CN111155962B - 用于提高套管井筒完整性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于井下作业领域，具体涉及一种用于提高套管井筒完整性的方法和系统。本发明所述的用于提高套管井筒完整性的方法包括如下步骤：1)识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移机率较高的至少一个弱面；2)向所述裸眼井筒提供高压流体，在所述裸眼井筒内沿着至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏来引起所述断层滑移；3)移除所述裸眼井筒内表面的材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得所述裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面；4)沿着恢复的所述裸眼井筒布置和固结井套管，获得完整性改善的套管井筒。本发明公开的方法和系统可以防止或减轻断层滑移引起的套管井筒损伤。

Description

用于提高套管井筒完整性的系统和方法

优先权申请

本申请要求(i)2019年1月15日提交的美国专利申请US 62792834“Methods forMitigation Fault Reactivation Induced Casing Damage”，以及(ii)2019年11月23日提交的美国专利申请US 16693224“System and Method for Improving Integrity ofCased Wellbores”的优先权，这两件优先权美国专利申请以引用方式全文并入。

技术领域

本发明属于井下作业领域，涉及水力压裂，具体涉及一种用于改善套管井筒的完整性的方法和系统。

背景技术

水力压裂法是改造油气藏从而提高油气产量的标准做法。在水力压裂处理过程中，流体被加压注入井筒以克服岩石的断裂强度。因此，一个或多个水力压裂裂缝在井筒起裂，随后由井筒向储层深处扩展，直至注入停止。最终，原油或天然气通过水力裂缝这一导流通道迁移至井筒并被带到地面。水力压裂法也用于防止在松散岩层中的井筒出砂和提高地热系统的热量提取。

水力压裂通常在套管井筒内进行。套管井筒的建设开始于将裸眼井筒钻至目标深度。然后，钢制套管被下入到裸眼井筒中，并使用水泥在套管外侧与裸眼井筒结合(即固井)。固井后(即裸眼井筒制成套管井筒)，再使用井下工具(例如射孔枪)在井筒壁上开孔，该孔打穿套管、水泥环，并进入地层一定距离。在套管井筒上开孔的目的是在储层和井筒之间建立联络通道。最后，通过高压注入流体，将整个井筒长度或其一部分所穿过的地层水力压裂。

预先存在的弱面(weak plane)是一种常见的地质特征，表现为多种形式。地层弱面是由构造运动引起的岩体脆性破坏形成的。本领域技术人员都知道，存在互锁或弱结合平面的岩石比其完整形式具有更弱的强度。在受力过程中，岩石破坏首先会沿该平面发生。因此，弱结合平面通常称为弱面。弱面的破坏受表面摩擦和接触属性控制，表现为临界条件下发生接触面的相对滑动或滑移(即剪切运动)。弱面的典型形式是节理和断层。尽管成因相似，节理也称天然裂缝，其与断层的不同之处在于其相对错位量不明显。地层中的弱面可能由具有特定走向和倾角的多条裂缝组成。为清楚起见，“断层”在本文中用作广义术语，表示地下中所有类型的预先存在的弱面。

在某些极端情况下，断层滑移(也称为断层再活化)可能对井筒完整性有害。在水力压裂或注水作业中，地震监测可以捕捉弱面剪切滑移期间产生的地震事件。通常情况下，观测到的微地震事件不具有破坏性，因为它的震级较小并且发生在远离井筒的地方，所以套管和水泥环组成的套管井筒不受此类弱面滑移的影响。然而，现场观察表明在一些构造活动区，如果井筒穿过断层同时诱发的滑移大于一定量级(例如几厘米)，滑移则会导致固结在裸眼内的钢制套管发生严重的几何变形。套管几何形状的畸变会导致严重的后果，并且难以修复。严重变形的套管会阻碍井下工具在井筒中的移动和操作，甚至使得后续的井下作业变得无法实施。同时，套管损伤也会在其整个生产作业寿命期间带来极大地安全和环境隐患。

目前，防止断层滑移引起套管损伤的主要手段是采用高级钢和大壁厚的套管，来提高套管抗压和抗剪切强度，或者通过在套管外安装特定装置来缓冲断层滑移对套管冲击。但是，研究表明，断层一旦滑移，套管能抗拒的强大剪切作用力和缓冲装置可以吸收断层滑移的能量是非常有限的，因此，从套管材料或井下装置角度来预防和减缓断层滑移引起的套管损伤问题有非常大的局限性。因此可以认为，目前还没有一种有效的预防或降低因断层滑移所引发的套管变形的方法。

基于以上内容，需要开发出的新的方法和工具来防止或减轻套管井筒因断层再活化引起的套管损坏，尤其是能够与当前现场实践和程序兼容的方法和工具。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于提高套管井筒完整性的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于提高套管井筒完整性的方法，所述方法包括如下步骤：

1)识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移机率较高的至少一个弱面；

2)向所述裸眼井筒提供高压流体，在所述裸眼井筒内沿着至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏来引起所述的断层滑移；

3)移除所述裸眼井筒内表面的材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得所述裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面；

