CN102748014A - 一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体钻井在钻前对地层出水量大小准确预测的方法，其特征在于包括以下步骤：(a)地层流体的判断；(b)地层孔隙度解释；(c)地层渗透率解释；(d)地层压力的解释；(e)出水量的计算；方法解释地层孔隙压力，最后结合渗流力学的原理，利用产量公式实现对出水的定量预测；该方法通过在钻前准确计算地层出水量的大小，能够为气体钻井合理选区和选层提供依据，避免气体钻井遭遇出水复杂情况，提高气体钻井成功率；该方法已经成功应用在玉门青西地区、长庆苏里格地区、松辽盆地深层、川渝地区等，预测结果和现场实际情况吻合，工程应用前景好。

Description

一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法

技术领域

本发明涉及油气钻井中的气体/欠平衡钻井技术，具体地讲，涉及一种气体钻井在钻前对地层出水的定量预测方法。

背景技术

气体钻井技术是一种由气体设备在地面注入气体到井眼内，作为钻井循环介质的钻井技术，主要应用于地质构造复杂的深井钻井。它于1950年开始在国外试用。但由于当时的技术水平、装备及认识等原因，没有得到规模化应用。直到20世纪80年代因以旋转防喷器、旋转控制头等为代表的欠平衡钻井装备的发展和成熟后，这项技术才得到广泛应用。国外应用发现，气体钻井技术较之常规钻井技术，在相同地层条件下，钻头寿命和机械钻速有大幅提高；在同一地区，原先使用常规钻井液钻井见不到油气的地层，使用气体钻井发现了工业性油流和天然气。目前，这项技术先进的国家气体钻井进尺比例占到钻井总进尺的30％，我国气体钻井进尺不到钻井总进尺的1％。

国内外的钻井经验已经表明，气体钻井非常具有潜力，是一条解决易漏地层钻井问题、保护低压低渗油藏、提高钻井速度的有效钻井方式。但是，地层出水问题是限制气体钻井优势发挥的重要瓶颈问题。

气体钻井中往往遇到地层出水的复杂情况，地层出水后水将岩屑粘结在一起，在钻杆上形成泥包，引起井眼缩小、循环阻力增大，严重时发生卡钻等复杂情况。2003年威德福公司在玉门的青西油田试验气体钻井时，在推覆体内和下部白垩系都遇到了水层，不得不转换介质，没有实现预期的气体钻井目标。2003～2004年长庆油田在苏里格地区尝试天然气钻井，但在延长组和延安组遇到了大量的地层出水而不得不改变钻井方式、调整井身结构。2007年松辽深层气体钻井就因为地层出水问题导致卡钻、划眼复杂事故，降低了气体钻井效率。

遭遇地层出水问题已经成为目前限制气体钻井推广应用的一个关键问题，实现钻前水层定量预测对合理安排气体钻井井段具有非常重要的意义。但目前国内外还没有一套能够实现气体钻井钻前对地层出水进行定量预测的技术方法。

本发明针对这个复杂问题，通过学科交叉的方法，把测井解释、钻井的压力预测、渗流力学的产能计算进行综合交叉，实现了在钻前对地层出水定量预测，从而为气体钻井合理选区和选层提供了可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种气体钻井地层出水量的预测方法，实现气体钻井在钻前对水层定量预测，包括以下几个步骤：

①地层流体的判断；②地层孔隙度解释；③地层渗透率解释；④地层压力的解释；⑤出水量的计算。

第一步：地层流体类型的判断

不同测井信息对储层物性、含流体性质有不同的响应特征，综合分析这些差异，能评价储层的含油性、可动油气、可动水显示，进而评价储层产液性质，进行储层流体性质判别。本研究中采用深、浅双侧向电阻率的差比值的方法，其计算公式：

$K_{\mathrm{Rds}}=(R_d-R_s)/\sqrt{R_d\·R_S}---\left(1\right)$

R_d：深侧向电阻率；R_s：浅侧向电阻率；通常水层K_Rds≤0，而气层K_Rds＞0。

第二步：地层孔隙度解释

①用密度测井计算孔隙度

用密度曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ma}}-{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ma}}-{\mathrm{\ρ}}_f}---\left(2\right)$

式中，φ为储层孔隙度；ρ_ma，ρ_b，ρ_f分别为岩石骨架、纯岩性地层和所含流体的密度值，单位：g/cm³。

②用补偿中子计算孔隙度

用中子曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nma}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nf}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nma}}}---\left(3\right)$

