CN102686822A - 确定地层材料性质 - Google Patents

Abstract

在喷射钻井操作期间确定地层材料性质的方法，其中具有侵蚀力的流体射流被喷入与地层材料冲击，所述方法包括假定由于具有侵蚀力的流体射流在所述地层材料上的冲击所造成的侵蚀力与地层材料去除率之间的关系，所述关系包括与地层材料的至少一个性质相关的参数；对至少两个侵蚀力的设定值确定地层材料去除率；和根据侵蚀力从所述关系和已经确定的去除率确定地层材料的至少一个性质。

Description

确定地层材料性质

本发明涉及在喷射钻井操作、特别是进入地下地层中的喷射钻井操作期间确定地层材料性质。

根据已知的方法，地层材料性质可以通过分析由传统的机械钻井作用得到的切屑得出。更进一步，已知可以应用井下评估测量比如γ－射线和中子密度记录。性质比如渗透性和孔隙率可以通过这些测量得出。地质学家对差不多这些性质有普遍兴趣，对机械钻井过程本身，它们通常不会被考虑成如此重要的参数。

替代传统机械切割钻头的是，可以采用引导具有侵蚀力的流体射流与井眼墙壁冲击的流体射流钻头。优选地，采用包括一定数量的磨蚀颗粒的流体混合物。这样的喷射钻井尤其特别适合用于打小直径的井眼。与机械切割钻井方法相比，在钻头上没有重量或具有最小的重量是钻井所需的。

在一个目标中打孔的喷射钻井系统和方法例如在WO-A-2005/005767中有描述。已知的系统包括挖掘工具，在这里也称为被安装在从地面插进地下地层中的洞的钻柱下部上的磨蚀喷射钻头。钻柱提供有运输包含磨蚀颗粒的钻井流体混合物到达钻头的纵向通道。钻头包括喷射装置，该喷射装置配置用于在喷射方向中产生磨蚀射流，与冲击区中的地层冲击。磨蚀射流包含磁性的磨蚀颗粒（钢丸）。提供再循环系统，其通过磁体，在侵蚀冲击后，从到达地面的返回物流中捕集磨蚀颗粒，并在混合位置使磨蚀颗粒与通过钻柱收到的混合物重新混合。磁体被配置成可旋转的运输装置，吸引待循环的颗粒并向着混合位置运输颗粒与来自地面的新鲜流体。在已知系统中，方向性钻井可以通过以用于运输装置的可控驱动设备形式的调整设备达到，配置运输装置以调整再循环速率，并且以这种方式调整在喷射设备处在磨蚀射流中的颗粒数量。当磨蚀射流在洞中沿着轨道移动，尤其是旋转移动，在每个冲击区域沿着轨道的侵蚀量可以选择性变化，并且可达到方向性控制。在这方面也有其它已知的磨蚀喷射钻井系统和方法的参考文献描述，例如WO 00/66872,WO 2002/034653,WO2005/005766,WO 2008/119821,WO 2008/113843,WO 2008/113844。

喷射钻井，有或者无磨蚀颗粒，在许多方面与机械钻井不同。主要的不同在于喷射钻井产生的岩石切屑通常要比机械钻井比如使用牙轮或带有切割器的PDC钻头产生的切屑小很多。切屑主要很精细，几乎无法用肉眼区分，并且较大的碎片很少。

WO2009/099945描述了一种颗粒冲击钻井系统和方法。它描述可以依据物理因子，例如一个或多个被挖掘的地层的岩石性质来选择冲击体。它也描述可以通过确定挖掘参数和通过相应地调整一个或多个可控变量优化渗透速率。挖掘参数是与使用的挖掘方法相关的参数。

US 2006/0016622描述了使用有固体材料冲击体的高速流体来挖掘地层的方法和系统，其中挖掘参数也被监控，并且相应地改变至少一个挖掘参数。

本领域需要确定地层材料性质的新方法，尤其是在喷射钻井，例如磨蚀喷射钻井的钻孔期间。

本发明提供一种在喷射钻井操作期间确定地层材料性质的方法，其中具有侵蚀力的流体射流被喷入与地层材料冲击，所述方法包括以下步骤：

－假定由于具有侵蚀力的流体射流在所述地层材料上的冲击所造成的侵蚀力与地层材料去除率之间的关系，所述关系包括与地层材料的至少一个性质相关的参数；

－对至少两个侵蚀力的设定值确定地层材料去除率；和

－根据侵蚀力从所述关系和已经确定的去除率确定地层材料的至少一个性质。

申请人已经认识到，与机械钻井对比，在喷射钻井中，地层材料性质比如渗透性和孔隙率确实有重要作用，并且这个可以有利地进行使用。在现有技术中，例如在WO 2009/099945,US 2006/0016622或者GB 2 221762中，还没有意识到与使用的挖掘方法无关的材料性质可以以这种方式确定。

