CN102587869A - 分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置 - Google Patents

Abstract

分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置。一种用于模拟钻孔中水锤波的方法，该方法用于估算岩层参数，例如，孔隙度和渗透率，和用于设计完井钻具组。模拟方法利用有多层的模型，多层中的至少一层包含径向分层。

Description

分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置

本申请是申请日为2006年5月25日、申请号为200680018106.8、发明名称为“分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置”一案的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于分析钻孔，岩层，液体，和完井性质对水锤产生的波传播的影响的方法。在另一方面，本发明涉及在钻孔完井设备和喷射器中用于减轻水锤效应的方法和装置。本发明还可用于确定完井和岩层的性质和及性质的变化。

背景技术

水锤(或者，更一般地是液体锤)是在运动液体突然地被迫停止或改变方向时，它的动能产生的压力波动或压力波。例如，若在管道系统的一端突然地关闭一个阀，则在管道中可以传播水锤波。在生产井或正在被钻探的井中，若防喷器装置(BOP)被激励以响应被检测的气体或液体流入钻孔，则可以产生水锤。在标准的井关闭期间，也可以产生水锤。例如，请参照SPE 00064297。与水锤相关的瞬态压力可以造成钻孔失效和/或井中灵敏的电子，电路和机电设备失效。在本发明中，我们讨论的“钻孔系统”可以包括钻孔以及与该钻孔连接的所有装置。

授予Holzhausen et al.的US 5220504公开一种确定岩层性质的方法，例如，渗透率，该方法是在钻孔中建立压力振荡。分析是基于地球的模型作为一种围绕充满液体的钻孔的均匀媒体(其中可能有裂纹)。该方法在实际的生产钻孔中毫无用处，其中钻孔可能包含生产管道，不同尺寸的套管，水泥，孔眼，封隔填料和砂石充填。本发明的目的是分析实际的生产钻孔，该钻孔可能有径向变化和垂直变化。

发明内容

本发明的一个实施例是一种确定地球岩层的性质的方法。在地球岩层的钻孔中产生液体锤，该液体锤在液体中产生压力脉冲。至少在钻孔中的一个位置，测量液体压力。利用测量结果，估算岩层性质的数值。产生液体锤可以通过开启钻孔系统中的流量控制装置和/或关闭启钻孔系统中的流量控制装置完成。压力脉冲在钻孔中传播，其速度至少部分是由岩层的剪切速度确定。估算岩层的性质可以利用确定钻孔和地球岩层的模型完成，该模型包含多个层，多个层中的至少一个层包含径向分层。估算岩层的性质还可以包括模拟该模型的输出，并比较模拟输出与测量结果。模拟该模型的输出包括利用在层边界上的反射系数和传输系数。估算性质可以包括岩层孔隙度，岩层渗透率和岩层损坏。该方法还可以包括在以后的时间重复地产生水锤，并确定其性质数值的变化。

本发明的另一个实施例是一种开发地球岩层中的贮藏的方法。该方法包括确定地球岩层和其中钻孔的模型。该模型包含多个层，多个层中的至少一层包含径向分层。模拟该模型对液体锤的响应，且该输出用于确定钻孔中完井钻具组的参数和/或钻孔中流量控制装置的工作参数。利用该模型的输出可以包括识别钻孔中液体的最大压力，而其中流量控制装置的工作参数可以包括流量控制装置的开工率。流量控制装置可以在地面位置，井下位置，和/或侧向钻孔的井下位置。确定完井钻具组的参数可以包括：选取钻孔直径，选取钻孔形状，选取套管材料，选取管道材料，选取水泥性质，选取钻孔中液体的性质，和/或选取两段套管之间连接的性质。确定完井钻具组的参数可以包括：确定波反射器部分的参数，波衰减器部分的参数，孔眼的大小，孔眼的形状，和/或孔眼的定位。确定完井钻具组的参数可以包括：确定防护网参数和/或砾石充填的参数。确定完井钻具组的参数可以包括：确定直径变化的尺度，两个直径变化之间的间隔距离，和直径变化的数目。

本发明的另一个实施例是一种用在确定地球岩层的方法中的计算机可读媒体。该方法包括：在地球岩层的钻孔中产生液体锤，该液体锤在液体中产生压力脉冲。该方法还包括：在钻孔中的至少一个位置，测量液体的压力。该媒体包含这样的指令，它能使处理器利用测量结果估算岩层性质的数值。该媒体可以包括：ROM，EPROM，EAROM，快速擦写存储器，和/或光盘。