4)沿着恢复的所述裸眼井筒布置和固结井套管，获得完整性改善的套管井筒。

本发明所述的材料具体是指损伤处的岩石。由于断层滑移的产生影响井筒表面的平滑形状，因此需要将损伤处的岩石移除。

进一步，所述裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。

进一步，所述方法还包括预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率。

进一步，上述预测所述裸眼井筒中断层滑移的发生机率包括以下步骤：

1)确定至少一个弱面的剪切强度；

2)确定作用在至少一个弱面的剪切应力；

3)判断所述剪切应力是否等于或大于所述剪切强度，用于预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

进一步，所述预测所述裸眼井筒中断层滑移的发生机率包括使用剪切破坏准则。

作为一种优选，所述剪切破坏准则包括莫尔-库仑准则。

进一步，所述预测所述裸眼井筒中断层滑移的发生机率包括以下步骤：

1)确定断层滑移发生时的临界孔隙压力；

2)确定作用在至少一个弱面的孔隙压力；

3)判断所述孔隙压力是否等于或大于所述临界孔隙压力，用于预测所述断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

进一步，所述用于提高套管井筒完整性的方法步骤3)还包括确定偏离值，所述偏离值是所述裸眼井筒的中心轴与所述断层滑移引起变形之后与中心轴之间的偏移。

进一步，所述用于提高套管井筒完整性的方法步骤3)中所述的修复所述裸眼井筒的形状包括减小偏离值，所述偏离值是所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起变形之后与中心轴之间的偏移。

本发明的目的还在于提供利用上述任一项所述用于提高套管井筒完整性的方法获得的完整性提高的套管井筒。

本发明的目的还在于提供一种用于提高套管井筒完整性的系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于提高套管井筒完整性的系统，所述系统包括数据存储装置、数据处理装置、流体注射设备和材料移除装置；所述数据存储装置被配置为存储关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息；所述数据处理装置相同地耦合到所述数据存储装置上，被配置成从所述数据存储装置接收信息，所述信息是所述裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息，所述数据存储装置还被配置为识别所述裸眼井筒穿过的岩层滑移机率最高的至少一个弱面；所述流体注射设备被配置为向所述裸眼井筒中提供高压流体来引起断层滑移，在所述裸眼井筒内沿着所述至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移；所述材料移除设备被配置为从所述裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使所述裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面；所述材料移除设备还被配置为一种用于沿着恢复的裸眼井筒布置和固结井套管的设备，得到完整性改善的套管井筒。

进一步，所述裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。

进一步，所述数据处理装置还被配置成预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率。

进一步，所述数据处理装置被配置成通过以下方式预测断层滑移的发生：

1)确定至少一个弱面的剪切强度；

2)确定作用在至少一个弱面的剪切应力和法向应力；和

3)判断所述剪切应力是否等于或大于所述剪切强度，用于预测所述断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

进一步，所述数据处理装置被配置成使用剪切破坏标准。

作为一种优选，所述剪切破坏标准包括使用莫尔-库仑准则。

进一步，所述数据处理装置被配置成通过以下步骤预测所述断层滑移的发生机率：

1)确定断层滑移发生时的临界孔隙压力；

2)确定作用在至少一个弱面的孔隙压力；

3)判断所述孔隙压力是否等于或大于所述临界孔隙压力，用于预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

进一步，所述流体注射设备可包括射孔枪或切口工具。

进一步，所述材料移除装置被配置成通过在所述裸眼井筒内连续的向前或向后运动，或往复运动和研磨井壁来修复裸眼井筒的形状。

进一步，所述数据处理装置还被配置成确定所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起的变形后与中心轴之间的偏离值。

进一步，所述材料移除装置被配置为减小所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起的变形之后的与中心轴之间的偏离值。

进一步，所述材料移除装置包括铣削装置、铰孔装置、喷水装置、气体喷射装置或高功率激光器中的至少一种。

进一步，所述材料移除装置设置有导向功能，可以使所述材料移除装置在所述裸眼井筒中沿着设计的井筒轨迹移动。

进一步，所述材料移除装置还被配置成具有扩大裸眼井筒直径的功能。

本发明的目的还在于提供一种计算机程序产品。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读硬件存储设备，所述程序代码包含可由计算机系统的一个或多个处理器执行的指令，以实施一种用于改善套管井筒完整性的方法，所述方法包括如下步骤：

1)识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移概率最高的至少一个弱面：

2)向所述裸眼井筒提供高压流体，在所述裸眼井筒内沿着所述至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏来引起所述断层滑移；

3)移除所述裸眼井筒内表面的材料来修复裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿着中心轴有均匀或平滑的横截面；

4)沿着修复的所述裸眼井筒布置和固结套管，获得完整性改善的套管井筒。

本发明的目的还在于提供另一种防止或减轻断层滑移导致的套管损坏的方法。

一种防止或减轻断层滑移导致的套管损坏的方法，所述方法包括通过“断层预滑动”在固井之前提前使地下断层滑移，即向一个或多个裸眼井筒注入流体破坏地下岩石，导致形成一个或多个水力裂缝并延伸到至少一部分的地下组成内，然后激活一个或多个断层并使其滑移，以此在“断层预滑动”操作后或“断层预滑动”期间修复裸眼井筒。