式中，φ_n，φ_nma，φ_nf分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的石灰岩中子孔隙度，单位：％。

③用怀利公式计算孔隙度

用声波时差计算孔隙度的怀利公式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}{{\mathrm{\Δt}}_f-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}---\left(4\right)$

式中，Δt，Δt_ma，Δt_f分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的声波时差值，单位μs/m。

第三步，地层渗透率的解释

目前国外广泛应用的以孔隙度和束缚水饱和度为基础的统计方法来计算地层的渗透率，所建立的经验方程一般具有如下的形式：

$K={[c-\frac{{\mathrm{\φ}}^x}{S_{\mathrm{wi}}}]}^y---\left(5\right)$

公式中的c，x，y为经验系数，与地层的孔隙度、胶结情况及油气性质有关。

束缚水饱和度(S_wi)解释方程：

$\lg S_{\mathrm{wi}}=A0-(A_1\×\lg M_d+A2)\lg \frac{\mathrm{\φ}}{A_3}---\left(6\right)$

式中，A₀、A₁、A₂、A₃是经验系数，一般A₀的变化范围是0.18～0.36，随着胶结程度变弱和孔隙度增大而减小。A₃的变化范围为0.08～0.2左右，随着胶结程度变弱和孔隙度增大以及亲水性增强而增大，A₁＝1.5，A₂＝3.6。

第四步，地层压力的解释

地层孔隙压力预测是实现钻前出水定量预测的一个基本参数。本研究利用声波时差和密度测井资料，建立了地层的正常压实趋势线，利用等效深度方法解释地层的孔隙压力。在正常压实的地层中利用声波时差可导出以下公式：

Δt＝Δt₀e^C·H                                (7)

变换公式(1)可得

logΔt＝AH+B                                  (8)

式中Δt-深度为H处的地层声波时差，μs/ft；

Δt₀-深度为H₀地层的声波时差，μs/ft；

A、B、C为地层压实趋势线的系数，其中A＜0，C＜0。

该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：logΔt与H成线性关系，斜率是A(A＜0)，在半对数曲线上，正常压实地层的Δt对数值随深度呈线性减少。如出现异常高压，Δt散点会明显偏离正常趋势线。根据处理得到的地层声波时差资料，采用等效深度法进行地层压力计算。其地层压力计算公式为：

$P_A=\frac{1}{{10}^3}\×g\×({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bw}}{H}_A-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bw}}-{\mathrm{\ρ}}_w}{C}\ln \frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δt}}_0})---\left(9\right)$

式中：ρ_bw-表示地层岩石的平均密度，g/cm³；Δt-深度H_A处地层的声波时差，μs/m；

Δt₀-深度H₀处地层的声波时差，μs/m P_A-A点的地层压力，MPa；

C-正常压实趋势线的斜率。

第5步，出水定量计算

根据渗流力学的理论，可以采用平面径向流的单井的产量公式计算地层出水量，见公式(10)。

$Q=\frac{2\mathrm{\πKh}(P_e-P_w)}{{\mathrm{\μ}}_w\ln \frac{R_e}{R_w}}---\left(10\right)$

式中，Q——地层出水量，m³/s；h——水层厚度，m；P_e——水层地层压力，P_a；

P_w——井底流动压力，Pa；R_e——出水地层的供给半径，m；R_w——井眼半径，m；

K——渗透率，D；μ_w——地层水的粘度，Pa·S。

这些参数包括地层压力、地层水粘度、水层的供给半径、井眼尺寸、水层的厚度、水层的渗透率等。可以采用上面提供的公式和方法来计算得到。

与现有技术相比，本发明提供的一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法具有以下优点：

1、将测井综合解释方法，地层压力预测和渗流力学原理交叉，实现了对钻前出水量的定量预测；

2、预测结果与玉门青西地区，长庆苏里格地区气体钻井的试验情况对比表明，预测结果和实钻吻合，具有较高的现场应用价值及工程应用价值；

3、解决了长期以来气体钻井技术对钻前难以识别水层的问题；

4、该定量预测结合了双侧向电阻率，声波，中子，密度测井及渗流力学理论，使得方法的科学性较强；

5、实现了气体钻井钻前水层识别的重大突破；

6、该方法通过在钻前准确计算地层出水量的大小，能够为气体钻井合理选区和选层提供依据，避免气体钻井遭遇出水复杂情况，提高气体钻井成功率。

附图说明

图1是：本发明提供的一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法的整体原理示意图；

图2是：本发明提供的一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法的青西地区气体钻井地层出水预测结果示意图；

