EA005450B1

EA005450B1 - Использование скоростей кусочков породы для прогнозирования в реальном времени порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта

Info

Publication number: EA005450B1
Application number: EA200400568A
Authority: EA
Inventors: Азра Нур Тутунку; Майкл Толберт Майерс; Мохаммад Майкл Арастех
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2005-02-24
Also published as: CA2462973C; CA2462973A1; EP1444416A1; EP1444416B1; US20040236513A1; OA13137A; AU2002335137B2; WO2003036044A1; US6968274B2; BR0213516A; EA200400568A1

Abstract

Способ предназначен для точного прогнозирования в реальном времени порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта на месте нахождения буровой установки путем определения скорости волн по кусочкам породы посредством портативного прибора для измерений методом незатухающих гармонических колебаний, с помощью которого проводят измерения кусочков породы на высокой резонансной частоте, и затем полученную скорость используют в сочетании с новым способом настоящего изобретения для получения точных прогнозов значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта. При использовании способа обеспечивается прогнозирование в реальном времени порового давления на месте нахождения буровой установки с небольшим пределом ошибки, который нельзя получить, используя сейсмическую разведку, вертикальное сейсмическое профилирование или контроль скорости по взрыву.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к анализу и интерпретации скоростей акустических волн в образцах породы, полученных при проходке. Более конкретно, изобретение относится к новому способу очень точного прогнозирования в реальном времени порового давления, градиента давления гидравлического разрыва и прочности пласта на месте нахождения буровой установки путем определения скорости кусочка породы посредством портативного прибора для измерений методом незатухающих гармонических колебаний (НГК) на высокой резонансной частоте и используя измерение скорости в сочетании со способом настоящего изобретения для получения точных прогнозов значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта. При использовании нового способа обеспечивается прогнозирование в реальном времени порового давления на месте нахождения буровой установки с небольшим полем ошибки, который нельзя получить, используя сейсмическую разведку, вертикальное сейсмическое профилирование или контроль скорости по взрыву.

Предшествующий уровень техники

Решающее значение во время бурения скважины имеет знание точных значений порового давления, градиента давления гидравлического разрыва и прочности пласта. Кроме того, поровое давление и градиент давления гидравлического разрыва пласта являются управляющими входными параметрами при моделировании устойчивости ствола скважины, проектировании и расчете скважины и оптимизации траектории ствола скважины. Хотя отсутствуют промышленные приборы для измерения порового давления перед буровой коронкой, но разработаны методики для вычисления порового давления на интервалах проведения каротажа по данным удельного сопротивления и/или акустического каротажа.

Известно несколько способов для получения информации во время бурения, касающейся других характеристик. Например, известен способ определения пористости пласта по характеристикам бурения. В патенте США № 4064749 раскрыт способ определения пористости пласта по характеристикам бурения, в котором при вращении буровой коронки, прикрепленной к нижнему концу бурильной колонны, управляют направленной вниз силой, действующей на буровую коронку. Способ включает в себя этапы измерения частоты вращения буровой коронки, измерения глубины погружения буровой коронки в стволе скважины, измерения массы на указанной буровой коронке, определяющей затупление зубьев указанной буровой коронки, измерения вращающего момента, приложенного к бурильной колонне, определения эмпирически эталонного вращающего момента и определения пористости путем объединения указанных результатов измерений и определений и использования уравнения.

В патенте США № 4949575 раскрыт способ анализа пласта, в котором результаты измерений характеристик бурения используют в качестве входных данных, зависящих от пористости. Способ включает в себя получение сигнала бурения, характеризующего сопротивление бурению пласта, пробуриваемого буровой коронкой, получение большого количества дополнительных сигналов, отражающих свойства пласта, и выполнение на основании указанного сигнала бурения и указанных дополнительных сигналов волюметрического анализа приповерхностного пласта.

В патенте США № 4876512 раскрыт способ определения на буровой площадке содержания разбухающей глины в сланцах и в сланцеватых песчаниках путем измерений площади проводящей поверхности. Образцы промывают жидкостью, имеющей существенно меньшую активность по сравнению с активностью воды, и которая может содержать растворимый катион, и на заранее выбранной частоте (1 МГц) проводят измерения диэлектрической проницаемости образцов для последующего сравнения с калибровочными кривыми, тем самым получая данные по содержанию разбухающей глины в пласте.

В патенте США № 5282384 (Холбрук) раскрыт усовершенствованный способ, основанный на принципах механического зондирования, с использованием данных каротажа скважины для вычисления давления жидкости, содержащейся в осадочной породе, которая естественным образом уплотнилась под действием силы тяжести. Часть способа, относящаяся к определению эффективного напряжения, включает в себя внутренние и внешние измерения деформации зернистой матрицы породы. Поэтому одна и та же калибровка эффективного напряжения может быть равным образом применена к данным о толщине породы, полученным путем измерения, и к петрофизическим данным о пористости породы. Степенная зависимость между эффективным напряжением и деформацией для любой осадочной породы может быть определена из взвешенного среднего степенных функций для минералов, которые образуют осадочную породу. В настоящем изобретении для прогнозирования порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта способ Холбрука модифицирован как в части методики, так и в части типа данных.