进一步地，所述方法所述的破坏还可以是拉伸破坏或剪切破坏。

进一步地，所述“断层预滑动”在固井之前的裸眼井筒里操作。

进一步地，所述方法还包括井筒修复的步骤。

本发明有益效果

1)本发明公开的方法和系统可以防止或减轻断层滑移引起的套管井筒损伤。在任意地下岩层提取/注入流体时，可以采用本系统和方法。

2)本发明公开的方法和系统使我们能够防止或减轻在水力压裂或注水操作期间断层滑移导致的套管井筒损伤。该系统和方法有目的性地促使断层在套管固结在裸眼井筒和水力压裂之前发生滑移并释放能量，因此，有效地降低了后续水力压裂过程中断层发生滑移的量级和风险；即使随后发生断层滑移，本系统和方法亦能够减小断层滑移的幅度和施加在井筒套管上的额外载荷。因此，该系统和方法使我们能够防止或减少由于断层滑移导致的套管井筒的损坏，从而提高与水力压裂或注水过程相关的操作成本和安全性，也就降低了危害套管井筒完整性的风险。

本发明公开的方法和系统在勘探开发非常规油气田中有益于降低建井成本和提高油气产量。在一些地质情况复杂地区,如中国四川盆地,加拿大落基山脉前部,阿根廷山前地区等,断层滑移被视为导致水力压裂中水平井套管变形的主因。在水平井内实施多级水力压裂是开发非常规油气藏的必要手段,其中包括在每级压裂施工后向井下接连送入工具。若井筒几何形状发生变化,工具送入受阻,该施工则无法按计划进行。多级水力压裂的施工总费用高达数千万人民币,其中每级压裂费用多达一百万人民币以上,每次向井下送入工具的费用也多达数十万人民币。实施本发明所述的方法可有效避免套管变形,其短期内的经济效益可体现在避免额外的施工成本上。同时,因套管变形而导致水平井的部分水平段无法实施压裂,即无法激发钻遇地层体积的油气产能,对油气井寿命内的(可达十年以上)油气产量影响也是巨大的。在非常规油气开发中,每单位长度井筒所贡献的产量是考量该井经济效益的重要指标,所以利用本发明所述的方法可以保证全井钻遇油气藏体积的产能激发,对油气井长期经济回报率的意义也是重大的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是用于从地层生产流体或将流体注入地层的系统的示意图。

图2是在多井平台中水力压裂施工作导致断层再活化的示意图。

图3是描述一个套管井筒与一个断层相交的横截面示意图。

图4是描述一个因断层再活化而损伤的套管井筒的横截面示意图。

图5是一个裸眼井筒在“断层预滑动”前与一个断层相交的横截面示意图。

图6是使用莫尔-库仑准则预测断层滑移或剪切破坏的示意图。

图7是举例说明了计算作用在断层平面上的法向应力和剪应力的算法。图7的上部显示了应力张量从主坐标到地理坐标的转换方法，图7的下部显示了应力张量从地理坐标到断层坐标的转换方法。复纵线表示二阶张量，箭头表示单位向量，单杠表示向量，不带上标的变量是标量。

图8是在裸眼井筒中实施“断层预滑动”而引起的断层滑移的横截面示意图。

图9是在“断层预滑动”施工后对变形的裸眼井筒实施铣削施工的横截面示意图。

图10是通过铣削施工后修复的裸眼井筒横截面示意图。

图11是用于提高套管井筒完整性的系统的框图。

图12是用于提高套管井筒完整性的方法的步骤框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明所述的“一个实施例”或“实施例”，意味着描述的与实施例有关的特定特征、结构或特性包含在本公开内容的至少一个实施例中。不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指同一个实施例，也不一定是与其他实施例相互排斥的单独或替代实施例。此外，术语“一”和“一个”在此不表示数量限制，而是表示存在至少一个引用的项目。此外，描述了一些实施例可以展示而其他实施例不能展示的各种特征。类似地，描述了各种要求，这些要求可能是一些实施例的要求，但不是其他实施例的要求。

本发明所述的“流体”可以是但不限于气体、液体、乳浊液、浆体和具有类似于液体流动的流动特性的固体颗粒流。例如，流体可以包括具有化学添加剂的水基液体。此外，化学添加剂可以包括但不限于酸、凝胶、氯化钾、表面活性剂等。

本发明所述的“地层”或“储层”是地下多孔和可渗透的岩层，充当流体的储存空间。这些流体可以是水、烃类或气体。

本发明所述的“水力压裂”或“压裂”或“破裂”是指地层岩石在外力作用(例如高压流体)下产生裂缝并扩展。水力压裂施工可打开预先存在的天然裂缝，或者引起断层滑移。

本发明所述的“断层滑移”指两个互锁或弱结合的表面发生的相对错动或剪切运动。剪切破坏准则，如莫尔-库仑破坏准则，可用于预测滑移的发生。

本发明所述的“断层再活化”是指互锁或弱结合的断层发生破裂和滑移。当应力场被扰动，若作用在断层的剪切应力超过其剪切强度时，或孔隙压力超过作用在断层的法向应力和拉伸强度之和时，断层发生再活化。

