CN1648410A - 确定地层压力的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定井眼周围特定深度区域处地层压力的方法，其包括：记录自在所述深度区域处停止钻井的时间；导出所述深度区域处地层渗透率；使井眼压力随时间周期性变化并确定所述深度区域处泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量；利用所述时间、所述周期分量和所述渗透率，确定地层压力扩散系数和传导系数并估算所述深度区域处地层的井眼周围的压力增加区的尺寸；利用所述时间、所述地层压力扩散系数和传导系数、以及所述非周期分量，确定所述深度区域处泥饼的漏失率；利用所述的漏失率，确定所述深度处泥饼附近地层内的压力梯度；利用所述压力梯度和所述的压力增加区的尺寸，外推从而确定原始地层压力。

Description

确定地层压力的方法

技术领域

本发明涉及确定井眼周围地层性质的方法，尤其是涉及一种确定包括泥饼漏失率、钻井液漏失的干扰效应、以及未受干扰的原始地层压力的方法。

背景技术

在钻井作业期间确定地层压力中的一个非常大的难点涉及称作增压的处于过平衡压力和遭受滤液漏失的井眼周围的压力增加。这一压力增加伴有由于泥浆滤液侵入而产生的滤饼在砂岩表面的沉积和向外以及向内的增长。因而，在砂岩表面，滤饼的水力传导系数随时间而改变，影响了穿过它的压降，从而影响其后面的压力。这使得难于预测压力曲线随时间的变化，即使已经记录了局部井眼压力变化的历史。

与远离井眼的真实油藏压力相比，由于增压作用，使用探测地层的被称作地层测试仪器的现有的地层压力测量的读数通常较高。目前还没有用于在钻井作业期间充分考虑了增压作用的在相对较低渗透率的油藏(小于约1mD/cp)中确定地层压力的商业上可行的技术。主要的困难在于：(1)滤饼性质差，(2)井眼暴露于过平衡压力的实际时间长，以及(3)实际时间的限制，其需要在与井眼周围的压力增加的时间相比相当短的时间内进行压力测量。这些限制使在压力增加区范围内，利用通常的瞬时压力测量技术测量远处油藏压力，如果可能的话，也是困难的，这是由压力波在具有低渗透性的地层中传播较慢的原因造成的。

因此，虽然现有的仪器和技术通常能够在渗透率较高的地层中工作得很好，在这种地层中增压作用易于消散，例如在仪器坐封期间，但是，需要一种能够在渗透率较低的地层中成功使用的技术。还需要具有一种用于渗透率范围较宽的地层的技术，而不考虑增压的成因。还存在精确地确定滤液漏失参数的需要。本发明的目的就是要解决这些需求。

发明内容

根据本发明的实施例，本发明提出了一种确定在利用钻井泥浆所钻的井眼周围、并在井眼上形成有泥饼的特定深度地层区域的原始地层压力的方法，其包括下述步骤：记录自在所述深度区域停止钻井以来的时间；推导所述深度区域的地层渗透率；使井眼压力随时间周期性变化并确定所述深度区域处泥饼附近地层中所测压力的周期分量和非周期分量；利用所述时间、所述周期分量和所述渗透率，确定地层压力扩散系数和传导系数并估算所述深度区域处地层的井眼周围的压力增加区的尺寸；利用所述时间、所述地层压力扩散系数和传导系数、以及所述非周期分量，确定所述深度区域处泥饼的漏失率；利用所述漏失率，确定所述深度区域处泥饼附近地层内的压力梯度；并且利用所述压力梯度和所述压力增加区的尺寸，外推从而确定原始地层压力。

根据本发明的另一实施例，本发明提出了一种确定在特定的深度区域处所形成泥饼的漏失率的方法，所述泥饼形成在利用钻井泥浆在地层中所钻井眼上，该方法包括下述步骤：导出特定深度区域处地层的渗透率；使井眼压力随时间周期性变化并在所述深度区域测量井眼内随时间变化的压力以及泥饼附近地层内随时间变化的压力；由所导出的渗透率和所测井眼内压力的分量和所测泥饼附近的地层中压力的分量，估算所述深度区域处泥饼的流阻；以及由所估算的流阻和井眼内的所测压力以及泥饼附近地层中的所测压力确定所述深度区域处泥饼的漏失率。下列步骤之后即可获得原始油藏压力：由所导出的渗透率、所述漏失率和所述自停止钻井以来的时间，确定所述深度区域处泥饼附近地层内的过压；由所述的泥饼附近地层的所测压力和所述的地层内的过压，确定所述深度区域处的原始油藏压力。

从下面结合附图所作的详尽描述中，本发明的其它特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1为可用于实施本发明实施例的测井装置的局部为框图形式的视图。

图2为可用于实施本发明实施例的井下仪器的视图。

图3为可用于实施本发明实施例的随钻测井装置的视图。

图4为井眼周围准稳态孔隙压力曲线图。

图5为传播进入油藏内的压力波的无量纲深度曲线图。

图6为砂岩表面的地层响应曲线图。

图7为脉冲测量期间井眼周围的平均孔隙压力曲线图。所示实线为存在压力增加；虚线为不存在压力增加。

图8为响应于多脉冲开采的井眼处压力响应曲线图。

图9为表示对于不同的地层存储体积特征时间的比率，在多级开采的井眼处对孔隙压力响应的井眼存储效应的曲线图。

图10是本发明的实施例的步骤流程图。

图11和12分别示出了泵送注入模式和开采模式的测量。

图13包括图13A和置于图13A下面的图13B，为本发明另一实施例的步骤的流程图。

图14为将砂岩表面的地层压力与井眼压力关联起来的复数转换函数的模(顶部轨迹)和幅角(底部轨迹)对频率(Hz)的曲线图。

图15为对于多个泥饼表皮值，将砂岩表面的压力与井眼压力关联起来的复数转换函数的模(顶部两条轨迹)和幅角(底部轨迹)作为无量纲频率 ${\mathrm{\ω}}_D={\mathrm{\ωr}}_w^2/k$ 的函数的曲线图。上部两条测井曲线相对于线性和对数y轴重复同样的信息。