用高压流体射流的喷射钻井例如对岩石的渗透性和孔隙率非常敏感。高压流体射流通过在岩石材料上的冲击侵蚀岩石材料。在某个钻头或喷嘴的压降阈值以上，岩石中的孔被流体射流的高速充气。多孔的和可渗透的地层材料例如砂岩或者石灰岩比非多孔的或非可渗透的材料例如页岩更容易被喷射走。这点允许得到地层材料参数的直接指示，无需钻井切屑分析或单独的井下测量工具。

在一些优选的实施方案中，流体射流是包含磨蚀颗粒的磨蚀流体射流。在此情况中，因为磨蚀颗粒与地层材料的相互作用不同，比无磨蚀物的高压流体射流能得到甚至更多的地层材料参数。由于其中的动力学冲击，磨蚀颗粒会在岩石上施加破坏性作用。因为这种作用的体积去除率随着磨蚀颗粒的动能和磨蚀颗粒浓度乘以流速（喷嘴压降）而增加。这种作用没有阈值，并且机械地软岩比硬岩容易被喷射走。同时，根据岩石的渗透性和孔隙率存在侵蚀的高速射流的冲击。通过改变射流的侵蚀力，可以例如被检测到是否是软的不能渗透的地层，多孔的中等强度岩，或者是硬的而且紧的岩被钻探。

当使用磨蚀射流时，适合地，在流体射流中磨蚀颗粒的浓度在至少两个侵蚀力的设定值之间是不同的。类似颗粒比如钢丸在如液体水中的浓度可以方便地依据液体混合物的体积％定义，但是在任意情况并且独立于磨蚀物精确组成而依据流体混合物的重量％定义。最终冲击在地层材料的某个区域的颗粒的重量与动能相关。因次，两个，或者任选更多个，磨蚀颗粒的重量浓度的设定值考虑从磨蚀颗粒的动能到地层材料的去除率之间的依赖性。

作为替代或补充，流体压力，在射流喷嘴上的压降或喷射的流体速度中的至少一个在至少两个侵蚀力的设定值之间是不同的。这些参数涉及到流体速度，它单独对射流的液体成分的侵蚀力有影响，当存在时也对磨蚀颗粒动能有影响。

在一个实施例中，可以得到地层材料的硬度分级。这样的分级可以是相对的，定性的或半定量的参数，例如相对软和相对硬，或对在向地面下钻孔期间遇到的地层材料的大多数分级。

作为替代或补充，所述方法可以包括确定孔隙率，渗透性，和/或拉伸强度中的一个或多个。拉伸强度是硬度的度量。

在特别的实施方案中至少一个性质可包括岩石类型。这可以比如当发现其它参数的特性组合时的情况，这可以在数据库中找到；或可以在已知的岩石类型中与校准或对比钻井操作相比较；或当辅助信息可例如从钻井切屑分析获得时。

假定的关系可以是定性的，半定量的或者定量的。在特别的实施例中它包括水力液体的侵蚀力和磨蚀颗粒的侵蚀力，并且能选择至少两个侵蚀力的设定值，以便于改变仅水力液体的侵蚀力和/或仅磨蚀颗粒的侵蚀力的效果能被单独确定，即在测量分析中来自两个效果的影响可以被分开。

在某些实施方案中，即使存在磨蚀物，对水力液体喷射，确定阈值压力和在阈值压力之上当每增加水力压力时去除率的增加中的至少一个，即流体或液体组分独自的效果。

在某些实施方案中，对磨蚀物喷射确定每增加磨蚀颗粒的动能时去除率的增加。

去除率可以尤其是体积去除率，可以通过渗透速率（深度/单位时间）乘以被钻的井眼的横截面积计算得到（速度乘以横截面积得到体积/时间）。质量去除率不那么实际，因为它也包括了岩石的密度，这是能够使分析复杂的另一个参数。

根据本发明的一个方面，地层材料的至少一个性质是独立于用于接近（accessing）地层材料的钻井或挖掘方法的材料性质。

根据本发明的另外一个方面，地层材料的至少一个性质是独立于地层中地层材料位置的地层材料的材料性质特征。材料性质因此不是地层性质，即不是在通常延伸的地下地层中以物理参数为特征的性质比如地层压力。优选地，材料性质是材料特征，不管它是在地层中或者它已经从地层中被移动到地面和环境条件。材料性质的特征是例如少于1000kg，或少于100kg，或少于10kg的材料样品。

