钻井过程中钻遇断层的预警方法及系统与流程

本发明涉及油气田勘探开发技术领域，尤其涉及一种钻井过程中钻遇断层的预警方法及系统。

背景技术：

在油气田勘探开发领域中，储层岩石受到地应力作用，其中存贮了一定的形变能，称为畸变能密度。有断层储层中断层周边的地应力场不同于无断层储层的地应力场，地应力的不同会造成储层畸变能密度的差异，进而影响钻头钻进过程中的反扭矩。

在钻井作业中，钻头钻遇断层易引发钻井液漏失等工程问题，会导致严重的事故和经济损失。现有的随钻地震技术可以预测断层，然而费用昂贵且操作复杂。钻遇断层预警一直是国际难题，有效预警钻遇断层备受石油公司和钻井工程师的关注。

技术实现要素：

本发明提供一种钻井过程中钻遇断层的预警方法及系统，用于解决现有的随钻地震技术预测断层的费用昂贵且操作复杂的问题。

本发明的第一个方面是提供一种钻井过程中钻遇断层的预警方法，包括：

建立有断层储层力学模型；

在实际井眼轨迹上布置深度计算点，计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一畸变能密度；

根据所述第一畸变能密度，获得所述有断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第一变化趋势；

监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第一变化趋势相同，则抛出预警。

本发明的第二个方面是提供一种钻井过程中钻遇断层的预警系统，包括：

构建模块，用于建立有断层储层力学模型；

第一计算模块，用于在实际井眼轨迹上布置深度计算点，计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一畸变能密度；

第二计算模块，用于根据所述第一畸变能密度，获得所述有断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第一变化趋势；

监测模块，用于监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第一变化趋势相同，则抛出预警。

本发明提供的钻井过程中钻遇断层的预警方法及系统，通过建立有断层储层力学模型，并计算实际井眼轨迹上的深度计算点在有断层储层力学模型中的畸变能密度，从而获得有断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第一变化趋势，监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势与第一变化趋势相同时，则抛出预警。上述方案可在钻井过程中没有随钻地震的情况下预测断层，操作简单且成本低。

附图说明

图1a为本发明实施例一提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图；

图1b为本发明实施例一提供的另一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图；

图1c为本发明实施例一提供的又一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图；

图1d为本发明实施例一提供的又一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图；

图3a为本发明实施例三提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警系统的结构示意图；

图3b为本发明实施例三提供的另一种钻井过程中钻遇断层的预警系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1a为本发明实施例一提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图，如图1a所示，所述方法包括如下步骤：

11、建立有断层储层力学模型。

具体的，建立有断层储层力学模型的方法可以有多种，举例来说，建立有断层储层的力学模型，需要建立断层及围岩的几何模型与边界条件。具体如图1b所示，图1b为本发明实施例一提供的另一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图，在图1a所示实施方式的基础上，11可以包括：

111、确定模型尺寸、边界条件和储层的物理力学参数，所述边界条件包括边界的上覆岩层压力、边界的水平最大主地应力和边界的水平最小主地应力。

实际应用中，储层的物理力学参数包括但不限于：弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度。上述参数的获取方法可以有多种，以碳酸盐岩储层为例，可以参考国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》来测定获得碳酸盐岩储层的弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度。

112、根据所述模型尺寸和断层的深度、厚度、倾角、倾向特征参数，建立有断层储层的几何模型，并根据所述有断层储层的几何模型、所述边界条件和所述储层的物理力学参数，建立有断层储层力学模型。

12、在实际井眼轨迹上布置深度计算点，计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一畸变能密度。

以实际应用举例来说，12中所述在实际井眼轨迹上布置深度计算点，具体可包括：在实际井眼轨迹上从所述断层所在的深度以上10米的深度位置到所述断层所在的深度以上2米的深度位置之间布置所述深度计算点。从而同时获得较小的计算量和足够的预警距离。

进一步的，储层各点的畸变能密度取决于储层地应力和储层岩石的物理力学性质，计算畸变能密度的方式可以有多种，举例来说，12中所述计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一畸变能密度，具体可以包括：

