CN104204407B - 从套管靴到地表的水力压裂裂缝扩展的建模和分析 - Google Patents

Abstract

一种设计井控操作的方法，包括获得与围绕井的地层有关的地下数据，基于该地下数据建立地层的地质力学模型，获得与井控操作有关的操作数据，在处理器上执行地层的水力压裂模拟，其中该模拟基于该操作数据和该地质力学模型，以及确定用于裂缝破裂到地层的上表面所需流体的估计体积。

Description

从套管靴到地表的水力压裂裂缝扩展的建模和分析

背景技术

在压井(well kill)或者控制操作期间存在产生浅水力压裂裂缝破裂到地表或者海床的严重风险。当在钻井时碰到浅层气时，重泥浆被泵送到井中用于井控(wellcontrol)。重泥浆的注入导致压力聚集在井下且在大多数情况下，压力可能超过地层压裂梯度，从而导致地层的水力压裂裂缝。而且，随着一些注入的泥浆进入到新产生的裂缝，裂缝可能变得更大。如果大体积的重泥浆被泵送到井中，水力压裂裂缝可能到达地表或者海床，从而在装备附近的地表或者海床上产生陷口(crater)或凹陷。在这种情况下，平台稳定性可能被破坏。而且，到地表或者海床的裂缝裂口可能导致严重的环境冲击。上述情况的风险对于可能具有高概率碰到浅层气的井和/或当由弱和/或未固结的地层所表征的超负荷的井来说尤其大。

附图说明

图1示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的包括钻井子系统的系统。

图2示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于确定用于井控操作的操作参数的系统。

图3示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于确定用于井控操作的操作参数的方法的流程图。

图4示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于获得操作数据的流程图。

图5示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于获得与围绕井的地层相关的地下(sub-surface)数据的流程图。

图6示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于确定在压井操作期间用于裂缝破裂到地表或海床所需泥浆的体积的方法的流程图。

图7A-7B示出了本文公开的一个或者多个实施例的操作数据和地质力学(geomechanical)数据的实例。

图8A-8C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图9A-9C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图10A-10C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图11A-11C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图12A-12C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图13A-13C示出了本文公开的一个或者多个实施例的水力压裂的地质力学模型和模拟的实例。

图14示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的操作参数的汇总。

图15示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于实施水力压裂裂缝扩展的建模和分析的系统。

具体实施方式

本公开的特殊实施例现在将参考附图来详细描述。为了一致性，不同图中的相似元件由相似的附图标记所表示。

在下文的详细描述中，为了提供对公开的实施例的更彻底的理解而阐述了众多的特殊细节。但是，对于本领域技术人员来说明显的是，没有那些特殊细节的所公开的实施例也是可实施的。在其它例子中，没有详细地描述已知特征以避免使得讨论的实施例的描述模糊不清。

水力压裂抑制(containment)可用于井控操作、环境保护和浅层气意外事故规划和设计。通常，本公开的实施例涉及用于确定井控操作的体积和操作参数的方法和装置。如本文所使用的，井控操作涉及与将泥浆泵送到井中以防止地层流体(例如，石油和天然气)进入井筒有关的操作。可以在钻井时使用井控操作。如本文所使用的，井控操作包括静态和循环压井操作。根据本文公开的实施例的用于确定用于井控操作的操作参数的方法和装置包括在地表套管靴处起始的水力压裂裂缝扩展的建模和分析。该建模和分析可以使用与地质力学模型结合的水力压裂数值模拟器(numerical simulator)。根据一个或者多个实施例，该方法和装置提供用于确定在水力压裂裂缝到达地表或者海床之前可以以给定速率安全地泵送到井中的泥浆体积的范围。

在一个方面，本文公开的实施例涉及一种设计井控操作的方法。该方法包括获得与围绕井的地层有关的地下数据，从而基于该地下数据建立地层的地质力学模型，从而获得与该井控操作有关的操作数据，在处理器上执行该地层的水力压裂模拟，其中该模拟基于该操作数据和该地质力学模型，以及确定用于裂缝破裂到地层的上表面所需流体的估计体积。

在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于设计井控操作的系统。该系统包括处理器、存储器、地质力学模型生成模块，该地质力学模型生成模块被配置为生成围绕井的地下地层的地质力学模型。该系统进一步包括操作数据生成模块，其被配置为生成包括用于在处理器上执行压裂模拟的至少一个输入参数的操作数据，其中该模拟基于与井控类型有关的操作数据；以及模拟模块，其被配置为基于该地质力学模型和操作数据执行水力压裂模拟，其中该模拟模块被配置为确定用于裂缝破裂到该地下地层的上表面所需流体的估计体积。

