CN104136713A - 从自动探测的钻孔崩落生成报警和建议的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的方法，包括：利用处理器从位于钻探钻孔的钻管处的井下工具接收钻孔图像；如果崩落在图像中，就利用由处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和与第一崩落隔开大约180°的第二崩落；以及，如果探测到第一和第二崩落，就利用处理器生成警报或建议。

Description

从自动探测的钻孔崩落生成报警和建议的系统及方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年1月25日提交的美国申请No.13/357816的利益，申请No.13/357816是于2011年7月26日提交的美国非临时性申请序列No.13/191,016的部分继续，申请No.13/191,016又要求于2010年10月20日提交的美国临时性申请序列No.61/394,845的优先权。这些专利申请都在此引入其全部并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及钻探钻孔，并且尤其涉及识别其中的崩落。

背景技术

为了诸如烃生产、地热生产和二氧化碳封存的许多应用，钻孔要钻到地球中。钻孔是利用位于钻柱末端的钻头或切割工具来钻的。钻机转动钻柱和钻头，以切入地层岩石并因此钻出钻孔。

理想地，钻出的钻孔是有些平滑的，没有会造成钻孔不稳定并妨碍进一步钻探的中断。缺乏钻孔稳定性会导致测井记录质量的下降并且因此导致难以解释它们。此外，缺乏钻孔稳定性会造成诸如卡管、高扭矩和倒划眼(back-reaming)的机械问题，这些问题在设置套管和除去钻屑的时候引起进一步的问题。不幸的是，钻探过程会在钻孔周围的地层中重新分布应力，导致钻孔不稳定，这会导致钻孔壁的部分从地层脱落并造成钻孔壁中的凹进。这种情况被称为“崩落(breakout)”。如果钻探操作人员或者现场工程师可以得到在钻探过程中发生了崩落的警报，以防止进一步的钻探和完成问题，那么这将在钻探领域中深受好评。

发明内容

所公开的是一种用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的方法，包括：利用处理器从位于钻探钻孔的钻管的井下工具接收钻孔图像；如果崩落在图像中，就利用由处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和从第一崩落移开大约180°的第二崩落；并且，如果探测到第一和第二崩落，就利用处理器生成警报或建议。

还公开了用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的装置。该装置包括：处理器，配置为：(i)从位于钻探钻孔的钻管的井下工具接收钻孔图像；(ii)如果崩落在图像中，就利用由该处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和从第一崩落移开大约180°的第二崩落；及(iii)如果探测到第一和第二崩落，就利用该处理器生成警报或建议。

还公开了包括计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质，其中指令用于通过实现一种方法来为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议，该方法包括：从位于钻探钻孔的钻管的井下工具接收钻孔图像；如果崩落在图像中，就探测第一崩落和从第一崩落移开大约180°的第二崩落；并且，如果探测到第一和第二崩落，则生成警报或建议。

附图说明

以下描述不应当以任何方式认为是限制。参考附图，相同的元件被相同地编号：

图1示出了位于穿入地球的钻孔中的钻孔成像工具的示意性实施例；

图2绘出了具有崩落的钻孔的图像的各方面；

图3绘出了处理和分析图像数据以便探测崩落的各方面；

图4绘出了把图像区段分成角度片段的各方面；

图5绘出了关于崩落旋转角度片段的各方面；

图6A和6B，统称为图6，绘出了旋转具有不等角度的角度片段的各方面；

图7绘出了从图像上所显示的崩落创建崩落间隔的各方面；

图8绘出了被处理和分析后的图像数据的各方面，示出了崩落的探测；

图9绘出了用于约束钻井流体压力的压力窗口的各方面；

图10绘出了基于探测到的钻孔崩落自动生成警报和建议的各方面；

图11绘出了由显示器显示的警报和关联的建议的一种示例性实施例的各方面；及

图12是说明用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，这里给出的所公开装置及方法的一种或多种实施例的具体描述是作为示例而不是限制。

钻探钻孔造成现场地球应力在钻孔周围重新分布。如果钻井流体的环空压力(annular pressure)逆着钻孔壁所施加的负荷变得过低和/或温度在钻孔周围的地层中充分升高，则重新分布的剪切应力超过岩石强度，由此，钻孔壁的部分从地层中脱落，在钻孔壁中形成凹进。这些凹进被称为崩落。

在许多情况下，崩落在钻孔图像上隔开大约180°地成对出现。如果钻孔周围的现场应力是各向异性的，使得主应力具有不等的幅值，则崩落在最小主应力的方向中发展。每个崩落的宽度通常作为岩石强度和重新分布的应力的幅值的函数而变化。

在钻孔壁的图像上对崩落的探测提供了一种约束现场地球应力幅值和取向以及岩石强度的方式，这对于预测井筒稳定性是必要的前提条件。这种功能对于长的水平井(其中垂直应力大大超过了水平应力)和对于钻探通过松散的沉积物尤其恰当。一旦识别出崩落，就可以执行补救措施，以规避钻探危险。此外，通过更新钻探操作人员和工程师所使用的压力窗口，现场地球应力的后续校准提高了持续钻探的安全性。