Проблема, часто встречающаяся при бурении скважин во многих частях мира, заключается в небольших полях ошибок, что требует большой точности при прогнозировании как порового давления, так и градиента давления гидравлического разрыва пласта, чтобы предотвратить нестабильность сланцев, создающую опасность прекращения циркуляции и/или выброса газа/фонтанирования. Например, при большой глубине Мексиканского залива допуск по бурению, выраженный через поровое давление и через градиент давления гидравлического разрыва пласта, может быть меньше ±0,5 фунта/галлон. Поэтому точность скоростей, получаемых на основании данных сейсмических исследований, каротажа во время бурения и/или кабельного каротажа, является очень важной для бурения в дополнение к другим известным применениям скорости для петрофизических или пластовых исследований.

Кусочки породы, образующиеся при бурении, представляют собой источник информации в квазиреальном времени, который можно получать на месте нахождения буровой установки. В прошлом использование кусочков породы ограничивалось из-за трудностей, возникавших при выполнении измерений на очень малых образцах.

В отчете №в е! а1., Кщ-вбс апб 1аЬога£огу иве о£ ΟΨΤ асоивйс νοίοοίίν тсазигстсШз оп сиШпдв. 8ос1е£у о£ Рс£го1сит Епдшссгв Рарсг № 36854, 1996, показана возможность использования методики незатухающих гармонических колебаний для измерения скорости акустических волн в кусочках породы при использовании портативного оборудования, которое пригодно для контроля небольших образцов, и тем самым предложен новый источник данных, который может быть использован в квазиреальном времени на месте нахождения буровой установки.

Для калибровки скоростей сейсмических волн, данных каротажа во время бурения и/или результатов кабельного акустического каротажа и, что еще более важно, для получения в реальном времени точных результатов измерений скорости волн в пласте кусочки породы обеспечивают потенциально бесценный источник информации.

В настоящее время необходим способ, использование которого позволяет точно прогнозировать поровое давление и градиент давления гидравлического разрыва пласта путем выполнения в реальном времени измерений на месте нахождения буровой установки. В случае получения таких данных они также будут полезными для распознавания опасности мелководных зон, оптимизации массы бурового раствора, обнаружения опасных пустот, обнаружения зон аномального давления, определения прочности пласта для оптимизации траектории скважины и в общем случае для осуществления наиболее безопасного, экономически эффективного бурения.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа прогнозирования в реальном времени порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта на месте нахождения буровой установки путем использования метода незатухающих гармонических колебаний на резонансных часто тах для получения в реальном времени значения скорости кусочка породы и путем использования данных в сочетании со способом, раскрытым в настоящем изобретении для точного прогнозирования порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта. Кроме того, значения скоростей также используют в реальном времени для определения механических характеристик и прочности пла ста.

Способ, согласно изобретению, заключается в том, что

1) получают результаты измерений скорости У_р кусочка породы, для чего

a) подготавливают образец с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием Ь,

b) помещают образец между преобразователями Р- и 8-волн,

c) непрерывно пропускают синусоидальный сигнал в пределах надлежащего частотного диапазона, б) извлекают и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала,

с) измеряют А£, ширину кривой на уровне половинной мощности для каждого максимума амплитуды и осуществляют подстановку значения в уравнение У_р=2Ь-А£,

2) используют полученные результаты измерения скорости для определения пористости по скорости с помощью акустического метода пластового коэффициента при использовании уравнения

где β=0,625 и У_р в матрице =18000 футов/с для песка,

3) прогнозируют поровое давление на основании зарегистрированной скорости, полученной методом незатухающих гармонических колебаний, для чего

а) вычисляют суммарное вертикальное напряжение (напряжение в покрывающем слое) путем ин тегрирования плотности

8ν=ίρ(ζ)·§·6ζ, где ζ - глубина; |}(ζ) - объемная плотность породы пласта как функция глубины; б - плотность; д постоянная силы тяжести,

b) получают эффективное вертикальное напряжение при использовании корреляции Холбрука (Холбрук, 1996) ^σν ^тах^{(1-ф) ,} где а_тах и α представляют собой постоянные параметры, зависящие от литологии, определенные Холбруком,

c) определяют поровое давление при использовании закона ТсгеадЫ

-2005450

Ρρ=(8_ν-σ_ν)/γ, где Р_р - поровое давление; 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте, вычисленное на этапе 3а; σ_ν - эффективное вертикальное напряжение, вычисленное на этапе 3Ь; γ - коэффициент Байота, равный 1-(Кр/Ку), где Кр - объемная сжимаемость, К.. - сжимаемость зерен,

4) прогнозируют градиент давления гидравлического разрыва пласта с помощью модифицированного способа Холбрука при использовании скорости кусочка породы, полученной методом незатухающих гармонических колебаний, из уравнения