在特定实施例中，本公开的实施例涉及用于为浅裂缝提供水力压裂容积保证验证的方法和装置。特别地，当对地表套管下部分进行钻井时碰到浅层气时，重泥浆被泵送到井中用于井控，其可能导致在地表套管靴处的水力压裂裂缝的开始。由于地表套管被设定在较浅的深度，即在海床或者陆地地下大约500m-600m，存在着裂缝可能扩展到海床或者陆地地表的风险。因此，本公开提供方法和装置用以建模和模拟浅水力压裂裂缝扩展，确定或者估计泥浆体积，当泵送到井下用于井控时，引起水力压裂裂缝破裂到海床或者地表，且确定或者估计待泵送到井下用于井控的泥浆的最大体积，其保证操作员：海床或者地表将不会破裂(例如，通过将安全因子应用到引起裂缝破裂到海床/地表的确定的体积)。

图1示出了根据本公开的一个或者多个实施例的系统。该系统包括钻井子系统101，其用于在地层105中钻井103。由钻井液109(常称为泥浆)进一步便于钻井和井控，该钻井液109可以润滑钻头121、以及将静水压力提供给井控或者压井操作。在井控操作的一个实例中，流体109可以被向下泵送到钻柱111且允许通过环形域113循环回去，例如在循环压井操作期间。在井控操作的另一个实例中，例如在静态压井操作(未示出)期间，流体109可以被向下泵送到钻柱111和环形域113两者。如本文所使用的，环形域113指的是钻柱111与套管115之间的空间以及开口井眼117与钻柱111之间的环形空间。

套管段115a和115b用于确保井孔和围绕的地层的结构完整性。根据本公开的一个或者多个实施例，由于钻井液109的增加的当量循环密度(equivalent circulatingdensity)和增加的静水压力，井控操作可能导致在套管靴123处的水力压裂裂缝119a的开始。裂缝119a的尺寸和形状取决于井下生成的压力、注入的体积、地层105的地球物理(geophysical)特性和注入泥浆的特性。例如，在套管靴处裂缝开始之后泥浆连续泵送到井中可能导致裂缝尺寸的增加，由裂缝轮廓119a-119e示出，直到在某一阈值压力处，裂缝破裂到地表或者海床125。

根据一个或者多个实施例，钻井子系统101与传感器、钻井设备(例如，泵、电机、压缩机)、以及在钻井期间用于控制流体和/或直接钻头121的其它元件。通常而言，与其它开采操作一起使用的钻井操作在本文中成为野外操作(field operation)。这些野外操作可以直接由如下文更加详细描述的地表模块(未示出)来执行。根据本公开的一个或者多个实施例，地表模块可以包括水力压裂数值模拟器，其建模和分析来自地表套管靴的水力压裂裂缝扩展，或者地表模块可以与水力压裂数值模拟器一起使用。根据本文公开的实施例的水力压裂数值模拟器可以在钻井开始之前用于设计压井操作。根据一个或者多个实施例，井控操作由将一定体积的泥浆泵送到井中来实施，其中泵送的该体积泥浆落在由水力压裂模拟器计算的泥浆体积的阈值范围之下。因此，可以在水力压裂裂缝到达地表或者海床的减小的风险情况下，安全控制该井。

图2示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于确定用于井控操作的操作参数的系统200，该井控操作包括建模和分析来自地表套管靴的水力压裂裂缝的扩展。在一个或者多个实施例中，可以省略、重复和/或代替图2中示出的一个或者多个模块和元件。因此，用于确定用于井控操作的操作参数的系统200的实施例不应被视为受限于图2示出的模块的特定布置。

如图2所示，系统200可以包括地表模块201、水力压裂模拟器203、地质力学模型生成模块205、操作数据生成模块207、显示器209、以及操作/地下数据储存库(repository)211。根据一个或者多个实施例，地表模块211、水力压裂模拟器203、地质力学模型生成模块205、操作数据生成模块207、显示器209、以及操作/地下数据储存库211可以由本领域中已知的任何装置操作和/或通信地连接。因此，每一个组件可以发送、接收或者以其它方式与每一个其它组件交换数据。在下文中更加详细地描述这些元件中的每一个。

根据本公开的一个或者多个实施例，地表模块201可以用于与工具(例如，钻井装备)和/或装置外(offsite)操作(未示出)通信。例如，地表模块201用于发送和接收数据，用于发送指令到井下，用于控制工具，且还可以接收由传感器(未示出)和/或其它数据收集源收集的数据来用于分析和其它处理。由地表模块接收的数据可以随后存储在操作/地下数据储存库211中，或者从操作/地下数据储存库211发送，该操作/地下数据储存库211可以是任何类型的用于存储数据的存储模块和/或装置(例如，文件系统、数据库、采集表(collection of table)、或者任何其它的存储机构)。而且，由水力压裂模拟器203生成的，和/或存储在操作地下数据储存库211中的数据可以由地表模块201使用，以更改钻井或者井控操作的物理操作和参数。

在一个或者多个实施例中，地表模块201可以操作地耦合到油田中的井(例如，图1所示的井103)以及其它井。具体地，地表模块201被配置为与油田的一个或者多个元件(例如，传感器、钻井设备等)通信，用以发送命令到油田的元件和从其中接收数据。例如，在井涌之后的控井努力中，基于由地表模块201发送的命令，可以将钻井和井控设配(例如，泵)用于将钻井液注入到环行体中和/或可以调整钻柱以缓和或者控制浅层气流入井孔中。在一个或者多个实施例中，由地表模块201发送到钻井和井控设备的命令是基于由系统执行的水力压裂模拟所生成的一个或者多个操作参数，用于确定用于上文描述的井控操作的操作参数。具体地，钻井和井控设备的不同状态(例如，泵送率以及泵送到井中的总流体体积)可以由模拟程序生成的操作参数来调整，从而调整油田中的井控操作。