本发明所述的“断层预滑动”是将流体注入一个裸眼井筒，流体通过高压进入至少一个弱面又发其拉伸或剪切破话从而导致断层滑移。随后，利用井下工具修复因断层滑移而受损的裸眼井段。最后，套管可以顺利布置并固结在修复后的裸眼井筒中，以获得完整性得到改善的套管井筒。

本发明涉及到的术语归纳如下：

c₀＝Cohesion of the fault,Pa断层内聚强度

σ＝In-situ stress,Pa地应力

σ'＝Effective stress,Pa有效应力

σ₁＝Maximum principle in-situ stress,Pa最大主应力

σ₂＝Intermediate principle in-situ stress,Pa中间主应力

σ₃＝Minimum principle in-situ stress,Pa最小主应力

σ_min＝Minimum principal stress perpendicular to the wellboretrajectory,Pa垂直于井筒轨迹的最小主应力

σ_max＝Maximum principal stress perpendicular to the wellboretrajectory,Pa垂直于井筒轨迹的最大主应力

σ_n＝Normal stress acting on the fault,Pa作用在断层上的法向应力

T_f＝Tensile strength of the fault,Pa岩石的拉伸强度

τ＝Shear stress,Pa剪应力

Pa断层滑移发生时的临界孔隙压力

P₀＝In-situ pore pressure,Pa地层空隙孔压

P_bh＝Bottom-hole pressure,Pa井底压力

α＝Biot poroelastic constant,dimensionless毕奥特弹性常数，无量纲

μ＝Friction coefficient,dimensionless摩擦系数，无量纲

υ＝Poisson’s ratio,dimensionless泊松比，无量纲

实施例1

本发明公开的其中一个实施例中，图1描述了用于从地层生产流体或将流体注入地层的系统10的示意图。系统10可以包括岩层20，井30、40、50和流体生产或注入设施60。根据地面条件、地质条件和经济前景，可以钻垂直井30、斜井40或水平井50。斜井40最初垂直向下钻孔，然后朝向岩层20偏斜。水平井50使用旋转导向方法钻孔，最终偏移的井筒轨迹可维持在岩层20之内。钻孔可与一个或多个弱面70、80、90相交，这些弱面会因生产或注入作业扰动应力场而诱发断层滑移。

实施例2

本发明公开的其中一个实施例中，图2描述了在多井平台中水力压施工作导致断层再活化的示意图。如图所示，多个水平井100、110和120从单个钻井平台钻孔。在水力压裂期间，流体被注入水平井110中，在包含井筒的岩层内引发和延展一个或多个水力裂缝130。此外，取决于地应力和地质条件，水力裂缝130可以是平面的，或者可以与天然裂缝相互作用，在储层改造体积140内形成复杂的裂缝网络。预先存在的断层150和160可以直接与水力裂缝130相互作用或者接触储层改造体积140而引发应力或孔隙压力的变化而引发再活化。断层150的滑移可能会对布置和固结在水平井100内的套管造成损伤。同理，断层160的滑移可能对布置和固结在水平井110内的套管造成损伤。此外，与储层改造体积140不直接相连的断层170仍可能通过其他断层160再活化，对布置和固结在水平井120内的套管造成损伤。如图所示，断层160与断层170相交，因此，当断层160再活化时，它可能导致断层170滑移。

实施例3

本发明公开的其中一个实施例中，图3描述一个套管井筒210与一个断层220相交的横截面示意图。当一口井钻进时，井筒在没有安置和固结套管的部分称为“裸眼井筒”。套管200是油气井专用的钢管，在钻至目的深度后下入裸眼井筒，随后套管200用水泥环190固结就位。在油气井固结套管对于保持井筒稳定性、防止饮水层污染、隔离不同地层，以及在井下作业至关重要。套管井筒210可以与一个或多个弱面相交，例如与断层220相交。

实施例4

当断层因水力压裂或注水施工发生再活化，断层滑移可能对其附近的井筒造成严重损伤。本发明公开的其中一个实施例中，图4描述一个因断层240再活化而损伤套管260的横截面示意图。如图所示，邻近断层240的岩层230沿对应于断层240的切线方向移动，对水泥250和套管260施加挤压和剪切，导致严重的井筒变形。

套管变形会引起在变形处产生过度的应力聚集，对该井服役期间的后续作业构成了风险。套管井筒的变形还可导致井下工具不能进入或穿过套管，从而阻碍了必要的井下作业。目前，还没有经济有效的方法及时修复变形套管。因此，若工具无法通过变形区间，井下作业(例如压裂期间的桥塞泵送)则被迫停止。

实施例5

本发明公开的其中一个实施例中，图5描绘了一个裸眼井筒270在“断层预滑动”前与一个断层280相交的横截面示意图。由于断层280比周围完整岩层290强度更低，由裸眼井筒270中的加压流体所引起的拉伸或剪切破坏在交叉点300处发生的可能性最大。随后，破裂沿着断层280扩展。最终，流体侵入使断层孔隙压力达到临界孔隙压力而触发断层280滑移。