8|, _ωΐη=δ[Ρρ+σν(1-φ)], где 8|, - минимальное горизонтальное напряжение, которое представляет собой нижний предел градиента давления гидравлического разрыва пласта; φ - пористость, полученная на этапе 2; Р_р - поровое давление, полученное на этапе 3(с); δ_ν - эффективное напряжение, вычисленное на этапе 3(Ь); δ показатель локальной прочности (для района разведочных работ используют 0,85 по умолчанию),

5) или прогнозируют градиент давления гидравлического разрыва пласта с помощью модифицированного способа Сат С1ау при использовании диэлектрических измерений кусочков породы (ДИКП), для чего

a) измеряют диэлектрическую проницаемость кусочка породы,

b) вычисляют площадь поверхности (ПП) на основании диэлектрических измерений кусочков по роды при использовании уравнения

ПП=0,0274-(ДИКП)^1,9467,

с) определяют безразмерный коэффициент М, характеризующий механическую прочность пласта, при использовании площади поверхности, полученной на основании диэлектрических измерений кусочков породы на этапе 5(Ь), из уравнения

31П1О^Л

М = ---------- , + 3ϊη10 где А=1,54-1,36Е-3-(площадь поверхности),

б) получают значения минимального горизонтального напряжения при использовании уравнения

35_у - (5_У - ЗМ)Р_р

2М + 3

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает схему экспериментальной установки, согласно изобретению;

фиг. 2 - резонансный спектр частот для кусочка сланца толщиной 2,5 мм, согласно изобретению;

фиг. 3 - диаграмму зависимости скоростей, полученных методом незатухающих гармонических колебаний, от частоты для контрольных материалов - люцита и соли, согласно изобретению;

фиг. 4 - диаграмму зависимости скоростей, полученных в реальном времени методом незатухающих гармонических колебаний на скважине в Мексиканском заливе, согласно изобретению;

фиг. 5 - спрогнозированные в реальном времени значения порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта при использовании данных полученных кусочков породы методом незатухающих гармонических колебаний и диэлектрических измерений, в зависимости от глубины на выбранных интервалах скважины в Мексиканском заливе, согласно изобретению;

фиг. 6 - диаграмму зависимости значений скоростей, полученных методом незатухающих гармонических колебаний и кабельным акустическим каротажем, от глубины на выбранных интервалах скважины в Мексиканском заливе, согласно изобретению;

фиг. 7 - диаграмму зависимости спрогнозированных значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта от глубины для скважины в Мексиканском заливе после бурения интервала и сбора данных кабельного акустического каротажа; прогнозы по методике незатухающих гармонических колебаний и на основе диэлектрических измерений кусочков породы сделаны в реальном времени во время бурения на том же самом интервале и приведены для сравнения, согласно изобретению;

фиг. 8 - диаграмму зависимости спрогнозированных значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта от глубины для другой скважины в Мексиканском заливе, полученных при использовании данных метода незатухающих гармонических колебаний и диэлектрических измерений кусочков породы.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Использование заявленного способа согласно изобретению обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с любым способом, известным в настоящее время. Прежде всего, обеспечивается возможность точного прогнозирования в реальном времени порового давления и градиента гидравлического разрыва пласта при использовании результатов измерений на образцах реальной породы на месте нахождения буровой установки. Способ также обеспечивает возможность прогнозирования прочности пласта в буро

-3005450 вой скважине без проведения акустического каротажа, что предоставляет операторам возможность получать все входные данные, необходимые для анализа устойчивости ствола скважины, и проводить анализ устойчивости ствола скважины, а для успешного бурения скважины давать рекомендации относительно оптимальных давлений в скважине. Потенциально эти особенности обеспечивают значительное снижение затрат на бурение, связанных с точной оптимизацией траектории скважины.

Кроме того, результаты измерений могут быть использованы для сравнения с получаемыми позднее данными каротажа при бурении для анализа соответствия, при этом выявление различий может способствовать определению в реальном времени опасных зон, смягчению возникающих проблем, предотвращению неустойчивости ствола скважины и минимизации времени простоя при эксплуатации.

Прибор для измерений методом незатухающих гармонических колебаний, используемый в изобретении для измерения характеристик небольших образцов кусочков породы на месте нахождения буровой установки, представляет собой портативное устройство, содержащее держатель образца с двумя пьезоэлектрическими ультразвуковыми преобразователями, расположенными навстречу друг другу. Один преобразователь используют для возбуждения акустических волн, а второй преобразователь используют для их обнаружения. Один из преобразователей закреплен на микрометрическом винте микрометра, что позволяет одновременно измерять длину образца. Образец располагают между двумя преобразователями. При подаче частоты возбуждения в пределах диапазона, соответствующего нескольким резонансам стоячих волн, в составном резонаторе создаются резонансы ультразвуковых стоячих волн. Огибающую принятого сигнала усиливают с помощью широкополосного приемника с регулируемым коэффициентом усиления, который подключают к переносному компактному персональному компьютеру. При поступлении нескольких входных параметров с помощью вспомогательной программы вычисляются скорости. Пример результатов измерений, выполненных для образца сланца из бурового шлама толщиной 2,5 мм (0,5 дюйма), показан на фиг. 2. Портативное устройство для измерений методом незатухающих гармонических колебаний, использованное в настоящем изобретении (фиг. 1), можно получить от ТЕМСО Сотрапу, Талса, штат Оклахома.