计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型下的上覆岩层压力、水平最大主地应力以及水平最小主地应力，并利用第一公式，计算所述第一畸变能密度。

其中，所述第一公式为：

其中，ud为畸变能密度，μ为岩石泊松比，e为岩石弹性模量，σv为上覆岩层压力，σh为水平最大主地应力，σh为水平最小主地应力。

具体的，

其中，ρi为地层岩石密度，g为重力加速度，hi为地层岩石厚度，pp为储层孔隙压力，α为biot系数，εh、εh为构造应变系数。

13、根据所述第一畸变能密度，获得所述有断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第一变化趋势。

具体的，根据畸变能密度获得钻头反扭矩随钻井深度的变化趋势的方法可以有多种，例如，可以利用相似原理实验确定畸变能密度对钻头反扭矩的影响规律。相应的，如图1c所示，图1c为本发明实施例一提供的又一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，13具体可以包括：

131、确定第一定量关系，所述第一定量关系为有断层储层下畸变能密度和钻头反扭矩的定量关系；

132、根据所述第一畸变能密度和所述第一定量关系，计算获得所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一钻头反扭矩；

133、根据所述第一钻头反扭矩，获得所述第一变化趋势。

其中，所述第一定量关系可以通过多种方法获得，例如，可以通过进行多次实验分析获得。相应的，如图1d所示，图1d为本发明实施例一提供的又一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图，在图1c所示实施方式的基础上，131具体可以包括：

1311、根据实际钻井装置和有断层储层力学模型，建造等比例缩小的钻井装置模型和有断层储层的岩块模型；

1312、设计模拟井眼轨迹，在所述模拟井眼轨迹上布置深度测量点；

1313、根据所述有断层储层力学模型，计算所述深度测量点的有断层畸变能密度；

1314、测量所述钻井装置模型钻进所述有断层储层的岩块模型时所述深度测量点的有断层钻头反扭矩；

1315、根据所述有断层畸变能密度和所述有断层钻头反扭矩，拟合获得所述第一定量关系。

14、监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第一变化趋势相同，则抛出预警。

实际应用中，储层岩石受到地应力作用，其中存贮了一定的形变能，即畸变能密度。有断层储层的储层中断层周边的地应力场不同于无断层储层的地应力场。地应力的不同会造成储层畸变能密度的差异，进而影响钻头钻进过程中的反扭矩。本方案中，建立有断层储层的力学模型，计算有断层储层中井眼轨迹各个位置的畸变能密度，以获得有断层储层的力学模型中钻头反扭矩的变化规律。在实钻过程中监测钻头反扭矩变化规律，并与有断层储层的力学模型中钻头反扭矩的变化规律对比，若符合有断层变化模式，则抛出预警，实现钻井过程中钻遇断层的及时预警。本方案提供的钻井过程中钻遇断层的预警方法，可在钻井过程中没有随钻地震的情况下预测断层，操作简单且成本低。

图2为本发明实施例二提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警方法的流程示意图，如图2所示，在实施例一的基础上，所述方法还包括如下步骤：

21、建立无断层储层力学模型；

建立无断层储层力学模型的方法可以有多种，举例来说，建立无断层储层的力学模型，需要建立围岩的几何模型与边界条件。具体的，21可以包括：

根据所述模型尺寸，建立无断层储层的几何模型，并根据所述无断层储层的几何模型、所述边界条件和所述储层的物理力学参数，建立无断层储层力学模型。

22、计算所述深度计算点在所述无断层储层力学模型中的第二畸变能密度；

计算畸变能密度的方式可以有多种，举例来说，22具体可以包括：

计算所述深度计算点在所述无断层储层力学模型下的上覆岩层压力、水平最大主地应力以及水平最小主地应力，并利用第一公式，计算所述第二畸变能密度。

23、根据所述第二畸变能密度，获得所述无断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第二变化趋势；

进一步的，根据畸变能密度获得钻头反扭矩随钻井深度的变化趋势的方法可以有多种，例如，可以利用相似原理实验确定畸变能密度对钻头反扭矩的影响规律。举例来说，23具体可以包括：