这里所公开的是用于通过分析穿入通常由岩石组成的地质地层的钻孔壁的图像来探测崩落的技术。图像总体上说是地层属性测量的数据集。可以绘制测量值的变化，以创建地层的图像。除了探测崩落，所述技术还包括，如果在钻探钻孔的时候探测到崩落，就自动地向钻井操作人员和工程师提供警报。而且，除了探测崩落，探测出的崩落的取向和宽度也作为所应用的技术的输出而输送。除了输送在一个特定深度位置的单个崩落的取向和宽度，在崩落存在的一个深度间隔上求平均的平均宽度和取向也可以作为所应用的技术的输出而输送。

除输送用于一个深度间隔的平均宽度和取向以外，这里所给出的技术可应用到处于一个特定深度的单个图像行，而不管该行中所包含的区段(像素值)数量。由此，来自不同采集技术和具有不同分辨率的图像可以被自动分析。输送用于一个深度间隔的平均宽度和取向要求对多于一个图像行进行基于深度的分析。

在一种实施例中，分析是在井下在采集图像数据的井下工具中执行的。因为采集到的图像会是数据密集的并且井下遥感勘测系统可能具有有限的带宽，所以井下分析会比在地球表面执行的分析更快地向钻探操作人员和工程师提供崩落的警报。对于具有高速宽带遥感勘测的实施例，也可以执行图像数据的表面处理和分析。

图1示出了位于穿入地球3的钻孔2中的井下工具10的示例性实施例，其中地球3包括地球地层4。地层4代表被钻孔2穿入的任何感兴趣的地下物质。井下工具10被载体5通过钻孔2运输。在图1的实施例中，在称为随钻测井(LWD)的操作中，载体5是包括钻头7的钻柱6。在一种实施例中，井下工具10位于钻头7后面的井底组件(BHA)12中。钻井流体11通过钻柱6被泵送并用于润滑和冷却钻头7，并且从钻孔2冲洗岩石碎屑。在另一种实施例中，在称为钢丝线(wireline)测井的操作中，载体5可以是铠装钢丝线。在钢丝线测井中，钢丝线通过钻孔2运输井下工具10并且可以提供用于在工具10和表面通信点之间传送数据和命令的通信介质。

仍然参考图1，井下工具10包括配置为处理由井下工具10获得的数据的井下电子设备8。处理后的数据可以通过遥感勘测系统13发送到表面计算机处理系统9。遥感勘测系统13的非限制性实施例包括脉冲泥浆、具有宽带同轴电缆或光纤电缆的有线钻杆、声学发送，及无线电发送。在一种实施例中，表面计算机处理系统9配置为在数据库中存储数据并且准备、处理和可视化数据，用于后续的分析和解释。对采集到的数据进行分析和解释以便输送钻孔壁和深度的关系曲线的图像由包括适当算法的应用工程软件执行。应用工程软件可以由井下电子设备8和/或表面计算机处理系统9来实现。

应用工程软件执行对钻孔壁的图像的自动分析，以便监视钻孔崩落的存在或不存在(对于崩落的例子，见图2)。如果崩落存在，则除诸如崩落的实测深度、崩落取向和崩落宽度的相关参数之外，警报也提供给用户，这些输送给用户，用于进一步的处理和分析，诸如用于现场地球应力的校准或者为了执行环境校正，等等。

井下工具10配置为测量地层4的属性。属性的非限制性例子包括伽玛射线发射、声学阻抗、电阻率(或者其逆，电导率)、密度或孔隙度。属性的测量是在钻孔壁周围的圆周方向中(即，围绕圆周的径向测量)并且在钻孔2中的各个深度执行的，通常是在井下工具10运输通过钻孔2的同时。但是，工具10的运动可以在执行测量的时候暂停。测量被分组成数据集。数据集中实测属性的值的变化可以显示为图像。相应地，如在这里所使用的，术语“图像”可以指可视图像或者可以用于创建图像的数据集。

图2在左侧示出了钻孔壁的图像上崩落的例子。钻孔的图像是位于钻孔壁或接近其的地层的物理属性的方位角/圆周表示(依赖于用于特定采集技术的穿入深度)。位于特定钻孔位置的物理属性的幅值存储为像素值。图像是像素值的图形化的颜色编码表示，不同的彩色阴影代表不同的像素值，但是在这里示为黑白图像。

由于井下工具10中测量物理属性和钻孔壁的传感器之间增加的距离，图像上的崩落(即，处于相对位置的放大的钻孔)变得可见。如果距离变得太大，则传感器不再能确定岩石的物理属性。

在图2中左侧，黑暗或阴影区域是观察到的钻孔崩落，而亮的区域代表完好的地层岩石。如以上所指出的，崩落在大部分深度间隔中成对出现，彼此隔开大约180度。

图2在右侧示出了用于一行图像的规格化像素值的例子。图2中的崩落是由像素值一(y-轴)表示的。对于所给出的图像，每行图像包含120个区段，即，120个像素，每个区段一个像素值(x-轴)。

