CN204371324U - 地层孔隙压力的确定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种地层孔隙压力的确定装置，该装置包括：液位传感器实时采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量；第一比较器根据实时采集的泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，比较井下钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系，将大小关系输出给地层孔隙压力的确定装置之外的计算设备；接收接口实时接收计算设备传输的地层孔隙压力，地层孔隙压力是计算设备先根据钻井液入口流量与返出流量的大小关系和地层条件信息计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而根据已知的井底钻井液柱压力计算得到的。该方案可以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。

Description

地层孔隙压力的确定装置

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井技术领域，特别涉及一种地层孔隙压力的确定装置。

背景技术

地层孔隙压力指地层孔隙内的油、气、水的压力，与地层所在深度有关，一般表现为地层与地表连通的静液柱压力。此外，地层孔隙压力还与构造的封闭条件有关，穹窿构造的顶部受上覆表层压力的影响，可以形成异常高压地层。地层孔隙压力对于石油工程来说是一项重要的工程地质参数，与油气资源的钻探和开发都有着密切关系。地层孔隙压力是确定合理钻井液密度的基础依据，而钻井液密度直接影响了钻井工程安全和效率，是实现平衡钻井和欠平衡钻井的关键参数。所以对地层孔隙压力进行准确的计算和分析有助于优化钻井设计、保证钻井安全、提高钻井效率。

目前地层孔隙压力的测量评价方法可根据钻井过程的先后顺序分为三类：钻前预测、随钻测量、钻后检测。其中，钻前预测主要是通过地震资料来预测地层孔隙压力，但一般精度较低，无法真实的反映地层孔隙压力信息；钻后检测是利用测井资料来检测地层孔隙压力，钻后检测精确度较高，是目前最准确的孔隙压力评价方法，但钻后检测属于事后检测无法对正在实时进行的钻井工程提供施工指导；随钻测量是利用钻井过程中采集的录井资料和随钻测井资料实时检测地层孔隙压力变化，相比于钻前预测和钻后检测，其优势是能够及时发现地层孔隙压力变化，并指导调整修改钻井液密度和井身结构设计，因此是地层孔隙压力确定技术的主要发展趋势。

目前常用的地层孔隙压力随钻检测方法主要有d_c指数法、泥页岩密度法、标准钻速法、岩石强度法等。其中又以d_c指数法应用的最为广泛，d_c指数法是一种形式的标准化钻速法，其特点是使用方便，能及时提供压力资料，同时可以保证一定的精度。其原理是利用泥页岩压实规律及井底压差对机械钻速的影响来计算地层孔隙压力。具体方法如下：首先将采集到的数据(每米井深的钻压、转速、钻时、泥浆比重、钻头直径、正常地层压力当量泥浆比重)代入式(1)中，根据一口井的正常压力地层的dc指数数据，建立指数正常趋势线。

$d_c=\frac{\log \left(\frac{3.282}{N\×T}\right)}{\log \left(\frac{0.0684\×W}{D}\right)}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_n}{{\mathrm{\ρ}}_m}---\left(1\right)$

其中，N为转速，r/m；T为钻时，min/m；W为钻压，KN；D为钻头直井，mm；ρ_n为正常地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm³；ρ_m为钻井液密度，g/cm³。

建立正常趋势线后，求得相应井深的d_c值，将其与实际计算的d_c值相比较，并运用相应的地层孔隙压力计算模型(例如，对数法、等效深度法、反算法、伊顿法)，来定量地计算出地层孔隙压力的大小。

虽然d_c指数法应用广泛，但仍然存在着局限性。d_c指数法在推到过程中假设钻井条件和岩性不变，同时也不考虑钻头因素和水力学因素的影响，对于机械钻速的影响因素处理过于理想化，然而事实上这些因素确实会对地层孔隙压力的计算结果有较大的影响，使得地层孔隙压力的计算结果准确度低。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种地层孔隙压力的确定装置，以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。该装置包括：液位传感器，用于实时采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量；第一比较器，用于根据实时采集的泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，比较井下钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系，并将大小关系输出给地层孔隙压力的确定装置之外的计算设备；接收接口，用于实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，所述地层孔隙压力是所述计算设备先根据钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系和地层条件信息计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。

