CN102365418A - 最小化井漏的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于最小化与地下储层的作业相关联的井漏的系统和方法。所述系统包括用于提供代表储层中的裂缝地层的数据的诸如地球模拟和裂缝分析工具的一个或多个源、以及与数据源通信的用于确定应用于裂缝地层的堵漏材料产品的适当混合物的计算机处理器。所述计算机处理器编有计算机可读代码，用于选择应用于裂缝地层的多个候选产品以及用数学方法确定所选产品的最佳混合物。通过应用所述最佳混合物，可以显著降低与井作业相关联的人力和物力成本。

Description

最小化井漏的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及用于最小化地下储层内的井漏的系统和方法，尤其涉及用于确定应用于钻探引起的地下裂缝的堵漏材料的混合物的系统和方法。

背景技术

众所周知，非有意钻探所引起的裂缝会增加作业成本和降低井作业的效率。这些裂缝可引起井不稳定、井崩溃、卡住钻管、昂贵的管道拆卸和维修、以及非生产性停井。例如，在典型的一年周期内，估计多达三分之一的非生产时间可归因于非有意裂缝地层所引起的井漏。另外，井作业的成本可能因需要提供漏入地层中的钻井液和水泥而显著增加。适当地处理和控制这样的裂缝地层的能力不足可能因泥浆漏失而导致储层损害，甚至有可能因井下流体静压不足而导致井喷。

为了减小非有意裂缝地层的影响，人们往往使用所谓的“堵漏材料”来密封或封堵地下储层中的裂缝地层。例如，钻机作业人员常用裂缝大小分布的粗略估计以及基于经验的“概测法”来确定要应用于裂缝的材料的类型、数量和/或组合。这样的材料可以包括水泥、碎胡桃以及作业人员根据对井的经验确定适用于井的其它合成材料。

然而，主要缺点是要使用的材料的确定是在没有利用抽象岩性和作业数据的情况下作出的，所述抽象岩性和作业数据诸如可由储层建模者推导出来以便更精确地创建要应用的产品的最佳浓度和数量。实际上，作业人员很少深入研究详细的储层模拟数据，也没有工具使用这样的数据来确定要使用的堵漏产品的最佳混合物。另外，作业人员可用的产品选项和大小的范围通常局限于支持钻井作业的供应商或服务提供商所使用或制造的那些产品。

这样，需要更有效地处理裂缝地层，以便降低作业成本和提高钻探效率。尤其需要在规划阶段，将详细储层模拟数据与堵漏材料产品选项的齐全范围相结合，以便推导用于特定裂缝或一组裂缝的最佳填充混合物。

发明内容

提供了一种用于最小化与地下储层的作业相关联的井漏的系统。所述系统包括用于提供代表储层中的裂缝地层的数据的一个或多个源、和与所述一个或多个源通信的计算机处理器，所述计算机处理器具有编有用于确定堵漏产品的最佳混合物的计算机可执行代码的计算机可用介质。所述计算机可执行代码包括用于依照代表裂缝地层的数据来选择封堵裂缝地层的多种产品的第一程序代码、和与所述第一程序代码通信的的第二程序代码，用于用数学方法来确定所选产品的最佳混合物。

依照本发明的另一个方面，一种最小化与地下储层的作业相关联的井漏的计算机实现的方法包括下列步骤：使用代表裂缝地层的数据来确定裂缝地层的物理性质；选择用于封堵裂缝地层的多种产品；以及确定要应用于裂缝地层的所选产品的数学上最佳混合物。所述物理性质可以包括例如大小、深度、取向、和压裂潜力。至少部分根据所述物理性质，从可用产品的列表中选择候选产品。然后确定所选产品的浓度以便作为混合产品应用于裂缝地层。

在本发明的又一个方面中，提供了一种具有计算机可用介质和嵌入其中的计算机可读程序代码的计算机程序产品，所述计算机可读程序代码用于使用代表裂缝地层的数据来确定裂缝地层的物理性质；选择用于封堵裂缝地层的多种产品；以及确定要应用于裂缝地层的所选产品的数学上最佳混合物。