确定第二定量关系，所述第二定量关系为无断层储层下畸变能密度和钻头反扭矩的定量关系；

根据所述第二定量关系和所述第二畸变能密度，计算获得所述深度计算点在所述无断层储层力学模型中的第二钻头反扭矩；

根据所述第二钻头反扭矩，获得所述第二变化趋势。

其中，所述第二定量关系可以通过多种方法获得，例如，可以通过进行多次实验分析获得。举例来说，所述确定第二定量关系具体可以包括：

根据实际钻井装置和无断层储层力学模型，建造等比例缩小的钻井装置模型和无断层储层的岩块模型；

设计模拟井眼轨迹，在所述模拟井眼轨迹上布置深度测量点；

根据所述无断层储层力学模型，计算所述深度测量点的无断层畸变能密度；

测量所述钻井装置模型钻进所述无断层储层的岩块模型时所述深度测量点的无断层钻头反扭矩；

根据所述无断层畸变能密度和所述无断层钻头反扭矩，拟合获得所述第二定量关系式。

24、监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第二变化趋势相同，则正常钻井。

本实施例提供的钻井过程中钻遇断层的预警方法，通过建立无断层储层力学模型，从而获得无断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第二变化趋势，监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若与第二变化趋势相同，则正常钻井。上述方案预测断层的精准度更高，进一步提高预警的可靠性。

图3a为本发明实施例三提供的一种钻井过程中钻遇断层的预警系统的结构示意图，如图3a所示，所述系统包括：

构建模块31，用于建立有断层储层力学模型；

第一计算模块32，用于在实际井眼轨迹上布置深度计算点，计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一畸变能密度；

第二计算模块33，用于根据所述第一畸变能密度，获得所述有断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第一变化趋势；

监测模块34，用于监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第一变化趋势相同，则抛出预警。

具体的，建立有断层储层力学模型的方法可以有多种，举例来说，建立有断层储层的力学模型，需要建立断层及围岩的几何模型与边界条件。图3b为本发明实施例三提供的另一种钻井过程中钻遇断层的预警系统的结构示意图，如图3b所示，在图3a所示实施方式的基础上，构建模块31可以包括：

初始化单元311，用于确定模型尺寸、边界条件和储层的物理力学参数，所述边界条件包括边界的上覆岩层压力、边界的水平最大主地应力和边界的水平最小主地应力；

处理单元312，用于根据所述模型尺寸和断层的深度、厚度、倾角、倾向特征参数，建立有断层储层的几何模型，并根据所述有断层储层的几何模型、所述边界条件和所述储层的物理力学参数，建立有断层储层力学模型。

实际应用中，储层的物理力学参数包括但不限于：弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度。上述参数的获取方法可以有多种，以碳酸盐岩储层为例，可以参考国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》来测定获得碳酸盐岩储层的弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度。

以实际应用举例来说，所述第一计算模块32可包括布置单元，所述布置单元用于在实际井眼轨迹上从所述断层所在的深度以上10米的深度位置到所述断层所在的深度以上2米的深度位置之间布置所述深度计算点。从而同时获得较小的计算量和足够的预警距离。

进一步的，所述第一计算模块32还可以包括应力单元，所述应力单元用于计算所述深度计算点在所述有断层储层力学模型下的上覆岩层压力、水平最大主地应力以及水平最小主地应力，并利用第一公式，计算所述第一畸变能密度。

具体的，根据畸变能密度获得钻头反扭矩随钻井深度的变化趋势的方法可以有多种，例如，可以利用相似原理实验确定畸变能密度对钻头反扭矩的影响规律。以实际应用举例来说，第二计算模块33具体可以包括：