这里所公开的技术给出了用于对来自钻孔壁的图像执行自动分析的算法，以监视钻孔崩落的存在或不存在。如果崩落存在，则相关的参数(崩落取向和崩落宽度)被输送，用于进一步的处理和分析，诸如用于现场地球应力的校准。

图3示出了用于工程应用软件的工作流的一个例子。崩落的存在或缺失可以从钻孔壁的图像来验证。因此，所给出的算法的前提条件是通过图像采集对钻孔壁的自动监视(过程31，图3)。对于这个工作流，任何技术都可以用于任何分辨率的图像采集，这当然影响崩落分析的准确性。

图4定义了用于描述以下给出的用于崩落的自动探测的算法的术语表。下面的图示出了构成图像的圆圈中单行像素的顶视图。图像区段由虚线表示(也在上面的图中示为直线)。每条虚线代表一个区段，向每个区段分配图像的一个像素值。按对的崩落作为彼此隔开180度的圆形区段40。崩落宽度(还是见图2)定义为崩落存在的每个圆形区段40的角度。片段定义为圆形的片或弧，标记为片段I-IV。片段I-IV所包括的角度被称为α和β，圆形的片段角度之和(2α+2β)加起来等于360度。作为替代，片段I-IV所包括的角度可以全都彼此稍有不同，只要它们加起来等于360度就可以。

这里给出了用于这种按对的崩落的自动探测的算法。该算法可以应用到任何图像，而不管所应用的用于图像采集的技术。而且，该算法只分析位于特定深度的一个图像行，而不管所考虑的深度之上崩落的存在(即，图2中仅一行的分析)。这种设置使该算法适用于在井下工具10中固件中的实现。这种实现允许钻孔状态(即，崩落或无崩落)的自动监视，并且在探测到崩落的任何时候都自动生成警报。与在表面的分析相比，这种算法大大减少了需要传送到表面的信息量，在表面分析中，高分辨率的图像数据需要经遥感勘测系统13发送。

该算法参考图4-7包括以下步骤：

步骤1–可选地，通过对图像数据应用任何过滤或平滑算法，过滤或平滑图像数据。如果图像的像素值代表地层钻孔壁的电阻率，则过滤可以应用到像素值的对数。否则，过滤可以应用到像素值本身。而且，依赖于图像的质量，过滤可以自动应用到图像。图像质量可以通过诸如峰度的统计参数来量化。

步骤2–把图像行再分成包括角度α、β的四个片段I-IV。彼此对角线相对的角度是相等的，而且所有角度加起来等于360度。

步骤3–依赖于随后使用的方法，规格化(并且可选地，反转)像素值的最大值和最小值之间的像素值。与不存在崩落的位置相比，反转应当在崩落由低像素值表示的时候执行。如果崩落在图像上由高像素值表示，则反转不应当应用。

步骤4–以片段所包括的相等角度开始，α＝β＝90度，为四个片段I-IV中每一个计算物理属性的平均值。可以计算不同类型的平均值，包括谐波、算术、几何等平均值。

步骤5–堆叠相对的片段的平均值，即，堆叠分别来自片段I和III以及II和IV的平均值。不同的方法可以用于堆叠。

步骤6–旋转图像和四个片段之间的相对位置一个或多个区段(图5)，保持片段之间的角度恒定。然后，重复步骤2–5。

步骤7–在旋转90度(在片段之间有相等角度α＝β＝90度的情况下)或180度(在不相等的角度α≠β的情况下)之后，依赖于所应用的用于规格化和反转的方法，找出最大或最小堆叠。而且，找出在其发现最大/最小(即，最大或最小)堆叠的旋转角度。最大/最小堆叠在崩落的位置找到。

步骤8–改变片段之间的角度(图6A和6B)一个小的量(例如，改变一个区段)，使得α≠β，并且重复步骤1-6。但是，重复步骤2–7直到图像和片段之间的相对位置达到180度。

步骤9–从旋转(步骤6)和角度改变(步骤8)的所有组合当中，找出在堆叠变成最大/最小的片段之间的取向和角度。在提供最大/最小堆叠的组合，片段的取向限定钻孔周围的崩落位置，并且片段之间的角度确定崩落的宽度(图5)。步骤6–8可以按相反的次序应用，即，首先改变片段之间的角度，然后旋转图像。

步骤10–如果在多个图像行中探测到多个崩落，则那些崩落集群到一个崩落间隔中，如图7中所说明的。如果深度信息可用，则崩落间隔的位置分配给该间隔。除其它之外，诸如起始深度、端部深度、中心深度、崩落集群驻留在其中的崩落间隔的岩性、从钻探崩落间隔的深度开始的时间以及崩落间隔的压力范围的属性分配给崩落间隔。

步骤11–如果已经识别出崩落间隔，则从那个崩落间隔中每个崩落的宽度和取向计算平均宽度和取向，如图7中所说明的。可以应用用于求平均的不同方法。特别地，一个选项是使用加权平均函数，该函数通过堆叠值给每个崩落的崩落宽度和取向加权。