地表模块201可以位于油田(未示出)或者远程位置处。地表模块201可以提供有计算机设备，用于接收、存储、处理和/或分析来自油田的元件的数据。地表模块201还可以提供有用于驱动油田处的元件的功能。响应于接收的数据，然后地表模块201可以发送命令信号到油田，例如，用以缓和或者控制浅层气流动进入环形域。

系统200进一步包括操作数据模块207。操作数据模块207生成、接收、和/或处理与井控操作有关的操作数据。操作数据可以从，例如操作/地下数据储存库211传送，或者可以直接从井操作员处获得。根据本文公开的一个或者多个实施例，操作数据可以由用户输入到操作数据模块207中或者可以基于来自用户的请求而从操作/地下数据储存库211传送。例如，操作数据可以包括流体流变特性(流体密度、流体粘度、流体屈服点等)、套管特性(套管尺寸、破裂和倒塌压力、套管段深度等)、以及使用在井控操作中的流体泵送速率的期望范围。本领域技术人员将理解，与井控操作有关的任何已知操作参数可以由操作数据模块207生成、接收和/或处理。

系统200进一步包括操作地质力学模型生成模块205。根据一个或者多个实施例，地质力学模型生成模块205可以接收地下数据(例如，从测井仪器、随钻测量/随钻测井仪器、井测结果等)，其与围绕井的地层相关且基于接收的地下数据来处理此数据以生成地质力学模型。地下数据可以从，例如操作/地下数据储存库211传送到地质力学模型生成模块205，或者可以直接从井操作员处获得。根据本文公开的一个或者多个实施例，地下数据可以由用户输入到地质力学模型生成模块205中或者可以基于来自用户的请求而从操作/地下数据储存库211传送。用于生成地质力学模型的地下数据可以包括地层岩相层序、孔隙压力数据、裂缝梯度数据、漏失测试数据、地层完整性测试数据、区域构造学、地质力学数据/应力状态以及可以帮助地质力学模型研发的其它常规岩石特性。而且，根据一个或者多个实施例，地质力学模型生成模块可以基于地下数据计算地层特征，且这些计算的地层特征可以进一步帮助地质力学模型的研发。例如，现场(in situ)应力方向(水平或者垂直)、裂缝扩展平面、或者现场应力分布可以基于地下数据来计算。

系统200进一步包括水力压裂模拟器203，其可以使用来自地质力学模型生成模块205和操作数据生成模块207的上述操作数据和地质力学模型，用以模拟水力压裂裂缝生成和通过地层的扩展。在一个实施例中，地质力学水力压裂模型用于计算用以引起裂缝破裂到地表或者海床所需流体的体积范围。在一个实施例中，水力压裂可以使用下述系统，例如，TerrFRAC^TM(TerraFRAC是Schlumberger公司的TerraTEK的商标)来模拟。水力压裂数值模拟器使用地层岩相层序、孔隙压力数据、裂缝梯度数据、漏失测试数据、地层完整性测试数据、区域构造学、地质力学数据/应力状态、以及在地质力学模型中用以运行水力压裂模拟的其它常规的岩石特性。取决于这些特性和注入参数的不同组合，水力压裂模拟在地层中提供了水力压裂裂缝的扩大(例如，高度、长度和宽度)。本领域技术人员将理解，可以使用任何类型的数值压裂模拟，且因此本公开不受限于使用在TerraFRAC^TM软件包之内的技术、模型和方法。其它可商购的水力压裂模拟器包括，例如Schlumberger(Houston，TX)的、以及Meyer and Associates有限公司(Natrona Heights，PA)的MFRAC^TM。模型可以包括数值建模、二维建模、三维建模、以及可以模拟井控操作期间的裂缝生长。

系统200进一步包括显示器209，用于为用户提供数据可视化和解释。因此，操作数据模块207、地质力学模型生成模块205、以及水力压裂模拟器203可以将数据处理成允许用户观察和与数据进行交互的形式。根据本公开的一个或者多个实施例，显示器209可以包括图形用户界面(GUI)，用于与用户进行交互。GUI可以包括探测来自用户命令和因此更新数据的功能。例如，在本公开的一个或者多个实施例中，GUI包括接收对应于操作数据和/或地下数据的一组数据的功能。进一步地，在本公开的一个或者多个实施例中，GUI可以包括各种用户界面组件，例如按钮、检查框、下拉菜单等。因此，根据本公开的一个或者多个实施例，具有最小型计算机和/或与水力压裂模拟的细节有关的专门知识的用户可以分析由该系统表示的结果用于确定用于井控操作的操作参数。而且，显示器209可以是监视器(例如，阴极射线管、液晶显示器、触屏监视器等)或者能够显示数据的任何其它的物体。