具体实施方式

图1示出了一种可以用于实施本发明实施例的设备。图1示出了以公知的方式、利用钻井设备、并使用产生以标记35标识的泥饼的钻井液或泥浆而在地层31中钻出的井眼32。对于每一深度的目的区，利用公知的方式，例如利用钟表或者其它计时装置，处理器，和/或记录器，跟踪记录停止钻井后的时间。地层测试仪器或装置100通过有保护的多触点电缆33而悬挂在井眼32内，电缆的长度基本上决定了装置100的深度。设置公知的深度计装置(未示出)用于测量电缆在槽轮(未示出)上的位移，从而确定井眼32内测井装置100的深度。虽然线路51的部分可通常位于井下，但是其被在地面处示出，线路51表示勘测设备的控制和通信线路。此外，在地面还示出了处理器50和记录器90。这些一般都可为公知的类型，并包括合适的钟表或其它计时装置。

测井装置或仪器100具有细长主体105，其封闭了控制装置的井下部分，室，测量装置等。可参考文献，比如美国专利US3,934,468和US4,860,581，其描述了适合的普通类型的装置。一个或多个臂123可安装在活塞125上，该活塞例如受到来自地面的控制沿伸以调节所述仪器。测井装置包括一个或多个探头模块，该探头模块包括具有探头的探头组件210，所述探头向外移动并与井眼壁接触，刺穿泥饼35并与地层连通。进行单独流体静压测量和/或探头压力测量的仪器设备和方法在本领域是公知的，并且所述的测井装置100具有这些公知的性能。参看图2，其中示出了测井仪器100的一部分，其可被用于实施本发明的一种形式，其中井眼压力的变化通过测井装置本身(比如为了此处的目的，其包括任何井下设备，钢缆或者其它设备)来实施，并且对在给定时间被设置在所述的仪器所处井眼内的区域进行定位探测。(可参考美国专利US5,789,669)。所述装置包括可膨胀的封隔器431和432，其可为本领域所公知的类型，并具有合适的起动装置(未示出)。当封隔器膨胀时，封隔器431和432隔离井眼区域450，并且具有其自己的坐封活塞447的探头446从隔离区域内进行操作并与泥饼附近的地层连通。泵出模块475可为所公知的类型(例如参见美国专利US4,860,581)，其包括泵和阀，并且所述泵出模块通过管线478与隔离区域450外的井眼连通，并通过管线479、穿过封隔器431而与井眼的隔离区域450连通。封隔器431，432和泵出模块475可受到来自地面的控制。通过压力计492测量隔离区域内的井眼压力，通过压力计493测量探头压力。隔离区域外的井眼压力可通过压力计494来进行测量。此处的实施例可在测量期间使用泵出和/或吸入孔，并且可以理解，可以设置多个泵出和/或吸入孔。

本发明的实施例还能使用随钻测量(“MWD”)仪器(其包括随起下钻测量)。图3示出了具有钻柱320、钻头350和MWD仪器360的钻机，所述的MWD仪器通过公知的遥测装置与地面装置(未示出)连通。可优选的是，所述的MWD仪器设有封隔器361和362。装置365也是公知的，其包括探头并具有同附图2中所描述的装置相类似的测量性能。

在钻井作业期间，在相对较低渗透率的地层(比如k＝10^-1mD)内井眼周围的压力增加是一个缓慢的过程，该过程通常会持续许多天并影响相对较小的井眼邻域。井眼周围的高压区域的半径可利用尺寸分析估算出来。

假定油藏内的流动符合达西定律：

$v=\frac{k}{\mathrm{\μ}}\▿p---\left(1\right)$

其中，υ为流体流速，μ为流体粘度，p为孔隙压力，其必须满足压力扩散方程：

$\frac{\∂p}{\∂t}=\mathrm{\η}{\▿}^{2}p,$ $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{kB}}{\mathrm{\φ\μ}}---\left(2\right)$

其中，t为时间，B为饱和有流体的岩石的体积模量，φ为孔隙度，η为压力扩散系数(参见G.I Barenblatt，V.M.Entov and V.m Ryzhik：Theory of Fluid Flows Through Natual Rocks，Dordrecht：Kluwer，1990)。

如果井眼暴露于过平衡压力的时间t_e是已知的，那么井眼周围的高压区域的半径可按照如下公式计算：

$r_e\≈2\sqrt{{\mathrm{\ηt}}_e}---\left(3\right)$

例如使用如下数据：k＝10^-3-10^-1mD，B＝1GPa，μ＝1cp，φ＝0.2，则可计算出η＝(5-500)×10^-6m²/s。对于压力增加时间t_e＝1天，可以发现：

                  r_e≈1.3-13m                 (4)

使用同一公式(3)，还可估算出通过常规的瞬时压力测量所获得的测量深度r_i。例如，如果测量时间为t_i＝2小时，20分钟和2分钟，则比值r_i/r_e可分别被估算出：

$r_i/r_e=\sqrt{t_i/t_e}\≈\mathrm{0.29,0.12,0.04}---\left(5\right)$

这就意味着分别首先仅有29％，12％和4％的压力增加区的厚度能够通过瞬时压力测量的方法感测出。

钻井期间对井眼周围的压力增加的分析需要既考虑压力波的传播又要考虑滤饼的增长，所述泥饼的增长是由泥浆滤液的泄漏产生并通常被井眼内的泥浆循环所限制。如果在钻井作业期间所施加的过平衡压力不能显著的改变，井眼周围的瞬时压力变化可近似为准稳态压力：

