用于确定射孔完成井井眼内的地层参数的方法

专利名称：用于确定射孔完成井井眼内的地层参数的方法
技术领域：
本发明整体上涉及一种对穿过地下岩层的井眼进行分析的方法，更具体而言，就是确定射孔完成井内的地下岩层特性例如压力、渗透性等的方法。
背景技术：
从被称为储油层的地下岩层中获取各种不同的流体例如石油、水和天然气是通过钻出一个穿透流体承载地层的井眼来实现的。一旦钻出一个井眼，那么就必须在能够从井眼中采出流体之前完井。完井包括井眼内或井眼周围的设备和材料的设计、选择和安装，以用于输送、泵送和/或控制流体的开采或喷射。完井后，就开始开采流体。
在一般情况下，钻井或者为下套管井或为裸眼井。裸眼井通常只是一个钻入地下或海底的井眼。下套管井是一种安装有管状钢套管的裸眼井，钢制套管被插装在管井内，以形成井眼侧壁的内衬。粘合剂被向下泵送到井眼内并被迫向上进入位于套管和井眼侧壁之间的环形空间内，从而将套管固定到位。
如图1所示，为了使流体能够从地层中流入井眼内，通常需要穿透下套管井或裸眼井的侧壁。可通过在井眼的侧壁上打孔或钻孔在裸眼井内完成打孔操作。但是，对于下套管井而言，在穿透井眼侧壁并到达地层前，需要刺穿或钻透套管和粘合剂。到目前为止，已经研究出多种不同的技术，用于穿透下套管井和/或裸眼井的侧壁。这种用于形成一钻孔的技术之实例见美国专利No.5692565，其全部内容在本文中被参考引用，该技术涉及到利用一个具有一柔性钻杆的下井工具将一钻头穿过套管并伸到地层中的过程。
通常情况下，最好能够确定井眼及井眼所穿过的地层的各种特性。通过分析井眼及地层的特性，就能够得到有助于确定钻井方式的信息。现在已经开发出许多种能够确定井眼特性的技术。例如，已经开发出能够在下套管井井眼中完成测井的“地层检测工具”，如美国专利No.5065619、No.5195588和No.5692565所述，这些专利文件在本文中作为参考引用。
该‘ 619号专利公开了一种能够穿透地层以在井眼内的下套管后面检测地层压力的装置。一个“推靠臂”以液压方式从用于接触套管壁的有线式地层探测器的一侧伸出，一个检测下井仪以液压方式从该探测器的另一侧伸出。该下井仪包括一个设置在其周围的密封圈，该密封圈在推靠臂的对侧抵靠套管壁形成密封。在密封圈的中心处安放有一个小型的易爆的聚能射孔弹，用于穿透套管和周围的粘合剂层，如果有的话。地层中的流体穿过钻孔和密封圈流入到一个用于将流体输送到一压力传感器内的流线和一对流体控制和取样容器中。
该‘ 588号专利通过提供一种用于堵住套管钻孔的装置而对能够穿透套管从而在下套管后面接近地层的地层探测器进行改进。具体而言，该’588号专利公开了一种工具当该工具仍定位在钻孔所在位置上时能够堵住钻孔。通过塞堵而及时堵住钻孔可防止井眼中的流体大量流入地层和/或剥蚀地层。另外，还可以防止地层流体无控制地流入到井眼内，例如在气体侵入的情况下，地层流体无控制地流入到井眼内将非常危险。
该‘565号专利对用于在下套管井后面检测地层的装置和方法作出了进一步的改进，改进之处在于该发明采用了一根挠性钻柱，与采用聚能射孔弹相比，这种挠性钻柱能够形成更均匀的套管钻孔。均匀的钻孔能够以更高的可靠性将套管适当地堵住，因为由易爆聚能射孔弹形成的孔不均匀，而不均匀的钻孔很难被堵住。这样，由挠性钻柱形成的均匀钻孔提高了用塞来密封套管的可靠性。另外，这种钻柱还可用于在距井眼不同距离处检测地层。通过在距井眼不同距离处测定压力的瞬时特性，就能够得到更精确的井眼附近地层的破坏模型。
尽管已经开发出多种能够检测地层的工具，但是仍然需要能够根据已知的参数和/或测得的数据估算储油层特性。到目前为止，已经研究出许多能够估算地层特性的模型和其它传统的地层探测器分析技术。图2所示的数学模型用于确定各种不同的地层参数，例如作者为P.A.Goode和R.K.M.Thambynayagam、题目为“Analytical Models forMultiple Formation Tester”并于1992年12月公开的SPE FormationEvaluation杂志第297-303页(“SPE20737)的出版物所阐明的，该文章的全部内容在本文中作为参考引用。SPE20737的分析模型使用了压力瞬时特性曲线，从而确定地下岩层的压力和渗透性。