本领域技术人员将理解，上述的组件是逻辑组件，即软件和/或硬件组件的逻辑组以及执行上述功能的工具。另外，本领域技术人员将理解，单独组件之内的单独软件和/或硬件工具不必须彼此连接。此外，虽然图2中示出的不同组件之间的相互作用对应于从一个组件向另一个组件传送信息，但是并不需要单个组件彼此物理连接。当然，数据可以从一个组件传送到另一个组件，例如通过使用户获得由一个组件产生的打印输出数据且将相关信息经由与那个组件有关联的界面键入到另一个组件中。另外，关于系统内的给定组件的物理接近(physical proximity)不存在约束。

图3示出了根据本公开的一个实施例的流程图。更具体地，图3示出了用于确定用于井控操作的操作参数的方法。在步骤301中，获得地下数据。如上文所描述的，地下数据可以经由从操作/地下数据储存库211传送的数据来获得，或者可以直接从井操作员/意外事故规划员处直接获得。直接从井操作员/意外事故规划员处获得的数据可以直接由用户输入或者根据本领域已知的任何数据传送方法从远程存储位置处传送。如上文所述，地下数据可以包括地层岩相层序、浅孔隙压力数据、裂缝梯度数据、漏失测试数据、地层完整性测试数据、区域地质力学数据/应力状态、以及可以帮助地质力学模型研发的其它常规岩石特性。

在步骤303中，地下数据用于建立围绕井眼的地层的地质力学模型。根据本文公开的一个或者多个实施例，地质力学模型是由可以存储在操作/地表数据储存库211中的数据、地质力学模型生成模块205中的数据、或者可以根据本领域已知的数据存储方法的远程存储的数据所表示的数值模型。地质力学模型本身可以基于地下数据由地质力学模型生成模块205生成。使用在根据本文公开的实施例中的地质力学模型的实例在图8-13中更加详细地示出。

在步骤305中，获得操作数据。操作数据可以例如通过从操作/地下数据储存库211传送的数据获得，或者可以直接从井操作员/意外事故规划员处获得。直接从井操作员/意外事故规划员处获得的数据可以直接由用户输入，或者根据本领域已知的任何数据传送方法从远程存储位置处传送。根据本文公开的一个或者多个实施例，操作数据可以由用户输入到操作数据模块207中，或者可以基于来自用户的请求而从操作/地下数据储存库211传送。如上文所述，操作数据涉及钻井或者井控操作的细节且可以包括泥浆特性(例如，泥浆堆积、泥浆密度)、套管特性(例如，套管尺寸和段深度)、以及使用在井控操作中的泥浆的泵送速率的期望范围。使用在根据本文公开的实施例中的操作数据实例在下文中参考图8-13更加详细地讨论。

在步骤307中，地质力学模型和操作参数输入到水力压裂模拟器中且执行水力压裂模拟。该水力压裂模拟产生模拟的水力压裂，如在下文中更加详细描述的图8-13中所示。在一个实施例中，可以使用TerrFARC^TM(TerraFRAC是Schlumberger公司的TerraTEK的商标)软件平台来数值模拟水力压裂。

在步骤309中，检查模拟的裂缝以确定该裂缝是否到达地表或者海床。如果裂缝没有到达海床，该方法返回到步骤305，在此获得新的操作数据。例如，新的操作数据可以包括新的流体体积和/或待泵送到井中的新的泵送速率以及用于前一个迭代过程的相同速率。可选地，如果在步骤309处确定裂缝已经到达地表或者海床，该方法进行到步骤311处，在此输出操作参数。例如，除了与裂缝的物理尺寸和形状有关的数据之外，可以输出流动速率和泵送到井中的总体积。

在步骤313处，如果确定需要另一个模拟，该方法返回到步骤301处。在步骤301处，获得新的地下数据且该方法仍然进行。通过对该方法的每一次迭代改变地下数据，该方法可以用于产生导致裂缝破裂到地表或者海床的操作参数的估计范围。基于与被模拟的实际地下地层有关的知识的缺乏，地下数据的范围可能反映出不确定性。

在步骤315中，确定控制体积。如本文所使用的，控制体积是表示在井控操作(例如，循环或者静态压井操作)期间待泵送到井中的流体体积的操作参数，其导致泵送流体将造成裂缝破裂到地表或者海床的低风险。因此，可以将控制体积计算为总体积，其低于导致裂缝破裂到地表或者海床的估计的体积范围。根据本文公开的一个或者多个实施例，控制体积可以通过使用与导致裂缝破裂到地表或者海床的估计的流体体积范围一起使用的安全因子来确定。因此，根据本文公开的实施例，控制体积可以通过在所确定的体积的范围内的体积分别乘以或者除以小于1或者大于1的安全因子来确定。