实施例6

本发明公开的一个实施例中，图6描述了使用莫尔-库仑准则预测断层滑移或剪切破坏的示意图。如图6右侧所示，破坏包络线320可以通过一系列三轴压缩试验获得。破坏包络线320描绘了当样品失效时剪切应力τ和作用在断裂平面上的法向应力σ_n之间的线性关系。破坏包络线320的数学表达式如下：

τ＝c₀+σ_nμ (1)

实验测试和现场观察发现，断层的摩擦系数通常在0.6和0.85之间变化；现有文献中也报道了粘土类岩石的摩擦系数可低至0.2。

代表应力状态的莫尔圆310由最大主应力σ₁和最小主应力σ₃构成。如果沿着莫尔圆310的任何点接触到破坏包络线320，岩石样本将失效并沿着失效面滑移。对于存有流体的地下岩石，莫尔-库仑破坏准则则使用有效应力替代。有效应力与主应力和孔隙压力的关系为：

σ'＝σ-αP₀ (2)

当孔隙压力增加时，有效应力降低，莫尔圆310将向破坏包络线320移动。因此，提高孔隙压力会促进断层滑移。

本发明公开的一个实施例中，图7举例说明了计算作用在断层平面上的法向应力和剪切应力的算法。图7的上部显示了应力张量从主坐标到地理坐标的转换方法，图7的下部显示了应力张量从地理坐标到断层坐标的转换方法。复纵线表示二阶张量，箭头表示单位向量，单杠表示向量，不带上标的变量是标量。

使用三维莫尔-库仑破坏准则预测断层滑移时，作用在断层平面上的剪切应力和法向应力必须通过一系列坐标转换计算，如图7所示，垂直应力、最小水平应力和最大水平应力通常构成地质构造中的三个主应力。断层平面的方向通常拥有特定的走向和倾角。已知三个主应力和断层的空间特征，作用在断层上的法向应力和剪切应力可以通过张量转换计算。根据莫尔-库仑破坏准则，断层内部的孔隙压力必须达到或超过临界孔隙压力才能触发断层滑移。一旦计算出作用在断层上的法向应力和剪切应力，临界孔隙压力可确定为：

向裸眼井筒注入流体，当流体压力足够大时，会在井壁上诱发拉伸破坏，产生水力裂缝并向断层扩展,最终增加断层孔隙压力。裸眼井筒引发拉伸断裂所需的井底压力可通过连续介质力学使用基尔希Kirsch方程确定。对于非渗透性地层，井底压力必须满足：

P_bh≥3σ_min-σ_max-P₀+T_f (4)

对于渗透性地层，井底压力必须满足：

实施例7

本发明公开的一个实施例中，图8描述了在裸眼井筒中实施“断层预滑动”而引起的断层330滑移的横截面示意图。断层滑移由针对岩层350内的裸眼340实施的“断层预滑动”施工引起。断层330的滑移导致裸眼井筒340的井筒轨迹发生错位，使得滑移后断层330两侧的井筒中轴线偏移。该偏移可以通过两侧井筒的中轴线360、370之间的偏差识别。这种偏移减少了套管井筒横截面积，阻碍了井下工具在变形区间通过。

实施例8

在布置和固结套管之前，通过“断层预滑动”有目的性地促使断层发生滑移并释放能量的主要优点包括：1.使得在布置和固结套管之后，断层力学状态更加稳定同时滑移的可能性得到降低或抑制；2.即使“断层预滑动”对裸眼井筒轨迹的平滑度有影响，修复裸眼井筒比修复套管井筒更加实际和经济。

优化水力压裂设计和修改井筒轨迹对减轻套管损伤的作用微乎其微，因为它们不能在水力压裂期间预防或避免弱面的破裂和滑移。

根据断层处于地下的走向和分布密度，“断层预滑动”可以对部分裸眼井筒或整个裸眼井筒实施，也可以接连或同时对同一个井场的多口裸眼井筒进行施工。应当理解，由于断层和诱发的水力裂缝之间的相互作用，对一口井实施“断层预滑动”可能引起与邻井相交的断层再活化。井下工具，如射孔枪，可用于该施工。在“断层预滑动”作业期间，可以添加转向剂或支撑剂等材料，促进与裸眼井筒相交的多个断层再活化。实时监控和数据搜集处理技术可用于诊断“断层预滑动”操作的进度和结果。

断层再活化后，油气井可以关闭一段时间，在此期间，通过测量井口或井下压力可以测试和获取地层参数(例如地应力、渗透率、孔隙压力等)以及多井间水力联通关系。

“断层预滑动”导致的裸眼井筒弯曲和偏移可能阻碍井下工具和套管柱通过变形区间。在“断层预滑动”作业之后或期间，可以使用井下工具，例如铣削或扩孔等工具来扩大和平滑由于断层活化而变形的裸眼井筒。