当流体从地层中流出时，由工具收集到的数据可用于根据一个数学模型确定地层特性。在SPE的论文20737中所述的数学模型可由收集到的压力和流体数据确定出各种地层特性。根据SPE20737，象压力和渗透性这样的地层特性可采用数学模型来估算。图2的模型假设地层流体能够穿过孔离开地层并进入到井眼或工具中。当流体接近一个孔时，流体的流量模式大体为球形；当流体距该孔的距离越来越远时，那么其流量模式就大体变为径向。显然，在图2的数学模型中未被示出的就是延伸到地层中的钻孔。
用于确定各个地层参数的另一数学模型就是由D.Wilkinson和P.Hammond的(Transport in Porous Media(1990)5，609636)中的“A Perturbation Theorem for Mixed Boundary Value Problems inPressure Transint Testing”的模型，其全部内容在本文中作为参考引用。在Wilkinson和Hammond的论文中提及的分析模型在压力检测的下降过程中采用压力瞬时特性曲线来确定地层和流体的流动性。但是，这两种数学模型都没有考虑到当确定地层参数时，延伸到井眼内的钻孔的影响。
本发明在考虑到由于穿孔而产生的流体特性发生变化的前提下，通过提供一种用于确定各个地层参数的方法克服了现有方法中的缺陷。

发明内容
本发明涉及一种用于确定被井眼穿透的地层之特性的方法。该方法包括在地层中形成一个具有一定孔半径和长度的钻孔。根据钻孔的半径和长度计算出用于该钻孔的等效下井仪半径值。接着，用该等效下井仪半径替代孔半径执行地层的分析计算。
本发明还涉及一种用于计算被一井眼穿透的地下岩层之地层特性的方法，该井眼内设置有一个延伸到地下岩层内的钻孔。该方法还涉及确定钻孔的径向孔半径和长度，计算该钻孔的等效下井仪半径，然后在地层的分析计算过程中将该等效下井仪半径用作径向的孔半径。
本发明还公开了一种用于对被一井眼穿透的地层进行地层分析的方法。该方法包括钻出一个由井眼伸出的圆柱形孔，该圆柱形孔具有已知的半径和第一长度；根据该孔半径和第一长度，计算等效下井仪半径；进行地层分析测定；利用等效下井仪半径替代该孔半径来调整模型，从而计算出井眼地层的最初特性。接着，将该圆柱形孔进一步延伸到地层中，从而形成一个第二长度。然后，可计算出与该第二长度相对应的等效下井仪半径，从而计算出延长后的井眼地层特性。
本发明的另一方面涉及一种围绕井眼绘制储油层特性曲线的方法。该方法涉及下述步骤从井眼以不同的距离将一钻孔顺序延伸到地层中，根据地层中的钻孔半径(rp)和地层长度(Lpf)以下述公式分别计算与各个长度不同的钻孔相对应的等效下井仪半径(rpe)rpe＝SQRT[rp*(rp+2*Lpf)]；对各个不同的钻孔长度进行储油层分析，用等效下井仪半径替代钻孔半径来进行储油层的分析计算，以确定在各个不同的钻孔长度处储油层的特性；然后，将各个不同的钻孔长度处的储油层的特性进行对比，并形成在距井眼不同距离处的储油层特性曲线。
本发明还涉及一种采用传统地层分析技术的方法。该方法涉及下述步骤在地层中设置一个钻孔，该钻孔具有一半径和长度，根据钻孔半径和地层长度及等效下井仪半径公式为该钻孔计算等效下井仪半径，用等效下井仪半径替代钻孔下井仪半径值进行传统的地层分析计算。


结合附图，参照下述的说明将会更好地理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中图1是一个从一钻井平台/采油平台延伸到地下岩层中的下套管井井眼的示意图；图2为被井眼穿透的地下岩层的模型，图中示出了流体通过一个孔从地层流入井眼的情形；图3A为图1所示的井眼的剖视图，该井眼中有一个钻孔；图3B为图1所示的井眼的剖视图，该井眼中有一个聚能射孔弹钻孔；图3C为裸眼井的剖视图，该井眼中有一个钻孔；图3D为裸眼井的剖视图，该井眼中有一个聚能射孔弹钻孔；图4为图3A所示的井眼剖视图的三维视图，该井眼中有一个钻孔；图5为图3A所示的井眼被调整到等效下井仪半径的三维剖视图；图6为图3A所示的钻孔进一步向地层延伸的井眼剖视图。