步骤12–对于崩落间隔，向参数(宽度和取向)分配不确定性，例如，通过统计分析每个间隔中崩落的宽度和取向。

除其它之外，以下方法可以用于每个像素值Isec的规格化(范数)，其中每个像素值与图4中所示的一个区段相关。

规格化方法1–根据最小(min)/最大(max)值规格化每个像素值：

$I\sec \left(\mathrm{norm}\right)=\frac{I\sec -I\min }{I\max -I\min }$

规格化方法2–根据min/max值和反转来规格化每个像素值：

$I\sec \left(\mathrm{norm}\right)=1-\frac{I\sec -I\min }{I\max -I\min }$

规格化方法3–根据min/max值和反转规格化每个像素值，然后取平方(一种实施例中的优选方法)：

$I\sec \left(\mathrm{norm}\right)={(1-\frac{I\sec -I\min }{I\max -I\min })}^2$

规格化方法4–根据min/max值规格化每个像素值，然后取log10：

$I\sec \left(\mathrm{norm}\right)={\log }_{10}\frac{I\sec -I\min }{I\max -I\min }$

规格化方法5–根据min/max值规格化每个像素值，然后取平方：

$I\sec \left(\mathrm{norm}\right)={\left(\frac{I\sec -I\min }{I\max -I\min }\right)}^2$

除其它之外，以下方法可以用于为如图4中所示的四个片段中每一个把规格化的像素值求平均。

求平均方法1–为4个片段中每一个把规格化的像素值求平均：

i＝1,2,3,4，其中n＝片段i中的区段号

求平均方法2–为4个片段中每一个把规格化的像素值的对数求平均：

i＝1,2,3,4，其中n＝片段i中的区段号

除其它之外，以下方法可以用于堆叠来自如图4中所示相对片段的规格化像素值的平均值。

堆叠方法1–堆叠(stack)来自相对片段的平均值，减去堆叠，并且取绝对值：

stack＝(av₁+av₃)-(av₂+av₄)

堆叠方法2–堆叠来自相对片段的平均值，除以两个结果产生的堆叠并且确定最小值(这个方法只适用于规格化方法2和3)：

stack1＝(av₁+av₃)/(av₂+av₄)

stack2＝(av₂+av₄)/(av₁+av₃)

stack＝min(stack1,stack2)

堆叠方法3–堆叠来自相对片段的平均值并且确定最小值(这种方法只适用于规格化方法1、4和5)：

stack1＝(av₁+av₃)

stack2＝(av₂+av₄)

stack＝min(stack1,stack2)

堆叠方法4–堆叠来自相对片段的平均值并且确定最大值(这种方法只适用于规格化方法2和3)：

stack1＝(av₁+av₃)

stack2＝(av₂+av₄)

stack＝max(stack1,stack2)

堆叠方法5–堆叠来自相对片段的平均值，除以两个结果产生的堆叠并且确定最小值(这种方法只适用于规格化方法1、4和5)：

stack1＝(av₁+av₃)/(av₂+av₄)

stack2＝(av₂+av₄)/(av₁+av₃)

stack＝max(stack1,stack2)

图8示出了对片段之间变化的角度利用规格化方法3、求平均方法1以及堆叠方法1的钻孔崩落自动识别的结果。最左边的轨迹显示出具有钻孔崩落的图像并且在图像顶部示出了崩落的取向(点70)。点71示出了两个识别出的崩落区的平均取向。从左边看第二个轨迹示出了崩落间隔和每个崩落的宽度(点72)，以及用于每个崩落间隔的平均宽度(点73)。从左边看第三个轨迹示出了堆叠例程的最大值。当最大值超过0.8的阈值时，识别出中断，阈值在一种实施例中是凭经验确定的值。右边的轨迹示出了用于每个图像行的峰度。峰度是一个可以用于在峰度一旦超过预定义的阈值就自动应用过滤/平滑(步骤1)的统计参数。

一旦探测到崩落，就可以依赖算法的配置提供不同级别的警报(图3中的过程33)。级别1：可以生成通知用户已经探测到崩落的警报(不输送参数)。这种警报可以是改变遥感勘测配置以便为了更具体的分析而发送更高分辨率图像的触发器。如果崩落取向也输送(图3，过程33中的级别2)，就监视后续的崩落(记住或记录)，直到可以识别出崩落区(深度间隔)(图3，过程34)。然后，崩落区的取向可以用于校准现场地球应力的取向。级别3触发后续警报的监视(图3，过程35)。如果识别出崩落区，则在钻探该区的时候占优势的压力和温度范围用于校准现场地球应力。此外，不同级别的警报可以基于探测到的崩落的幅值来生成。不同崩落的幅值可以与对应于不同警报级别的各种阈值进行比较。在一种或多种实施例中，三个警报级别可以提供给操作人员–不重要(继续钻探)、小的重要性(小心)和大的重要性(预期严重事件)。这些仅仅是例子，因为本领域技术人员可以利用这里所公开的技术创建对应于感兴趣的装备、方法和参数的其它警报和报警。

