CN108678672B - 深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，包括以下步骤：步骤1、通过建立区域地震、测井和井位取心资料的响应关系，预测区域横向与纵向岩土力学参数；步骤2、拟定导管相关参数，确定不同施工阶段的井口载荷；步骤3、将不同施工阶段下的井口载荷作为各阶段所需的井口承载能力，根据井口承载能力与最小入泥深度的关系(公式)，确定最小入泥深度；步骤4、确定导管的最大入泥深度；步骤5、在满足所述最小入泥深度和所述最大入泥深度的前提下，确定导管最终入泥深度。本公开用于深水钻井作业中，区域沉积地层横向岩土力学性质突变显著，导管浸泡安全时间窗口窄，导管及表层套管下深设计极端受限的工况，能够对导管置入能力进行准确预测，提高导管置入成功率，同时保证井口稳定性，保证作业施工顺利。

Description

深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法

技术领域

本发明涉及海洋工程测试技术领域，尤其涉及一种深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法。

背景技术

在深水海洋钻井施工中，常采用喷射下导管技术，利用水射流和导管串的重力，边喷射开孔边下导管，导管下至预定井深后，静止导管串，利用地层的粘附力和摩擦力稳固住导管。然而，深水海洋环境较浅水更加恶劣，海底浅部地层沉积环境复杂，软硬互层，颗粒胶结质量差，严重影响钻井井身结构的下深设计，导管及套管下入深度不足可能导致井口下沉等风险，造成严重经济损失。若对浅部地层实施大斜度井或水平井钻井作业，土壤支撑力小，则更容易造成井口失稳的严重后果。深水钻井水下井口上部连接防喷器组及隔水管，下部连接套管串，在钻井作业的不同阶段将承受复杂作用力。

在现有技术中的导管喷射置入的作业方式存在以下问题：

(1)矿区沉积地层横向岩土力学性质突变显著(剥蚀)，邻井地质取心仅能解释取样井且耗时不经济，井位调整后岩土力学与已有取心资料无响应关系；

(2)地层浅部纵向发育多套软硬夹层，导管喷射置入技术易引发流体压穿上部地层问题，破坏海床整体完整性，弱化井口稳定性系数；

(3)浅部地层造斜多使用吸力锚导管置入技术，该技术目前缺乏上部载荷对井口稳定性影响的详细分析。

因此，研究导管高效置入以保证井口稳定的方法是深水浅部地层安全高效钻井的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明人针对现有技术的上述情况，开发了深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其用于深水浅部地层大斜度井及水平井作业，对导管置入能力进行定量和定性预测，提高导管置入成功率，同时保证井口稳定性，保证作业施工顺利。

根据本发明的实施例，提供了一种深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，包括以下步骤：

步骤1、确定入泥导管的类型，获取对应的导管参数；

步骤2、根据所述导管参数、以及地层相关参数，确定不同施工阶段的井口载荷；

步骤3、根据所述不同施工阶段下的井口载荷所需的系统承载能力，计算出导管的最小入泥深度；

步骤4、确定导管的最大入泥深度；

步骤5、在满足所述最小入泥深度和所述最大入泥深度的前提下，进行实际的导管置入施工。

因此，本发明的有益效果主要在于：在深水浅部地层大斜度井及水平井作业中，建立矿区取心资料与周围井位的岩土力学响应关系，避免井位调整后地质资料的缺失导致导管置入设计受限。充分考虑上部横向载荷对超浅地层造斜工具吸力锚和井口稳定性的影响，完善导管置入能力预测，实现导管高效置入，同时保证井口稳定性。创新深水浅部地层导管置入技术方法，提高导管置入成功率及井口稳定的稳定性，保证作业施工顺利。

附图说明

图1至4为根据本发明的实施例的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法的流程示意图；

图5为根据本发明的实施例的测井约束地震反演处理的流程示意图；

图6为根据本发明的实施例的区域岩土力学及地应力场分析流程的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

