并因此基于如下假设，即，没有未知的断层出现在体积20中，如同前面参考图3a中的步骤50所讨论的。

再返回到图3a，一旦钻孔22已经被钻出(步骤52)，则下一步是将来自图4a的预测数据与在钻探操作期间和/或之后测量的实际数据进行比较。这是由图3a中的块54表示的。为了实现该比较，提供诸如图4b中所示的曲线是有用的，其示出了叠加在图4a中所示的预测方向和深度上的钻孔22中的崩落的实际测量值(方向和深度)。

在图4b中，与图4a类似，崩落符号反映了基于图3a的步骤50中所产生的模型的预测崩落。此外，提供了多个水平崩落条，例如在图4b中的虚线82内示出的示例。每个崩落条82表示来自钻孔22的在示出崩落条的每个垂直深度处的实际测量的崩落数据。

得益于本公开的本领域技术人员将立刻明白每个崩落符号80的水平位置和宽度以及每个崩落条82的水平位置和长度对应的程度，其证明了在步骤50中产生并图形显示在图4a中的预测数据相对于体积20中的应力状态的准确性。即，作为预测数据与叠加在其上的实际检测数据一起显示的方式的结果，用户能够视觉地感受到预测数据准确地为体积20中的实际应力状态建模的程度。

在替换实施例中，预测数据和实际数据之间的对应关系可以基于各个数据集合的更精确的数值比较来评估。然而图4b示出了仅通过视觉观察各个崩落曲线就可以相对准确地完成该比较。

在非常罕见的情况下，其可能是如下的情况，初始应力模型假设没有未知断层存在于体积20中、或者是体积20中的任何已知断层都是非活动的并因此对应力模型没有影响，该初始应力模型证明是以图4b中所示的表示正确地反映了崩落符号80和崩落条82之间的卓越的相关性。这种罕见的情况由图3a中的块56反映，其对应于图3a中的判断块58中提出的问题(即，“实际数据是否匹配建模数据？”)的肯定答案。

更可能的情况是，在步骤50中产生的预测数据不以任何可预见程度对应于钻取钻孔22之后所获取的实际数据。在该种情况下，以及进一步根据当前公开的本发明的实施例，处理进行到图3a中的步骤60，作为该步骤60的一部分，其呼叫用户来假设在体积20中确实存在断层，以及此外该断层具有由用户指定的特定方向和位置。

在本发明的当前优选实施例中，假设存在具有特定方向和位置的断层的处理不可否认地有点不准确，并且是基于或多或少特殊的基础而执行的。然而确信基于观察预测数据和检测数据在图4b中的显示，实施本发明的本领域技术人员能够并且将会建立假设断层所在位置的直观感觉。

此外，可以设想到，定义体积20中的假设断层的步骤可以被系统化到一定程度，例如，通过确定将如同下面将进一步描述的实验性地检验到其每一个都具有与钻孔22的预定关系的多个不同假设断层来系统化该步骤。

参考图1，示出了断层面90，其位置和方向作为图3a中步骤60的一部分由用户确定。可以通过根据其真垂深度(TVD)、X坐标和Y坐标、以及断层宽度值和断层长度值而定义的中心点92来完成该断层面的确定。该断层的空间定向(即，断层面90的偏角和走向)也必须被确定，以完全定义断层面90的位置和方向，这对具有普通数学能力的技术人员来说是显而易见的。

根据本发明的又一方面，在本发明处理中的下一步骤62是计算断层滑移的效果，即，计算断层面90上的剪应力。步骤62涉及评估必须被加到建模系统以使断层90上的剪应力为指定等级(例如，零)的剪应力量。如果选择零，则相当于在沿断层面一个方向上假设位移和距离足以导致去除断层面90上的所有估计的剪应力。相信得益于本公开的本领域的技术人员能够不需要过度的试验就能够实现该分析计算。

步骤62的结果是假设断层已经滑动足以使得断层面90上的应力为零(或者为指定值)的体积20的应力模型。然后使用该新应力模型，如图3a中块64所表示的，以产生新的崩落预测曲线，即类似于图4a的曲线的曲线，期待基于新的应力模型(其假设存在假设的断层面90)而不是基于初始应力模型(其如上所讨论的，假设在体积20中不存在断层或者体积20中的任何已知断层都是非活动的)。

如在图3a的块66中所表示的，该处理继续，如同在图3b中的接下来的块68所表示的。该下一步骤，步骤70是将在步骤62中得到并用于在步骤64中产生新的预测曲线的新的建模数据与钻取钻孔22之后所获得的实际剪应力数据进行比较。再一次，通过产生与图4b中所示的曲线类似的曲线来完成该比较，从而预测数据和实际数据之间的对应的程度可以被视觉地观测到。