除井下图像数据分析之外，警报的自动生成还包括监视钻探状态(或者在井下由工具10或者在表面由表面计算机处理系统8一旦发送了探测到的崩落)。钻探状态可以包括在探测到的崩落处的压力和温度。

除了图3中给出的特征，工程应用系统还提供以下应用，以便处理操作约束。

提供了输送钻孔的几何形状(倾角、方位角、急转弯严重性等)的第一应用，以规避对不对称图像(其上面的一个崩落没有其对应物显著的图像)的分析。而且，该第一应用还能够预测地层床是被垂直还是倾斜地穿入。如果钻孔以倾斜的角度穿入地层床，就提供能够对图像执行浸涂去除(dip removal)的第二应用，以规避由倾斜的床造成而不是由崩落造成的警报。

提供能够输送钻探状态的第三应用。该应用可以控制自动图像分析的激活，以排除对在不钻探或重新测井时采集到的图像的分析。

提供为了校准压力窗口91而提供关于探测崩落的信息的第四应用，其中压力窗口91在图9中表示。压力窗口关于具有一个上限(压裂梯度)和两个下限(剪切失效梯度或孔隙压力梯度)的钻井流体压力范围，其中钻井流体压力局限在所述上限和两个下限中较高的一个之间，如图9中所说明的。剪切失效梯度可以通过崩落信息和与崩落相关联的其它钻井参数来约束。剪切失效梯度的同义词是坍塌梯度或坍塌压力。

这里所公开的技术具有以只探测显著、清晰可见的崩落的方式而稳健的益处，这规避了故障的警报。此外，该方法只在崩落按对出现、偏移大约180度的时候发出警报。这后一个益处规避了开键槽(key seating)的故障探测。

如以上所指出的，各种级别或类型的警报都可以自动生成。警报可以由应用工程软件自动生成。这些警报关于应用工程软件对钻孔崩落的探测和/或量化，如以上所讨论的。警报还可以包括应用工程软件没有探测到崩落的状况。此外，警报可以关于探测到的崩落、崩落的尺寸或崩落的取向是否是预期的。一旦警报生成，它就可以显示给钻探操作人员或其他用户。在一种或多种实施例中，警报作为井下发生的事件是否与探测到的崩落相关以及是否事件被预期或没有被预期的描述给出。在一种或多种实施例中，警报可以作为“交通灯”给出，利用诸如绿色、黄色和红色的颜色来表示井下崩落状况的严重性。除了自动生成警报之外或代替之，基于与探测到的崩落相关的井下状况或事件，应用工程软件还可以自动向钻探操作人员或其他用户生成建议。建议与意见相关，以便安全高效地钻探钻孔。

图10绘出了基于探测到的钻孔崩落自动生成警报和建议的各方面。可以包括来自一个或多个模块的、用于自动生成警报和建议的应用工程软件90可以由井下电子设备8、计算机处理9或者其组合来实现。警报和建议可以通过显示器94呈现给钻探操作人员或用户。显示器94可以位于钻探钻孔的钻机处或者远离它。一旦从已知深度或位置的钻孔图像探测到和/或量化了井下崩落对，应用工程软件90就可以应用一个或多个警报和建议生成模块。为了确定探测到的崩落是否是预期的，压力窗口91、被钻孔2穿入的地层4的地质力学模型92，和/或测出的地层和钻孔参数93就可以输入到应用工程软件90。应用工程软件90自己可以能够发布一些警报和相关联的建议。例如，地质力学模型92在钻探完全新的区域中第一个勘探钻孔时可能是不可用的。在这种情况下，软件90自己可以探测并量化崩落并发布相关的警报和建议。但是，其它警报，诸如崩落状况是否是预期的，可能需要模块91、92和/或93的使用。

压力窗口91是包括钻井流体压力范围的软件包或模块，这个范围以压裂梯度作为上限并且以剪切失效梯度(或坍塌压力)和孔隙压力梯度作为两个下限。一般而言，(由于钻井流体造成的)井下环空压力尝试维持在压力窗口91的压力范围内。通过把用于在其获得钻孔图像的深度的井下环空压力输入到应用工程软件90，软件90将能够确定在那个深度探测到的崩落对是否是预期的。例如，如果探测到崩落且环空压力小于剪切失效梯度，则崩落是预期的。如果探测到崩落并且环空压力大于剪切失效梯度，则崩落不是预期的，因为环空压力总是超过预测的坍塌压力。