在一个实施例中，所述液位传感器通过WITS数据格式和TCP传输方式，将实时采集的所述泥浆泵入口的钻井液流量参数、所述回压泵入口的钻井液流量参数和所述钻井液返出流量传输给所述第一比较器。

在一个实施例中，还包括：第二比较器，用于将所述接收接口接收的地层孔隙压力实时与第一预设值和第二预设值比较大小；存储器，用于存储小于所述第一预设值且大于所述第二预设值的地层孔隙压力。

在一个实施例中，所述接收接口，还用于实时接收所述计算设备传输的地层破裂压力，所述地层破裂压力是所述计算设备根据计算得出的地层孔隙压力实时计算得到的。

在本实用新型实施例中，通过液位传感器采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，通过第一比较器来确定井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，接收接口实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，该地层孔隙压力地是层孔隙压力的确定装置之外的计算设备先根据井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系和地层条件信息实时计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。即本申请提出通过井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，来推导地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而得出地层孔隙压力，与现有技术中通过d_c指数法来确定地层孔隙压力相比，避免了钻井条件、岩性变化等因素对地层孔隙压力计算结果的影响，且通过水力学公式来计算井底钻井液液柱压力，考虑了钻头类型和钻头磨损和水力学等因素的影响，从而可以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种地层孔隙压力的确定装置的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

发明人发现，在钻井过程中，钻井液由泥浆泵泵入井内，经过钻柱、环空、液气分离器、振动筛，返回泥浆池，这一过程中假设钻井液为不可压缩液体，出入口钻井液流量应遵守质量守恒原则；若出入口流量产生偏差，则证明地层流体与井筒内流体之间存在着流动。而无论是地层流体还是井筒内流体的流动都是受井筒内钻井液液柱压力与地层孔隙压力之差驱动的。所以假设井下溢流与漏失发生在近钻头处，通过精确测量钻井液的出入口流量差，便可利用渗流公式逆向推导出钻井液液柱压力与地层孔隙压力之差，再经过水力学公式计算出井筒内钻井液液柱压力，即可得到地层孔隙压力，因此，发明人提出基于钻井液的出入口流量差来确定地层孔隙压力的方法，与现有技术中基于d_c指数法相比，以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。

基于此，在本实用新型实施例中，提供了一种地层孔隙压力的确定装置，如图1所示，该装置包括：

液位传感器101，用于实时采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量；

第一比较器102，与液位传感器101连接，用于根据实时采集的泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，比较井下钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系，并将大小关系输出给地层孔隙压力的确定装置之外的计算设备100；

接收接口103，与计算设备100连接，用于实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，所述地层孔隙压力是所述计算设备先根据钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系和地层条件信息计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。

由图1所示可知，在本实用新型实施例中，通过液位传感器采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，通过第一比较器来确定井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，接收接口实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，该地层孔隙压力地是层孔隙压力的确定装置之外的计算设备先根据井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系和地层条件信息实时计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。即本申请提出通过井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，来推导地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而得出地层孔隙压力，与现有技术中通过d_c指数法来确定地层孔隙压力相比，避免了钻井条件、岩性变化等因素对地层孔隙压力计算结果的影响，且通过水力学公式来计算井底钻井液液柱压力，考虑了钻头类型和钻头磨损和水力学等因素的影响，从而可以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。

具体实施时，液位传感器可以以一定时间间隔来采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，进而确定钻井液泵入和返出量的情形，时间间隔可选择：Δt＝t₂-t₁＝1min～10min。

具体实施过程中，在本申请提出通过井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，来推导地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差时，本领域技术人知晓如何根据钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系和地层条件信息计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，具体的，上述计算设备100可以通过以下方式来根据井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，确定地层孔隙压力，例如：

当钻井液入口流量等于钻井液返出流量时，则可以认为地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差为零，地层孔隙压力等于井底钻井液液柱压力，具体的，可以根据以下公式来计算地层孔隙压力：

P_P＝P_BHP＝P_AF+P₁     (2)