有利地，本发明的系统、方法和计算机程序产品可被用于从产品的齐全列表中选择要混合成数学上最佳混合物的材料产品，以便更有效地最小化与地下井相关联的井漏。所述系统利用岩性、地球模型数据、和井作业数据来确定所选产品的最佳浓度。所述系统可被用于井作业规划目的，使得更合适的材料及其数量可供井位的作业人员使用。通过最佳地选择、混合和应用所述材料，可以极大地减少浪费材料的数量，并且可以极大地提高井效率。

附图说明

本发明的详细描述是参考例示在附图中的本发明特定实施例作出的。这些图形只描绘了本发明的典型实施例，不应该被认为是限制本发明的范围。

图1示出了依照本发明第一方面用于最小化井漏的系统的方块图；

图2示出了依照本发明第二方面用于最小化井漏的方法的流程图；

图3示出了依照本发明的系统的另一个实施例的方块图；

图4a-h示出了代表依照本发明用于表征裂缝地层的计算机实现的工作流的用户界面；

图5a-d示出了代表用于选择最小化井漏的产品的候选列表的计算机实现的工作流的用户界面；以及

图6a-c示出了代表用数学方法最优化用于最小化井漏的所选产品的混合物的计算机实现的工作流的用户界面。

具体实施方式

本发明可在由计算机执行的指令的一般背景下描述和实现。这样的计算机可执行指令可以包括程序、例程、对象、组件、数据结构、和可用于执行特定任务和处理抽象数据类型的计算机软件技术。本发明的软件实现可以用不同语言编码，以便应用在多种多样计算平台和环境中。应该懂得，本发明的范围和基本原理不受任何特定计算机软件技术限制。

此外，本领域的普通技术人员应该懂得，本发明可以使用包括(但不限于)单处理器和多处理器系统、手持设备、可编程消费电子产品、小型计算机、大型计算机等的计算机处理系统配置的任何一种或组合来实施。本发明也可以在由通过一个或多个数据通信网络链接的服务器或其它处理设备执行任务的分布式计算环境下实施。在分布式计算环境下，程序模块可位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。

此外，诸如CD、预录盘或其它等效设备的与计算机处理器一起使用的制品也可以包括计算机程序存储介质和记录在上面的指示计算机处理器以便于本发明的实现和实施的程序部件。这样的设备和制品也在本发明的精神和范围内。

现在参照附图描述本发明的实施例。本发明可以以许多方式实现，包括，例如，作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机实现方法)、装置、计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面、门户网站、或有形地固化在计算机可读存储器中的数据结构。下面讨论本发明的几个实施例。附图只例示了本发明的典型实施例，因此不应该认为是限制其范围和广度。

图1是依照本发明用于最小化井漏的系统10的方块图表示。系统10包括用于提供代表储层中的裂缝地层的数据的一个或多个源12-18。这些数据源可以包括与计算机处理器20通信的用于收集井的裂缝地层的数据特性的一个或多个传感器或设备12-16、以及用于生成或提供地球模型数据的地球模拟工具或数据库18。这些数据源也可以包括例如负责经由与计算机处理器20通信的一个或多个图形用户界面来提供裂缝相关数据的井作业人员或地球模拟人员。计算机处理器20包括使用裂缝数据来确定应用于裂缝地层的产品的最佳混合物的计算机可执行程序代码22-26、以及向钻机作业人员或规划者显示有关最佳产品混合物的细节的图形用户界面或等效设备30。混合物细节可以包括要用在最佳混合物中的各种产品的浓度、和生成混合物的指令。可选的，系统10可被用于生成控制用于测量所选产品和/或将所选产品混合成最佳混合物的一个或多个设备(未示出)的操作的指令。

