CN107016219A - 一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统，其中，方法包括：建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则进行预警。本申请具有操作简单的特点，能够节约随钻地震费用，降低钻井成本。

Description

一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统

技术领域

本申请属于油气勘探开发技术领域，尤其涉及一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统。

背景技术

碳酸盐岩储层中因裂缝、孔洞的发育，造成钻井过程中放空现象时有发生，放空现象的发生会导致严重的事故和经济损失。现有的随钻地震技术可以预测裂缝、孔洞的存在，然而采用随钻地震技术存在费用昂贵且操作复杂的问题。放空预警一直是国际难题，有效预警碳酸盐岩储层钻井放空备受石油公司和钻井工程师的关注。

发明内容

本申请提供一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统，用于解决现有技术中随钻地震技术预测裂缝、空洞存在操作复杂，费用昂贵的问题。

本申请的一技术方案为提供一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，包括：

建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；

根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；

监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；

将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则进行预警。

本申请还提供一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统，包括：

力学模型建立模块，用于建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；

钻头反扭矩变化规律确定模块，用于根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；

监测模块，用于监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；

预测模块，用于将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有洞模式下砖头反扭矩的变化规律，则进行预警。

本申请通过利用地应力对钻头钻进过程中反扭矩的影响，发明了碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法及系统，可用于预警碳酸盐岩储层钻井过程中放空现象的发生，解决了在没有随钻地震情况下预测孔洞的难题，填补了碳酸盐岩储层钻井中避免放空的国际空白，为碳酸盐岩储层油气勘探与开发提供技术支持。本申请节约了随钻地震费用，降低了钻井成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A及图1B分别为本申请实施例的有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐储层井眼轨迹；

图2A及图2B分别为本申请实施例的有孔洞模式及无孔洞模式下深度-畸变能密度曲线；

图3A及图3B分别为本申请实施例的有孔洞模式及无孔洞模式下深度-钻头反扭矩曲线；

图4为本申请实施例的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法的流程图；

图5为本申请实施例的碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统的结构图。

具体实施方式

为了使本申请的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本申请的技术方案做进一步说明，本申请也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本申请的保护范畴。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“一些实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

储层岩石受到地应力作用，其中存贮了一定的形变能，谓之畸变能密度。碳酸岩盐储层中大裂缝和溶洞周边的地应力场不同于无缝、无洞连续储层的地应力场。地应力的不同势必导致储层畸变能密度的不同，进而影响钻头钻进过程中的反扭矩，现有技术中，还未见储层畸变能密度与钻头反扭矩之间关系的研究，申请人正是分析了碳酸盐岩储层畸变能密度与钻头反扭矩之间的关系之后才能出了本申请要求保护的技术方案。下面详细说明如何得到钻头反扭矩与储层畸变能密度的定量关系的：

步骤一：建立有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层的力学模型。

步骤二：分别确定有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层的井眼轨迹，根据有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层的力学模型计算相应模式下碳酸盐岩储层井眼轨迹上各点的畸变能密度。

详细的说，有孔洞模式及无孔洞模式的井眼轨迹为钻井前需要设计的轨迹，如图1A及图1B所示，用于提供井眼轨迹上各点的坐标，用(x,y,z)表示。

碳酸盐岩储层井眼轨迹上各点的畸变能密度可用深度-畸变能密度曲线表示，如图2A及图2B所示，碳酸盐储层有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层力学模型的顶面深度为6000m，有孔洞模式下，碳酸盐岩储层畸变能密度与深度之间为非线性关系(图2A)，无孔洞模式下，碳酸盐岩储层畸变能密度与深度之间为线性关系(图2B)。

步骤三：根据步骤一中确定的有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层的力学模型分别实验确定有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层钻头钻进过程中的反扭矩。

同样，碳酸盐岩储层钻头钻进过程中的反扭矩可用深度-钻头反扭矩曲线表示，如图3A及图3B所示，碳酸盐储层有孔洞模式及无孔洞模式下碳酸盐岩储层力学模型的顶面深度为6000m，有孔洞模式下，碳酸盐岩储层钻头反扭矩与深度之间为非线性关系(图3A)，无孔洞模式下，碳酸盐岩储层钻头反扭矩与深度之间为线性关系(图3B)。

步骤四：根据步骤二及步骤三中得到的值，分别确定有孔洞模式及无孔洞模式下钻头反扭矩与储层畸变能密度的定量关系。储层畸变能密度大，易破碎，钻头产生的反扭矩较大，储层畸变能密度小，不易破碎，钻头产生的反扭矩较小。

根据相似原理，在等比例缩小钻进模型，实验测定不同上覆岩层压力条件下钻头反扭矩与储层畸变能密度的关系。经过多次实验可得，钻头反扭矩与畸变能密度呈正比例关系，定量关系可通过如下公式表示：