其中，P_P是地层孔隙压力，P_BHP是井底钻井液液柱压力，该井底钻井液液柱压力可以根据水力学公式求得，P₁是静液柱压力，P_AF是环空摩阻， ρ_ESD是当量静态钻井液密度，单位g/cm³，井筒内钻井液静态密度并不处处相同，而是与温度、压力存在着一定关系，故考虑压力、温度随井筒分布规律，得到钻井液的当量密度来计算可提高计算精度，ρ_g为环空压耗，单位：g/cm³，环空压耗需根据现场具体情况如钻井液密度、钻井液流变性、钻井泵排量、岩屑浓度、温度、井眼尺寸及钻具组合等因素选择适合的流变模型计算，g是重力加速度，为9.8N/kg；H是井深。

当钻井液入口流量小于钻井液返出流量时，则证明地层流体流入井筒内，发生了溢流。这种情况下，可认为是欠平衡钻井，则可以参考欠平衡钻井时地层流体流出速度与地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差的关系计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而计算出地层孔隙压力，具体的，可以根据以下公式来确定地层孔隙压力：

$P_P=P_{\mathrm{BHP}}+\frac{\mathrm{q\μ}}{4\mathrm{\πKh}}(2S+\ln \left(\frac{4\mathrm{Kt}}{\mathrm{e\γ\φ\μc}{r_w}^2}\right))---\left(3\right)$

其中，P_BHP是井底钻井液液柱压力，单位M Pa；P_P为地层孔隙压力，单位M Pa；q为地层流体流速，K为地层孔隙率，S为表皮系数，t为溢流发生后测量时间间隔，h为地层厚度，φ为地层孔隙度，c为地层流体可压缩度，r_w为钻井半径，γ为欧拉常数，例如γ＝0.57721，μ是流体粘度，单位M Pa·s；e是常数，一般约为2.71828，是一个无限循环数。

当钻井液入口流量大于钻井液返出流量时，则证明有井筒内流体流入到地层当中，发生了漏失。这一过程与油田开发注水过程相同，由于钻井过程时间相对较短，可认定为稳定流，借助达西公式特推导漏失中压差与漏失量和漏失速度的关系，通过测量器件测量漏失速度与漏失量，然后反推出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而计算出地层孔隙压力,具体的，可以根据以下公式来确定地层孔隙压力：

$P_p=P_{\mathrm{BHP}}-\frac{\mathrm{QB\μ}(\ln \frac{r_e}{r_w}+s)}{0.0226\mathrm{Kh}}---\left(4\right)$

其中，P_BHP是井底钻井液液柱压力，单位M Pa；P_P为地层孔隙压力，单位M Pa；Q为漏失量，单位m3/h；K为地层渗透率，单位m D；h为地层厚度，m；B为水体积系数；μ为流体粘度，单位M Pa·s；r_e为供给半径，单位m；r_w为钻井半径，单位m；s为表皮效应系数。

具体实施时，上述液位传感器可以通过WITS(即井场信息传输规范)数据格式和TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)传输方式，将实时采集的泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量传输给第一比较器。

具体实施时，为了进一步提高地层孔隙压力计算结果的精度，在本实施例中，还包括：第二比较器，用于将所述接收接口接收的地层孔隙压力实时与第一预设值和第二预设值比较大小；存储器，用于存储小于所述第一预设值且大于所述第二预设值的地层孔隙压力，例如，第一预设值可以为2，第二设置值可以为1，以对计算得到的地层孔隙压力进行筛选，使得地层孔隙压力计算结果更准确。

具体实施时，上述接收接口，还用于实时接收所述计算设备传输的地层破裂压力，所述地层破裂压力是所述计算设备根据计算得出的地层孔隙压力实时计算得到的，具体的，在计算得到地层孔隙压力后，上述计算设备还可以根据计算得出的地层孔隙压力实时计算地层破裂压力，例如，不同漏失的地层破裂压力与地层孔隙压力关系如下：