Ниже приведены определения терминов, используемых в описании изобретения:

α - затухание звуковых колебаний, Нп/см; НГК - незатухающие гармонические колебания; МНГК метод незатухающих гармонических колебаний; £ - частота, Гц, с^-1; Ό - диаметр, м; Ь, ζ - толщина образца, м; λ - длина волны, м; ИГ СБР - измеренная глубина стола бурового ротора, м; ФВГ - фактическая вертикальная глубина; п - число половин длин волн, целое число; У_р - скорость звука, м/с, мкс/фут; Р первичная волна; 8 -поперечная/вторичная волна; σ_ν - вертикальное эффективное напряжение; φ - пористость; п_тах и α - постоянные параметры, зависящие от литологии; 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте; ρ(ζ) - объемная плотность породы как функция глубины; ζ - глубина; д - постоянная силы тяжести; б - плотность; Р_р - прогнозируемое поровое давление; уР_р - поровое давление, где γ - коэффициент Байота=1-(Кр/К_у), Κβ - объемная сжимаемость, Κ_γ -сжимаемость зерен.

Нижние индексы:

п - число половин длин волн; р - первичный.

Устройство для измерения методом незатухающих гармонических колебаний (МНГК) основано на создании резонансов стоячих волн в составном резонаторе при подаче частоты £ возбуждения в пределах диапазона, соответствующего нескольким резонансам стоячих волн. Посредством второго преобразователя принимается амплитудно-модулированный сигнал, включающий резонансы, показанные на фиг. 2. Каждый из п резонансов стоячих волн характеризуется резонансной частотой £п. На практике при наличии плоских волн предполагается, что отношение λ/Ό является достаточно малым, где λ - длина акустической волны, Ό - диаметр. Резонанс будет наблюдаться, по существу, на каждом интервале λ=ν/£, чему соответствует Τ=η·λ/2, где Ь - толщина образца или расстояние между поверхностями двух преобразователей, п - целое число. Фазовая скорость акустических волн для Р- или 8-волн может быть выражена как У_р = 2ΚΔΓ. где Δ£ = £_п+1-£_п представляет собой разность частот двух последовательных резонансов. Например, для образца сланца с У_р=6550 футов/с и Ь=0,06 дюйма Δ£ будет составлять »0,67 МГц, а практическая частота будет находиться в пределах 1-10 МГц.

При подготовке к измерениям оператор получает образец кусочка породы с двумя противоположными параллельными поверхностями, отстоящими друг от друга на расстоянии Ь (расстояние Ь соответствует длине образца кусочка породы), прикрепляет к каждой из двух поверхностей преобразователи Рили 8-волн, в соответствующем частотном диапазоне непрерывно изменяет частоту синусоидального сигнала, выделяет и регистрирует огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала, измеряет Δ£ и подставляет значения в уравнение У_р=2^-Δ£.

Подготовка образца включает в себя формирование двух гладких и параллельных поверхностей и может быть выполнена шкуркой. Кусочки породы следует отбирать внимательно, чтобы уменьшить число ошибок, обусловленных неопределенностью глубины, неоднородностями и механическими повреждениями кусочков буровой породы и/или обрушениями. Можно подготавливать и измерять образцы с мелкими зернами толщиной в долю дюйма меньше, чем через 10 мин после помещения бурового шлама на вибрационное сито.

-4005450

Для проведения измерений образец зажимают между двумя преобразователями. Микрометр прикрепляют к металлической раме и используют для позиционирования преобразователя, тем самым обеспечивают возможность измерения длины образца под нагрузкой. Чтобы гарантировать достаточное качество сигнала без влияния на характеристики образца, на обе поверхности подготовленного образца наносят соответствующим образом выбранный гель для улучшения акустической связи.

Требуемый диапазон подаваемой частоты обеспечивают посредством генератора частот. Огибающую принятого сигнала усиливают с помощью широкополосного приемника с регулируемым коэффициентом усиления, который подключают к переносному компактному персональному компьютеру. Скорости вычисляют с помощью вспомогательной программы компьютера при поступлении нескольких входных параметров.

Использование способа согласно настоящему изобретению обеспечивает получение точных данных в реальном времени на образцах меньше дюйма. Однако было замечено, что, хотя значительные изменения точности отсутствуют, для образцов от 2,5 до 3 мм имеется возможность получать наиболее точные данные. Для образцов меньше 2,5 мм или образцов, которые толще 4-5 мм, иногда получают неверные данные.

После определения значений скоростей для подготовленных образцов, имеющих предпочтительную длину, каждую точку данных скорости преобразуют в прогнозируемое поровое давление, используя модифицированный способ Холбрука.