M_bt＝kU_d+c

其中，M_bt为钻头钻进过程中的反扭矩，N˙m；U_d为储层畸变能密度，MPa；k、c为实验参数，无量纲量。

由上述分析可知，钻头反扭矩的变化规律能够代表储层畸变能密度的变化规律。基于上述分析，考虑到储层畸变能密度能够反映地应力场不同，地应力场不同能够反映是否有孔洞或裂缝，因此，本申请得出了通过实钻过程中钻头反扭矩的变化规律来预测是否有孔洞或裂缝的技术方案。

一具体实施方式中，上述步骤一中，建立有孔洞模式碳酸盐岩储层力学模型的过程包括：

1)确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型。

具体的，几何模型包括孔洞深度，孔洞长轴及短轴长度，几何模型的边界条件，孔洞周围的围岩边界至少为孔洞长轴、短轴的5倍。

2)确定碳酸盐岩储层的物理力学参数。

具体的，物理力学参数包括岩石弹性模量E，岩石泊松比μ，Biot系数，构造应变系数ε_H、ε_h，内摩擦角，黏聚力，抗拉强度。其中，构造应变系统ε_H、ε_h为井眼实测数据，不同的地区有不同的平均值。实施时，可参考国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》测定碳酸盐岩储层的上述物理力学参数。

3)根据几何模型上覆岩层压力及物理力学参数确定碳酸盐岩储层垂向地应力，水平最大主应力及水平最小主应力。水平最大主应力及水平最小主应力计算公式如下：

其中，σ_v为垂向地应力，MPa；h_i为第i层岩性地层的厚度，m，计算时，将顶面深度以上底层的自重压力施加到模型顶面；ρ_i为第i层岩性地层的岩石密度，g/cm³；n表示不同岩性的岩层数目；g为重力加速度，取9.8m/s²；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；α为Biot系数；ε_H、ε_h为构造应变系数；P_p为储层压力，也就是孔隙流体的压力。

4)根据所述几何模型及边界应力条件确定有孔洞模式碳酸盐岩储层各点的地应力。

实施时，步骤1)、步骤2)及步骤3)中的几何模型顶面深度为用户设定值，步骤3)边界应力计算及步骤4)可通过现有的建模软件实现，本申请对此不再详细赘述。

建立无孔洞模式盐酸盐岩储层力学模型的过程包括：

1')确定无孔洞模式碳酸盐储层的几何模型。

具体的，无孔洞碳酸盐储层几何模型的边界尺寸与有孔洞碳酸盐岩储层几何模型的边界尺寸相同。

2')确定碳酸盐岩储层的物理力学参数。

3')根据所述物理力学参数确定碳酸盐岩储层垂向地应力，水平最大主应力及水平最小主应力。各应力的计算公式参见步骤3)。

4')根据所述几何模型及边界应力条件确定所述有无洞碳酸盐岩储层各点的地应力。

实施时，步骤1')、步骤2')及步骤3')中的几何模型顶面深度为用户设定值，步骤3)边界应力计算及步骤4)可通过现有的建模软件实现，本申请对此不再详细赘述。

一具体实施方式中，上述步骤二中，对于有孔洞模式，从距离洞顶10m的位置开始，每间隔固定距离(如1m)的位置计算各个深度的畸变能密度，碳酸盐岩储层井眼轨迹上各点的畸变能密度可通过如下公式计算：

其中，U_d为碳酸盐岩储层井眼轨迹上一点的畸变能密度，MPa；σ_v为垂向地应力，MPa；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；E为岩石的弹性模量，MPa。

如图4所示，图4为本申请实施例的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法的流程图。本实施例解决了在没有随钻地震情况下预测孔洞的难题，填补了碳酸盐岩储层钻井中避免放空的国际空白，为碳酸盐岩储层油气勘探与开发提供技术支持。具体的，包括：

步骤401：建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型。

步骤402：根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律。

步骤403：监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律。实施时，监测实际钻进过程中最近N米内测得的钻头反扭矩的变化规律。

步骤404：将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则进行预警，准备完钻。

若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律不符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则继续钻进。

本实施例具有操作简单的特点，节约了随钻地震费用，降低了钻井成本。

上述步骤401建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型的过程包括：确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型及几何模型顶面深度；确定碳酸盐岩储层的物理力学参数；根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件；根据几何模型及边界应力条件确定所述有孔洞碳酸盐岩储层各点的地应力。