1、本发明的构思概要

如图1所示，本发明的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法主要通过以下方面来实现：

1)首先，选取入泥导管的类型，即，确定导管的浮重、长度、壁厚等固定参数；

2)确定不同施工阶段的井口载荷，

3)根据由此所需的系统实时承载能力(不会发生井口失稳的情况)，反推出最小入泥深度；

4)进一步确定最大入泥深度；

5)在满足所述最小入泥深度和所述最大入泥深度的前提下，进行实际的导管置入施工。

下面通过实施例，具体说明上述各个方面的实现过程。

2、土壤实时承载能力的计算原理

1)首先，通过现场土壤取样、室内试验、数据拟合，得到土壤平均抗剪强度，计算公式为：

其中，Su_ave为土壤平均抗剪强度；L为导管入泥深度，a和b为通过实验(例如，土壤取心后的实验)获得的参数。

可选地，在难以进行上述实验的情况下，也可通过模型计算而得到土壤平均抗剪强度Su_ave，如下所述。需要说明的是，本领域的技术人员能够理解下述“测井约束地震反演处理”、以及“区域岩土力学及地应力场分析流程”中涉及的各个步骤的原理和实现方式，为了简明起见，下面省略说明各个步骤的细节。

首先，进行三维地震资料反演。

三维地层岩土力学参数计算的首要步骤便是精确求取三维层速度数据，利用地震反演技术进行三维地震资料反演是目前获取三维层速度数据的主要途径。地震反演技术就是充分利用测井、钻井、地质资料提供的构造、层位、岩性等信息，从常规的地震剖面推导出地下地层的波阻抗、密度、速度等岩土属性信息。地震反演分为井约束反演以及无井约束反演2种，前者应用较多，它能提供高分辨率的反演结果。无井约束反演分辨率较低，一般用来满足新探区无探井情况下的勘探需要。

作为本发明的实施例，采用测井约束下的波阻抗反演技术，波阻抗是岩土密度与纵波速度的乘积，利用地震资料反演出波阻抗以后即可求取岩土层速度。测井约束地震反演技术是一种基于模型的反演技术，以地震解释建立的地质模型为基础，将纵向上高分辨率的测井资料和横向上高密度的地震资料相结合，以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分弥补地震有限带宽的不足，以单井测井资料和地震解释层位结果作为约束条件，通过迭代反演对地质模型进行不断反复修改，求取精度较高的优化宽带波阻抗模型，进而推算出高分辨率的地层波阻抗、密度和速度等岩土物性资料。测井约束地震反演处理流程如图5所示。

从原始的地震、测井和层位等资料到经过测井约束反演得出三维层速度数据一般包括如下如下7个步骤：

(1)测井资料处理，测井资料通常受井径、泥浆浸泡等环境因素的影响，会产生误差，所以在反演之前必须对测井资料进行校正，主要包括去除异常点、中值滤波、平滑、分层等校正过程；

(2)地震层位解释，地震层位是建立初始模型需要的基础信息之一，层位解释越准确，建立的初始模型就越接近实际情况；

(3)合成地震记录及井震关系匹配，利用声波和密度测井制作合成地震记录的主要目的是对测井曲线进行时深标定，让测井曲线在地震剖面中处于正确地位置，也就是使井震关系达到合理的匹配，合成地震记录主要是通过地震子波与反射系数序列的褶积来实现；

(4)地震子波的提取，子波提取是基于模型反演中的关键因素，根据提取方法的不同可以将子波分为统计子波、基于井资料建立的子波、里克子波等几种类型；

(5)初始波阻抗模型的建立，就是将利用测井资料建立的声波阻抗曲线结合地震层位进行井间内插和外推，建立整个三维空间的初始波阻抗模型；

(6)反演计算，根据建立的初始模型，该方法通过迭代修改模型直到来自综合轨迹的结果在某一范围内和地震轨迹吻合，即可认为该模型就是实际的地质模型，进而可以推算出波阻抗、声波和密度等岩土物性参数；

(7)时深转换

时深转换就是利用解释的时深关系将将通过地震资料反演获得的时间域信息转换到深度域信息，例如将时间域的层速度数据体转换为深度域的层速度数据体，便于下一步的三维地层岩土力学参数计算。

接下来，根据三维层速度预测区域岩土学参数。

如图6所示，借助地震资料，反演出地层波阻抗，结合已确定的岩土力学及地应力解释模型，即可获得研究区域岩土力学参数和地应力场，所述力学参数之中包括上述土壤平均抗剪强度Su_ave。