图4示出了根据本公开的一个或者多个实施例的流程图。更具体地，图4示出了与图3的步骤305有关的附加细节，其用于获得用于随后用在确定井控操作的操作参数的方法中的操作数据。在步骤401中，获得涉及井控或者压井操作的操作参数。步骤401可以进一步再分割成为步骤401a-401d，其中在步骤401a处，选择井控类型(例如，循环或者静态压井操作)，在步骤401b处，选择泥浆流变特性(例如，泥浆密度、泥浆粘度、泥浆屈服点等)，在步骤401c处，获得泥浆泵送速率的期望范围，以及在步骤401d处，获得井套管数据(例如，套管段深度、厚度、破裂和倒塌压力等)。在步骤403中，基于所获得的操作参数来初始化一组模拟操作变量。在步骤405中，基于包括泵送速率和注入体积的该组模拟操作变量来启动水力压裂模拟。

图5示出了根据本公开的一个或者多个实施例的流程图。更具体地，图5示出了与图3的步骤301-303有关的附加细节，用于获得用于随后用在确定井控操作的操作参数的方法中与围绕井的地层有关的地下数据。在步骤501中，获得地下数据。步骤501可以进一步再分割成步骤501a-501d，其中在步骤501a处，获得地层岩相层序，在步骤501b处，获得浅孔隙压力和/或裂缝梯度数据，在步骤501c处，获得来自漏失测试和/或地层完整性测试的数据，在步骤501d处，获得区域地质力学/应力状态数据，以及在步骤501e处，获得岩石特性数据。不同类型的地下数据的实例在图7A、8A、9A、10A、11A、12A以及13A中示出。

在步骤503中，可以基于地下数据计算额外的地层特征。例如，可以基于地下数据计算现场垂直和水平应力分布。本领域技术人员将理解，垂直现场应力或者超负荷可以通过地层深度乘以地层岩石密度、且加上在特殊地层之上的所有地层上的负载来计算。换句话说，垂直现场应力或者超负荷是来自上述作用在特殊下面地层上的总负载。水平最小和最大应力可以使用泊松比(Piossn’s ratio)、孔隙压力、垂直应力以及毕奥常数(Biot'sconstant)来计算。如果地层位于构造活性区域(tectonically active area)上，杨氏模量(Young's modulus)和构造最大和最小应变也可以用于水平应力计算。

在步骤505中，裂缝扩展方向定义为地下地层和应力状态(例如，垂直裂缝或水平裂缝)的研究结果。在步骤507中，基于可提供的地下数据、额外的地层特征、以及扩展方向来确定地质力学模型。在步骤509中，基于地质力学模型来启动水力压裂模拟。

图6示出了根据本公开的一个或者多个实施例的流程图。更具体地，图6示出了根据本文公开的一个或者多个实施例的用于确定在压井操作期间用于裂缝破裂到地表或海床所需泥浆的体积的方法。在步骤601a和601b中，分别获得操作数据和地下数据。操作数据和地下数据可以从例如操作/地下数据储存库211传送，或者可以直接从井操作员处获得。根据本文公开的一个或者多个实施例，操作和地下数据可以由用户输入到操作数据模块207中，或者可以基于来自用户的请求而从操作/地下数据储存库211传送。

根据一个或者多个实施例，操作数据可以包括压井类型(例如，具有或者不具有循环)、泥浆特性、套管深度、以及期望泥浆泵送速率范围。根据一个或者多个实施例，地下数据可以包括岩性地层学、浅孔隙压力、裂缝梯度数据、漏失测试(LOT)和地层完整性测试(FIT)数据、区域地质力学数据(例如，应力状态、以及岩石特性)。地下和操作数据的实例在下文中参考图7-14更加详细地描述。

在步骤603中，基于操作数据定义操作变量。例如，注入深度被定义为最深套管靴的深度，流体注入速率范围被定义为例如期望泵送速率范围的100％到10％，并且定义注入流体特性。

在步骤605中，基于地下数据来识别最小现场应力(水平或者垂直)和/或最小现场应力分布。在步骤607中，建立一个或者多个地质力学模型。在步骤609中，识别裂缝的扩展方向(例如，垂直或者水平)。在步骤611中，初始化模拟软件。模拟软件可以使用本领域已知的任何模拟方法，例如由TerraFRAC^TM软件平台使用的例如平面3D有限元模拟方法。在步骤613中，基于操作数据和地质力学模型来模拟裂缝扩展。在步骤615中，分析裂缝生长图案，例如用以确定裂缝是否已经到达海床或者地表。在步骤617中，确定用于裂缝破裂到地表或者海床所需泥浆的体积范围。

在步骤619中，可以确定压井体积。如本文所使用的，压井体积是表示待泵送到井中以安全压井(即没有引起裂缝破裂到地表或者海床)的泥浆体积的操作参数。可以将压井体积计算为泥浆的总体积，其低于导致裂缝破裂到地表或者海床的估计的体积范围。根据本公开的一个或者多个实施例，可以通过与用于裂缝破裂到地表或者海床所需的计算的泥浆体积一起使用安全因子来确定压井体积。因此，根据本文公开的实施例，压井体积可以通过用于裂缝破裂到地表或者海床所需的泥浆体积分别乘以或者除以小于1或大于1的安全因子来确定。