地质力学模型92包括与地层4和钻孔2相关的以下参数或值中的至少一些：

地球的现场应力张量，包含三个主要或正交应力的幅值以及这个应力张量的取向；

地层孔隙压力，除其它之外，还通过从绝对应力减去地层孔隙压力来计算有效应力；

钻孔关于现场应力张量或者关于另一参考系统的取向，使得可以计算应力张量和钻孔轨迹之间的相对取向；

钻孔的尺寸和/或直径；

预测的和/或实测的属性，诸如温度、压力、地层和钻井流体的化学成分，以及钻井流体添加物；

描述现场和/或表面条件下地层岩石的压缩强度的子模型；及

描述应力下地层岩石的变形行为(例如，线性弹性、非线性弹性、多孔弹性、塑性)的子模型。

根据现场地球应力张量，地质力学模型92可以计算钻孔周围由于钻孔被钻探而造成的重新分布的应力，并且对照压缩地层岩石强度(以压力单位规定)比较重新分布的应力(也以压力单位规定)。如果应力超过地层岩石强度，则钻孔会坍塌，造成崩落。重新分布的应力超过地层岩石强度的圆周范围确定了崩落的宽度。崩落的取向依赖于现场地球应力的取向以及它们在钻孔周围如何分布。由此，利用地质力学模型92，应用工程软件90可以对井下环空压力和/或温度条件预测崩落的预期宽度和预期取向。一般而言，在获得钻孔图像的深度钻孔中的环空压力(即，钻井流体压力)输入到地质力学模型92中，以便确定崩落是否是预期的，并且，在是预期的情况下，确定其宽度。对于井下环空压力和/或温度条件，崩落的预期宽度和预期取向随后与探测到的崩落宽度和探测到的崩落取向进行比较。如果它们一致，则地质力学模型92得到验证。如果它们不一致，则可以生成警报，通知不一致，并且可以生成建议，以便重新校准或更新地质力学模型92的适当部分。例如，如果探测到崩落但不是预期的，则地质力学模型92需要更新。如果探测到的崩落宽度大于或小于预期的宽度，则用于现场地球应力的模型和/或用于地层岩石强度的模型需要更新。如果探测到的崩落取向与预期的崩落取向不一致，则重新分布的应力取向需要更新。地质力学模型92可以在对钻孔图像执行测量的时候从地层和钻孔测量获得。作为替代或者相结合，用于地质力学模型的地层和钻孔测量可以在穿入相同地层的钻孔附近或者根据表面地震测量来执行。此外，地层样本还可以从附近的钻孔获得，用于实验室分析，以确定地层岩性和相关的岩石机械属性。

测出的地层和钻孔参数93输入到应用工程模型90、压力窗口91和/或地质力学模型92中。测出的参数93包括可以替代之前假设的参数的最近测出的参数。测出的参数93的非限制性例子包括：位于获得钻孔图像的各个钻孔深度的环空压力或钻井流体压力，诸如由位于BHA12中的压力传感器(未示出)感测到的；位于获得钻孔图像的各个钻孔深度的钻孔温度，诸如由位于BHA12中的温度传感器(未示出)感测到的；钻孔卡径(caliper)测量；由位于井下工具10附近的井底组件中的地层测试器获得的地层孔隙压力测量，使得孔隙压力代表在其获得钻孔图像的地层；此外，来自地层测试器的孔隙压力可以用作一种测量，模型91/92中的孔隙压力可以对照其来校准；以及诸如利用钻孔轨迹确定系统获得的诸如倾角(从垂直面)和方位角的钻孔轨迹。一般而言，钻孔轨迹确定系统包括井下工具或传感器组合，给定关于垂直面的方位角方向(给定倾角)，它们能够测量井下组件关于北极(磁极或地理极，每个都可以转换成另一个)的取向或方向。

除了确定探测到的崩落的宽度，应用工程软件90还可以把宽度分类，用于提供警报和建议。在用于垂直钻孔的一种或多种实施例中，宽度可以分类为小、大或超大，其中小崩落的宽度小于75度，大崩落的宽度在75和90度之间，而超大崩落的宽度大于90度。在用于水平钻孔的一种或多种实施例中，小崩落的宽度小于20度，大崩落的宽度在20和30度之间，而超大崩落的宽度大于30度。一般而言，倾角为15度或更小的钻孔可以被认为是垂直的。对于其它倾角，类别可以插在两个极端(垂直和水平)情况之间。可以认识到，地质力学工程师可以在钻探的时候基于局部环境条件提出其它标准。例如，非常厚的泥饼或者优秀的钻孔清洁做法可以在以上列出的通用值中要求增加时强化钻孔。

图11绘出了由显示器94显示的警报和相关联建议的一种示例性实施例的各方面。而且图11中还绘出了配置为显示绿色、黄色和红色的“交通灯”，以便分别指示增加的严重性的通用水平。如果没有观察到崩落，则显示绿灯，连同继续钻探的建议。

如果观察到崩落，则相关联的建议包括监视从表面和井下参数得出的钻机参数，诸如水力学参数、钻探动态(例如，振动)、钻头上的重量、钻管扭矩以及钻管拖阻(drag)。如果崩落被量化为小，则显示黄色交通灯。如果预期小崩落但是没有出现，则也显示黄色交通灯。在这种情况下，建议包括重新校准剪切失效梯度。此外，如果观察到的和预期的崩落取向一致或不一致，则显示黄色交通灯。如果它们不一致，则建议包括重新校准剪切失效梯度。另外，如果探测到的崩落取向与钻探方向的变化一致，则也显示黄色交通灯。在这种情况下，建议包括：监视塌落，诸如通过百分比、尺寸或形状；警告由于钻柱动态而造成崩落放大是可能的；确保钻孔的清洁；和/或警告由于开键槽造成卡钻管是可能的。