附图说明

为了清楚地理解本发明，应当参照以下结合附图的优选实施例的详细描述，其中相同的元件是用相同的数字描述，且其中：

图1是在顶部，中部和底部的简单水锤和水锤波；

图2a是在均匀岩层中的简单钻孔；

图2b是在图2a所示钻孔的顶部，中部和底部的模拟水锤波；

图3表示阶跃时间函数作为水锤模拟的源；

图4a表示在钻孔中的径向分层；

图4b表示在均匀岩层中有不规则直径的钻孔；

图4c表示在水平分层的地球岩层中的钻孔；

图5a表示在有分层的地球岩层的钻孔中的水锤波；

图5b表示在图5a所示钻孔的顶部，中部和底部的模拟压力场；

图6a和6b表示有多个分层的多孔媒体的色散曲线和Q值；

图7a是包含管道，封隔填料，套管和孔眼间隔的井的垂直剖面图；

图7b是图7a所示的井在不同深度上的水平剖面图；

图7c是作用到水锤上的图7a所示井的压力场；

图8a-8c表示在井的顶部，中部和底部的模拟压力数据与测量场数据的比较；

图9a是典型的完井系统示意图，其中水锤的传播具有有限的能量损失和波色散；

图9b和9c是曲线图，它们表示在沿图9a中完井系统的选取位置上的波形；

图10a是按照本发明一个实施例利用波反射器的典型完井系统示意图，该反射器可以减小波沿完井系统传播的能量；

图10b和10c是曲线图，它们表示在沿图10a中完井系统的选取位置上的波形；

图11a是按照本发明一个实施例利用波衰减器的典型完井系统示意图，该衰减器可以减小波沿完井系统传播的能量；

图11b和11c是曲线图，它们表示在沿图11a中完井系统的选取位置上的波形；

图12a是按照本发明一个实施例利用波吸收器的典型完井系统示意图，该吸收器可以减小波沿完井系统传播的能量；

图12b，12c和12d是曲线图，它们表示在沿图12a中完井系统的选取位置上的波形；

图13a是按照本发明一个实施例利用衰减器的典型完井系统示意图，该衰减器可以减小波沿完井系统传播的能量；

图13b和13c是曲线图，它们表示在沿图13a中完井系统的选取位置上的波形；

图14是在侧向钻孔中的流量控制装置；

图15a表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的较小套管；

图15b表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为0.5mD的无套管钻孔；

图15c表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为5mD的无套管钻孔；

图15d表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为500mD的无套管钻孔；

图15e表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为30D的损坏无套管钻孔和10cm的渗透率为20mD的损坏钻孔；和

图15f表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为300mD的损坏无套管钻孔和1cm的渗透率为20mD的损坏钻孔。

具体实施方式

本发明是基于水锤信号在钻孔中传播的分析。假设水正在以流速V₀被注入到钻孔中。若在井口突然关闭阀门，则可以产生压力波并向下传播。图1表示在钻孔中的简单水锤波。利用以下的近似关系式，可以确定压力波的幅度。

ΔP＝cρ₀V₀              (1)

其中ρ₀是钻孔中的液体密度，和c是波传播速度。我们讨论如何确定在不同钻孔条件下的速度c。当压力波到达钻孔的底部时，它反射，向上传播，以及随后再次从钻孔的顶部反射回来。这种现象称之为水锤，并在供水领域中对它进行研究。理想的是，这种上下过程以振动频率f不断地重复。

$f=\frac{c}{4L}---\left(2\right)$

此处，L是钻孔的深度范围。然而，在实际情况下，由于周围多孔岩石和其他因素造成的衰减，压力波缓慢地发生衰变。振动频率和衰变曲线以及水锤波的其他可观察特征可用于研究围绕多孔岩石的孔隙性质。公式(2)中的速度对应于水锤的速度，但它不同于公式(1)中压缩波的速度。此处的频率是与水锤的重复率有关，但它不同于包括水锤的冲击波频率。