Модифицированный способ Холбрука представляет собой один из наиболее надежных способов для прогнозирования порового давления. Способ Холбрука выгодно отличается независимостью от выбора ориентации сланца, что требуется для большинства других известных способов. При использовании этого способа непосредственно учитываются литологические изменения при прогнозировании порового давления. Модифицированный способ Холбрука основан на трех основных уравнениях. Первое уравнение представляет собой определение вертикального эффективного напряжения, то есть закон эффективного напряжения Тег/ац1ч σ_ν=5_ν-λΡ_ρ <=> Ρ_ρ=(3_ν-σ_ν)/γ(1) где 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте; Р_р -поровое давление; γ - коэффициент Байота, равный 1-(Κβ/Κ_γ), Κβ - объемная сжимаемость, Κ_γ - сжимаемость зерен. 8_ν обычно получают путем интегрирования плотности по данным каротажа, образуя второе уравнение

3_ν=Ιρ (ζ) · д · άζ(2)

Третье уравнение представляет собой эмпирическое уравнение, полученное на основании расширенного множества данных каротажа скважины и измерений пластового давления. Этим уравнением связь эффективного напряжения с пористостью пласта представлена в виде σ_ν=σιη3χ(1-φ) ,(3) где З_тах и α представляют собой постоянные параметры, зависящие от литологии (Холбрук, 1996).

Для уравнения (3) в качестве исходных данных требуется пористость. Пористость может быть измерена непосредственно в лаборатории при использовании образцов керна или может быть получена из разнообразных каротажных данных (сопротивления, проводимости или акустических), сейсмических данных или из данных лабораторных измерений кернов, или из скорости кусочков породы.

Предпочтительно определять пористость по скорости, чтобы минимизировать влияние изменений температуры и солености на величины каротажных данных. Кроме того, небольшие изменения пористости, связанные с пластами, находящимися под аномальными давлениями, в значительной степени отражаются на акустических характеристиках. Применив метод незатухающих гармонических колебаний, скорости, полученные на основании измерений, можно использовать для определения пористости и объемной сжимаемости.

Пористость может быть определена по скорости с помощью акустического пластового коэффициента согласно уравнению ( ν р измеренная

V у р в матрице где β=0,625 и ν_ρ в матрице=18000 футов/с для песка. После определения пористости уравнение (3) используют для получения вертикального эффективного напряжения σ_ν. После нахождения вертикального эффективного напряжения уравнение (1) используют для прогнозирования порового давления.

Во втором варианте осуществления изобретения можно спрогнозировать градиент давления гидравлического разрыва пласта путем выполнения двух различных вычислений. В первом случае градиент давления гидравлического разрыва пласта прогнозируют с помощью модифицированного способа Холбрука, используя скорость кусочков породы, определенную методом незатухающих гармонических колебаний

8_Ь ,^δίΡρ+σνΟ-φ)] где 8_{Ь т};_п - минимальное горизонтальное напряжение, которое характеризует нижний предел градиента гидравлического разрыва пласта; φ - пористость; Р_р - поровое давление; σ_ν -эффективное напряже

(4) ние, вычисление которого рассматривалось выше; δ - коэффициент локального напряжения (0,85 по умолчанию для района разведочных работ).

Альтернативно градиент давления гидравлического разрыва пласта может быть спрогнозирован с помощью модифицированного метода Сат С1ау при использовании результатов диэлектрических измерений кусочков породы (ДИКП) следующим образом:

b) на основании результата диэлектрических измерений вычисляют площадь поверхности (ПП) ПП=0,0274- (ДИКП)^1,9467,

c) определяют безразмерный коэффициент М, характеризующий механическую прочность пласта, при использовании площади поверхности, полученной на основании диэлектрических измерений кусочка породы

63ίη10^Αм = ---------Г / + δίηΙΟ где А=1,54-1,36Е-3-(площадь поверхности),

б) получают значения минимального горизонтального напряжения согласно уравнению ₌ 35_ν - (5_ν - ЗМ)Р_р ^Ига1П 2М + 3 *

После вычисления прогнозируемых значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта значения могут быть нанесены на график в зависимости от глубины. Дополнительно это рассмотрено в примерах 2 и 3 и отображено на фиг. 5, 7 и 8.

В настоящем изобретении метод незатухающих гармонических колебаний для измерения скоростей сочетается с новыми способами, разработанными заявителем, что обеспечивает возможность точного прогнозирования порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта по скорости продольных волн. Способ согласно настоящему изобретению может быть использован для проверки прогноза порового давления на основании скоростей сейсмических волн в районе разведочных работ, а также для калибровки сейсмических данных до того, как станут доступны данные акустического каротажа. Настоящее изобретение будет также весьма полезным для обнаружения слабых зон, которые предрасположены к быстрому увеличению и утрате циркуляции, и для решения проблем устойчивости ствола скважины, например заклинивания труб и налипания породы на долото.