如果探测到大或超大崩落，则显示红色交通灯。如果探测到旋转的崩落取向而没有钻探方向的变化，则显示红色交通灯。对这种情形的建议包括监视故障、警告卡钻管是有可能的、监视钻井流体损失、以及确保钻孔清洁。如果探测到大崩落但不是预期的或者探测到的崩落宽度大于预期的，则显示红色交通灯并且建议包括重新校准剪切失效梯度、确保钻孔清洁、增加井下环空压力和/或考虑钻井流体变化。

如果观察到非常大的崩落，则相关联的建议包括确保钻孔清洁、增加井下环空压力、考虑泥浆变化和/或拔出钻孔。

图11中的上标1关于可以与自动崩落算法(即，应用工程软件90)独立地生成的警告和建议，诸如：崩落存在/不存在(时间/深度)；崩落的取向在…方向(时间/深度)；崩落的宽度为…(时间/深度)；和/或崩落间隔(深度)。图11中的上标2关于可以从自动崩落探测算法结合压力窗口模型(例如，输入：图像数据和剪切失效梯度)生成的潜在警告，诸如：崩落的存在/不存在以及是否是预期的；探测到的和预期的崩落取向是否一致；和/或探测到的和预期的崩落宽度是否一致。图11中的上标3关于，如果附加的地层评估和钻探数据(例如，输入：图像数据、倾角、方位角、急转弯、伽玛辐射数据、地层岩性)可用的话，可以从自动崩落探测算法生成的潜在警告，诸如：崩落取向与钻探方向变化一致和/或不同岩性中的崩落。

可以认识到，警报和建议可以用多种方式给出。在一种或多种实施例中，只显示当前的警报、交通灯和相关联的建议。作为替代，在一种或多种实施例中，所有潜在的警报和建议都可以一起显示并且当前的警报和相关联的建议可以突出或闪烁。除了可视显示，警报和相关联的建议还可以通过声音给出。录制的语音可以用于真实地说出警报和建议是什么或者一个声音可以警告钻探操作人员看显示器94。

图12是说明用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的方法110的流程图。方框111要求利用处理器接收来自位于钻探钻孔的钻管的井下工具的钻孔图像。方框112要求，如果崩落在图像中，就利用由处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和与第一崩落隔开大约180°的第二崩落。方框113要求，如果探测到第一和第二崩落，就利用处理器生成警报或建议。方法110还可以包括发布指示没有探测到崩落的警报，连同继续钻探的相关联的建议。方法110还可以包括确定崩落、崩落宽度或崩落取向是否是预期的并且生成相关联的警报和建议。

为了支持这里的教导，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟系统。例如，井下电子设备8或表面计算机处理系统9可以包括数字和/或模拟系统。系统可以具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线的、无线的、脉冲泥浆、光学的，等等)、用户接口、软件程序、信号处理器(数字的或模拟的)的部件或者其它此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，以便用本领域中众所周知的几种方式中的任何一种提供这里所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为这些教导可以，但不必需，结合存储在非临时性计算机可读介质上的一组计算机可执行指令来实现，其中非临时性的计算机可读介质包括存储器(ROM、RAM)、光学的(CD-ROM)或磁性的(盘、硬驱)，或者任何其它类型，当指令被执行时，使计算机实现本发明的方法。除本公开内容中所公开的功能之外，这些指令可以提供系统设计者、所有者、用户或其它此类人员认为相关的设备操作、控制、数据收集和分析及其它功能。

另外，为了提供本文教导的各方面，各种其它部件可以被包括并调用。例如，为了支持这里所讨论的各方面或者为了支持超出本公开内容的其它功能，电源(例如，发电机、远端电源和电池中至少一种)、冷却部件、加热部件、磁体、电磁体、传感器、电极、发送器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电气单元或机电单元都可以包括。

如在这里所使用的，术语“载体”指可以用于运输、容纳、支撑或以别的方式方便另一设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件使用的任何设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件。其它示例性的非限制性载体包括盘管类型的、有接头管道类型的钻柱及其任意组合或部分。其它的载体例子包括管道、钢丝线、钢丝线探空仪、平直管线探空仪、drop shots、井底组件、钻柱插入、模块、内部机架及其基底部分。

实施例的元素是利用冠词“一个”来介绍的。冠词是要指有一个或多个这些元素。术语“包括”和“具有”是包容性的，使得可以有除列出的元素之外的附加元素。当与至少两项的列表一起使用时，连词“或者”要指任何一项或者项的组合。术语“第一”、“第二”和“第三”用于区分元素而不是用于表示特定的次序。

应当认识到，各种部件或技术可以提供某些必要的或有益的功能性或特征。因此，如支持所附权利要求及其变体可能需要的，这些功能和特征被认为是作为这里教导的一部分及所公开的本发明的一部分固有地包括。