依照本发明的另一个方面，将计算机可执行代码20设计和配置成实现示出在图2中的方法40。方法40包括如下步骤：收集如本领域普通技术人员应该懂得的诸如剪切数据、压力数据、泥浆/水流速、流体密度、井深、井斜、以及其他测井和井作业数据等的代表裂缝地层的钻井数据(步骤42)，以及使用钻井数据来进行裂缝分析以确定裂缝地层的物理特性(步骤44)。方法20进一步包括使用裂缝分析来识别可能适用于所表征的裂缝的产品或材料(步骤46)，确定所识别产品的最佳混合物(步骤48)，以及将最佳混合物应用于裂缝。尽管被示出具有裂缝表征模块22、产品识别模块24、和混合物最优化模块26，但也可以视执行方法40的情况而分段或分配所述可执行代码20。

例如，可以像图3所示那样分配软件，图3示出了具有软件模块64、70、72的PROVIDUS系统，软件模块64、70、72用于估计将开始地层压裂的钻井压力，估计对于给定过压，裂缝的大小分布，生成将适于处理裂缝的供应商产品的列表，以及在选择了供应商产品的情况下，计算所选产品的最佳混合物。

步骤42和44可以利用来自传感器12-16或地球模型18的输入，经由如图1所示的裂缝表征模块22来执行。可替代的是，如图3所示，将测井记录52、作业数据54、剪切数据57和压力数据58提供给岩石力学分析RMA工具60或一种或多种等效地球模拟工具，以生成诸如岩性、应力梯度、S_h/S_H比和S_H方位的地球模型数据62。作业数据54可以包括一般井信息和参数，包括(但不限于)井深、孔大小和流体性质。然后，经由PROVIDUS模块64将地球模型数据62与钻探作业所特有的ECD/ESD数据66和附加作业数据68(例如，钻孔压力)相结合。然后，PROVIDUS模块70使用地球模拟信息62以及数据66和68来预测是否将形成裂缝，如果是，它们有多大。然后，预测的裂缝大小信息由模块72用于确定哪些堵漏材料(LCM)产品将有助于阻碍流体流入裂缝以及不同LCM产品的最佳混合物将是什么。

在本发明的一个实施例中，PROVIDUS系统使用本领域普通技术人员已知和懂得的算法和方法来进行裂缝分析。裂缝分析数据可以包括所涉及的岩石/地层的力学性质、地球应力(S_v、S_H和S_h)、井深、井取向、钻井液温度、以及地层受到的最小和最大压力(分别是ESD和ECD)。PROVIDUS使用本领域普通技术人员已知和懂得的方法来估计将开始地层压裂的钻井压力以及对于给定过压的裂缝大小分布。然后，PROVIDUS使用裂缝数据以及包括有关已在裂缝中的产品的数据的存储产品数据，用数学方法来确定要应用于裂缝的最佳混合物。

可替代地，可以经由作业人员手动地或经由数据库或与模块72通信的其它数据存储设备自动地将地球模型数据62和裂缝分析数据70提供给模块72。

步骤42和44也可以像图4a-h所示那样执行，图4a-h示出了依照本发明，代表用于表征裂缝地层的工作流的示范性用户界面。用户使用如图4a所示的设置菜单选项100输入或从数据库下载某些“现场应力梯度”参数110，包括最大和最小水平地球应力之间的比值S_h/S_H、以及各个取向：S_h方位和S_H方位。然后，用户选择如图4b所示的“岩石力学参数”120来输入或下载一般岩石和地球性质。这些参数的一些是默认的，其它可能是第三方岩石力学研究的结果。

可替代地，如果没有其它信息可用，软件可以提供许多标准岩石类型和位置的建议。这些岩石力学参数可以包括下列中的一个或多个：拉伸强度、无侧限抗压强度、内摩擦角、构造应变、线性热膨胀系数、表面温度、地热梯度、以及海底温度。

接着，如图4c所示，作业人员选择“作业参数”130以输入或下载井作业数据，最重要的是最大等效静态密度(ESD)和等效循环密度(ECD)。这些参数用于确定地层岩石是否压裂和压裂了多少。其它作业参数可以包括水深和钻井ID。然后，用户使用图4d的界面来提供对裂缝计算有影响的最终一般输入140。这些输入可以包括裂缝高度、裂缝长度、裂缝韧度、几何因子(PKN)、以及几何因子(KGO)。