$p(r,t)=\left\{\begin{array}{c}{p}_0+[p_{\mathrm{sf}}\left(t\right)-p_0]\frac{\log [r_e\left(t\right)/r]}{\log [r_e\left(t\right)/r_{\mathrm{\ω}}]},r_{\mathrm{\ω}}\≤r\≤r_e\left(t\right)\\ p_0,r>r_e\left(t\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，p₀为原始地层压力，p_sf(t)为砂岩表面压力，r_w为井眼半径，r_e(t)为井眼周围压力增加区域的半径。孔隙压力曲线示意图如图4所示。在井眼暴露于过平衡的初始阶段，砂岩表面的压力p_sf等于井眼压力p_w。之后，砂岩表面压力随着滤饼厚度的增长而减小，并且由于穿过滤饼的压力降Δp＝p_w-p_sf而产生流体阻力。

如果滤饼的渗透率小于地层的渗透率，那么砂岩表面压力p_sf迅速下降到初始地层压力p₀。然而，如果地层渗透率小，从而通过砂岩表面的漏失就会受到限制，滤饼就不会有效的聚集，并且处于过平衡压力的地层的暴露可无限的延续。

未知函数p_sf(t)和r_e(t)可由压力扩散方程(2)并结合砂岩表面滤饼增长的模型得出。可对于简单滤饼增长模型而进行这一分析，基于如下假设：滤饼的孔隙度和渗透率为常数；填充井眼的泥中的固体的体积浓度为常数；侵入地层的滤液可与油藏中流体完全混溶；滤液粘度等于油藏流体的粘度；并且瞬时滤失量(spurt loss)和内部的滤饼地层忽略不计。在这一分析中还假设滤饼渗透率远远小于油藏的渗透率，并且与随时间增长的滤饼的厚度小于井眼半径。在这些假设之下，通过滤饼的流动可被认为在任何时间都是准稳态的和一维的，因此，穿过滤饼的压力变化如图4所示是线性的。

砂岩表面压力p_sf(t)受到许多因素的影响，包括油藏流体传导系数、漏失率和泥浆循环率。其还取决于随时间进行变化的滤饼流体阻力。尽管这是复杂的，但是以适当的无量纲变量表示的压力干扰区的边界r_e(t)实际上并不取决于滤饼增长动力学，并可由通用函数Z_e(T)近似表示，如图5所示，其中：

Z_e(T)＝Y(T)-1， $Y={\left(\frac{r_e}{r_{\mathrm{\ω}}}\right)}^2,$ $T=\frac{\mathrm{\ηt}}{r_{\mathrm{\ω}}^2}---\left(7\right)$

由于井眼暴露于过平衡压力的时间t_e通常是已知的，估算压力干扰区半径r_e(t_e)所必须的唯一参数为压力扩散系数η，其包含在无量纲时间T的定义内。

假定通过某种方式已经得知η，从而边界r_e(t_e)为：

$r_e\left(t_e\right)=r_{\mathrm{\ω}}\sqrt{Z_e\left(\frac{{\mathrm{\ηt}}_e}{r_{\mathrm{\ω}}^2}\right)+1}---\left(8\right)$

之后，为了确定地层压力，必需测量砂岩表面的孔隙压力p_sf(t_e)和区域r_w＜r＜r_e(t_e)内的中间点r＝r_m处的孔隙压力：

$p_0=\frac{p_m\log (r_e/r_{\mathrm{\ω}})-p_{\mathrm{sf}}\log (r_e/r_m)}{\log (r_m/r_{\mathrm{\ω}})},p_m=p\left(r_m\right)---\left(9\right)$

利用目前的缆线测井仪器能够测量砂岩表面压力p_sf(t_e)，因此，为了获得地层压力p₀，仅须确定两个参数一压力扩散系数η和距离井眼一段距离处的压力p_m或者另一种选择是砂岩表面的压力梯度：

$\▿p_{\mathrm{sf}}\left(t_e\right)\≈\frac{p_m\left(t_e\right)-p_{\mathrm{sf}}\left(t_e\right)}{r_m-r_{\mathrm{\ω}}}---\left(10\right)$

因而，如果包含区间厚度h的地层传导系数kh/μ是已知的，那么在压力增加阶段的末期，确定地层压力p₀等同于确定准稳态漏失率q_L(t_e)：

$q_L\left(t_e\right)=\frac{2\mathrm{\πhk}{r}_{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\μ}}\▿p_{\mathrm{sf}}\left(t_e\right)---\left(11\right)$

如下所示，使用脉冲调和测试可确定q_L，其可利用适当选择的测量频率和泵送速率来实施。

在利用脉冲调和测试确定远地层压力的下述分析中，假定总测试时间小于压力增加时间(井眼暴露于过平衡压力的时间)；预测试体积小于测试期间所开采的总体积，并且在预测试期间除去泥饼。为了简单起见，压力扩散系数的变化和地层传导系数随距井眼的距离的变化被忽略不计。

考虑脉冲调和测试前的情况，即在t＝t_e时的情况。井眼周围的压力p_e(r)＝p(r，t_e)规定了相对于测量时间τ＝t-t_e的初始条件。对于压力p(r，τ)使用相同的标识，存在：

       p(r，0)＝p_e(r)，r≥r_w                  (12)

如上所述，除了其边界值p_w0＝p_e(r_w)之外，函数p_e(r)通常是未知的，该边界值可利用常规的地层测试方法进行测量或估算。利用方程(6)，测试前的井眼周围的初始压力曲线关系可表示为

$p_e\left(r\right)=p_0+(p_{\mathrm{\ω}0}-p_0)\frac{\log [r_e\left(t_e\right)/r]}{\log [r_e\left(t_e\right)/r_{\mathrm{\ω}}]},r_{\mathrm{\ω}}\≤r\≤r_e\left(t_e\right)---\left(13\right)$

并且来自厚度为h的井段的相应的准稳态漏失率可表示为：

$q_L=\frac{2\mathrm{\πkh}}{\mathrm{\μ}}\frac{p_{\mathrm{\ω}0}-p_0}{\log [r_e\left(t_e\right)/r_{\mathrm{\ω}}]}---\left(14\right)$