Способ согласно настоящему изобретению является удобным, относительно недорогим и простым в реализации. Используя оборудование, которое может быть доставлено на буровую установку в портфеле, и используя образцы размером меньше дюйма, можно в течение нескольких минут определить скорости и преобразовать их в предсказанные значения порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта. Опыт работы с прибором для измерений методом незатухающих гармонических колебаний на разведочно-эксплуатационной скважине во время работы буровой установки показал, что существует значительное отклонение получаемых результатов от интервала скоростей сейсмических волн, однако было обнаружено, что они намного лучше согласуются с данными кабельного акустического каротажа, когда указанные данные кабельного акустического каротажа собирались на более поздней стадии.

При использовании изобретения на месторождении было замечено, что при интервалах глубин около ±30 футов в большинстве случаев точность была достаточной, но для повышения точности кусочки породы можно собирать с более частыми интервалами, например в пределах глубин ±10 футов. Кроме того, измерения выполняются при напряжении по одной оси, а не по трем осям, однако было обнаружено, особенно для сланцев, небольшое различие между результатами, полученными при напряжении по одной оси и по трем осям, не приводит к значительному отклонению от реального давления.

Нижеследующие примеры служат иллюстрацией изобретения, раскрытого в настоящей заявке.

Эксперимент

Пример 1.

Контрольные материалы исследовались в лаборатории и на месте нахождения буровой установки для проверки точности методики измерения скорости (методом незатухающих гармонических колебаний), которая является источником исходных данных для способа, рассмотренного в настоящем изобретении. Результаты контрольных исследований представлены на фиг. 3. Образцы соли, использованные при измерениях, имели примесь. Поэтому были получены два различных значения Αί, соответствующие чистой поваренной соли и примеси. На базе этих двух различных значений Δί зависимости скорости от частоты получены методом незатухающих гармонических колебаний для двух различных скоростей.

Пример 2.

Прибор проверяли в полевых условиях на месте нахождения буровой установки в Мексиканском заливе, а измерения в реальном времени методом незатухающих гармонических колебаний выполняли для отдельных интервалов глубин буровой скважины. Из-за больших размеров скважины акустический каротаж во время бурения не проводили. Поэтому скорости, определяемые в реальном времени методом незатухающих гармонических колебаний, были единственной основой во время бурения для калибровки порового давления, предсказанного до бурения на основании сейсмических данных. Полученные зави

-6005450 симости скорости от глубины для отдельных интервалов представлены на фиг. 4. Соответствующие диаграммы порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта, полученные на основании измерений скоростей методом незатухающих гармонических колебаний, представлены на фиг. 5, а полученные на основании измерений диэлектрической проницаемости при использовании кусочков породы, показаны на фиг. 6. По окончании бурения интервала собирали данные кабельного акустического каротажа. Сравнение скоростей, полученных с помощью кабельного зонда, и скоростей, измеренных методом незатухающих гармонических колебаний, представлено на фиг. 6.

Сравнение итоговых значений порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта, полученных на основании сейсмических данных, данных кабельного акустического каротажа, скоростей, измеренных методом незатухающих гармонических колебаний, и градиента давления гидравлического разрыва пласта, полученного на основании диэлектрических измерений кусочков породы, приведено на фиг. 7. На фиг. 7 видно, что спрогнозированные в реальном времени значения порового давления и градиента гидравлического разрыва пласта на основании измерений методом незатухающих гармонических колебаний и диэлектрических измерений кусочков породы являются точными и обеспечивают чрезвычайно полезную информацию для подтверждения глубины нахождения уступа в скважине для опоры башмака обсадной колонны, массы бурового раствора, для анализа устойчивости ствола скважины и другой буровой активности с целью безопасного бурения.

Пример 3.

Кусочки породы из другой скважины в Мексиканском заливе использовали для прогнозирования порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта при использовании скорости, измеренной методом незатухающих гармонических колебаний, и данных диэлектрических измерений кусочков породы. Спрогнозированные значения порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта, полученные на основании скоростей и данных диэлектрических измерений кусочков породы, представлены на фиг. 8, как и полученные из каротажа профили порового давления и градиента давления гидравлического разрыва пласта, а также реальные данные о давлении жидкости, измеренные при периодических испытаниях пласта, и данные испытаний на просачивание, уже проведенных при различных глубинах башмака обсадной колонны на соседних скважинах месторождения. Видно хорошее соответствие спрогнозированных значений порового давления, полученных на основании измерений методом незатухающих гармонических колебаний, данным, измеренным при периодических испытаниях пласта.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ прогнозирования порового давления во время бурения по кусочкам породы, заключающийся в том, что

a) получают кусочки породы при бурении,

b) вычисляют скорость по кусочкам породы, используя метод незатухающих гармонических колебаний,

c) вычисляют пористость φ пласта,

б) используют пористость φ для вычисления вертикального эффективного напряжения σ_ν согласно уравнению ^σν=^σοαχ^(1-φ) , где σ^ и α - постоянные параметры, зависящие от литологии,

е) вычисляют суммарное напряжение 8_ν покрывающего пласта путем интегрирования плотности по данным каротажа

8ν=ίρ(ζ)·§·6ζ, где ζ - глубина; ρ(ζ) - объемная плотность породы пласта как функция глубины; б - плотность; д - постоянная силы тяжести,