本发明公开的其中一个实施例中，图9描述了在“断层预滑动”施工后对变形的裸眼井筒390实施铣削施工的横截面示意图。断层400和410在“断层预滑动”操作期间滑移。由于岩层420存在断层400和410，当断层400和410再活化时，部分岩层420向下滑移，即扭曲裸眼井筒390的部分区间430。铣削工具380可以通过钻柱或连续油管被下入井中。铣削工具380能够沿计划井筒轨迹切割、压碎和平整障碍物。为防止铣削作业受大偏移裸眼井筒的影响，铣削工具380可以具有自导向装置(例如，铣削工具380前面的延伸杆440)。延伸杆440可以确保铣削沿着设计的井筒轨迹移动。这种自导向装置还可避免钻出偏离原始轨迹的新井筒。此外，根据特定工程目的的需要，裸眼井筒的直径可以通过铣削工具380扩大。

在本发明公开的其中一个实施例中，图10描述了通过铣削施工后修复的裸眼井筒390横截面示意图。通过铣削工具380往复研磨井壁，再活化断层400和410附近的井筒轨迹的扭曲部分430的平滑度得以恢复同时裸眼直径可以扩大，从而保障后续布置和固结套管顺利实施。

“断层预滑动”后修复扭曲裸眼井段的方法不限于使用铣削或铰孔工具等机械方法。其它方法如高压射流、高功率激光等也可使用。通过切割和破碎岩层来修复和平滑变形的裸眼井筒，从而保障后续布置和固结套管顺利实施。

实施例9

本发明公开的其中一个实施例中，图11是用于提高套管井筒完整性的系统500框图。系统500包括数据存储装置510，其被配置为存储关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息。数据存储装置510可以实现为计算机可用或计算机可读的存储介质(包括与计算设备相关联的存储设备)，例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或前述的任何合适组合。计算机可读介质的更具体的例子(非穷举列表)可以包括以下:具有一根或多根导线的电气连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、数字通用光盘(DVD)、静态随机存取存储器、记忆棒、软盘，机械编码设备，如穿孔卡片或凹槽中的凸起结构，其上记录有指令，介质，如支持互联网或内部网的介质，或磁存储设备。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是适当的介质，在该介质上存储、扫描、编译、解释或以适当的方式处理程序，如果需要，然后存储在计算机存储器中。在本公开内容的上下文中，计算机可用或计算机可读的存储介质可以是任何有形介质，这种有形介质包含或存储指令执行系统、装置或设备使用的或相关的程序。

系统500还包括通信耦合到数据存储装置510的数据处理装置520。数据处理装置520可以作为执行操作的设备，诸如专用处理器、处理器的一部分、虚拟处理器、虚拟处理器的一部分、虚拟设备的一部分或虚拟设备。在一些实施方式中，处理器可以是物理处理器或虚拟处理器。在一些实施方式中，虚拟处理器可以对应于一个或多个物理处理器的一个或多个部分。在一些实施方式中，指令/逻辑可以分布并在虚拟或物理的一个或多个处理器上执行，以执行指令/逻辑。数据处理装置520被配置成从数据存储装置510接收关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息，并识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移概率较高的至少一个弱面。系统500还包括流体注入设施530(例如，图1中描绘的流体注入设施60)，该设施被配置为向裸眼井筒提供高压流体，通过在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移。系统500还包括材料移除装置540(例如图9所示的铣削工具380)。该装置从裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面。最后，沿恢复的裸眼井筒布置和固结井套管，以获得完整性得以改善的套管井筒。

在一个或多个实施例中，裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。在一个或多个实施例中，数据处理装置520还被配置成预测裸眼井筒穿过的岩层内断层的滑移。在一个或多个实施例中，数据处理装置520被配置成计算沿至少一个弱面的剪切强度和剪切应力，数据处理装置520还被配置成判断剪切应力是否等于或大于剪切强度，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

在一个或多个实施例中，数据处理装置520被配置成使用包括莫尔-库仑准则在内的剪切破坏准则预测作用在至少一个弱面的孔隙压力(即断层内流体压力)和断层滑移发生时的临界孔隙压力。在这样的实施例中，数据处理装置520被配置成判断孔隙压力是否等于或大于临界孔隙压力，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。在一个或多个实施例中，流体注入设备530至少包括射孔枪或切口工具。

在一个或多个实施例中，材料移除装置540被配置成通过在裸眼井筒内连续的向前或向后运动，或往复运动和研磨井壁来修复裸眼井筒的形状。

在一个或多个实施例中，数据处理装置520还被配置成确定裸眼井筒的中心轴和与断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移。

在一个或多个实施例中，材料移除装置540被配置成通过减小裸眼井筒的中心轴和断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移，从而修复裸眼井筒的形状。在一个或多个实施例中，材料去除装置540可包括铣削装置、铰孔装置、喷水装置、气体喷射装置或高功率激光器。在一个或多个实施例中，材料移除装置540设置有导向功能，使材料移除装置在裸眼井筒中沿着设计的井筒轨迹移动。在一个或多个实施例中，材料移除装置540还被配置成有扩大裸眼井筒直径的功能。