这导致了创造性的处理中的判断块74，其呼叫用户来确定预测数据(其假设存在断层面90)和实际数据之间的相关程度是否构成“匹配”。如果是，如块72所示，用户可以(i)断定假定的断层90是体积20内的实际情况的正确评估；或(ii)重复如下处理，即，从块60处开始，但是假设不同的断层方向和位置以确定在预测数据和实际数据之间是否能够得到更好的相关性。

另一方面，如果在预测数据和实际数据之间清楚地不存在足够的相关性，如块76所示，该创造性的处理同样地返回到步骤60，在此时，假设不同的断层方向和位置，以及重复断层滑动应力建模步骤62、模型产生步骤64、以及比较步骤70。

上述处理可以根据需要或特定情况下的期望被反复重复多次，以实现体积中断层情况的预测，该预测被确信如其在给定情况下要求的一样正确，如类似于图4b在比较曲线中观测到的预测数据和类似实际数据之间的相关性所反映的。

发明人已经实验性地建立了图3a和3b中描述的处理，即使在这些断层实际没有被钻孔22穿透时，其也能够在大多数情况下非常有效地正确预测体积20中的断层的存在。

图5是类似于图4b的比较曲线的示例，反映了预测数据(崩落符号80)和实际数据(崩落条82)之间的良好程度的相关性。

根据本发明的另一方面，在类似于钻孔22的钻孔中崩落的减少的存在可以与存在崩落的情况一样地提供信息(informative)。图6示出了比较曲线的示例，其中通常使用参考标号90标识的特定TVD部分表现了在实际数据(崩落条82)和预测数据(崩落符号80)中都缺少崩落。

从上述具体描述，显然地，用于表征钻孔附近的地下特征的系统和方法已经被公开了。尽管在此描述了本发明的具体实施例，应该理解这只是用来说明本发明的各种特征和方面，并不旨在限制在权利要求中限定的本发明的范围。应该预计和理解，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以对公开的本发明的实施例进行各种替换、改变、和/或修改，包括可能已经在此特别表明或建议的这样的实施变量和选项。

Claims (9)

1.一种表征在延伸通过地下体积的钻孔附近的断层的方法，包括：

(a)产生初始数学应力模型，根据所述初始数学应力模型能够预测在所述体积中沿钻孔轨迹的崩落情况；

(b)执行钻探操作以在所述体积中形成所述钻孔；

(c)获取反映沿所述钻孔的实际崩落情况的实际崩落数据；

(d)将所述实际崩落数据与从所述初始应力模块导出的崩落数据进行比较以评估所述模型的准确性；

(e)基于在所述体积中存在断层面的假设，修正所述初始应力模型；以及

(f)将所述实际崩落数据与从所述修正的应力模型导出的崩落数据进行比较以评估所述修正模型的准确性。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括重复步骤(e)和(f)至少一次。

3.根据权利要求1所述的方法，其中修正所述应力模型的所述步骤(e)包括：

(e)(1)假设在所述体积中存在具有特定位置和方向的断层面；

(e)(2)计算在所述断层面上的多个点处的剪应力；以及

(e)(3)修正所述应力模块以反映在所述断层面上的剪应力被调节为特定值的情况。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤(e)(3)包括假设在所述平面上在某一方向上的一段距离的位移，以使得所述平面上的剪应力达到所述特定值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述指定值是零。

6.根据权利要求1所述的方法，其中产生应力模型的所述步骤(a)包括数学地产生应力模型，其假设在所述体积中不存在活动断层，或者在所述体积中的任何断层都不导致在所述模型内的应力的扰动。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述假设的断层面不与所述钻孔相交。

8.一种计算机可读的数据存储装置，有形地实现指令程序，使得所述计算机执行如权利要求1至7中任一个的方法。

8.一种基于计算机和软件的系统，用于表征在延伸通过地下体积的钻孔附近的断层，包括：

至少一个处理器，在软件的控制下操作用于产生所述体积的数学应力模型，以使得能够预测沿所述钻孔的长度的崩落情况；

钻孔和检测系统，用于钻取所述钻孔并产生反映沿所述钻孔的实际检测崩落情况的数据；

图形界面，用于呈现从所述模型导出的预测的崩落情况的图形表示，并呈现沿所述钻孔的实际崩落情况的图形表示，以使得用户能够评估所述预测崩落情况与所述实际崩落情况相关的程度；

用户界面，用于允许用户控制所述至少一个处理器以产生用于所述体积的修正应力模型，以使得所述应力模型可以被反复修正，以实现基于所述模型预测的崩落情况和实际崩落情况之间的更高的相关程度。

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