参照图1，图1表示在钻孔100中的典型水锤脉冲101，103，105，107，109的一系列抽点。在钻孔顶部开始的脉冲是用101表示，在钻孔中部附近的脉冲是用103表示，而在到达钻孔底部之前的脉冲是用105表示，从钻孔底部反射之后并在钻孔中部附近的脉冲是用107表示，而在即将到达钻孔顶部之前的脉冲是用109表示。在此之后，脉冲在钻孔的顶部经受另一次反射，而在向下到达钻孔中途的脉冲是用110表示。图1中的箭头指出水锤脉冲传播的方向。此外，在图1中还画出典型的时间序列表示111，113和115，它们分别表示在钻孔顶部附近的位置，在钻孔中部附近的位置，和在钻孔底部附近的位置被测量到的。这个例子中的脉冲是阶跃函数，如图3中所示。在钻孔顶部和底部的反射系数是在那些位置上阻抗对比度的函数。

图2a表示在均匀地球岩层141中的典型钻孔143。对于图2a所示简单的充满液体的钻孔，根据公式(2)，我们知道，水锤波的频率是非常低的。例如，若L＝500m，c＝1500m/s(充满水的钻孔的上限)，则根据公式(2)，f＝0.75Hz。在本发明中，我们利用低频管波以模拟水锤。对于低频管波，它可以被近始地当作1-D问题。White(1983)推导出在不同情况下用于计算低频管波的速度的公式。对于在非透水弹性岩层中的钻孔，管波的速度是

$c=\frac{1}{{\left[\mathrm{\ρ}(\frac{1}{B}+\frac{1}{\mathrm{\μ}})\right]}^{1/2}}---\left(3\right),$

其中

是液体的体积弹性模量，

是岩层的剪切模量，ρ是岩层的密度，V_s是岩层的剪切速度，ρ_f是液体的密度，和V_f是液体的速度(在液体中压缩波的速度)。对于透水多孔岩层中的钻孔，复管波速度是：

$c={\left[\mathrm{\ρ}(\frac{1}{B}+\frac{1}{\mathrm{\μ}}+\frac{2}{\mathrm{i\ωb}}\frac{1}{Z})\right]}^{-1/2}---\left(4a\right)$

$\frac{1}{Z}=\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\ηa}}\frac{\sqrt{\mathrm{i\ωm}}a{K}_1\left(\sqrt{\mathrm{i\ωm}}a\right)}{K_0\left(\sqrt{\mathrm{i\ωm}}a\right)}---\left(4b\right)$

此处，m＝φη/(kB)，k是岩层的渗透率，φ是孔隙度，a是钻孔的半径，η是粘度。K₀和K₁分别是零级和一级的变形贝塞尔函数。应当注意，在横向各向同性的媒体中，确定水锤速度的速度V_f是沿水平方向(垂直于对称轴)传播的水平偏振剪切波的剪切波速度。图2b分别表示在钻孔的顶部151，中部153和底部155记录的模拟水锤波。以下，我们讨论如何在复杂或不规则的钻孔中制作水锤波的模型。为此目的，我们参照在较简单的几何结构中制作管波模型的通用技术。

一些管波模型的现有结果适合于我们在复杂的钻孔中制作水锤模型。图4a表示有径向同心分层163和165的钻孔161。图4b表示在均匀的地球岩层173中有不规则半径的钻孔175。图4c表示有层177，179，181，183的分层地球岩层中的钻孔。这种不规则性包括钻孔直径的变化和岩层性质的变化。

类似于简单钻孔的情况，为了便于说明，我们此处还把复杂钻孔中的水锤波当作具有阶跃源函数的1-D低频管波进行处理。在这个1-D波传播的问题中，钻孔被分成在不同深度上媒体性质变化和/或钻孔几何形状发生变化的多个水平层。在二层情况下，反射系数和传输系数是由以下的公式给出：

$R=\frac{a_1{k}_1-a_2{k}_2}{a_1{k}_1+a_2{k}_2},---\left(5\right)$

$T=\frac{{2a}_1{k}_1}{a_1{k}_1+a_2{k}_2}.---\left(6\right)$

此处，波数k₁＝ω/c₁和k₂＝ω/c₂，半径a₁和a₂对应于上层和下层。若在水平层中没有径向分层，则公式(3)，(4)或其他的数字方法可用于计算管波速度c₁和c₂。图5a和5b表示在复杂钻孔中的波锤例子。