这一漏失率q_L之前是未知的，并且确定它就等同于确定两个参数：压力增加区的半径r_e(t_e)和地层压力p₀。

利用方程(14)，初始压力曲线关系可以等同的形式进行表示：

一般来说，例如，如果能够快速密封井段的砂岩表面并监测砂岩后面随时间的压力松驰p_w(τ)，参数_L可利用常规的压力增加技术来确定。实际上，根据叠加原理，在密封的砂岩表面处，对多级变化的流量的压力响应可表示为：

在此，利用已知的压力扩散方程的方法可确定函数F₀(a)，其中 $a=\mathrm{\η\τ}/r_w^2$ (例如参见H.S.Carslaw and J.c.Jaeger：Conduction of Heatin Solids，2^nd Edition，Oxford：Clarendon Press，1959)

$F_0\left(a\right)=\frac{4a}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{(1-e^{-{\mathrm{\ξ}}^2})\mathrm{d\ξ}}{{\mathrm{\ξ}}^3[J_1^2\left(a^{-\frac{1}{2}}\mathrm{\ξ}\right)+Y_1^2\left(a^{-\frac{1}{2}}\mathrm{\ξ}\right)]}---\left(17\right)$

其中，J_i和Y_i分别在i＝0，1时为阶数i的第一和第二类贝塞耳函数，并且其在复制于上述的Carslaw等的图6中示出。由于在大部分时间，

通过绘制ψ_w(τ)对logτ的图表，能够确定两个参数，_L和η/r_w ²。

这一直接的方法被广泛应用在试井技术中(参见T.D.Streltsova：Well Testing in Heterogeneous Formation，Exxon Monograph，JohnWiley and Sons，1988)，然而，该方法还很难在实际中实施。这其中具有多个原因。首先，在低渗地层中所需的测试时间一般很长。其次，低渗地层中的初始漏失率通常很小并且很难进行测试。砂岩表面的密封和压力监测优选精心进行，以便不致破坏地层和砂岩表面的压力。还需要指出的是，井眼表面的密封还可由压力松驰步骤来替代，其可防止漏失，但是，由于确定很小漏失非常困难使得不容易实施。因此，需要不同类型的压力测量步骤。脉冲调和测试具有不损害测量精度的优点，并且从数据中提取的信息量可与利用常规方法所提取的信息量相比。

考虑到脉冲调和测试期间井眼周围的压力随采油量q_w(τ)而变化，该采油量具有周期 T。利用叠加原理，可将测试期间的采油量干扰q(τ)＝q_w(τ)+q_L表示为具有零平均采油量q_p(τ)和常数平均采油量q_a的周期分量的和，即

q(τ)＝q_p(τ)+q_a，q_a＝ q_w+q_L，q_p(τ)＝q_w(τ)- q_w(19)

其中：

${\stackrel{\‾}{q}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{\stackrel{\‾}{T}}\underset{0}{\overset{\stackrel{\‾}{T}}{\∫}}{q}_{\mathrm{\ω}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}---\left(20\right)$

未知的漏失率q_L已经被加到采油量q_w(τ)中以补偿井眼周围的初始不一致的压力曲线(15)。这一测试程序的优点在于，通过改变角频率ω＝2π/ T(参见上述的Stretsolva)，周期部分q_p(τ)可对于不同的勘测深度 $R\≈2\sqrt{\mathrm{\π\η}\stackrel{\‾}{T}}$ 进行调节。测量时间与周期 T可比并且通常远远短于关井之后的压力增加的持续时间。与此同时，平均采油量 q_w不应过多依赖硬件(泵、压力计、流量表)的特性。例如，通过选择合适的开采脉冲(production pulses)的幅值q₀和持续时间t₀以及比率t₀/ T(参见图8)。然后可以对采油量的周期分量q_p(τ)和非周期分量q_a的响应单独进行解释。

这一叠加的其它优点在于周期分量q_p(τ)不涉及未知的初始漏失率q_L，并且将对周期采油量q_p(τ)的压力响应从所测井眼处的压力变化中减去在脉冲调和测试的实施中是标准的任务(参见上述的Streltsova)。处理对周期分量的压力响应允许确定压力扩散系数η和地层传导系数kh/μ。这在测试前在对初始压力值的表示式中将由方程(13)和(8)所确定的未知参数的数量减少为仅一个—地层压力p₀。

确定p₀需要处理响应于采油量的非周期分量的井眼压力响应，其由平均恒定采油量q_a表示。利用叠加原理，这一响应可类似的表示为：

此处，ψ_a(τ)为所测的压力响应减去周期分量，参数 _w为已知，参数_L仍然未知。

函数F₀(a)由方程式(17)定义并在图6中示出。由于压力扩散系数η已经由对周期分量的压力响应所确定，幅角 $a=\mathrm{\η\τ}/r_w^2$ 就可被计算出。现在，比较方程(16)和方程(21)，与标准压力增加测量相应的方程(16)涉及两个未知参数_L和η，然而方程(21)仅涉及一个未知参数_L。这一优点可被充分利用。实际上，可使用脉冲调和测试数据估算出参数_L：

因而，方程(22)右侧的最后项形式上取决于测量时间τ，其实际上为常数。利用井眼内的压力测量值ψ_a(τ)和函数F₀(a)可将这一项估算出，其表示响应于平均多级采油量的无量纲油藏压力。

在确定了参数_L之后，所需的地层压力可被估算出：

        p₀＝p_w0-_Llog[r_e(t_e)/r_w]              (23)

方程(22)还可做如下解释。在缺少初始压力增加和相应的漏失率时，右侧的最后项必需精确的等于 _w。这意味着当q_L≠0时两项之间的差表示了在实际移动边界处的“边界条件”的影响，其相应于传入地层中的压力波，如图7所示。此处，压力曲线以对三个顺序测量时间τ₁＜τ₂＜τ₃的对数标度l＝logr进行绘制。由于平均采油量为常数，表示存在初始压力增加p_w0-p₀的压力曲线的实线具有相同的斜率。虚线表示压力曲线，其应在不存在初始压力增加条件下进行观测。还假定传入地层中的压力波的实际前端的速率l＝l_m不受压力增加的影响。由于这一原因，两种情况下井眼压力状态之间的差异随着时间而积累：Δp₁＜Δp₂＜Δp₃。这一积累的差异使包含在方程(22)内的项-ψ_a(τ)＝p_w0-p_w(τ)，大于分母F₀(ητ/r_w ²)，其表示对多级速率 _w的响应，对应于一致的初始压力曲线。