然后，作业人员使用如图4e所示的界面102来提供井位和水深(如果有的话)。这些参数150被用于估计施加于目标岩石的压力。如果需要的话，用户能够越过这些计算，直接输入来自其它源的值。然后，使用如图4f所示的界面104来输入要进行的裂缝分析的类型(例如，单点分析或区间分析)、断裂标准160、以及诸如井深、局部孔压、井的角度和方向、以及局部岩石性质的参数170。借助于这种数据，该程序可以计算裂缝地层断裂的条件。

图4g示出了在本例中示出预测到岩石断裂的裂缝单点分析的结果。这意味着裂缝将在围绕钻井的岩石中裂开，并且钻井液将流入这些裂缝中。这种流动或所谓的“漏失”可引起钻探问题、损坏装备、停井、以及与提供漏失流体有关的成本增加。图4h示出了附加裂缝分析的细节，包括裂缝大小分布所依据的预测的裂缝平均尺寸和最大尺寸。裂缝分析以及本方法的其余步骤可以例如以“故障检修”或实时方式来使用以便诊断钻机的现有问题，或以规划、预测或预报方式使用，以模拟可能经历的潜在问题和可能在给定钻井现场需要的材料。

再次参照图2，步骤46可以经由如图1所示的产品识别模块24来执行(图3中的标号72)，以便自动选择应用于裂缝的一组“候选”产品。借助于裂缝数据，产品识别模块24如可以体现在PROVIDUS模块64中的那样，检查供应商产品的完整列表，并生成用户从中选择要使用的产品的列表。候选产品是根据包括大小分布的预定准则从完整列表中选择的。由于可用产品的范围通常限于由承包钻井地点服务和/或作业的供应商出售或使用的那些产品，所以使用完整列表比传统方法有利。

图5a-d示出了代表选择用于最小化井漏的产品的候选列表的工作流的用户界面。最初，如图5a所示，用户装载来自程序的前一部分的裂缝大小分布。如果用户知道大小是什么，则他们可以越过大小并手动输入分布。然后，提供图5b的用户界面202，以便从图5c的堵漏材料设计列表204中选择候选材料或产品的列表。产品列表204是宽广的并覆盖每个主要流体供应商的整个产品线。作业人员首先评估已经在可能满足图5a的裂缝大小分布的钻井液中的产品，并可以输入多达五种现有产品。然后，该程序依照如下方程1来评估这些产品是否具有适当大小：

裂缝D50≤产品D90以及产品D90≤2×裂缝D90

(方程1)

如果产品满足这些准则，则判断为有效。该程序进一步评估可接受产品的总浓度是否足以阻止流体漏失到地层中。在进行浓度评估时，该程序使用遏制流体漏失所需的有效衔接材料的预定最小阈值量，例如，每桶8磅(lb/bbl)。如果用户通过例如点击推荐按钮选择了一种产品，但未满足浓度阈值，则经由图5d的弹出窗口通知作业人员该LCM产品不适于裂缝大小。

再次参照图2，步骤48可以使用参考图6a-c例示的工作流来执行。图6a-c示出了代表最优化用于最小化井漏的所选产品的混合物的工作流的用户界面。用户使用这些界面来选择他们希望添加哪些附加产品，并输入最大允许浓度。这通常是流体性质或井下工具的限制。在一个优选实施例中，用户可以添加一种、两种或三种附加产品，但可以包括附加产品。目的是确定应用于裂缝的产品的最佳混合物，以便最佳地衔接、填充、堵塞或封堵所表征的裂缝。这些产品可以根据前面所述的有效性准则来选择，在多数情况下使列表从上百种缩小到几十种。这有助于用户应用将实际起作用的产品，而不是在井下应用无助于减小漏失和/或使问题更加严重的产品。

如图6a所示，在单个附加产品的情况下，通过方程2来确定建议添加的产品的量：

C₁＝最大允许浓度-∑现有产品浓度

(方程2)