(1)压裂性漏失，压裂性漏失的漏失压力可认为近似等于破裂压力。完整地层的破裂压力为井筒周向应力与岩石抗拉强度之和。根据线弹性力学理论及平面应变假设，可以得到井眼的破裂压力为：

p_f＝3δ_h-δ_H+S_t-αP_P     (5)

其中，p_f是破裂压力；δ_H为最大水平主地应力；δ_h为最小水平主地应力；α为有效应力系数；P_P为地层孔隙压力，单位M Pa；S_t是岩石抗拉强度，单位M Pa。

(2)裂缝扩展性漏失，裂缝扩展性漏失主要发生在强应力敏感性地层，对于裂缝扩展性漏失，存在着临界裂缝宽度。当超过临界裂缝宽度时，钻井液滤失速率明显增加，进而演变成钻井液漏失。通过经典力学理论或数值模拟等手段，就可以求得井筒液柱压力与裂缝面的有效正应力的关系。

$P_{f2}=\frac{K_{n}E({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_o)}{1-v^2}+P_p---\left(6\right)$

其中，P_f2是破裂压力；ω_c是临界裂缝宽度，单位：mm；ω_o是初始最大裂缝宽度，单位：mm；K_n是裂缝刚度；P_p是地层孔隙压力，单位：M Pa；E是系数，可根据具体地层岩性条件确定；v是系数，可根据具体地层岩性条件确定。

(3)大型裂缝溶洞性漏失，对于大型裂缝溶洞性地层，漏失通道尺寸较大，钻井液很容易进入地层，漏失只须克服钻井流体在缝洞系统中的流动阻力，故此类漏失的漏失压力为：

p_f3＝p_p+p_s     (7)

其中，p_f3是漏失压力，p_p为地层孔隙压力，单位M Pa；p_s为钻井液漏失的压力损耗，单位M Pa。

在本实用新型实施例中，通过液位传感器采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，通过第一比较器来确定井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，接收接口实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，该地层孔隙压力地是层孔隙压力的确定装置之外的计算设备先根据井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系和地层条件信息实时计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。即本申请提出通过井下钻井液入口流量与返出流量之间的大小关系，来推导地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，进而得出地层孔隙压力，与现有技术中通过d_c指数法来确定地层孔隙压力相比，避免了钻井条件、岩性变化等因素对地层孔隙压力计算结果的影响，且通过水力学公式来计算井底钻井液液柱压力，考虑了钻头类型和钻头磨损和水力学等因素的影响，从而可以提高地层孔隙压力计算结果的准确度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种地层孔隙压力的确定装置，其特征在于，包括：

液位传感器，用于实时采集泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量；

第一比较器，用于根据实时采集的泥浆泵入口的钻井液流量参数、回压泵入口的钻井液流量参数和钻井液返出流量，比较井下钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系，并将大小关系输出给地层孔隙压力的确定装置之外的计算设备；

接收接口，用于实时接收所述计算设备传输的地层孔隙压力，该地层孔隙压力为确定钻井液浓度提供依据，所述地层孔隙压力是所述计算设备先根据钻井液入口流量与钻井液返出流量的大小关系和地层条件信息计算出地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差，再根据地层孔隙压力与井底钻井液液柱压力之差和已知的井底钻井液柱压力，实时计算得到的。

2.如权利要求1所述的地层孔隙压力的确定装置，其特征在于，所述液位传感器通过井场信息传输规范WITS数据格式和传输控制协议TCP传输方式，将实时采集的所述泥浆泵入口的钻井液流量参数、所述回压泵入口的钻井液流量参数和所述钻井液返出流量传输给所述第一比较器。

3.如权利要求1或2所述的地层孔隙压力的确定装置，其特征在于，还包括：

第二比较器，用于将所述接收接口接收的地层孔隙压力实时与第一预设值和第二预设值比较大小；

存储器，用于存储小于所述第一预设值且大于所述第二预设值的地层孔隙压力。

4.如权利要求1或2所述的地层孔隙压力的确定装置，其特征在于，所述接收接口，还用于实时接收所述计算设备传输的地层破裂压力，所述地层破裂压力是所述计算设备根据计算得出的地层孔隙压力实时计算得到的。