实施例10

本发明公开的其中一个实施例中，图12是用于提高套管井筒完整性的方法600的步骤的图示。在步骤610中，识别对关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息。在步骤620中，加压流体被注入到裸眼井筒内，通过在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移。在步骤630中，在断层滑移之后，通过从裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面。在步骤640中，沿恢复的裸眼井筒布置和固结井套管，以获得完整性得以改善的套管井筒。

此外，提供了包括一个或多个计算机可读硬件存储设备的计算机程序产品，其中存储有计算机可读程序代码，所述程序代码包含可由计算机系统的一个或多个处理器执行的指令，实现了用于提高套管井完整性的方法。该方法包括识别关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息，并确定裸眼井筒穿过的岩层内滑移机率较高的至少一个弱面。该方法包括向裸眼井筒提供高压流体，通过在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移。该方法还包括在断层滑移后通过从裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面。该方法还包括沿恢复的裸眼井筒布置和固结井套管，以获得完整性得以改善的套管井筒。

实施例11

本发明公开的其中一个实施例，提供了一种用于提高套管井筒完整性的方法，包括在安置固结套管前确定至少一个有滑移倾向的弱面。此外，该方法包括向裸眼井筒加压注入流体，在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导其滑移。该方法还包括在断层滑移后下入井下工具修复裸眼井筒的形状。最后，沿修复后的裸眼井筒布置和固结套管，最终获得完整性得以改善的套管井筒。

在一个或多个实施例中，裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。

在一个或多个实施例中，该方法还包括预测裸眼井筒穿过的岩层内断层的滑移。

在一个或多个实施例中，该方法还包括判断至少一个弱面的剪切强度，确定作用在至少一个弱面的剪切应力。在这样的实施例中，该方法还包括判断剪切应力是否等于或大于剪切强度，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

在一个或多个实施例中，该方法包括使用包括莫尔-库仑准则在内的剪切破坏准则预测作用在至少一个弱面的孔隙压力(即断层内流体压力)和断层滑移发生时的临界孔隙压力。在这样的实施例中，该方法还包括判断孔隙压力是否等于或大于临界孔隙压力，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

在一个或多个实施例中，该方法还包括确定裸眼井筒的中心轴和与断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移。

在一个或多个实施例中，通过减小裸眼井筒的中心轴和断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移，从而修复裸眼井筒的形状。

实施例12

本发明公开的其中一个实施例，提供了一种用于提高套管井筒完整性的系统。该系统包括数据存储装置，该装置存储关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息。该系统还包括与数据存储装置耦合的数据处理装置。数据处理装置从数据存储装置接收对应于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息，并识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移概率较高的至少一个弱面。该系统还包括流体泵注设备，该流体泵注设备被配置为向裸眼井筒提供高压流体，通过在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移。该系统还包括材料移除设备，该材料移除设备可以从裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面。最后，沿恢复的裸眼井筒布置和固结井套管，以获得完整性得以改善的套管井筒。

在一个或多个实施例中，数据处理装置还被配置为预测裸眼井筒穿过的岩层内断层的滑移。

在一个或多个实施例中，数据处理装置被配置成通过判断沿着至少一个弱面的剪切强度来预测断层滑移的发生。此外，数据处理装置被配置成确定至少一个弱面的剪切强度，确定作用在至少一个弱面的剪切应力。数据处理装置还被配置成判断剪切应力是否等于或大于剪切强度，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

在一个或多个实施例中，数据处理装置被配置成使用包括莫尔-库仑准则在内的剪切破坏准则预测作用在至少一个弱面的孔隙压力(即断层内流体压力)和断层滑移发生时的临界孔隙压力。此外，数据处理装置被配置成判断孔隙压力是否等于或大于临界孔隙压力，从而，预测断层是否沿着至少一个弱面发生滑移。

在一个或多个实施例中，流体注入设备可包括射孔枪或切口工具。

在一个或多个实施例中，材料移除装置被配置成通过在裸眼井筒内连续的向前或向后运动或往复运动和研磨井壁来修复裸眼井筒的形状。

在一个或多个实施例中，数据处理装置还被配置成确定裸眼井筒的中心轴和与断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移。

在一个或多个实施例中，材料移除装置被配置成通过减小裸眼井筒的中心轴和断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移，从而修复裸眼井筒的形状。

在一个或多个实施例中，材料去除装置包括铣削装置、铰孔装置、喷水装置、气体喷射装置或高功率激光器。

在一个或多个实施例中，材料移除装置设置有导向功能，使材料移除装置在裸眼井筒中沿着设计的井筒轨迹移动。

在一个或多个实施例中，材料移除装置还被配置成有扩大裸眼井筒直径的功能。

实施例13

本发明公开的其中一个实施例，提供了一种计算机程序产品。该产品包括一个或多个计算机可读硬件存储设备，其中存储有计算机可读程序代码，所述程序代码包含可由计算机系统的一个或多个处理器执行的指令，最终实现提高套管井筒完整性的目的。该产品功能包括识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移概率较高的至少一个弱面，通过向裸眼井筒内提供加压流体，在裸眼井筒内沿至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移。该产品功能还包括在断层滑移后通过从裸眼井筒的内表面移除材料来修复裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿着中心轴有均匀或平滑的横截面。该产品功能还包括沿着修复的裸眼井筒布置和固结套管，获得完整性得以改善的套管井筒。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (25)