尽管可以很容易地对本发明作出多种修改和替换，但仍然要通过实例在附图示出本发明的具体实施例并对其实施例进行详细说明。但是，应该理解对具体实施例的说明并非是将本发明限定为所述的具体形式，相反，其包括所有落入由所附权利要求书限定的保护范围内的修改、等同物和替换。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例进行说明。为简明起见，在说明书中没有对实际实施过程的所有特征进行说明。当然，应该理解在任何这样一个实际实施例的研究过程中，开发者为实现其特定的目标都必须确定出多种具体的实施方式，例如与系统内或商业上的约束条件相一致，而且不同的实施方式其约束条件也会改变。此外，应该知道研发工作可能非常复杂，而且费时，但是对于本领域的普通技术人员而言，在本发明的启示下这些工作都属于常规的设计能力。
在本文中，术语“上”和“下”；“上部”和“下部”；“向上”和“向下”及其它用于表示相对某一给定点或部件的上下位置关系的类似术语用于在本申请中更清楚地说明本发明的一些实施例。但是，当将设备和方法用于倾斜或水平井眼内时，这些术语可能表示相对下井仪器串或流体流道在水平面内的位置或除垂直平面外其它合适的位置关系。
参照附图，图1示出了一个现有技术的钻井平台/采油平台10，在该平台上，一个管状的管柱12延伸到一个井眼14内，该井眼的侧壁为15。井眼14穿透地层16并与储油层18相交。一个破坏区域19在位于地下岩层16和储油层18附近的井眼周围延伸。
一套管20衬接在井眼内，而且为井眼14提供支承并将井眼14与储油层18、其它地层16和水体22隔开。用一个地层探测工具26打出一个穿过套管管柱20并延伸到储油层18内的钻孔24。地层探测工具26能够由流入钻孔24内的开采流体测定参数，例如压力和流量数据。该井眼可具有多个开采区，而且可包括一个水平或多方向的井眼，或者包括其它类型用于地下井眼的完井。为便于说明，图中仅示出了一个开采区。
地层探测器，例如图1所示的地层探测工具26可用于井下测量。尽管图1示出了一个穿过下套管井的管状管柱，但应该知道还可以采用多种工具穿透下套管井或裸眼井的井眼侧壁和/或执行井下测量操作。很久以来，石油工业就一直用裸眼井和下套管井地层探测器、管柱和有线式井眼取样器来获得大量测量数据，包括压力、温度、地层流体类型、流体阻力和电介质特性。由这些地层探测器获得的测量数据可用于确定地层和流体特性，例如地层压力、渗透性、破坏区的渗透性、相对渗透性、毛细压力、岩石的压缩性、流体的饱和度、流体类型、流体密度等。
参照图3A，该图为图1的井眼14的一部分。套管20被粘合剂21所包围，而粘合剂21又衬在井眼14的侧壁15上。钻孔24由井眼14穿过套管20、粘合剂21、破坏区19延伸到储油层18内。
图3A所示的钻孔24表示用一个具有挠性轴的管柱打出的钻孔，所述管柱例如是在上面引用的美国专利5692565中提及的那种管柱。钻孔24为一个基本上圆柱形的孔，该圆柱形孔包括一个位于套管20上的开口25和一个位于储油层18内的端部27。钻孔24是通过使一个钻头穿过套管、粘合剂、破坏区延伸到地层内而形成的。钻孔24的半径rp与穿过套管延伸到储油层内而形成的钻孔24的钻头或下井仪的半径相关。
钻孔24的长度一般是一个已知的距离Lp(“钻孔长度”)，该距离可根据钻头的长度来确定，或者用传感器来确定。钻孔长度Lp从套管20的内壁29延伸到钻孔24的端部27。第二长度Lpf(“地层长度”)表示从粘合剂21的外壁31延伸到钻孔24的端部27的钻孔24的部分。地层长度Lpf可通过从钻孔长度Lp中减去套管和粘合剂的已知厚度(或由传感器确定的厚度)来确定。
图3B示出了一个位于图3A所示的井眼14中的定形炸药孔24b。孔24b从井眼14穿过套管20、粘合剂21和破坏区19延伸到储油层18内。孔24b大体为一个截锥形孔，该孔包括一个位于套管20的开口25b和一个位于聚能射孔弹23处的端部27b。孔24b的开口25b具有参差不齐的边缘，这种参差不齐的边缘是由于聚能射孔弹击穿套管并推进到地层中时所产生的力形成的。与图3A所示的钻孔24不同，图3B所示的孔24b在向储油层18延伸的过程中越来越不光滑并渐成锥形。