图7-14示出了根据本文公开一个或者多个实施例的来自表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模和分析的结果。更具体地，图7-14示出了在具有不同地质力学模型和/或不同操作参数的6个不同实例情形下的建模和分析结果的汇总。在图7-14中汇总的结果是在已经被确定为导致破裂到水力压裂裂缝的地表或者海床的操作条件下运行水力压裂模拟的结果。在下文中更加详细地描述每一种情形。在图7-14中示出的每一种情形是对于在井的套管靴处起始的水力压裂裂缝。这些模拟的目的是定义将导致水力压裂裂缝破裂到海床的泥浆注入体积。使用集成了全部3DTerraFRAC^TM水力压裂模拟器软件的M-I SWACO WIToolbox来运行模拟。而且，对于所有模拟，将垂直20英寸套管设置在旋转台下683m的真正垂直深度(TVDBRT)处。侧钻17¹/₂英寸井孔从鞋与1350m TVDBRT之下20m的开始造斜点(KOP)处钻井。而且，在683m和1359m之间的间隔是开口井。此模拟使用静态井控操作，且因此阀是关闭的(没有循环和返回)，且1.46SG泥浆被泵送到封闭系统中。由于压力增加，而生成裂缝，且泥浆流动通过该裂缝进入地层。

使用在实例模拟中用以表征泥浆的操作参数包括泵送速率、泥浆重力(MW)、泥浆塑性粘度(PV)、屈服点(YP)、幂次定律模型系数n和K、以及粘度。用于地下和操作参数的数值的实例分别在图7A和7B中示出。根据本文公开的一个或者多个实施例，输入地质技术(geotechnical)数据、注入流体参数以及注入速率由客户提供。此外，客户可以提供孔隙压力/裂缝梯度(PPFG)数据。使用此数据，对每一层所计算的应力可以用作最小水平应力σ_Hmin输入。孔隙压力还可以使用PPFG数据来设定。

对于在下文图8-14中表示的模拟结果，根据岩石层位学，地质力学模型包括四层：从173m TVDRT到366TVDRT的地层I，从366m TVDRT到472m TVDRT的地层II，从472m TVDRT到683m TVDRT的地层III以及从683m TVDRT到1350mTVDRT的地层IV。

执行压裂模拟，直到裂缝靠近海床为止。为了质量控制而停止模拟的进一步运行，因为在非常浅的深度处，计算可能变得不稳定。朝向海床的增加的裂缝宽度表明了裂缝破裂情况。

图8A汇总了用于情形1的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。泥浆泵送速率被设定为42bpm。地质力学模型包括层1-4。图8A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图8A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中被给定。图8B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间151.60分和总泥浆体积6367bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：234.2m；高度向上生长：438.0m；且高度向下生长：123.2m。不同注入体积处的裂缝轮廓在图8C中示出。

图9B汇总了用于情形2的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。泥浆泵送速率被设定为42bpm。地质力学模型包括层1-4。图9A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图9A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中给定。图9B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间139.5分和总泥浆体积5859bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：238.0m；高度向上生长：438.0m；高度向下生长：96.7m。不同注入体积处的裂缝轮廓在图9C中示出。

图10A汇总了用于情形3的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。泥浆泵送速率被设定为42bpm。地质力学模型包括层1-4。图10A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图10A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和在泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中被给定。图10B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间71.43分和总泥浆体积3001bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：144.9m；高度向上生长：451.4m；且高度向下生长：90.0m。在不同注入体积处的裂缝轮廓在图10C中示出。

图11A汇总了用于情形4的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。泥浆泵送速率被设定为42bpm。地质力学模型包括层1-4。图11A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图11A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和在泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中被给定。图11B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间83.34分和总泥浆体积3501bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：136.8m；高度向上生长：438.9m；且高度向下生长：55.0m。在不同注入体积处的裂缝轮廓在图11C中示出。

图12B汇总了用于情形5的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。泥浆泵送速率被设定为42bpm。地质力学模型包括层1-4。图12A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图12A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中被给定。图12B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间76.19分和总泥浆体积3201bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：146.1m；高度向上生长：434.4m；且高度向下生长：123.9m。在不同注入体积处的裂缝轮廓在图12C中示出。

图13A汇总了使用17bpm泵送速率、用于情形3的建模和分析的输入的地质力学模型。泥浆参数与图7B中示出的相同。地质力学模型包括层1-4。图13A汇总了每一层的顶部和底部位置、每一层的地层类型、每一层的岩性学、每一层的孔隙压力梯度、每一层的孔隙压力、每一层的裂缝梯度、每一层的最小水平应力、每一层的杨氏模量、每一层的断裂韧性、每一层的泊松比、以及每一层的漏失。如图13A所示，每一层的顶部和底部位置在TVDBRT和泥浆线下的真正垂直深度(TVDBML)两者中给定。图13B示出了根据一个或者多个实施例的裂缝轮廓图。对于在此模拟中选择的参数，裂缝破裂到地表/海床发生在时间294.1分和总泥浆体积5001bbl处。最大裂缝尺寸如下：半长度：225.8m；高度向上生长：482.5m；且高度向下生长：117.6m。在不同注入体积处的裂缝轮廓在图13C中示出。