定量单元，用于确定第一定量关系，所述第一定量关系为有断层储层下畸变能密度和钻头反扭矩的定量关系；

反扭矩单元，用于根据所述第一畸变能密度和所述第一定量关系，计算获得所述深度计算点在所述有断层储层力学模型中的第一钻头反扭矩；

变化单元，用于根据所述第一钻头反扭矩，获得所述第一变化趋势。

其中，所述第一定量关系可以通过多种方法获得，例如，可以通过进行多次实验分析获得。相应的，在上述实施方式的基础上，定量单元具体可以包括：

模型子单元，用于根据实际钻井装置和有断层储层力学模型，建造等比例缩小的钻井装置模型和有断层储层的岩块模型；

设计子单元，用于设计模拟井眼轨迹，在所述模拟井眼轨迹上布置深度测量点；

计算子单元，用于根据所述有断层储层力学模型，计算所述深度测量点的有断层畸变能密度；

测量子单元，用于测量所述钻井装置模型钻进所述有断层储层的岩块模型时所述深度测量点的有断层钻头反扭矩；

拟合子单元，用于根据所述有断层畸变能密度和所述有断层钻头反扭矩，拟合获得所述第一定量关系。

本实施例提供的钻井过程中钻遇断层的预警系统，通过构建模块建立有断层储层的力学模型，第一计算模块计算有断层储层中井眼轨迹各个位置的畸变能密度，第二计算模块获得有断层储层的力学模型中钻头反扭矩的变化规律，在实钻过程中通过监测模块监测钻头反扭矩变化规律，并与有断层储层的力学模型中钻头反扭矩的变化规律对比，若符合有断层变化模式，则抛出预警，实现钻井过程中钻遇断层的及时预警。本方案提供的钻井过程中钻遇断层的预警系统，可在钻井过程中没有随钻地震的情况下预测断层，操作简单且成本低。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例三还提供又一种钻井过程中钻遇断层的预警系统，在图3a所示实施方式的基础上，构建模块31，还用于建立无断层储层力学模型；第一计算模块32，还用于计算所述深度计算点在所述无断层储层力学模型中的第二畸变能密度；第二计算模块33，还用于根据所述第二畸变能密度，获得所述无断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第二变化趋势；监测模块34，还用于监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若所述实际变化趋势与所述第二变化趋势相同，则正常钻井。

本实施例中，建立无断层储层力学模型的方法可以有多种，举例来说，建立无断层储层的力学模型，需要建立围岩的几何模型与边界条件。具体的，在图3b所示实施方式的基础上，处理单元312，还用于根据所述模型尺寸，建立无断层储层的几何模型，并根据所述无断层储层的几何模型、所述边界条件和所述储层的物理力学参数，建立无断层储层力学模型。

可选的，第一计算模块32计算畸变能密度的方式可以有多种，相应的，所述应力单元，还用于计算所述深度计算点在所述无断层储层力学模型下的上覆岩层压力、水平最大主地应力以及水平最小主地应力，并利用第一公式，计算所述第二畸变能密度。

进一步的，根据畸变能密度获得钻头反扭矩随钻井深度的变化趋势的方法可以有多种，例如，可以利用相似原理实验确定畸变能密度对钻头反扭矩的影响规律。相应的，所述定量单元，还用于确定第二定量关系，所述第二定量关系为无断层储层下畸变能密度和钻头反扭矩的定量关系。所述反扭矩单元，还用于根据所述第二定量关系和所述第二畸变能密度，计算获得所述深度计算点在所述无断层储层力学模型中的第二钻头反扭矩。所述变化单元，还用于根据所述第二钻头反扭矩，获得所述第二变化趋势。

其中，所述第二定量关系可以通过多种方法获得，例如，可以通过进行多次实验分析获得。举例来说，所述模型子单元，还用于根据实际钻井装置和无断层储层力学模型，建造等比例缩小的钻井装置模型和无断层储层的岩块模型；所述计算子单元，还用于根据所述无断层储层力学模型，计算所述深度测量点的无断层畸变能密度；所述测量子单元，还用于测量所述钻井装置模型钻进所述无断层储层的岩块模型时所述深度测量点的无断层钻头反扭矩；所述拟合子单元，还用于根据所述无断层畸变能密度和所述无断层钻头反扭矩，拟合获得所述第二定量关系式。

本实施例提供的钻井过程中钻遇断层的预警系统，通过构建模块建立无断层储层力学模型，从而获得无断层储层力学模型中钻头反扭矩随钻井深度的第二变化趋势，监测模块监测实际钻井过程中钻头反扭矩随钻井深度的实际变化趋势，若与第二变化趋势相同，则正常钻井。上述方案预测断层的精准度更高，进一步提高预警的可靠性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。