ί) прогнозируют поровое давление согласно уравнению

Рр=(8у-а„)/у, где 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте; Р_р - поровое давление; γ - коэффициент Байота, равный 1-(Κβ/Κ_γ), Κβ - объемная сжимаемость, Κ_γ - сжимаемость зерен.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют построение диаграммы зависимости спрогнозированного порового давления от глубины.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют метод незатухающих гармонических колебаний, который реализуют при использовании прибора, содержащего портативное устройство, состоящее из держателя образца с двумя пьезоэлектрическими ультразвуковыми преобразователями, обращенными поверхностями друг к другу, причем один преобразователь используют для возбуждения акустических волн, а второй преобразователь используют для обнаружения.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно

а) подготавливают кусочки породы для помещения в держатель образца с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием Ь, где Ь - длина образца кусочка породы,

-7005450

b) размещают образец между преобразователями Р- и 8-волн,

c) непрерывно подают синусоидальный сигнал в пределах заданного частотного диапазона,

ά) извлекают и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала,

е) измеряют ширину Δ£ полосы и осуществляют подстановку этого значения в уравнение у=2Б-А£ для получения результата измерения скорости для каждого максимума амплитуды, где А£ = £_η+ι-£_η представляет собой разность частот между двумя последовательными резонансными значениями.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют сравнение указанного спрогнозированного порового давления с прогнозами на основании скоростей сейсмических волн для калибровки данных до получения данных акустического каротажа.
6. Способ определения прогнозируемого порового давления при бурении по субдюймовым кусочкам породы, заключающийся в том, что

a) получают результат измерения скорости кусочка породы путем подготовки образца с двумя противоположными параллельными поверхностями, отделенными расстоянием Б (Б - длина образца),

b) помещают образец между преобразователями Р- и 8-волн,

c) непрерывно подают синусоидальный сигнал в пределах заданного частотного диапазона,

ά) определяют и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала, и

е) измеряют Δ£ для каждого максимума амплитуды, где Δ£ = £_η+ι-£_η представляет собой разность частот между двумя последовательными резонансными значениями, и путем подстановки Δ£ в уравнение

У_р=2БА£ вычисляют скорость У_р для каждого максимума амплитуды, где Б - расстояние между парал лельными поверхностями или длина кусочка породы,

£) преобразуют значения У_р скорости в прогнозируемое поровое давление, для чего вычисляют пористость пласта, используют пористость и вычисляют вертикальное эффективное напряжение σ_ν согласно уравне нию ^σν ^σтаx^(1-Φ^)α, где с_тах и α представляют собой постоянные параметры, зависящие от литологии,

д) вычисляют суммарное напряжение 8_ν покрывающего пласта путем интегрирования плотности по данным каротажа §ν=ίρ(ζ)·§·άζ, где ζ - глубина, ρ(ζ) - объемная плотность породы пласта как функция глубины, ά - плотность, д - посто янная силы тяжести,

й) прогнозируют поровое давление согласно уравнению

Ρρ=(8ν-σν)/γ, где 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте, Р_р - поровое давление, γ - коэффициент Байота, равный 1-(Κβ/Κ_γ), Κβ - объемная сжимаемость, Κ_γ - сжимаемость зерен,

1) осуществляют построение кривой порового давления в зависимости от глубины.
7. Способ прогнозирования градиента давления гидравлического разрыва пласта по кусочкам породы при бурении, заключающийся в том, что

a) получают результат измерения скорости У_р в кусочке породы, для чего

b) изготавливают образец с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием Б (Б - длина образца),

c) помещают образец между преобразователями Р- и 8-волн,

ά) непрерывно подают синусоидальный сигнал в пределах заданного частотного диапазона,

е) определяют и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала,

£) измеряют Δ£ - разность частот между двумя последовательными резонансными значениями для каждого максимума амплитуды и осуществляют подстановку Δ£ в уравнение ν_ρ=2Ε·Δ£,

д) используют полученный результат измерения скорости для определения пористости по скорости с помощью акустического метода пластового коэффициента при использовании уравнения где β=0,625 и У_{р в ма}1р_ице=18000 футов/с для песка,

й) прогнозируют поровое давление на основании скорости, полученной методом незатухающих гармонических колебаний, для чего

1) вычисляют суммарное вертикальное напряжение (напряжение в покрывающем пласте) путем ин тегрирования плотности
8ν=ίρ(ζ)·§·άζ, где ζ - глубина; ρ(ζ) - объемная плотность породы пласта как функция глубины; ά - плотность; д - посто янная силы тяжести,

Ί) получают эффективное вертикальное напряжение при использовании корреляции Холбрука

-8005450 ^σν ^σιηίΐχ^{(1-φ) ,}где а_тах и α представляют собой постоянные параметры, зависящие от литологии, определенные Холбруком,

k) определяют поровое давление согласно закону Ί οΐ'ζαμίιί

Ρρ=(8ν-σν)/γ, где Р_р - поровое давление; 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте, вычисленное на этапе ί; σ_ν - эффективное вертикальное напряжение, вычисленное на этапе _|; γ - коэффициент Байота, равный 1-(Κβ/Κ_γ), Κβ объемная сжимаемость, Κ_γ - сжимаемость зерен,

l) прогнозируют градиент давления гидравлического разрыва пласта с помощью модифицированного способа Холбрука при использовании скорости кусочка породы, полученной методом незатухающих гармонических колебаний