在203中的管波速度是1400m/s，而在205和209中的管波速度是1380m/s。在底部附近有10m厚的透水层207。211，213和215分别表示在钻孔的顶部，中部和底部的压力模拟。比较图5b与图2，幅度的衰变是更快速，且波形状具有一些畸变。

此处，我们应用广义R/T系数方法以研究图4a所示充满液体的钻孔中管波的色散关系或简正模。径向分层可以是液体，非透水固体，和透水的多孔固体的任意组合。求解色散关系可以给出相关简正模的速度和衰减。

在这个问题中涉及三种类型的媒体，即，液体，非透水固体，和透水的多孔固体。所以，我们需要处理液体-固体，液体-多孔固体，固体-固体，固体-多孔固体，固体-液体，多孔固体-液体，多孔固体-多孔固体和多孔固体-固体的边界条件。令u^(j)是第j层沿径向的位移-应力矢量，该矢量可以表示成

$u^{\left(j\right)}=E_{-}^{\left(j\right)}{c}_{-}^{\left(j\right)}+E_{+}^{\left(j\right)}{c}_{+}^{\left(j\right)},---\left(7\right)$

其中

是波动方程的通解，和

是需要确定的未知系数，在给定的边界条件下，可以利用广义R/T系数方法确定。符号‘+’和‘-’分别表示输出波和输入波。对于液体，u的长度是2；对于非透水固体，u的长度是4；对于透水的多孔固体，u的长度是6。在边界r＝r^(j)上的反射系数和传输系数可以表示成

$\left[\begin{array}{cc}{R}_{+-}^{\left(j\right)}& T_{-}^{\left(j\right)}\\ T_{+}^{\left(j\right)}& R_{-+}^{\left(j\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{E}_{-}^{\left(j\right)}& -E_{+}^{(j+1)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{cc}-E_{+}^{\left(j\right)}& E_{-}^{(j+1)}\end{array}\right].---\left(8\right)$

广义反射系数和传输系数和

是通过以下公式定义的

$c_{-}^{\left(j\right)}={\hat{R}}_{+-}^{\left(j\right)}{c}_{+}^{\left(j\right)}\mathrm{and}{c}_{+}^{(j+1)}={\hat{T}}_{+}^{\left(j\right)}{c}_{+}^{\left(j\right)},---\left(9\right)$

并可以根据以下的迭代关系得到

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{T}}_{+}^{\left(j\right)}={[I-R_{-+}^{\left(j\right)}{\hat{R}}_{+-}^{(j+1)}]}^{-1}{T}_{+}^{\left(j\right)}\\ {\hat{R}}_{+-}^{\left(j\right)}=R_{+-}^{\left(j\right)}+T_{-}^{\left(j\right)}{\hat{R}}_{+-}^{(j+1)}{\hat{T}}_{+}^{\left(j\right)}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其初始条件是

${\hat{R}}_{+-}^{(N+1)}=0.---\left(11\right)$

公式(11)意味着，在最外层N+1中仅仅存在向外传播的波。

简正模是无源波动方程在给定边界条件下的非无效解。非无效解的要求可以导致以下的色散关系

$1-{\hat{R}}_{+-}^{1)}(\mathrm{\ω},k,m)=0.---\left(12\right)$

第一层是液体，且仅存在P波。所以，在这层中的广义反射系数

被简化成标量。

是角频率ω，波数k，和钻孔模型参数矢量m的函数。我们利用数字方法求解公式(12)。对于给定的实数ω，我们求解它是公式(12)中根的复波数k。k的实部给出相速c＝ω/k_r，而它的虚部给出Q值，Q＝0.5k_r/k_i。复波数k被代入到公式(5)和(6)中，或用在传播函数矩阵方法中，用于计算水锤波模拟中的反射系数和传输系数。

图6a和6b表示三种多孔模型的色散曲线。图6a中的曲线221，223和225分别是模型1，2和3的相速，而曲线231，233和235分别是三种模型的品质因素Q。在表1中给出模型参数。从图6a中可以看出，色散曲线对于水锤波所在的低频范围内的渗透率是非常灵敏的。我们可以预料，水锤波可用于井测试，特别是用于渗透率和孔隙度的估算。具体地说，垂直分层的几何结构通常是已知的，它们具有压缩速度和剪切速度。在孔隙度的范围内，可以产生各种合成输出，而制成的查阅表可用于估算渗透率。