在下面的实例中，考虑到多脉冲测试程序，在图8中示出，具有开采脉冲幅值q₀、开采脉冲持续时间t₀、周期 T和两个顺序脉冲之间的时滞t₁＝ T-t₀。平均采油量 q_w可从方程式(20)中得出：

             q_w＝q₀(t₀/ T)                      (24)

利用叠加原理，响应于井眼处的第一开采脉冲的压力可表示为：

ψ_w(τ)＝- _w[F₀(a)-θ(τ-t₀)F₀(a₁)]          (25)

其中θ(τ)为Heaviside单位阶跃函数，并且

$a=\frac{\mathrm{\η\τ}}{r_{\mathrm{\ω}}^2},$ $a_1=\frac{\mathrm{\η}(\mathrm{\τ}-t_0)}{r_{\mathrm{\ω}}^2}---\left(26\right)$

利用第一次关井(图8中的点A)和第二开采周期开始(点B)时的压力干扰测量值ψ_A和ψ_B，可获得压力扩散系数η的方程：

$\frac{{\mathrm{\ψ}}_A}{{\mathrm{\ψ}}_B}=\frac{F_0({\mathrm{\ηt}}_0/r_{\mathrm{\ω}}^2)}{F_0(\mathrm{\η}\stackrel{\‾}{T}/r_{\mathrm{\ω}}^2)-F_0({\mathrm{\ηt}}_1/r_{\mathrm{\ω}}^2)}---\left(27\right)$

在确定η之后，地层传导系数可被计算出：

$\frac{\mathrm{kh}}{\mathrm{\μ}}=\frac{q_0}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ψ}}_A}\left(\frac{t_0}{\stackrel{\‾}{T}}\right)F_0\left(\frac{{\mathrm{\ηt}}_0}{r_{\mathrm{\ω}}^2}\right)---\left(28\right)$

现在，在井眼处的响应于非周期采油量的压力响应ψ_a(τ)必须从图8所示的所测压力曲线OABCD...中减去。这意味着至少前三个开采脉冲优选应包含在解释内以更加准确地确定ψ_a(τ)。最后，与初始漏失率q_L成比例的参数_L可利用方程式(22)得出，然后，从方程式(23)计算得出地层压力：

$r_e\left(t_e\right)=r_{\mathrm{\ω}}\sqrt{Z_e\left(\frac{{\mathrm{\ηt}}_e}{r_{\mathrm{\ω}}^2}\right)+1}---\left(29\right)$

其中函数Z_e(T)在图5中示出。

图7中的图释有助于理解脉冲测试设计的要求，其应减少了可能存在的解释错误。显然，与漏失率相比，平均采油量q₀(t₀/ T)不应太高，否则，与其它项相比，方程(22)的右侧项较小，从而其测量误差会影响_L的计算精度。当q₀(t₀/ T)接近漏失率时可获得最好的方案。在这一情况下，局部瞬时压力曲线的斜率和恢复压力曲线的相等，但具有相反的标记。

泵与井眼表面(或者砂岩表面)之间的流体体积也被称为存储体积，其可使在泵处所产生的开采脉冲发生变形。由于这一变形，井眼表面的边界条件不能精确地符合由泵产生的开采计划，因此压力响应不同于所获得的方案。这一现象称为井眼(或仪器)的存储效应，如果每个测量循环的存储体积相对于总采油量较大，则其是很重要的。事实上，存储体积在开采期间被减压并在注入循环期间被加压，降低了由泵产生的采油量变化，从而平滑了对其的地层响应。如果存储体积内的流体的压缩系数是常数，利用拉普拉斯(Laplace)变换技术可对存储效应进行研究(参见上述的Barenblatt等和上述的Carslaw等)。

对具有幅值q₀和零初始条件的多级采油量的基本解决方案通过公式给出(上述的Carslaw等)：

(r，τ)＝-₀F_S(a)， $a=\frac{\mathrm{\η\τ}}{r_{\mathrm{\ω}}^2},$

$F_S\left(a\right)=\frac{4a}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{(1-e^{-{\mathrm{\ξ}}^2})}{{\mathrm{\ξ}}^3[u^2\left(a^{-\frac{1}{2}}\mathrm{\ξ}\right)+{\mathrm{\υ}}^2\left(a^{-\frac{1}{2}}\mathrm{\ξ}\right)]}---\left(31\right)$

u(z)＝γzJ₀(z)-J₁(z)，υ(z)＝γzY₀(z)-Y₁(z)     (32)

其包括另一个无量纲参数γ，其定义为：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\τ}}_S}{{\mathrm{\τ}}_F},$ ${\mathrm{\τ}}_S=\frac{c_0{V}_S\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\πkh}},$ ${\mathrm{\τ}}_F=\frac{r_{\mathrm{\ω}}^2}{\mathrm{\η}}---\left(33\right)$

该参数γ是两个特征时间τ_S和τ_F的比值，所述特征时间分别与存储体积和地层相对应。在此，V_s为存储体积，c₀为流体压缩系数，其与随压力变化Δp而存在的存储体积的变化ΔV_S相关，即ΔV_S＝-c₀V_sΔP。在γ＝0时方程(31)-(32)变为与方程(17)相同。函数(2π)^-1F_S(a)对log₁₀(a)在γ^-1＝0.5，1，2，4和∞时的值在图9中示出(从Carslaw等人复制)。可以看出，存储效应在短时间时，尤其是在大的γ值时是很明显的。这一方程代替方程(16)-(17)可用于在上述范围内脉冲测试数据的解释。