虽然本发明已经参考示例性实施例进行了描述，但是应当认识到，在不背离本发明范围的情况下，对于进行各种变化并且可以用等价物替换其元素。此外，在不背离其本质范围的情况下，对于本发明的教导，为了适应特定的仪器、情形或材料，许多修改都将是可以理解的。因此，本发明不是要局限于预期作为执行本发明最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求书范围的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的方法，该方法包括：

利用处理器从位于钻探钻孔的钻管处的井下工具接收钻孔图像；

如果崩落在所述图像中，就利用由处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和与第一崩落移开大约180°的第二崩落；以及

如果探测到第一崩落和第二崩落，就利用处理器生成警报或建议。

2.如权利要求1所述的方法，如果由处理器实现的用于探测崩落的方法在所述图像中没有探测到崩落，就生成包括没有观察到崩落的警报或者包括继续钻探的建议。

3.如权利要求2所述的方法，还包括利用处理器接收针对钻孔深度的钻井流体压力，并且在钻探压力窗口中将该钻井流体压力与剪切失效梯度比较，其中所述图像在所述钻孔深度处获得，其中，如果钻井流体压力小于剪切失效梯度，则警报包括崩落没有被观察到但是被预期，并且建议进一步包括重新校准剪切失效梯度。

4.如权利要求1所述的方法，其中，如果探测到第一崩落和第二崩落，则警报包括观察到崩落，并且建议包括监视钻机参数、钻探动态、钻管扭矩和钻管拖阻。

5.如权利要求4所述的方法，还包括利用处理器接收针对钻孔深度的钻井流体压力，并且在钻探压力窗口中将该钻井流体压力与剪切失效梯度比较，其中所述图像在所述钻孔深度处获得，其中，如果钻井流体压力大于剪切失效梯度，则警报包括崩落被观察到但不被预期，并且建议进一步包括重新校准剪切失效梯度。

6.如权利要求4所述的方法，还包括利用由处理器实现的用于探测崩落的方法根据所述图像确定第一崩落和第二崩落的取向。

7.如权利要求6所述的方法，还包括利用处理器从地层的地层应力模型接收针对钻孔深度的应力取向，其中所述图像在所述钻孔深度处获得，其中，如果地层应力模型中的应力取向与第一崩落和第二崩落的取向不一致，则警报包括观察到的取向和崩落取向一致，并且建议包括重新校准地层应力模型中的应力取向。

8.如权利要求6所述的方法，还包括利用处理器接收钻探方向。

9.如权利要求6所述的方法，其中，如果接收到的钻探方向的变化与第一崩落和第二崩落的取向一致，则警报包括崩落取向与钻探方向变化一致，建议进一步包括监视钻孔塌落、崩落放大、确保钻孔清洁以及由于开键槽造成的可能的卡钻管中的至少之一。

10.如权利要求8所述的方法，其中，如果接收到的第一崩落和第二崩落的取向随着增加钻孔深度而旋转并且钻探方向没有变化，则警报包括没有钻探方向变化的旋转崩落取向，并且建议包括监视故障、可能的卡钻管、监视钻井流体损失以及确保钻孔清洁中的至少之一。

11.如权利要求4所述的方法，还包括利用由处理器实现的用于探测崩落的方法根据图像确定第一崩落和第二崩落的宽度。

12.如权利要求11所述的方法，还包括确定宽度中的最宽部分在崩落宽度的第一范围内，并且警报包括观察到大崩落，并且建议包括确保钻孔清洁、增加井下环空压力以及考虑钻井流体变化中的至少之一。

13.如权利要求12所述的方法，其中崩落宽度的第一范围是75至90度。

14.如权利要求12所述的方法，还包括确定宽度中的最宽部分在崩落宽度的第一范围之外且在崩落宽度的第二范围内，而且警报包括观察到非常大的崩落，并且建议进一步包括拔出钻孔。

15.一种用于为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议的装置，该装置包括：

处理器，被配置为：(i)从位于钻探钻孔的钻管处的井下工具接收钻孔图像；(ii)如果崩落在所述图像中，就利用由该处理器实现的用于探测崩落的方法探测第一崩落和与第一崩落移开大约180°的第二崩落；以及(iii)如果探测到第一崩落和第二崩落，就利用该处理器生成警报或建议。

16.如权利要求15所述的装置，还包括耦合到处理器并且被配置为显示警报或建议的设备。

17.如权利要求16所述的装置，其中警报包括与钻探条件重要性相关的颜色，所述钻探条件与所述图像中崩落存在或不存在相关。

18.如权利要求15所述的装置，还包括井下工具。

19.如权利要求17所述的装置，其中井下工具被配置为感测伽玛射线发射、声学阻抗、电阻率、导电率、密度或孔隙度中的至少之一。

20.一种包括计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质，其中指令通过实现一种方法来为钻探穿入地球地层的钻孔生成警报或建议，该方法包括：

从位于钻探钻孔的钻管处的井下工具接收钻孔图像；

如果崩落在所述图像中，就探测第一崩落和与第一崩落移开大约180°的第二崩落；以及

如果探测到第一崩落和第二崩落，就生成警报或建议。