本发明将会进一步在附图中关于图形讨论和说明，其中：

图1显示了对几种不同类型的岩石材料清洁水渗透速率与钻头压降的依赖性；

图2显示了在恒定的流速下，有和无磨蚀物，砂岩的典型的喷射钻井性能；

图3显示了在恒定的喷嘴横截面积，有和无磨蚀物，砂岩的典型的喷射钻井性能；

图4显示了在恒定的喷嘴横截面积，不同的磨蚀物浓度下，砂岩的喷射钻井性能；

图5显示了几种不同类型的石头在有和无磨蚀物下的喷射钻井性能。

本发明是基于岩石材料会与高压钻井流体射流和磨蚀颗粒的组合效果以非常特别的取决于例如渗透性，孔隙率，拉伸强度等的特征参数的方式反应的观点。通过比较去除率，尤其是取决于至少两个侵蚀力的设定值的地层材料体积去除率，有可能推导出将被射流侵蚀的材料的一个或多个性质。例如：磨蚀射流的体积去除率取决于颗粒浓度。似乎体积去除率与所述的颗粒浓度成比例，至少达到某个浓度，例如发现在水中的钢丸低于4wt％。此外，去除率似乎与施加的水力功率成比例。

正如上面提到的，地层材料的孔隙率和渗透性可以通过以上述的预定的关系为基础确定。拉伸强度也可以确定，一旦知道，所有这些性质在将被钻的地层材料确定中起到作用。

在磨蚀颗粒不存在时，去除率与高流速射流的喷嘴压降之间预定的关系可以图的形式给出，图的水平横坐标代表压降和竖直纵坐标代表体积去除率，所述图进一步包括对于特别的地层材料，例如砂岩，石灰岩，大理石和页岩，表示这些坐标之间关系的线。这样的图可以在逻辑评价装置中以数字形式展示。

图1展示了不同的岩石类型的体积去除率VRR(以任意单位给出）和喷嘴压降Δp（bar）的依赖性；a）Glidenhaus砂岩（孔隙率por＝25％，渗透性perm＝3000mD）；b）Euvile石灰岩（por＝15％，perm＝30mD）；c）Obernkirchen砂岩（por＝19％，perm＝5mD），d）Carrara大理石（por＝1％，perm<0.1mD），e）Martelange片岩（perm<0.1mD），e）Belgian石灰岩（por＝1.5％，perm<0.1mD），f）Solnhofen石灰岩（por＝4％，perm<0.1mD）。

正如在图1中显示的，独立于磨蚀物的存在或其浓度，如果岩石是多孔的和可渗透的，高压水射流可以给孔充气。在通过这个过程岩石破坏发生之前，取决于岩石类型，驱动射流的喷嘴压降应该超过某个阈值压力。在这个阈值压力以外岩石破坏与喷嘴压降减去压力阈值P_t成比例。作为流速（和在钻井流体中无磨蚀颗粒）的函数的体积去除率（或渗透速率）的度量，给出两个参数：P_t和体积去除率（在P_t上每bar）。这个也可以从图中的直线显示。无磨蚀颗粒的水射流的体积去除率与由钻头压降确定的水力功率成比例。通过加倍阈值之上的钻头压降可以加倍某个阈值之上的射流水力功率，也可以导致去除率的加倍。体积去除率定义为渗透深度乘以每单位时间的井眼的横截面积。

从图1中进一步清楚，对于每一个类型的岩石存在某个较低的阈值，在此阈值之下，水射流在地层材料上不会有显著的效果。

图2显示在一个典型的多孔砂岩中，和在恒定的通过钻头喷嘴的水流中，体积去除率VRR（以任意单位）作为钻头压降（bar）的函数，对于：a）无磨蚀物的高压流体射流；b）磨蚀物单独的效果；和c）高压流体喷射与磨蚀物的组合效果。也指出了阈值压力P_t。

图3显示对典型的多孔砂岩和在恒定的喷嘴流面积（恒定的喷嘴直径）下，体积去除率VRR（以任意单位）作为水的钻头流速BFR（任意单位）的函数，对于：a）无磨蚀物的高压流体射流；b）磨蚀物单独的效果；和c）高压流体喷射与磨蚀物的组合效果。也指出与阈值压力P_t对应的钻头流速。在一个典型的喷射钻井操作中，因为喷嘴是向下打眼，其不能被改变，并且喷嘴压降的变化与通过钻头中喷嘴的钻井流体流速一起变化。