1.一种用于提高套管井筒完整性的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移机率较高的至少一个弱面；

2)向所述裸眼井筒提供高压流体，在所述裸眼井筒内沿着至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏来引起断层滑移；

3)移除所述裸眼井筒内表面的材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使得所述裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面；

4)沿着恢复的所述裸眼井筒布置和固结井套管，获得完整性改善的套管井筒。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率包括以下步骤：

确定至少一个弱面的剪切强度；

确定作用在至少一个弱面的剪切应力；

判断所述剪切应力是否等于或大于所述剪切强度，若是，预测得到所述断层沿着至少一个弱面发生滑移。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率包括使用剪切破坏准则。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述剪切破坏准则包括莫尔-库仑准则。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率包括以下步骤：

确定断层滑移发生时的临界孔隙压力；

确定作用在至少一个弱面的孔隙压力；

判断所述孔隙压力是否等于或大于所述临界孔隙压力，若是，预测得到所述断层沿着至少一个弱面发生滑移。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法步骤3)还包括确定偏离值，所述偏离值是所述裸眼井筒的中心轴与由所述断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法步骤3)中所述的修复所述裸眼井筒的形状包括减小偏离值，所述偏离值是所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起变形之后的中心轴之间的偏移。

10.采用权利要求1-9中任一项所述的方法获得的完整性提高的套管井筒。

11.一种用于提高套管井筒完整性的系统，其特征在于，所述系统包括数据存储装置、数据处理装置、流体注射设备和材料移除装置；所述数据存储装置被配置为存储关于裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息；所述数据处理装置相同地耦合到所述数据存储装置上，被配置成从所述数据存储装置接收信息，所述信息是所述裸眼井筒穿过的岩层内的至少一个弱面的信息，所述数据存储装置还被配置为识别所述裸眼井筒穿过的岩层滑移机率最高的至少一个弱面；所述流体注射设备被配置为向所述裸眼井筒中提供高压流体来引起断层滑移，在所述裸眼井筒内沿着所述至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏从而引导断层滑移；所述材料移除装置被配置为从所述裸眼井筒的内表面移除材料来修复断层滑移之后裸眼井筒的形状，使所述裸眼井筒沿中心轴有均匀或平滑的横截面；所述材料移除装置还被配置为一种用于沿着恢复的裸眼井筒布置和固结井套管的设备，得到完整性改善的套管井筒。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述裸眼井筒是垂直井筒或水平井筒或具有非垂直部分的倾斜井筒。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置还被配置成预测所述裸眼井筒穿过的岩层内断层滑移的发生机率。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置被配置成通过以下方式预测断层滑移的发生：

确定至少一个弱面的剪切强度；

确定作用在至少一个弱面的剪切应力和法向应力；和

判断所述剪切应力是否等于或大于所述剪切强度，若是，预测得到所述断层沿着至少一个弱面发生滑移。

15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置被配置成使用剪切破坏准则。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述剪切破坏准则包括莫尔-库仑准则。

17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置被配置成通过以下步骤预测所述断层滑移的发生机率：

确定断层滑移发生时的临界孔隙压力；

确定作用在至少一个弱面的孔隙压力；

判断所述孔隙压力是否等于或大于所述临界孔隙压力，若是，预测得到所述断层沿着至少一个弱面发生滑移。

18.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述流体注射设备包括射孔枪或切口工具。

19.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料移除装置被配置成通过在所述裸眼井筒内连续的向前或向后运动，或往复运动和研磨井壁来修复裸眼井筒的形状。

20.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置还被配置成确定所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起的变形后的中心轴之间的偏离值。

21.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料移除装置被配置为减小所述裸眼井筒的中心轴和由所述断层滑移引起的变形之后的中心轴之间的偏离值。

22.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料移除装置包括铣削装置、铰孔装置、喷水装置、气体喷射装置或高功率激光器中的至少一种。

23.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料移除装置设置有导向功能，可以使所述材料移除装置在所述裸眼井筒中沿着设计的井筒轨迹移动。

24.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述材料移除装置还被配置成具有扩大裸眼井筒直径的功能。

25.一种用于提高套管井筒完整性的计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括存储有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读硬件存储设备，所述程序代码包含可由计算机系统的一个或多个处理器执行的指令，以实施一种用于改善套管井筒完整性的方法，所述方法包括如下步骤：

1)识别裸眼井筒穿过的岩层内滑移概率最高的至少一个弱面；

2)向所述裸眼井筒提供高压流体，在所述裸眼井筒内沿着所述至少一个弱面诱发拉伸或剪切破坏来引起断层滑移；

3)移除所述裸眼井筒内表面的材料来修复裸眼井筒的形状，使得裸眼井筒沿着中心轴有均匀或平滑的横截面；

4)沿着修复的所述裸眼井筒布置和固结套管，获得完整性改善的套管井筒。

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