表1：在多个分层的多孔媒体中钻孔的模型参数

以下，我们研究一个完成的200井，该井包含接入地球岩层中的单个孔眼间隔。图7a是该装置的垂直剖面示意图，它画出管道，封隔填料，和包含孔眼间隔的套管。图7b表示对应于不同间隔的水平剖面图。孔眼间隔是用数字257表示。有套管的间隔是用数字251表示，有填料的间隔是用数字253表示，而装套管的间隔是用数字255表示。利用有多个水平层的模型模拟水锤，其中一个和多个水平层还可以有径向分层。应当注意，按照工业中的常规实践，术语“水平”和“垂直”可以是相对于钻孔本身。在这个文件中给出的具体例子的模型是钻孔垂直于水平层。这不应当看成是对本发明的限制，该方法可以应用于一些变型，其中钻孔与各层不垂直。在该模型中添加方位角项，可以模拟这种斜层理。

图7c表示水锤的衰变。横坐标是时间，而纵坐标是深度。图8a中的261是模拟水锤信号和在井中所作实际场测量信号的时域表示，井的模型是图7a和7b所示。由于模拟信号与测量信号之间极好的一致，单条曲线已足够。在图8b中也是相同的情况，它表示模拟信号与在相同钻孔的间隔中部所作的测量结果263。模拟压力267与测量压力265之间的差别在图8c中所示间隔底部附近是显著的。应当注意，对于所示的例子，在底部附近的水锤小于在井顶部的水锤一个数量级。这种差别主要原因是在非常低频下的失配。在本发明的另一个实施例中，可以校正低频失配。现在参照图9-14，这些图说明上述方法的典型应用。

图9a是沿单孔井300的水锤传输效应的示意图，其中安装基本恒定直径的钢套管302，并用水泥胶接整个套管。阀门或其他限流器304在被启动时产生一个波306，它是从钻井300中的第一位置308传播到较低的第二位置310。波的传播特征是包括钻孔尺度(例如，孔的大小)，钻孔管道的形状和组成材料，水泥性质，液体性质，和连接性质等各种参数的函数。图9b和9c分别表示在第一位置308和第二位置310的波形或形状312和314。可以看出，波形312和314的波幅度有相对小的变化，指出这些波传输的能量遭遇到相对小的传播损失。因此，在这个完井装置中，没有发生衰减，反射或吸收能量的部分或零件的套管302允许以低的衰减和低的色散传播波。因此，这些波306在到达第二位置310时有相对高的能量和冲击力。

在地面上的阀门为什么可能突然关闭的一般原因是在钻孔中出现突然的压力变化。例如，这可能是由于气体的突然流入造成的。阀门可以是防喷器装置(BOP)的部件，它快速地被关闭以避免井的灾难性喷射。常用的知识是应当尽快地运行BOP。本发明能够从钻孔内压力波的作用分析这种BOP突然运行的影响。在一些情况下，水锤产生的压力在一些间隔上可以超过钻孔强度。本发明能够模拟不是如此快速的关闭BOP：代替阶跃函数，我们可以利用斜坡函数，并在考虑到岩层强度之后进行BOP的运行。相同的原理也适合于开启流量控制装置，它与关闭流量控制装置时有相同的动能变化。应当注意，井下的电子设备，电路设备和机电设备对于过大的压力也可能受损，而本发明可以提供保护措施。

图10a是一种完井装置的示意图，其中管形钻具组400包含波反射器部分402，它适合于反射传播通过钻具组400的波。为了控制传播通过钻具组400的波404，波反射器部分402有产生波反射416的缩小直径，从而可以减小传输进入在波反射器部分402以下的钻孔的能量。应当理解，可以选择波反射器部分402的结构，例如，形状(例如，阶跃式减小，逐渐减小等)，尺度，材料组成，用于控制反射波416的特征。图10b和10c分别表示在沿反射器部分402上行的第一位置412和在沿反射器部分402下行的第二位置414的典型波形408和410。可以看出，被反射器部分402反射的能量可以减小波404传播通过反射器部分402的幅度。