图3B所示的钻孔24b表示用一种如前述美国专利5065619和5195588中提及的打孔工具形成的一个孔，这种打孔工具是通过引爆安放在地层中的聚能射孔弹23来实现打孔的。孔24b是通过引爆炸药而穿过套管、粘合剂、破坏区形成的，而且延伸到储油层内。孔24b的半径rpb与通过聚能射孔弹形成的孔的半径有关。
孔24b的钻孔长度Lpb可通过估算聚能射孔弹的传播距离来确定。钻孔长度Lpb从套管20的内壁29延伸到聚能射孔弹23的端部27处。地层长度Lpfb表示从粘合剂21延伸到孔24b之端部27b的孔24b的部分。地层长度Lpfb可通过从钻孔长度Lpb中减去套管和粘合剂的已知厚度来确定。
尽管图3A和B示出了通过钻孔和爆破技术形成的孔，但应该知道也可采用其它钻孔和爆破技术形成除上述圆筒形和截锥形外的其它各种形状的孔。还应该知道尽管图1、3A和3B示出了下套管井，但也可在裸眼井中爆破或钻出孔，例如图3C示出了在裸眼井内形成的钻孔，图3D示出了在裸眼井内爆破形成的孔。而且，钻孔的形状也可以变化。
图4示出了图3A的下套管井眼内设置有一钻孔24的另一视图。钻孔24是一个大体为圆柱形的通道，该通道超出井眼14上的粘合剂21外延伸一定的距离。流体的流动特性可通过设置钻孔24来改变。这样，就能够根据钻孔的作用，调节图2的数学模型。可根据钻孔的几何形状来调整数学模型，以使其与设置钻孔后的流量特性相匹配。
预测地层特性时，由于钻孔的对称性及其更易于预测的几何形状，最好利用钻孔的测量数据。由于设置有这样的钻孔，因此就可以确定钻孔的长度并对其长度进行控制。钻孔能够以多种不同的长度探测地层，从而沿钻孔的轮廓提供距井眼距离不同处的信息。在考虑钻孔的几何形状及其对地层的影响的同时，这些信息能够提供地层的模型。
图4所示的钻孔之几何形状可通过数学方法调整成能够模拟图2所示之模型的形式。实际上，图4所示的钻孔被转变成位于仿真模型之井眼内的放大孔，如图5所示。这一点可通过下述计算公式以加大的等效下井仪半径rpe替代地层长度为Lpf、半径为rp的钻孔的几何形状来完成rpe*rpe＝rp*(rp+2*Lpf)。
对等效下井仪半径的等式求解得出下式rpe＝SQRT[rp*(rp+2*Lpf)]其中SQRT表示括号内式子的平方根。
一旦确定了等效半径，那么就可以用传统的地层探测器分析技术估算地层特性，例如渗透性、地层压力和井眼附近的破坏情况。等效下井仪半径法得益于利用下套管地层钻孔和探测工具在取样过程中根据时间响应对流动性和流速的估算及在应力探测过程中对岩石特性的判断。
现参照图6，图中示出了井眼14中的钻孔24在一系列钻孔操作后进一步延伸到储油层18内的情形。在穿过套管、粘合剂、破坏区进入地层的不同钻孔阶段可进行压力下降和上升的测试。
参照图6，原始钻孔24与图3A所示的钻孔具有相同的半径rp、钻孔长度Lp及地层长度Lpf。在最初的钻孔操作过程中，原始钻孔24终止于点O。但是，在后续的钻孔过程中，钻孔24可以一定的距离Ex延长到储油层中并终止于点X。原始钻孔的长度Lp和地层长度Lpf以距离Ex延长，从而在储油层中形成了一个新的地层长度Lpfx。
钻孔24还可超出点X以一定的距离Ey延长并终止于点Y。原始钻孔长度Lp和地层长度Lpf在延长了距离Ex+Ey后形成了一个新的地层长度Lpfγ。钻孔操作可以根据需要重复进行，以将钻孔进一步延伸到储油层内。
仍然参照图6，可由钻孔的已知半径rp和地层长度Lpf计算出第一等效下井仪半径。然后，利用该等效半径仿真建模并确定上述的各个地层特性。接着，可以一个新的钻孔长度LpfX穿过破坏区30将钻孔延伸到储油层18的过渡区32内。由延长后的钻孔的已知半径rp和新的地层长度LpfX计算出第二等效下井仪半径rpex。接下来，可根据该第二等效下井仪半径利用该模型再次确定出地层特性。