具体的，根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件的计算公式如下：

其中，σ_v为垂向地应力，MPa；h_i为第i层岩性地层的厚度，m，计算时，将顶面深度以上底层的自重压力施加到模型顶面；ρ_i为第i层岩性地层的岩石密度，g/cm³；n表示不同岩性的岩层数目；g为重力加速度，取9.8m/s²；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；α为Biot系数；ε_H、ε_h为构造应变系数；P_p为储层压力，也就是孔隙流体的压力。

如图5所示，图5为本申请实施例的碳酸盐岩储层钻井放空预警系统的结构图。具体的，放空预警系统包括：

力学模型建立模块501，用于建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；

钻头反扭矩变化规律确定模块502，用于根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；

监测模块503，用于监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；

预测模块504，用于将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律分别与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有洞模式下砖头反扭矩的变化规律，则进行预警，准备完钻。若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律不符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则继续钻进。

实施时，力学模型建立模块501建立有孔洞碳酸盐岩储层的力学模型的过程包括：确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型及几何模型顶面深度；确定碳酸盐岩储层的物理力学参数；根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件；根据所述几何模型及边界应力条件确定有孔洞碳酸盐岩储层各点的地应力。

其中，力学模型建立模块501确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型包括：确定孔洞深度，孔洞长轴及短轴长度，几何模型的边界条件。

力学模型建立模块501根据所述物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件的计算公式如下：

其中，σ_v为垂向地应力，MPa；h_i为第i层岩性地层的厚度，m，计算时，将顶面深度以上底层的自重压力施加到模型顶面；ρ_i为第i层岩性地层的岩石密度，g/cm³；n表示不同岩性的岩层数目；g为重力加速度，取9.8m/s²；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；α为Biot系数；ε_H、ε_h为构造应变系数；P_p为储层压力，也就是孔隙流体的压力。

实施时，监测模块503监测的为实际钻进过程中最近N米内测得的钻头反扭矩变化规律。

本实施例提供的碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统能够解决在没有随钻地震情况下预测孔洞的难题，填补了碳酸盐岩储层钻井中避免放空的国际空白，为碳酸盐岩储层油气勘探与开发提供技术支持。具有操作简单，节省钻井成本的特点。

以上所述仅用于说明本申请的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本申请的权利保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (9)

1.一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，其特征在于，包括：

建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；

根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；

监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；

将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律，则进行预警。

2.如权利要求1所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，其特征在于，建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型的过程包括：

确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型及几何模型顶面深度；

确定碳酸盐岩储层的物理力学参数；

根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件；

根据几何模型及边界应力条件确定有孔洞模式碳酸盐岩储层各点的地应力。

3.如权利要求2所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，其特征在于，确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型包括：

确定孔洞深度，孔洞长轴及短轴长度，几何模型的边界条件。

4.如权利要求2所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，其特征在于，根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件的计算公式如下：

其中，σ_v为垂向地应力，MPa；h_i为第i层岩性地层的厚度，m；ρ_i为第i层岩性地层的岩石密度，g/cm³；n表示不同岩性的岩层数目；g为重力加速度，取9.8m/s²；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；α为Biot系数；ε_H、ε_h为构造应变系数；P_p为储层压力。

5.如权利要求1所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警方法，其特征在于，监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律进一步为：

监测实际钻进过程中最近N米内测得的钻头反扭矩的变化规律。

6.一种碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统，其特征在于，包括：

力学模型建立模块，用于建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型；

钻头反扭矩变化规律确定模块，用于根据有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型实验确定有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律；

监测模块，用于监测实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律；

预测模块，用于将实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律与有孔洞模式下钻头反扭矩的变化规律进行对比，若实际钻进过程中钻头反扭矩的变化规律符合有洞模式下砖头反扭矩的变化规律，则进行预警。

7.如权利要求6所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统，其特征在于，所述力学模型建立模块建立有孔洞模式碳酸盐岩储层的力学模型的过程包括：

确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型及几何模型顶面深度；

确定碳酸盐岩储层的物理力学参数；

根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件；

根据几何模型及边界应力条件确定有孔洞碳酸盐岩储层各点的地应力。

8.如权利要求7所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统，其特征在于，所述力学模型建立模块确定有孔洞碳酸盐岩储层的几何模型包括：

确定孔洞深度，孔洞长轴及短轴长度，几何模型的边界条件。

9.如权利要求7所述的碳酸盐岩储层钻井放空的预警系统，其特征在于，所述力学模型建立模块根据几何模型顶面深度及物理力学参数确定碳酸盐岩储层边界应力条件的计算公式如下：

其中，σ_v为垂向地应力，MPa；h_i为第i层岩性地层的厚度，m；ρ_i为第i层岩性地层的岩石密度，g/cm³；n表示不同岩性的岩层数目；g为重力加速度，取9.8m/s²；σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；α为Biot系数；ε_H、ε_h为构造应变系数；P_p为储层压力。