图11a是一种完井装置的示意图，其中管形钻具组500配置有多个孔眼503的波衰减器部分502。选取衰减器部分502的特征以传输波能量进入相邻的岩层504。例如，可以选取孔眼503的大小，形状，色散和其他特征以优化波的衰减。因此，当波506沿钻具组500传播时，波506与波衰减器部分502相互作用，它可以从管形钻具组500中传输一些波能量进入岩层504。因此，当波506传输通过每个孔眼50时，衰减器部分502可以增大衰减量。图11b和11c分别表示在沿衰减器部分502上行的第一位置514和在沿衰减器部分502下行的第二位置516的典型波形510和512。可以看出，被衰减器部分502衰减的能量可以减小波传播通过衰减器部分502的幅度以及增大波的色散。

图12a是一种完井装置的示意图，其中管形钻具组600配置波吸收部分602，吸收部分602使钻孔606暴露在相邻的透水岩层608。吸收部分602可以包含防护网，砾石充填，或其他装置，或可以是无套管钻孔的完井。部分604配置成输送钻孔606中的液体到岩层中，从而允许波能量被相邻的岩层608吸收。图11b，11c，和11d分别表示在沿波吸收部分602上行的第一位置616的典型波形610，在波吸收部分602的上行端附近的第二位置618的典型波形612，和在沿波吸收部分602下行的第三位置620的典型波形614。在第二位置616，套管与吸收部分602之间的过渡产生反射波620，它可以减小波的能量和增大波的色散，与波形610比较，波形612有减小的幅度。此后，被吸收部分602衰减的能量可以减小波传输通过吸收部分602的幅度并使这些波色散，色散是用数字622表示；与波形614比较，波形612有减小的幅度。

现在参照图13，图13表示按照本发明实施例构造的典型衰减器700的示意图，该衰减器可用于完井系统702。衰减器700可以是包含多个缩小直径部分704和706的管形构件，这两个缩小直径部分是沿钻孔的长度并列。例如，衰减器700可以包含一段可扩大的套筒或套管，选取的部分套筒或套管可以在离散的间隔上被扩大。间隔长度的选取是基于优化传输波的相消干涉。可以利用以上讨论的波模型方法以选取各种因子，例如，直径缩小的尺度，间隔的距离和直径缩小的数目。图13b和13c分别表示在沿波衰减器700上行的第一位置712的典型波形710和大致沿波衰减器700的第二位置714的典型波形712。可以看出，沿完井系统702传输的波720可以沿衰减器700经受多次相消干涉的反射，从而减小波向下传输通过衰减器700的能量水平。可以建立其他的衰减器，例如，暴露横跨防护网的部分岩层，有选择地在管道上制成孔眼，以及利用其他的方法和装置。

图14表示一种有两个侧向钻孔803和805的装置，这两个侧向钻孔是主钻孔801的分支钻孔。作为一个例子，在侧向钻孔805中安装流量控制装置807。流量控制装置807的运行可以产生水锤，正如图9a所示流量控制装置304在地面上的运行。这个水锤可以向上传输到主钻孔801以及进入侧向钻孔803。因此，也可以利用以上参照图9-13所讨论的相同装置，且完井钻具组的设计是受以上讨论的相同原理制约。

利用本发明的方法，可以模拟有孔眼隧道的长度，裂纹的宽度和水力性质以及封井过程(对完井和岩层没有过大风险的封井方法)的效应。

以上讨论的用于模拟水锤的原理也可用于确定岩层的性质。这在图15a-15f中给以说明。图15a表示在套管以下有200m较小套管的装套管钻孔中对水锤的模拟响应。分别画出在钻孔的顶部，中部和底部的模拟压力信号。作为比较，图15b表示在装套管钻孔以下和渗透率为0.5mD的岩层中有200m无套管钻孔时的对应波形。在有较小套管的钻孔(图15a)与无套管钻孔(图15b)之间最深的深度上出现一些信号幅度的减小。

图15c表示无套管钻孔部分的渗透率为5mD的对应信号。与图15b比较的信号幅度减小是显著的。在图15d中的信号幅度减小是更加显著，其中无套管钻孔部分的渗透率为500mD。因此，水锤信号的频率范围和幅度可以指出岩层的渗透率和孔隙度。

图15e表示200m无套管钻孔的水锤(渗透率为30D)，它包含渗透率为20mD的10cm损坏区。水锤信号是显著的，它指出可能的岩层损坏。最后，图15f表示200m无套管钻孔的水锤(渗透率为300mD)，其中1cm损坏区的渗透率为20mD。因此，岩层损坏对水锤的影响如同岩层孔隙度和岩层渗透率对水锤的影响。