2)之后，计算导管初始承载能力。

导管经喷射下入到最终深度时，其初始承载能力Q₀：

Q₀＝R·(W_cond+W_LPWH+w_JP·L+W_CADA+W_Mud-Mat) (2)

W_cond＝w₁·L_上+w₂·(L-L_上) (3)

式中，R为钻压利用率(可取0.8～1.0)；W_cond为导管浮重；W_LPWH为低压井口头浮重；w_JP为喷射管柱单位长度浮重；W_CADA为CADA工具浮重；W_Mud-Mat为防沉板浮重；w₁为1.5"壁厚导管单位长度浮重；L_上为上部导管长度；w₂为相应壁厚(例如1.0")导管单位长度浮重；L为导管入泥深度。

3)最后，经静置时间t后，如下计算导管实时承载能力Q_t：

Q_t＝Q₀+SETUP＝Q₀+Δα_t·π·D·L·Su_ave (4)

式中，SETUP：土壤恢复力；Δα_t：土壤强度恢复因子；D：导管直径；L：导管入泥深度；

其中，土壤强度恢复因子Δα_t可表示为：

式中，k为恢复系数；t为导管静置时间；σ_H为地层最大水平主应力；σ_h为地层最小水平主应力，p_p为地层孔隙压力，a、b和c为通过实验获得的常量。

3、确定不同施工阶段下的实时承载能力与井口载荷

设计导管入泥深度的原则为保证导管能够承受最危险工况下的载荷。

Q_t≥Load (6)

式中，Q_t为土壤实时承载能力，Load为井口载荷。在不同施工阶段Q_t与Load不同，需要分别进行计算，校核不同施工阶段最小入泥深度。

1)喷射到位后与CADA解锁阶段(图2)

导管喷射到位，经浸泡时间后与CADA解锁时是最容易发生下沉的工况之一。

此阶段的井口载荷Load₁可计算如下：

Load₁＝W_cond+W_LPWH+W_CADA+W_Mud-Mat (7)

基于上述公式(4)，可计算出本阶段的土壤实时承载能力Q_t1。

Q_t1＝Q₀+Δα_t·π·D·L₁·Su_ave (8)

其中，L₁为本阶段的最小入泥深度。

2)表层套管固井阶段(图3)

导管入泥深度设计最本质的前提就是假设导管能够承受固井时的井口载荷，并利用局部安全系数FS1和FS2保留一定的安全余量，确保固井时井口不会发生下沉。

此阶段的井口载荷可计算如下：

Load₂＝FS₁·(W_cond+W_WH+W_Mud-Mat)+FS₂·W_landed (9)

W_landed＝W₁+W₂+W₃+W₄-W₅ (10)

基于上述公式(4)，可计算出本阶段的土壤实时承载能力Q_t2。

Q_t2＝Q₀+Δα_t·π·D·L₂·Su_ave (11)

式中，Load₂为井口载荷；W_WH为高低压井口头浮重；W_landed为表层套管固井时井口载荷；W₁为空气中表层套管重量；L₂为本阶段的最小入泥深度；W₂为空气中固井管柱重量；W₃为表层套管与固井管柱环形空间内海水重量；W₄为固井管柱中水泥浆及其底部口袋重量；W₅为表层套管排开钻井液重量；FS₁、FS₂为局部安全系数，通常FS₁取1.0，FS₂取1.3。

3)BOP(井口防喷器)与LMRP(底部隔水管总成)紧急脱离阶段(图4)

在防喷器坐上井口之后，当遇到紧急情况需要脱离隔水管时，这时需要校核井口是否能承受住防喷器的重量。

该阶段中：

Load₃＝W_BOP+W_cond+W_WH+W_Mud-Mat+W_casing+W_Mud+W_water (12)

Q_t3＝Q_con+Q_cas (13)

Q_con＝Q₀+Δα_t·π·D·L₃·Su_ave1 (14)

Q_cas＝Δα_t·π·d·L_cas·Su_ave2 (15)