图14示出了用于情形1-6的用于裂缝破裂到地表或者海床所需的计算的注入流体体积的汇总。图14还示出了地下数据，其被选择且对于实例情形1-6中的每一个变化。情形6与情形3在所有方面都相同除了泥浆泵送速率，其被设定为17bpm。根据一个或者多个实施例，导致裂缝破裂到海床的注入流体体积的范围可以通过核查由模拟产生的用于裂缝破裂到海床所需的注入流体体积的范围来确定。因此，对于上文模拟的井和地层，导致裂缝破裂到海床的体积范围是3000bbl到6400bbl。因此，在以42bpm将泥浆注入到井中的井控操作期间，模拟预测出裂缝破裂到海床可能在总注入体积在3000到6400bbl的范围中发生。因此，根据一个或者多个实施例可以安全控制井，通过将注入泥浆体积保持在由系统用于确定用于井控操作的操作参数所预测的泥浆体积的范围之下而减少水力压裂裂缝将到达地表或者海床的风险。在一些实施例中，可以应用安全因子，来提供待用于井控的最大体积。

用于从地表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模和分析的方法和系统可以实际上在任何类型的计算机上实施而无论使用何种平台。例如，如图15中所示，网络计算机系统(1500)包括处理器(1502)、相关联的存储器(1504)、存储装置(1506)、以及众多其它的目前计算机典型的元件和功能。网络计算机(1500)还可以包括输入装置(例如键盘(1508)和鼠标(1510))以及输出装置(例如监视器(1512))。网络计算机系统(1500)经由网络接口连接(未示出)而连接到局域网(LAN)或广域网(例如，因特网)。本领域技术人员将理解，这些输入和输出装置可以采取其它形式。另外，本领域技术人员将理解，上述计算机(1500)的一个或者多个元件可以位于远程位置处且通过网络或者卫星连接到其它元件。

计算机可读介质可以包括软件指令，该软件指令在由处理器执行时，所执行的方法包括：与至少一个油田元件通信，包括发送命令和接收地层的地下数据；处理与井控操作有关的操作数据；基于所接收的地下数据生成地质力学模型；基于操作数据和地质力学模型来模拟水力压裂裂缝的生成和水力压裂裂缝通过地层的扩展；以及确定水力压裂裂缝是否到达地层的上表面。例如，可以将命令发送到井控设备以将钻井泥浆注入到井的环形域中和/或发送到钻井设备以调整钻柱操作。该方法可以进一步包括当确定水力压裂裂缝到达地层的上表面时输出泵送到井中的流体的估计体积。该方法可以进一步包括可视化地显示模拟的水力压裂。该方法还可以包括当水力压裂裂缝没有到达地层的上表面时处理新的操作数据。

井控操作可以包括循环流体井控操作和静态井控操作中的至少一个。处理与井控操作有关的操作数据可以包括基于井控类型、流体数据、以及井套管数据中的至少一个来定义一组模拟参数。生成地质力学模型可以包括基于地下数据来确定地层特征。这样的地层特征可以包括地层的现场应力数据和地层的最小现场应力分布中的一个或者多个。还可以确定水力压裂裂缝的高度、宽度、以及长度和识别裂缝扩展的方向。

根据本文公开的一个或者多个实施例，用于从地表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模及分析的方法和装置可以为井意外事故规划员提供水力压裂裂缝容积保证，该规划员在钻井开始前在具有由弱的和未固结的地层所表征的超负荷的地层内规划压井操作，且在地层处，碰到浅层气的风险可能特别高。

根据本文公开的一个或者多个实施例，用于从地表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模和分析的方法和装置提供用于确定在水力压裂裂缝到达地表或者海床之前可以以给定速率安全地泵送到井中的泥浆体积的范围。因此，该方法和装置提供了一种通过从地表套管靴的浅水力压裂裂缝扩展的数值建模来用于水力压裂裂缝容积保证验证的方法。

根据本文公开的一个或者多个实施例，用于从地表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模和分析的方法和装置提供给客户能够在需要压井时以给定速率安全泵送到井中的泥浆的体积范围的容积保证。根据本文公开的实施例的从地表套管靴的水力压裂裂缝扩展的建模和分析的实施方式增加了井控操作(例如，静态或者循环压井操作)的安全保证，且将输入添加到浅层气意外事故规划过程中。

虽然上文中只详细描述了少数的实例性实施例，但对于本领域技术人员来说将很容易理解，在实质上不背离所公开实施例的范围的情况下，在实例性实施例中很多修改均是可能的。因此，所有这种修改旨被包括在本公开的范围内。在权利要求书中，装置-加-功能的分句旨在覆盖本文中描述的结构为执行所述功能，而不仅是结构上的等价体，也是等同的结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构上的等价体，但是因为钉子采用圆柱的表面将木制部件固定在一起；而螺钉采用螺旋的表面；在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同的结构。除了在权利要求中与相关功能一起使用了词语“装置用于”表述的情况外，申请人的表述旨在不援引35U.S.C§112，段落6来对本文任何权利要求进行任何限制。