图4显示了来自图3的曲线c）上不同的磨蚀颗粒浓度的影响。曲线a）不包含颗粒（对应于图3中的曲线a），并且显示阈值压力。曲线b），c），d），e）分别包含在水中1，2，3，4vol％的磨蚀颗粒（钢丸）含量。磨蚀颗粒的含量越高，去除率越高。

图5显示了对于不同类型的岩石（A=软的多孔砂岩，B=软页岩，C=硬且紧的岩石），由无磨蚀物的水（曲线A1，B1，C2）和2vol%钢丸的水（曲线A2，B2，C2）的体积去除率对比，同样也是以任意单位和恒定喷嘴流面积（恒定喷嘴直径）下的钻头流速BFR的函数。观察到无磨蚀物的高压液体射流很难对无孔的软页岩有任何影响。颗粒的磨蚀影响在软页岩上很大。磨蚀颗粒在硬且紧的岩石上的影响相对较小：由于岩石中裂缝的存在，液体射流影响有限。软的多孔砂岩容易被磨蚀颗粒侵蚀，并且对液体射流也有某种影响。

根据这种行为，一些类型的石头可以被区别和/或通过研究体积去除率得出参数，或者与之相关的参数例如渗透速率作为侵蚀力的函数（例如，钻头流率，钻头压降）。

可以从图表中看出，与钻井通过岩石的传统方法相比，例如三牙轮钻头或者PDC钻头，高压水喷射的岩石去除率强烈取决于参数例如目标岩石类型的渗透性和孔隙率。在具有很低的渗透性和孔隙率的岩石的情况下，例如页岩，无固体的高压射流没有渗透或很难渗透岩石。在可渗透的和多孔的砂岩和石灰岩的情况中，由高于某个阈值的喷嘴压降产生的射流可以很容易渗透。为了比较，页岩通常被认为是软岩，利用机械钻井相对容易钻，并且同样地也存在软砂岩。

对于含有磨蚀颗粒的射流，依赖性是不同的。由磨蚀颗粒冲击造成的岩石脱除，没有阈值并且软岩比硬岩更容易被喷射走。同时，也存在高速射流的冲击可以通过渗透由颗粒冲击产生的微裂缝脱除岩石，但是也有已经存在的岩石的渗透性和孔隙率的因素。通过改变侵蚀力比如改变一个或多个钻头压降，在恒定喷嘴面积的钻头流率，磨蚀喷射钻头的磨蚀颗粒含量可以在例如在软的不可渗透的地层材料，多孔的中强度岩或者硬的且紧的岩之间进行区分。

在附图中的单个曲线或者多个曲线，或者描述曲线的同等的数学表达可以被看做是在侵蚀力（曲线的横坐标）和地层材料的去除率之间（曲线的纵坐标）的关系。通过对至少两个设定值确定去除率，可以得出关于影响曲线的地层材料的一个或多个参数的定性的、半定量的或者定量的信息。

任选与由（磨蚀的）喷射钻头产生的典型性精细切屑结合，可以对岩石类型及其孔隙率，渗透性和拉伸强度进行估计。岩石地层材料将具有渗透速率作为磨蚀颗粒浓度和/或钻头压降的函数的‘指纹谱图’。

关于磨蚀颗粒浓度的依赖性，只要钻头压降低于纯液体（例如清洁水）阈值压力，磨蚀的喷射钻头的体积去除率与在钻头处的水力功率和磨蚀物浓度是成比例的。硬岩比软岩难钻，但是加倍射流中的水力功率或者颗粒浓度会导致体积去除率加倍。只有在某些磨蚀颗粒浓度，通常为4vol%（钢丸在水中），之外，颗粒通过颗粒间碰撞开始失去它们的某些冲击能量，并且体积去除率并不再与磨蚀颗粒浓度成比例。

磨蚀颗粒通过其高速冲击破坏岩石。通过这种侵蚀喷射钻井（AJD）过程的体积脱除与磨蚀颗粒的动能成比例，即与（磨蚀物浓度）*（流速）*（喷嘴压降）成比例，并且没有阈值。在射流中颗粒的动能的量可以通过改变驱动喷射流（在恒定的颗粒浓度）的水力功率或者通过改变颗粒的量，即喷射流中磨蚀颗粒浓度来改变。这产生另一个参数：体积去除率/Watt磨蚀颗粒的动能。