式中，Load₃为井口载荷；W_BOP为防喷器浮重；W_casing为表层套管浮重；W_Mud为固井水泥重量；W_water为套管中海水重量。

Q_t3为井口实时承载能力，Q_con为导管实时承载能力，Q_cas为套管承载能力；d为套管直径；L₃为本阶段的导管入泥深度；L_cas为套管入泥深度；Su_ave1为导管段土壤平均抗剪强度；Su_ave2为套管段土壤平均抗剪强度。上述土壤平均抗剪强度可为实验测试而得。

4、确定满足井口稳定条件的导管最小入泥深度

基于公式(6)，在各个阶段，需要满足的井口稳定条件包括：

1)喷射到位后与CADA解锁阶段：Q_t1≥Load₁

2)表层套管固井阶段：Q_t2≥Load₂

3)BOP与LMRP紧急脱离阶段：Q_t3≥Load₃

通过上述计算验证，得到在同时满足上述三个条件的情况下的三个最小入泥深度为L₁、L₂、L₃，取其中最大值为整个施工阶段的最小入泥深度L_min，以保证安全作业。

具体地，分别确定满足上述条件(公式(6))的Q_t1、Q_t2、Q_t3的边界值，然后利用这些边界值，从公式(8)、(11)、(13)反推出L₁、L₂、L₃。

5、确定导管最大入泥深度

导管最大下入深度校核如下：

W_ALL+f≤ηT (16)

W_ALL＝W_dp+W_co_nd+W_HWDP+W_LPWH+W_CADA+W_Mud-Mat+W_JP+W_DC (17)

f＝π·D·L·Su_ave (18)

式中，W_ALL为钻井管串的总重量，f为导管喷射过程中受到的总摩擦力；D为导管直径；L为导管最大入泥深度；Su_ave为土壤平均抗剪强度；η为钻杆极限抗拉力的最大利用率，对于钻杆通常取0.9；T为普通钻杆极限抗拉力。

W_dp为普通钻杆浮重，W_cond为导管浮重，W_HWDP为加重钻杆浮重，W_Mud-mat为防沉板浮重，W_JP为泥线下喷射管柱浮重，W_DC为钻铤浮重。

从上述数学关系反推计算所得L即为导管最大入泥深度L_max，即，确定满足公式(16)的f的边界值，然后用f的边界值，从公式(18)反推出L。

最终导管入泥深度在最小入泥深度L_min和最大入泥深度L_max之间取值。

由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各个修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。更具体地，可重新安排步骤的次序，可并行执行步骤，可省略步骤，可包括其它步骤，可作出例程的各种组合或省略。因而，本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (8)

1.一种深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，包括以下步骤：

步骤1、确定入泥导管的类型，获取对应的导管参数；

步骤2、根据所述导管参数、以及地层相关参数，确定各个施工阶段各自的井口载荷，其中，所述各个施工阶段包括喷射到位后与CADA解锁阶段、表层套管固井阶段、BOP与LMRP紧急脱离阶段；

步骤3、根据所述各个施工阶段下的井口载荷所需的系统承载能力，计算出各个施工阶段的导管的各自最小入泥深度；

步骤4、确定导管的最大入泥深度；

步骤5、进行实际的导管置入施工，其中，导管的最终入泥深度在所述最小入泥深度和所述最大入泥深度之间，

其中，步骤2包括：

步骤2-1、如下计算喷射到位后与CADA解锁阶段的井口载荷Load₁：

Load₁＝W_cond+W_LPWH+W_CADA+W_Mud-Mat (7)

其中，W_cond为导管浮重，W_LPWH为低压井口头浮重，W_CADA为CADA工具浮重，W_Mud-Mat为防沉板浮重，

其中，步骤3包括：

步骤3-1、获取满足条件Q_t1≥Load₁的Q_t1的边界值，

其中，Q_t1为喷射到位后与CADA解锁阶段的系统承载能力，

将Q_t1的边界值代入以下公式，确定喷射到位后与CADA解锁阶段的最小入泥深度L₁

Q_t1＝Q₀+Δα_t·π·D·L₁·Su_ave (8)

其中，Q₀为初始承载能力，Su_ave为土壤平均抗剪强度，D为导管直径，Δα_t为土壤强度恢复因子。

2.根据权利要求1所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，

其中，步骤2包括：

步骤2-2、如下计算表层套管固井阶段的井口载荷Load₂：

Load₂＝FS₁·(W_cond+W_WH+W_Mud-Mat)+FS₂·W_landed (9)