可以理解，所述的技术可扩展到考虑在钻井期间由于泥浆滤液侵入地层而存在的地层性质随距井眼的距离的变化，即压力扩散系数和传导系数，随距井眼的距离的变化而变化。具有不同频率的脉冲调和测试可用于区分破坏层和未破坏地层的响应。在这一实施例中的测试程序的设计需要一些关于地层传导系数和扩散系数的在先信息(至少一系列估测幅值)，如果它们随着距井眼的距离变化非常显著，对采油量的非周期分量的压力响应的解释需要进行修正，并且一般需要更长的测量时间。

图10为实施本发明实施例的步骤流程图。方框1003表示自钻井停止在目的层深度区处记录时间。进行预测试(方框1005)并利用常规的方式测量包括渗透率在内的井下参数(方框1010)。增加区域内的井眼压力(方框1020)并波动流量(方框1030)。如上所述，例如从井口或者在两个封隔器之间压力可被控制。确定第一套井下参数(方框1040)。在该实施例中，这包括利用所测压力的周期分量、确定地层压力扩散系数和传导系数，以及估测井眼周围压力增加区的大小。之后，如所述的，这套井下参数和所测压力的非周期分量用于确定滤液漏失率和/或压力梯度(方框1060)。然后，使用外推法确定地层压力(方框1075)。

图11和12示出了泵送/注入模式(图11)和开采模式(图12)下的测量。

对于图11中的泵送/注入模式，主要目的为测量泥饼的流体传导系数，如果通过其将流体泵送入地层，泥饼不应该受到严重的破坏、不应该被移除或者改变。将层段封隔开可被用于：a)减小仪器存储效应，b)选择性地隔开特定深度的区域以进行测量和/或c)以增加表面积并维持合适的注入率，这将不用压裂而产生在泥饼后面的可测压力响应，以及其它。在图11中，时间标度从仪器坐封和探头穿过泥饼开始，紧接着进行小体积的预测试(如(a)所示)以便清洗探头—地层界面，并在压力计(如图2中的493)与地层砂岩表面之间形成良好的流体连通。在压力增加之后(如(b)所示)，利用脉冲并穿过被泥饼所覆盖的封隔区间(interval)，将流体注入地层(如(c)所示)，产生泥饼后的瞬时压力响应。利用探头所测砂岩表面压力在注入脉冲期间增加并在它们之间松驰，然而区间压力在注入期间保持恒定。压力计492(区间)和493(探头)所测两个压力可用于计算泥饼的流体传导系数，如下所述。使用公知的方法利用低频和相对高频分别确定扩散系数和存储系数是可能的。

对于在开采模式中进行测试，如图12所示，其目的包括：(1)利用对开采脉冲的周期压力响应确定地层参数(压力扩散系数和压力传导系数或者kh/μ)，然后(2)利用非周期压力响应估算从井眼进入地层的初始漏失率。前面已经详尽地进行了分析。如图12所示，进行预测试(a)是为了使泥饼清洁并在仪器和地层之间建立良好地流体连通，紧接着是一些开采脉冲。开采脉冲的数目优选为至少三个。更多的脉冲易于增加压力响应的非周期部分的分辨率。

接下来将对本发明的另一实施例进行描述，该实施例包括一种用于估测控制滤液漏失率的泥饼参数的技术，并且利用这一估测反过来由所测的砂岩表面压力值来估测真实的油藏压力。实施这一实施例的步骤的流程图在图13中示出。

记录钻井后时间(方框1103)。如方框1105所示，地层压力测量仪器被布置在井内，并设置在目的地层上。进行地层渗透率的估测(方框1110)。这可利用标准的手段来完成；例如，预测试瞬时压力的解释。这一过程结合了地层总压缩系数的估测，以获得地层压力扩散系数的估算(方框1115)。使井眼压力随适当的频率范围内的重要频谱的变化及时周期性变化(方框1125)，如上所述，并且在下面还要进行描述。由地层探测压力传感器和井眼内的压力传感器(参见图2)所测的随时间变化的压力被测量和记录(方框1130)。同样利用预测试所获得的地层渗透率的信息对井眼和地层压力测量值的时间周期部分进行分析，以便估算出泥饼的流阻(方框1140)。

然后将所估算出的泥饼的流阻与所测的井眼和砂岩表面的压力结合以估算滤液漏失率(方框1150)。接着，如方框1160所示，将滤液漏失率与所估算出的地层渗透率和后钻井的暴露时间结合，以估算由于漏失(即增压作用)而在砂岩表面的过压。将这一过压从所测的压力中减去，以对未被增压作用影响的真实油藏压力进行估测(方框1170)。

对于这一实施例的更详尽的程序将在下面进行描述。至于步骤1125，一旦设置了仪器的探头并且其与地层压力连通，采取所述步骤以产生最适当的振幅、时间周期、井眼内的绝对压力变化，以便产生(a)井眼内仪器处的可测压力干扰，并且(b)对这一干扰的可测响应，正如通过探头与地层连通的压力传感器(如图2)所示。

所述的井眼压力可被表示成 其中 p_w表示围绕其产生波动的(恒定的)背景井眼压力， 表示幅角的“实部”，

表示振幅，ω为频率。地层内产生压力变化的机理包括对改变穿过泥饼的滤液漏失率的响应(尽管其它过程可能也起作用，如岩石的弹性形变或者泥饼本身的形变)。应该对井眼压力波动的频率进行选择，以便所测的通过泥饼的压力波动的衰减对泥饼的流阻足够敏感。计算出的压力响应在图14和15中示出，观测这些说明频率最好选择在 ${\mathrm{\ω}}_D={\mathrm{\ωr}}_{\mathrm{\ω}}^2/\mathrm{\η}=0$ (10^-2到10⁰)范围内，因为响应既不太小，因次频率也不太低(r_w为在泥饼岩石面所测的井眼半径，η为地层内的压力扩散系数，ω为产生的压力脉冲的角频率)。频率的选择在上面描述过了。频率选择中的其它考虑为频率要足够低以便压力干扰穿过的深度大于泥饼的厚度，并且这转化为要求满足φ_cμc_cωd²/k_c＜＜1，其中d为泥饼厚度，c_c为泥饼压缩系数，φ_c为泥饼孔隙度，k_c为泥饼渗透率以及k_c/φ_cμc_c为泥饼内压力扩散系数的测量值。