图3是：本发明提供的一种适用于气体钻井钻前地层出水定量预测方法的苏里格地区气体钻井地层出水预测结果示意图；

具体实施方式

以下通过实施例对本发明提供的一种柔性直流输电系统换流阀保护配置方法做进一步更详细的说明。

实施例1

本发明提出的适用于气体钻井出水定量预测的方法，其具体实施原理见图1，实施例子见图2和图3，结合起来说明如下：

根据深浅双侧向电阻率测井来判断流体类型，使用的方法是深浅双侧向电阻率差比值法。如果KRds小于等于零，则判断为水层，详见发明内容中的第一步：

地层流体类型的判断

不同测井信息对储层物性、含流体性质有不同的响应特征，综合分析这些差异，能评价储层的含油性、可动油气、可动水显示，进而评价储层产液性质，进行储层流体性质判别。本研究中采用深、浅双侧向电阻率的差比值的方法，其计算公式：

$K_{\mathrm{Rds}}=(R_d-R_s)/\sqrt{R_d\·R_S}---\left(1\right)$

R_d：深侧向电阻率；R_s：浅侧向电阻率；通常水层K_Rds≤0，而气层K_Rds＞0。

根据声波时差、密度、中子测井资料，计算地层孔隙度，详见发明内容中的第二步：

地层孔隙度解释

①用密度测井计算孔隙度

用密度曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ma}}-{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ma}}-{\mathrm{\ρ}}_f}---\left(2\right)$

式中，φ为储层孔隙度；ρ_ma，ρ_b，ρ_f分别为岩石骨架、纯岩性地层和所含流体的密度值，单位：g/cm³。

②用补偿中子计算孔隙度

用中子曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nma}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nf}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nma}}}---\left(3\right)$

式中，φ_n，φ_nma，φ_nf分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的石灰岩中子孔隙度，单位：％。

③用怀利公式计算孔隙度

用声波时差计算孔隙度的怀利公式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}{{\mathrm{\Δt}}_f-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}---\left(4\right)$

式中，Δt，Δt_ma，Δt_f分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的声波时差值，单位μs/m。

结合室内岩心孔隙度测定结果，校正计算的结果，得到全井段的地层孔隙度大小；

根据孔隙度解释结果，解释束缚水的饱和度，进而解释地层的渗透率大小，详见发明内容中的第三步：

地层渗透率的解释

目前国外广泛应用的以孔隙度和束缚水饱和度为基础的统计方法来计算地层的渗透率，所建立的经验方程一般具有如下的形式：

$K={[c-\frac{{\mathrm{\φ}}^x}{S_{\mathrm{wi}}}]}^y---\left(5\right)$

公式中的c，x，y为经验系数，与地层的孔隙度、胶结情况及油气性质有关。

束缚水饱和度(S_wi)解释方程：

$\lg S_{\mathrm{wi}}=A0-(A_1\×\lg M_d+A2)\lg \frac{\mathrm{\φ}}{A_3}---\left(6\right)$

式中，A₀、A₁、A₂、A₃是经验系数，一般A₀的变化范围是0.18～0.36，随着胶结程度变弱和孔隙度增大而减小。A₃的变化范围为0.08～0.2左右，随着胶结程度变弱和孔隙度增大以及亲水性增强而增大，A₁＝1.5，A₂＝3.6。

根据声波时差、密度测井，建立地层压实趋势线，解释地层孔隙压力，详见发明内容中的

第四步：地层压力的解释

地层孔隙压力预测是实现钻前出水定量预测的一个基本参数。本研究利用声波时差和密度测井资料，建立了地层的正常压实趋势线，利用等效深度方法解释地层的孔隙压力。在正常压实的地层中利用声波时差可导出以下公式：

Δt＝Δt₀e^C·H                        (7)

变换公式(1)可得

logΔt＝AH+B                          (8)

式中Δt-深度为H处的地层声波时差，μs/ft；

Δt₀-深度为H₀地层的声波时差，μs/ft；

A、B、C为地层压实趋势线的系数，其中A＜0，C＜0。

该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：logΔt与H成线性关系，斜率是A(A＜0)，在半对数曲线上，正常压实地层的Δt对数值随深度呈线性减少。如出现异常高压，Δt散点会明显偏离正常趋势线。根据处理得到的地层声波时差资料，采用等效深度法进行地层压力计算。其地层压力计算公式为：

$P_A=\frac{1}{{10}^3}\×g\×({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bw}}{H}_A-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bw}}-{\mathrm{\ρ}}_w}{C}\ln \frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δt}}_0})---\left(9\right)$