W_landed＝W₁+W₂+W₃+W₄-W₅ (10)

其中，W_WH为高低压井口头浮重；W_landed为表层套管固井时井口载荷；W₁为空气中表层套管重量；W₂为空气中固井管柱重量；W₃为表层套管与固井管柱环形空间内海水重量；W₄为固井管柱中水泥浆及其底部口袋重量；W₅为表层套管排开钻井液重量；FS₁、FS₂为局部安全系数，

其中，步骤3包括：

步骤3-2、获取满足条件Q_t2≥Load₂的Q_t2的边界值，

其中，Q_t2为表层套管固井阶段的系统承载能力，

将Q_t2的边界值代入以下公式，确定表层套管固井阶段的最小入泥深度L₂

Q_t2＝Q₀+Δα_t·π·D·L₂·Su_ave (11)。

3.根据权利要求2所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，

其中，步骤2包括：

步骤2-3、如下计算BOP与LMRP紧急脱离阶段的井口载荷Load₃：

Load₃＝W_BOP+W_cond+W_WH+W_Mud-Mat+W_casing+W_Mud+W_water (12)

其中，W_BOP为防喷器浮重，W_casing为表层套管浮重，W_Mud为固井水泥重量，W_water为套管中海水重量；

其中，步骤3包括：

步骤3-3、获取满足条件Q_t3≥Load₃的Q_t3的边界值，

其中，Q_t3为BOP与LMRP紧急脱离阶段的系统承载能力，

将Q_t3的边界值代入以下公式，确定本施工阶段的最小入泥深度L₃

Q_t3＝Q_con+Q_cas (13)

Q_con＝Q₀+Δα_t·π·D·L₃·Su_ave1 (14)

Q_cas＝Δα_t·π·d·L_cas·Su_ave2 (15)

式中，Q_con为导管实时承载能力，Q_cas为套管承载能力，d为套管直径，L_cas为套管入泥深度，Su_ave1为导管段土壤平均抗剪强度，Su_ave2为套管段土壤平均抗剪强度。

4.根据权利要求1至3中的一个所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其中，根据原始的地震、测井和层位资料，经过测井约束反演，得出三维层速度数据，根据所述三维层速度数据预测区域岩土力学参数，所述区域岩土力学参数包括所述土壤平均抗剪强度。

5.根据权利要求3所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其中，步骤3包括：

步骤3-4、选取L₁、L₂、L₃中的最大值，作为整个施工阶段的最小入泥深度。

6.根据权利要求1至3中的一个所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其中，如下确定导管初始承载能力：

Q₀＝R·(W_cond+W_LPWH+w_JP·L+W_CADA+W_Mud-Mat) (2)

W_cond＝w₁·L_上+w₂·(L-L_上) (3)

其中，R为钻压利用率；w_JP为喷射管柱单位长度浮重；w₁为1.5"壁厚导管单位长度浮重；L_上为上部导管长度；w₂为导管单位长度浮重；L为导管入泥深度。

7.根据权利要求1至3中的一个所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其中，步骤4包括：

步骤4-1、确定满足以下条件的f的边界值：

W_ALL+f≤ηT (16)，

其中，W_ALL为钻井管串的总重量，f为导管喷射过程中受到的总摩擦力，η为钻杆极限抗拉力的最大利用率，T为普通钻杆极限抗拉力，

步骤4-2、将f的边界值代入以下公式，确定导管最大入泥深度L：

W_ALL＝W_dp+W_cond+W_HWDP+W_LPWH+W_CADA+W_Mud-Mat+W_JP+W_DC (17)

f＝π·D·L·Su_ave (18)

其中，W_dp为普通钻杆浮重，W_cond为导管浮重，W_HWDP为加重钻杆浮重，W_LPWH为低压井口头浮重，W_CADA为CADA工具浮重，W_Mud-mat为防沉板浮重，W_JP为泥线下喷射管柱浮重，W_DC为钻铤浮重，D为导管直径，Su_ave为土壤平均抗剪强度。

8.根据权利要求1所述的深水浅部复杂岩性地层导管高效置入及井口稳定预测方法，其中，所述导管参数包括导管的浮重、长度、壁厚、直径。

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