关于泥饼表皮压力波动衰减的解释，具有角频率ω的地层内轴对称时间调和压力波动的复数幅值满足：

$\mathrm{i\ω}\hat{p}=\frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(r\frac{d\hat{p}}{\mathrm{dr}}\right),---\left(34\right)$

其中真实压力由

η＝k/φμc_t给出，其中k为地层渗透率，φ为地层孔隙度，μ为孔隙内流体粘度，c_t为流体-固体系统的压缩系数(流体饱和的地层)。压力波动在远距离处衰减，以致 $\hat{p}(r,\mathrm{\ω})\→0$ 时r→∞。在井壁处，泥饼被看作无穷薄的“表皮”，穿过它具有与瞬时流量成比例的压力损失，以致：

${\hat{p}}_w\left(\mathrm{\ω}\right)-\hat{p}(r_w,\mathrm{\ω})=-r_{w}S\frac{d\hat{p}}{\mathrm{dr}}(r_w,\mathrm{\ω}),---\left(35\right)$

其中，无量纲参数S为在试井中所常用的标准的表皮因子。其可表示为：

$\hat{p}(r_{\mathrm{\ω}},\mathrm{\ω})={\hat{p}}_{\mathrm{\ω}}\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{K_0\left(\sqrt{\frac{\mathrm{i\ω}}{\mathrm{\η}}}{r}_{\mathrm{\ω}}\right)}{K_0\left(\sqrt{\frac{\mathrm{i\ω}}{\mathrm{\η}}}{r}_{\mathrm{\ω}}\right)+\sqrt{\frac{\mathrm{i\ω}}{\mathrm{\η}}}{r}_{\mathrm{\ω}}{\mathrm{SK}}_1\left(\sqrt{\frac{\mathrm{i\ω}}{\mathrm{\η}}}{r}_{\mathrm{\ω}}\right)},---\left(36\right)$

其中K部分为修正的贝塞耳函数，并且要选择平方根部分以便确保远距离处压力干扰的衰减。

图14和15示出了对于多个S值的对ω或 ${\mathrm{\ω}}_D={\mathrm{\ωr}}_w^2/\mathrm{\η}$ 的上述公式中给出的 的模和幅角的曲线图。在图14中，地层渗透率为10mD，地层流体粘度为1mPa.s的孔隙度为20％，总压缩系数为10^-8Pa^-1，井眼半径为0.1m，并且泥饼表皮因子S＝99.49(相应于1mm厚度、渗透率为0.001mD的泥饼)。对于这样的泥饼，100psi的压差所形成的流体损失量为6.8×10^-5cm/s。从图15可以看出，如果η，ω，r_w和ω_D是已知的，那么由所测的砂岩表面和井眼压力波动的幅值比

来估算S的值是可能的。在本实施例中，使用标准信号处理方法由所测的 和

的时间序列可获得 和

的值。

作为进一步的改进，还可改变钻井流体循环率和/或长期平均井眼压力。循环率的改变将使泥饼得到冲蚀(或者进一步增长)，且过滤压力的变化会使泥饼压实(或略微膨胀)。利用刚才描述的方法可估算每一循环率或超压的泥饼表皮因子，并且利用这一方法可产生一张S值对循环率(以

表示)和/或漏失压力(p_w-p(r_w，t)，以Δp表示)的对应表。存储在表内的数值可用在方框1150的步骤中(下面还要描述)，以便在评估漏失率时使用相应于当前循环条件的S值。可在所测数值之间进行插值。

至于方框1150的步骤，通过泥饼的瞬时压力降与砂岩表面压力梯度相关：

$p_w\left(t\right)-p(r_w,t)=-r_{w}S(\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\left(t\right),\mathrm{\Δp}\left(t\right))\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}(r_w,t),---\left(37\right)$

并在砂岩表面应用达西定律，

$-\frac{k}{\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}(r_w,t)=q,---\left(38\right)$

以将滤液漏失率q同砂岩表面压力梯度关联起来，从而得到：

$q\left(t\right)=\frac{k(p_w\left(t\right)-p(r_w,t))}{{\mathrm{\μr}}_{w}S(\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\left(t\right),\mathrm{\Δp}\left(t\right))},---\left(39\right)$

使用这一表达式，假设(a)流体损失可充分地由上面所估算的表皮因子S进行表述，以及(b)在前述的步骤中已经收集了足够的数据以能够外推和内插从而估算井眼流量和地层的首先暴露压力与地层压力测量值之间出现的压力范围内的S值(或者具有机械模型以将一组井眼条件下的所测S值和另一井眼条件下的S值联系起来)，如果分别给出井眼和砂岩表面压力p_w(t)和p(r_w，t)的所测时间历史过程和钻井液循环率的信息就能估算出滤液漏失率q(t)。

至于步骤1160和1170，通过常用的卷积积分能够将砂岩表面压力与流体漏失率关联起来：

$p(r_w,t)=p_{\∞}+\underset{t_0}{\overset{t}{\∫}}G(t-t^{\′})q\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′},---\left(40\right)$

其中t₀表示地层首次被钻开的时间，p_∞为距井眼较远处的油藏压力，G为包含地层渗透率(k)和压力扩散系数(η)的地层脉冲响应，q(t′)为由按照上述方法所估算的滤液漏失率时间过程。G的函数形式在本领域是公知的。

通过将由前述方程给出的所估算的砂岩表面压力与实测砂岩表面压力相比较就能估算出p_∞。换一种方式来说，量值 $\underset{t_0}{\overset{t}{\∫}}G(t-t^{\′})q\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}$ 可用于估算增压所引起的超压，并将其从所测压力中减去以估算真实地层压力。可以理解，本实施例取决于由影响技术精度的来自滤饼阻力的超压的间接估算。解释模型假定了泥饼是薄的，并对井眼与地层之间的流体流具有简单附加阻力。该技术可被修正以考虑有限厚度的泥饼、泥饼本身内的不稳定压力扩散，和/或泥饼的流体性质与变化的井眼压力之间的相互作用。