式中：ρ_bw-表示地层岩石的平均密度，g/cm³；Δ_t-深度H_A处地层的声波时差，μs/m；

Δt₀-深度H₀处地层的声波时差，μs/m P_A-A点的地层压力，MPa；

C-正常压实趋势线的斜率。

根据渗流力学的产量计算公式，计算地层出水量的大小，详见发明内容中的第五步：

出水定量计算

根据渗流力学的理论，可以采用平面径向流的单井的产量公式计算地层出水量，见公式(10)。

$Q=\frac{2\mathrm{\πKh}(P_e-P_w)}{{\mathrm{\μ}}_w\ln \frac{R_e}{R_w}}---\left(10\right)$

式中，Q——地层出水量，m³/s；h——水层厚度，m；P_e——水层地层压力，P_a；

P_w——井底流动压力，Pa；R_e——出水地层的供给半径，m；R_w——井眼半径，m；

K——渗透率，D；μ_w——地层水的粘度，Pa·S。

这些参数包括地层压力、地层水粘度、水层的供给半径、井眼尺寸、水层的厚度、水层的渗透率等。可以采用上面提供的公式和方法来计算得到。

在玉门青西地区实现了地层出水定量预测，其实施结果见图2，在长庆苏里格地区实现和验证了地层出水情况，其实施结果见图3。

两个预测实施的例子与气体钻井实际情况做印证对比，预测结果和实钻情况吻合，对气体钻井合理选区选层具有指导意义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)地层流体的判断；(b)地层孔隙度解释；(c)地层渗透率解释；(d)地层压力的解释；(e)出水量的计算；所述地层流体的判断采用深、浅双侧向电阻率的差比值的方法，其计算公式：

R_d：深侧向电阻率；R_s：浅侧向电阻率；通常水层K_Rds≤0，而气层K_Rds＞0。

2.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述地层孔隙度解释用密度测井计算孔隙度采用密度曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

式中，φ为储层孔隙度；ρ_ma，ρ_b，ρ_f分别为岩石骨架、纯岩性地层和所含流体的密度值，单位：g/cm³。

3.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述地层孔隙度解释用补偿中子计算孔隙度采用中子曲线计算单矿物岩石水层孔隙度的关系式为：

式中，φ_n，φ_nma，φ_nf分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的石灰岩中子孔隙度，单位：％。

4.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述地层孔隙度解释用怀利公式计算孔隙度采用声波时差计算孔隙度的怀利公式为：

式中，Δt，Δt_ma，Δt_f分别为纯岩性地层、岩石骨架和所含流体的声波时差值，单位μs/m。

5.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述地层渗透率解释以孔隙度和束缚水饱和度为基础的统计方法来计算地层的渗透率，所建立的经验方程有如下的形式：

公式中的c，x，y为经验系数，与地层的孔隙度、胶结情况及油气性质有关；

束缚水饱和度(S_wi)解释方程：

式中，A₀、A₁、A₂、A₃是经验系数，A₀的变化范围是0.18～0.36，A₃的变化范围为0.08～0.2，A₁＝1.5，A₂＝3.6。

6.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述地层压力的解释利用等效深度方法解释地层的孔隙压力，在正常压实的地层中利用声波时差可导出以下公式：

Δt＝Δt₀e^C·H                      (7)

变换公式(1)可得

logΔt＝AH+B                        (8)

式中Δt-深度为H处的地层声波时差，μs/ft；

Δt₀-深度为H₀地层的声波时差，μs/ft；

A、B、C为地层压实趋势线的系数，其中A＜0，C＜0；

根据处理得到的地层声波时差资料，采用等效深度法进行地层压力计算，其地层压力计算公式为：

式中：ρ_bw-表示地层岩石的平均密度，g/cm³；Δt-深度H_A处地层的声波时差，μs/m；

Δt₀-深度H₀处地层的声波时差，μs/m P_A-A点的地层压力，MPa；

C-正常压实趋势线的斜率。

7.根据权利要求1所述的气体钻井地层出水量的预测方法，其特征在于所述出水量的计算根据渗流力学的理论，采用平面径向流的单井的产量公式计算地层出水量，公式：

式中，Q-地层出水量，m³/s；h-水层厚度，m；P_e-水层地层压力，P_a；

P_w-井底流动压力，Pa；R_e-出水地层的供给半径，m；R_w-井眼半径，m；

K-渗透率，D；μ_w-地层水的粘度，Pa·S。

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