其中，C₁是产品1的浓度。

如图6b所示，在两种附加产品的情况下，通过求解方程3和4来找出混合比，以保证总附加产品浓度与最大允许浓度减去现有浓度之和匹配，以及两种附加产品D90大小的加权平均值与裂缝D90的大小匹配。

C₁+C₂＝最大允许浓度-∑现有产品浓度

D90₁C₁+D90₂C₂＝D90_裂缝×(C₁+C₂)

(方程3和4)

这个线性方程组通过Ax＝b公式来求解。其中，A是方程左侧的矩阵，x是解向量，以及b是右侧的常数向量。这就要求方程采取需要矩阵求逆然后相乘的x＝A-1b的形式。这个过程同样适用于两种或三种产品。

如图6c所示，如果包括三种产品，则依照方程5-7，仍然必须像前面那样计算总浓度，使D90匹配，以及现在也必须使D50匹配：

C₁+C₂+C₃＝最大允许浓度-∑现有产品浓度

D90₁C₁+D90₂C₂+D90₃C₃＝D90_裂缝×(C₁+C₂+C₃)

D50₁C₁+D50₂C₂+D50₃C₃＝D50_裂缝×(C₁+C₂+C₃)

(方程5、6、7)

这些方程5-7的结果是现场人员需要加入流体系统中以最小化漏失的产品的浓度。

这样，本发明的系统、方法和计算机产品的有利之处在于，它们以集成方式包括裂缝模拟、堵漏材料产品选择、和产品混合的步骤。

根据上文的详细描述，本发明的其它实施例及其各个组件对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。正如所实现的那样，本发明能够实现其它和不同的实施例，以及本发明的几个细节能够在多种明显的方面加以修改，这些都不偏离本发明的精神和范围。于是，附图和详细描述被认为是例示性的，而不是限制性的。因此，除了所附权利要求书所指的以外，再无意对本发明施加限制。

Claims (15)

1.一种用于最小化与地下储层的作业相关联的井漏的系统，所述储层具有造成井漏的裂缝地层，所述系统包含：

提供代表储层中的裂缝地层的数据的一个或多个源；以及

与所述一个或多个数据源通信的计算机处理器，所述计算机处理器包含编有计算机可执行代码的计算机可用介质，所述计算机可执行代码包含：

用于依照代表裂缝地层的数据，选择应用于裂缝地层的多个产品的第一程序代码；以及

与所述第一程序代码通信的第二程序代码，用于确定应用于裂缝地层的所选产品的适当混合物。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包含与所述第二程序代码通信的第三程序代码，用于生成与产品混合物相关联的显示数据。

3.如权利要求1所述的系统，进一步包含用于显示产品混合物的细节的设备。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个数据源包含地球模型。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个数据源包含裂缝分析部件。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个数据源包含一个或多个用于检测裂缝地层的数据特性的传感器。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个数据源包含一个或多个用于输入裂缝相关数据的图形用户界面。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个数据源包含一个或多个与所述计算机处理器通信的数据库，其中，所述一个或多个数据库包括裂缝数据的数据特性。

9.如权利要求1所述的系统，进一步包含与所述第二程序代码通信的第四程序代码，用于控制产品混合物的应用。

10.如权利要求1所述的系统，进一步包含与所述第二程序代码通信的第五程序代码，用于控制生产所述产品混合物的混合设备。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二程序代码将大小的统计分布用于所选产品和裂缝地层。

12.一种用于最小化与地下储层的作业相关联的井漏的计算机实现的方法，所述储层具有造成井漏的裂缝地层，所述方法包含：

使用代表所述裂缝地层的数据来确定所述裂缝地层的物理性质；

选择应用于所述裂缝地层的多个产品；以及

用数学方法确定要应用于所述裂缝地层的所选产品的适当混合物。

13.如权利要求12所述的方法，其中，使用代表所述裂缝地层的数据来确定所述裂缝地层的物理性质的步骤包含：

确定压裂潜力；以及

确定裂缝大小。

14.如权利要求12所述的方法，进一步包含依照所选产品的计算浓度来混合所述混合物的步骤。

15.如权利要求12所述的方法，进一步包含将所述混合物应用于所述裂缝地层的步骤。

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