然后，该钻孔可以钻孔长度Lpγ越过过渡区域32延长到未破碎的储油层18内。由延长后的钻孔的已知半径rp和地层长度Lfγ计算出第三等效下井仪半径。可根据该第三等效下井仪半径利用该模型再次确定地层特性。上述操作和相关计算可根据需要多次重复进行。对位于距井眼不同距离处的井眼特性进行测定的能力能够提供许多有关井眼附近地层的地层破坏程度、所需井眼处理类型的有价值信息和油井实际生产能力的改进井眼模型。
上述的具体实施例仅是说明性的，因为本领域的技术人员在本发明的启示下很容易以不同但等效的方式修改和实施本发明。此外，除了后附权利要求书外，其它内容对图示的结构或设计细节没有任何限制作用。因此，很清楚可以对上述的具体实施例进行变形或修改，但这些变形都落入本发明的保护范围内。因此，所需的保护范围如后附的权利要求书所述。
权利要求
1.一种用于确定被一井眼穿透的地层的特性的方法，其包括在地层中形成一个钻孔，该钻孔具有一定的孔半径和长度；根据该孔半径和长度计算钻孔的等效下井仪半径值；和用该等效下井仪半径替代该半径对地层进行分析计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述计算步骤包括利用该半径值和钻孔长度根据下述等效下井仪半径公式计算等效下井仪半径rpe＝SQRT[rp*(rp+2*Lpf)]，其中rpe为等效下井仪半径，rp为孔半径，Lpf为地层长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述对地层进行分析计算的步骤包括进行瞬时压力计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述对地层进行分析计算的步骤包括进行流体的流速计算。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述对地层进行分析计算的步骤包括进行流体的流速和瞬时压力计算。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成一个钻孔的步骤包括在地层中钻出一个孔，所述孔具有一定的孔半径和长度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成一个钻孔的步骤包括在地层中打出一个孔，所述孔具有一定的孔半径和长度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成一个钻孔的步骤包括在地层中爆破出一个孔，所述孔具有一定的孔半径和长度。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述的孔进一步延伸到地层中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述长度被延长一定的距离Ex，并且计算步骤包括用孔半径值和孔长度根据下述等效下井仪半径的计算公式计算延长后的等效下井仪半径rpeX＝SQRT[rp*(rp+2*LpfX)]，其中rpex为延伸后的等效下井仪半径，rp为孔半径，LpfX+Ex为地层长度。
11.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述的孔进一步延伸到地层中的步骤，所述的孔具有延长的长度。
12.根据权利要求11所述的方法，将所述的孔进一步延伸到地层中并根据孔半径和延长后的长度及等效下井仪半径计算公式重新计算所述孔的等效下井仪半径。
全文摘要
本发明公开了一种用于确定被一个已有或已钻井眼穿过的地下岩层之特性的方法。当流体通过一个孔进入井眼或工具并离开地层时，该方法采用一种数学模型来估算地层参数。通过以数学方式将钻孔调整成数学模型中的孔而使该模型适用于设置有一个从井眼延伸到地层中的钻井中。地层特性可通过以数学方法去除钻孔并以一个增大的孔径替代它以模拟数学模型的方式估算出来。
文档编号E21B47/00GK1408984SQ02143420
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月25日 优先权日2001年9月25日
发明者K·博格斯, P·S·赫格曼 申请人:施卢默格海外有限公司