至于钻头压降的依赖性，对于给定的恒定磨蚀质量流，岩石去除率是在钻头处的岩石和磨蚀物浓度依赖因子乘以水力功率W=（喷嘴压降）×（流速）。如果岩石是多孔的和可渗透的，高压磨蚀射流可以对孔充气。驱动射流的喷嘴压降应该超过通过这种过程可发生的岩石破坏之前的某个阈值压力。超过这个压力，岩石破坏与喷嘴压降减去压力阈值成比例。作为流速（和在钻井流体中无磨蚀颗粒）函数的体积去除率（或渗透速率）的测量给出两个参数：阈值压力P_t，和在P_t上的每压力差的体积去除率VRR。

上述提到的两个过程能产生取决于三个未知性质的在侵蚀力和去除率之间关系的三个参数：地层材料（地层岩石）的孔隙率，渗透性和拉伸强度。这在附图中有说明。页岩有可以忽略的渗透性和孔隙率：无颗粒的体积去除率是最小的。但是页岩也相对软：磨蚀喷射钻井AJD的体积去除率是通常相对高的。多孔的砂岩或者多孔的石灰岩能被高压喷射HPJ（无磨蚀物）喷射，给出某个P_t压力和HPJ体积去除率。砂岩通常不是很强硬，因此通过AJD的体积去除率可以相对高。通过校正曲线，三个测量的参数可以与未知的岩石的孔隙率、渗透性和拉伸强度匹配。岩石切屑的化学组成可以任选仍然由地面的分析得到，即使切屑相对较小。

紧且硬的岩石（例如石灰岩、花岗岩和玄武岩）可以具有低的孔隙率和渗透性，并且将具有相对高的阈值压力。与传统的、大的机械钻井过程相似，AJD岩石的体积去除率将比较弱的页岩或砂岩慢。

通常能如本领域已知进行喷射钻井操作。合适的磨蚀喷射钻头，方法和系统在例如WO 00/66872，WO 2002/034653，WO 2005/005766，WO 2005/005767，WO 2008/119821，WO 2008/113843，WO2008/113844中公开的，在这里通过引用并入。可以使用例如在WO2002/034653，WO 2005/005766，WO 2008/119821，WO 2008/113844中描述的再循环系统，但这不是必须的。

Claims (14)

1.一种在喷射钻井操作期间确定地层材料性质的方法，其中具有侵蚀力的流体射流被喷入与地层材料冲击，所述方法包括以下步骤：

－假定由于具有侵蚀力的流体射流在所述地层材料上的冲击所造成的侵蚀力与地层材料去除率之间的关系，所述关系包括与地层材料的至少一个性质相关的参数；

－对至少两个侵蚀力的设定值确定地层材料去除率；和

－根据侵蚀力从所述关系和已经确定的去除率确定地层材料的至少一个性质。

2.根据权利要求1的方法，其中流体射流是包括磨蚀颗粒的磨蚀流体射流。

3.根据权利要求2的方法，其中在流体射流中磨蚀颗粒的浓度在至少两个侵蚀力的设定值之间是不同的。

4.根据权利要求1－3中任意一项的方法，其中流体压力，射流喷嘴上的压降或喷射流体的速度中的至少一个在至少两个侵蚀力的设定值之间是不同的。

5.根据权利要求1－4中任意一项的方法，其中至少一个性质包括地层材料硬度的分级。

6.根据权利要求1－5中任意一项的方法，其中至少一个性质包括岩石类型。

7.根据权利要求1－6中任意一项的方法，其中至少一个性质包括孔隙率。

8.根据权利要求1－7中任意一项的方法，其中至少一个性质包括渗透性。

9.根据权利要求1－8中任意一项的方法，其中至少一个性质包括拉伸强度。

10.根据权利要求1－9中任意一项的方法，其中所述关系包括水力液体的侵蚀力和磨蚀颗粒的侵蚀力，并且其中选择至少两个侵蚀力的设定值以便于改变仅水力液体的侵蚀力和/或仅磨蚀颗粒的侵蚀力的效果能被单独确定。

11.根据权利要求1－9中任意一项的方法，其中为水力液体射流确定至少一个阈值压力和阈值压力之上的水力压力单位增加时去除率的增加。

12.根据权利要求1－10中任意一项的方法，其中为磨蚀射流确定磨蚀颗粒动能单位增加时去除率的增加。

13.根据权利要求1－12中任意一项的方法，其中地层材料的至少一个性质是独立于用于接近地层材料的钻井或挖掘方法的性质。

14.根据权利要求1－13中任意一项的方法，其中地层材料的至少一个性质是独立于地层中地层材料位置的地层材料的材料性质特征。

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