8|, тт=б[Рр+^<1-ф)], где 8_{Ь т};_п - минимальное горизонтальное напряжение, которое представляет собой нижний предел градиента давления гидравлического разрыва пласта; ф - пористость, полученная на этапе д; Р_р - поровое давление, полученное на этапе к; δ_ν - эффективное напряжение, вычисленное на этапе _|; δ - показатель локальной прочности (для района разведочных работ используют 0,85 по умолчанию).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют построение диаграммы зависимости спрогнозированного градиента давления гидравлического разрыва пласта от глубины.
9. Способ по п.7, отличающийся тем, что осуществляют частотные и амплитудные измерения кусочков породы с использованием прибора незатухающих гармонических колебаний, содержащего портативное устройство, состоящее из держателя образца с двумя пьезоэлектрическими ультразвуковыми преобразователями, расположенными поверхностями друг к другу, причем один преобразователь используют для возбуждения акустических волн, а второй преобразователь используют для обнаружения.
10. Способ прогнозирования в реальном времени градиента давления гидравлического разрыва пласта при бурении скважины при использовании субдюймовых кусочков породы, заключающийся в том, что

a) получают результат измерения скорости ν_ρ в кусочке породы, для чего

b) изготавливают образец с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием Б,

c) помещают образец между преобразователями Р- и 8-волн,

ά) непрерывно подают синусоидальный сигнал в пределах заданного частотного диапазона,

е) определяют и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала,

ί) измеряют Δί - разность частот между двумя последовательными резонансами для каждого максимума амплитуды и осуществляют подстановку Δί в уравнение ν_ρ=2Ε·Δ£,

д) используют полученный результат измерения скорости для определения пористости по скорости с помощью акустического метода пластового коэффициента согласно уравнению ίν Υ ^{ф = 1_} Т----* р в ма трице у г

где β=0,625 и ν_{ρ в матрице}=18000 футов/с для песка,
11) прогнозируют поровое давление на основании скорости, полученной методом незатухающих гармонических колебаний, для чего

1) вычисляют суммарное вертикальное напряжение (напряжение в покрывающем пласте) путем интегрирования плотности

8ν=/ρ(ζ)·§·άζ, где ζ - глубина; ρ(ζ) - объемная плотность породы пласта как функция глубины; ά - плотность; д - постоянная силы тяжести,

|) получают эффективное вертикальное напряжение при использовании корреляции Холбрука ^σν=^σтаx^{(1-φ) ,} где σ_№Χ и α представляют собой постоянные параметры, зависящие от литологии, определенные Холбруком,

k) определяют поровое давление согласно закону ТегаадЫ

Рр=(8^)/у, где Рр, - поровое давление; 8_ν - суммарное напряжение в покрывающем пласте, вычисленное на этапе ί; σ_ν - эффективное вертикальное напряжение, вычисленное на этапе _р γ - коэффициент Байота, равный 1-(Κβ/Κ_γ), Κβ объемная сжимаемость; Κγ - сжимаемость зерен,

l) прогнозируют градиент давления гидравлического разрыва пласта с помощью модифицированного способа Сат С1ау при использовании диэлектрических измерений кусочков породы (ДИКП), для чего

т) измеряют диэлектрическую проницаемость кусочка породы,

-9005450

η) вычисляют площадь поверхности (ПП) на основании диэлектрических измерений кусочков породы согласно уравнению

ПП=0,0274 - (ДИКП)¹’⁹⁴⁶⁷;

o) определяют безразмерный коэффициент М, характеризующий механическую прочность пласта, при использовании площади поверхности, полученной на основании диэлектрического измерения кусочка породы на этапе η,

6з1п10^Л

М = ----------- ,

3 + 3Ϊη10^Α где А=1,54-1,36Е-3-(площадь поверхности),

p) получают значения для минимального горизонтального напряжения пласта согласно уравнению _ 38 _ν - (5_ν - ЗМ)Р_р ‘^т1Г1 2М + 3 *

11. Способ по любому из пп.1, 6, 7, 10, отличающийся тем, что осуществляют сбор кусочков породы на интервалах, при которых обеспечивается точность от ±5 до ±50 футов (от ±1,524 до ±15,24 м).
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что кусочки породы собирают на интервалах, где обеспечивается точность ±30 футов (±9,144 м).
13. Способ по любому из пп.4, 6, 7, 10, отличающийся тем, что длина I. образца находится в пределах от около 1,5 до 4 мм.
14. Способ по любому из пп.1, 7, 10, отличающийся тем, что кусочки породы насыщены.
15. Способ по любому из пп.1, 6, 7, 10, отличающийся тем, что дополнительно выполняют вычисления согласно компьютерной программы.