Claims (20)

1.一种水力压裂裂缝扩展的建模和分析方法，包括：

获得与围绕井的地层有关的地下数据；

基于所述地下数据建立所述地层的地质力学模型；

获得与井控操作有关的操作数据；

在处理器上执行所述地层的水力压裂模拟，其中所述模拟基于所述操作数据和所述地质力学模型；

确定用于裂缝破裂到所述地层的上表面所需的流体的估计体积；以及

将一体积的泥浆泵送到所述井中以缓和或者控制浅层气流入所述井中，其中，通过应用安全因子以使得泵送的所述泥浆的所述体积小于使所述裂缝破裂到所述地层的所述上表面所需的流体的所述估计体积，泵送的所述泥浆的所述体积在确定的使所述裂缝破裂到所述地层的所述上表面所需的流体的所述估计体积之下。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述地下数据包括：

岩石层位学数据；

地质学测试数据；以及

区域地质力学数据。

3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述操作数据包括：

井控操作的类型；

与用于所述井控操作的流体特性有关的流体数据；

流体泵送速率的期望范围；以及

与待控制的井的套管有关的井套管数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述井控操作的类型是选自由循环流体井控操作和静态井控操作组成的组中的一个。

5.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述操作数据进一步包括基于井控的类型、流体数据以及井套管数据中的至少一个来定义一组模拟参数。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中建立所述地质力学模型进一步包括：

基于所述地下数据来计算地层特征。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述地层特征包括选自由所述地层的现场应力数据集和所述地层的最小现场应力分布组成的组中的至少一个。

8.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括识别裂缝扩展方向。

9.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括基于所述地下数据开始所述模拟。

10.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用一定量的流体来控制所述井，所述一定量少于所述裂缝破裂到地层的上表面所需的流体的所述估计体积。

11.一种水力压裂裂缝扩展的建模和分析系统，包括：

处理器；

存储器；

地质力学模型生成模块，其被配置为生成围绕井的地下地层的地质力学模型；

操作数据生成模块，其被配置为生成与井控类型有关的操作数据，且包括用于在所述处理器上执行的水力压裂模拟的至少一个输入参数；以及

模拟模块，其被配置为基于所述地质力学模型和所述操作数据来执行所述水力压裂模拟，其中所述模拟模块被配置为确定用于裂缝破裂到所述地下地层的上表面所需的流体体积的估计范围，并被配置为将一体积的泥浆泵送到井中以缓和或者控制浅层气流入所述井中，其中，通过应用安全因子以使得泵送的所述泥浆的所述体积小于使所述裂缝破裂到所述地下地层的所述上表面所需的流体体积的所述估计范围，泵送的所述泥浆的所述体积在确定的使所述裂缝破裂到所述地层的所述上表面所需的流体体积的所述估计范围之下。

12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括地表模块，其被配置为基于所述裂缝破裂到地层的上表面所需的流体体积的所述估计范围来执行井控操作。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述地表模块被配置为从油田元件接收地下数据。

14.根据权利要求11所述的系统，进一步包括数据储存库，所述数据储存库链接到地质力学模型生成模块、操作数据生成模块以及所述模拟模块中的至少一个，且被配置为接收、存储和发送操作数据和地下数据中的至少一个。

15.一种包括软件指令的计算机可读介质，所述软件指令在由处理器执行时，执行一种方法，所述方法包括：

与至少一个油田元件通信，包括发送命令和接收地层的地下数据；

处理与井控操作有关的操作数据；

基于所接收的地下数据来生成地质力学模型；

基于所述操作数据和所述地质力学模型来模拟水力压裂裂缝的产生和所述水力压裂裂缝通过地层的扩展；

确定所述水力压裂裂缝是否到达地层的上表面；以及

将一体积的泥浆泵送到井中以缓和或者控制浅层气流入所述井中，其中，通过应用安全因子以使得泵送的所述泥浆的所述体积小于使所述水力压裂裂缝破裂到所述地层的所述上表面所需的流体的体积，泵送的所述泥浆的所述体积在确定的使所述水力压裂裂缝破裂到所述地层的所述上表面所需的流体的所述体积之下。

16.根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中所述发送命令包括发送命令到井控设备以将钻井液注入到井的环形域中。

17.根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中所述发送命令包括发送命令到钻井设备以调整钻柱操作。

18.根据权利要求15所述的包括软件指令的计算机可读介质，所述软件指令在由所述处理器执行时，执行的所述方法进一步包括：当确定所述水力压裂裂缝到达所述地层的上表面时，输出泵送到井中的流体的估计体积。

19.根据权利要求15所述的包括软件指令的计算机可读介质，所述软件指令在由所述处理器执行时，执行的所述方法进一步包括：可视化地显示模拟的水力压裂裂缝。

20.根据权利要求15所述的包括软件指令的计算机可读介质，所述软件指令在由处理器执行时，执行的所述方法进一步包括：当所述水力压裂裂缝没有到达地层的所述上表面时处理新的操作数据。