在本发明的另一个实施例中，可以在一段时间内监测钻孔系统。由于一层或多层的生产是时间的函数，一些岩层的性质可以发生变化。在使用砂石控制装置时，它们的有效性可以随时间而退化。通过在更长的一段时间内测量水锤，监测钻井系统可以识别这种岩层和/或完井装置的变化，并可以采取合适的补救措施。因此，本发明的方法不仅可用于完井系统的初始设计，而且还可用于持续的贮藏开发。

总之，本发明提供利用分析水锤特征技术的方法和设备，用于配置钻孔完井设备以减轻水锤的有害影响。在典型的应用中，已知的因素和性质，例如，岩层参数，液体参数，管道尺度和完井性质用于描述波的传播。这种模型可用于计算已知幅度水锤的效应作为它其源之间距离的函数，以及开发用于减小完井中波幅度的方法，从而减小由于压力脉冲造成岩层损坏(例如，液化作用)的似然性。借助于模型可以分析各种完井类型的例子，包括孔眼，钻孔管道的特征(例如，尺寸，形状，数目，粘结作用等)，在沿井中的重要位置同心或偏心插入到井中的物体，柔性或非柔性防护网的影响，和砾石充填和无套管钻孔完井的影响，在有各种性质(孔隙度，渗透率，和弹体弹性/粘弹性和强度)的岩层中的破碎和裂纹模拟。

利用已知的方法，可以计算在产生水锤的位置处的水锤特征，或仅仅为了便于估算钻井的传播特征，我们可以假设水锤的特征。利用Stoneley波的传播理论，可以确定反射率和衰减率作为频率的函数和作为完井/岩层/钻孔性质的函数。

以下列出的子集合中各种参数的影响是通过计算复的频率有关速度给出模型，由此可以推导出衰减率(例如，单位为dB/m)作为频率的函数。从频率-波数域到时间-距离域的变换可以画出水锤脉冲的幅度和形状作为沿井传播距离的函数。

通过确定相邻结构的阻抗，并计算复反射系数和传输系数作为频率的函数，这两个系数是根据并置得到的，可以根据反射率对比度计算频率有关的反射率。在沿钻孔的不同深度上测量压力信号，可以估算岩层的性质，例如，渗透率，并识别可能的岩层损坏。利用水锤的分析，可以进行裂纹和孔眼的分析。虽然本发明的以上描述是在通过运行流量控制装置而使压力突然变化的语境下，但是，应当注意，水锤的产生也可以是压力下降和压力上升试验的结果，专业人员可以明白这些术语。

专业人员可以知道，测量钻孔中液体饿流量是指出和跟踪液体压力。若流量测量系统不会对水锤的传播产生严重的影响，则以上的描述是特别正确的。这种流量测量系统可以包括机械，电镀，热脉冲和/或放射跟踪仪型仪表。

数据的处理可以由井下的处理器完成。在进行数据控制和处理时，我们是利用在合适的机器可读媒体上执行计算机程序，这种媒体能够使处理器完成控制和处理操作。合适的机器可读媒体可以包括：ROM，EPROM，EAROM，快速擦写存储器和/或光盘。这些媒体都可以存储大量的数据和/或指令，它们适合于在地面位置，除了一些特殊的情况以外，它们也适合于在井下位置。

Claims (6)

1.一种开发地球岩层中的贮藏的方法，该方法包括：

(a)定义地球岩层和其中钻孔的模型，该模型包含多个层，多个层中的至少一个层包含径向分层；

(b)模拟该模型对钻孔中液体锤的输出；和

(c)利用该输出以确定钻孔中完井钻具组的参数。

2.按照权利要求1的方法，其中在(i)地面位置，(ii)井下位置，和(iii)在侧向钻孔的井下位置中的至少一个位置，操作流量控制装置。

3.按照权利要求1的方法，还包括：确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)钻孔直径，(ii)钻孔形状，(iii)套管材料，(iv)管道材料，(v)水泥性质，(vi)钻孔中液体的性质，和(vii)两段套管之间连接的性质。

4.按照权利要求1的方法，还包括：确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)波反射器部分，和(ii)波衰减器部分。

5.按照权利要求1的方法，还包括：确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)防护网，和(ii)砾石充填。

6.按照权利要求1的方法，还包括：确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)直径变化的尺度，(ii)直径变化之间的间隔距离，和(iii)直径变化的数目。

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