虽然结合有限的实施例已对本发明进行了描述，受益于本公开的本领域的技术人员可以理解，可以设计出不偏离本发明所公开的范围内的其它实施例。例如，本发明的实施例可被容易地修改并用于进行特定的地层取样和测量操作而不偏离本发明的精神。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书进行限定。

Claims (21)

1.一种确定地层的特定深度区域处的原始地层压力的方法，所述地层在利用钻井泥浆所钻的井眼周围并在井眼上形成有泥饼，其包括以下步骤：

记录自在所述深度区域处停止钻井后的时间；

导出所述深度区域处的地层渗透率；

使井眼压力随时间周期性变化，并确定所述深度区域处泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量；

利用所述时间、所述周期分量和所述渗透率，确定地层压力扩散系数和传导系数并估算所述深度区域处地层的井眼周围的压力增加区的尺寸；

利用所述时间、所述地层压力扩散系数和传导系数、以及所述非周期分量，确定所述深度区域处泥饼的漏失率；

利用所述漏失率，确定所述深度区域处泥饼附近地层内的压力梯度；

利用所述压力梯度和所述的压力增加区的尺寸，外推从而确定原始地层压力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的确定所测泥饼附近地层内压力的周期分量和非周期分量的步骤包括：在所述深度处提供地层测试装置，并利用穿过泥饼插入泥饼附近地层的所述装置的探头测定地层压力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的确定泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量的步骤包括：由利用所述的探头所测的平均压力确定所述的非周期分量，并由来自所述平均压力的变化确定所述的周期分量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的提供地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的缆线上设置所述装置。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的提供地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的钻柱上设置所述装置。

6.一种确定地层的特定深度区域处的原始地层压力的方法，所述地层在利用钻井泥浆所钻井眼周围并在井眼上形成有泥饼，其包括以下步骤：

使井眼压力随时间周期性变化；

确定所述深度区域处泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量；

利用所述周期分量，估算地层的所述深度区域处井眼周围的压力增加区的尺寸；

利用所述非周期分量，确定所述深度区域处泥饼的漏失率；以及

利用所述漏失率和所述压力增加区的所述尺寸，确定原始地层压力。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的利用所述的漏失率确定原始地层压力的步骤包括：由所述的漏失率确定所述深度区域处泥饼附近地层内的压力梯度，并利用所述的压力梯度和所述的压力增加区的所述尺寸外推，从而确定所述的原始地层压力。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其还包括记录所述深度区域处自停止钻井以来的时间，并且其中所述的时间用在估算压力增加区的尺寸的步骤中和确定所述的压力梯度的步骤中。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的确定泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量的步骤包括：在所述深度区域处设置地层测试装置，并利用穿过泥饼插入泥饼附近地层的所述装置的探头测量地层压力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的确定泥饼附近地层内所测压力的周期分量和非周期分量的步骤包括：由利用所述的探头所测的平均压力确定所述的非周期分量，并由来自所述平均压力的变化确定所述的周期分量。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的设置地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的缆线上设置所述装置。

12.一种确定地层的特定深度区域处的原始地层压力的方法，所述地层在利用钻井泥浆所钻的井眼周围并在井眼上形成有泥饼，其包括以下步骤：

记录自在所述深度区域处停止钻井后的时间；

导出所述深度区域处的地层渗透率；

使井眼压力随时间周期性变化并测量所述深度区域处井眼内随时间变化的压力和泥饼附近地层内随时间变化的压力；

由所导出的渗透率和井眼内所测压力的分量以及泥饼附近地层内所测压力的分量，估算所述深度区域处泥饼的流阻；

由所估算的流阻和井眼内所测压力以及泥饼附近地层内所测压力，确定所述深度区域处泥饼的漏失率；

由所导出的渗透率、所述的漏失率和所述的自停止钻井的时间，确定所述深度区域处泥饼附近地层内的过压；以及

由泥饼附近地层内的所测压力和地层内的所述过压，确定所述深度区域处的原始地层压力。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的测定井眼内随时间变化的压力和泥饼附近地层内随时间变化的压力的所述步骤包括：在所述的深度区域处设置地层测试装置，并利用穿过泥饼插入泥饼附近地层的所述装置的探头测量地层压力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的设置地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的缆线上设置所述装置。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述设置地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的钻柱上设置所述装置。

16.一种确定在特定的深度区域处的泥饼的漏失率的方法，所述泥饼形成在地层中利用钻井泥浆所钻的井眼上，该方法包括下述步骤：

导出特定深度区域处地层的渗透率；

使井眼压力随时间周期性变化并测量所述深度区域处井眼内随时间变化的压力以及泥饼附近地层内随时间变化的压力；

由所导出的渗透率和井眼内所测压力的分量和泥饼附近的地层内所测压力的分量，估算所述深度处泥饼的流阻；以及

由所估算的泥饼的流阻和井眼内所测压力以及泥饼附近地层内所测压力确定所述深度区域处泥饼的漏失率。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的测量随时间变化的井眼内压力以及测量泥饼附近地层内随时间变化的压力的步骤包括在所述的深度区域处设置地层测试装置，并利用穿过泥饼插入泥饼附近地层的所述装置的探头测量地层压力。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述的设置地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的缆线上设置所述装置。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述设置地层测试装置的步骤包括在所述的井眼内的钻柱上设置所述装置。

20.如权利要求16所述的方法，其还包括：

确定一时间段内的循环率和井眼内的相应的过平衡压力；

确定一段时间内对于每一循环率和井眼内的相应的过平衡压力的漏失率；

确定一段时间内漏失率和每一循环率以及相应的过平衡压力之间的关系；以及

根据所确定的关系估算对于在前时间段的漏失率。

21.如权利要求20所述的方法，其还包括：

根据所估算的漏失率调节所测的地层压力。

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