用于预测盐下井段泥浆比重窗口的增强型1-d方法
【专利摘要】用于预测地层中，尤其是那些具有诸如盐丘等地质结构的地层中，泥浆比重窗口的系统和方法。一个实施例为计算机实施方法，以3-D来建模地层，并使用有限元分析来确定所建模3-D地层的多个有效应力比。之后，绘制穿过3-D建模地层的拟建井筒的轨迹，并选择沿所述井筒的具体有效应力比来形成数据集合。然后将有效应力比的3-D数据集合输入到1-D建模软件中，并与1-D数据相结合。之后利用结合的数据来估计所述井筒周围地层的泥浆比重窗口。
【专利说明】用于预测盐下井段泥浆比重窗口的增强型1-D方法
【技术领域】【背景技术】
[0001]在传统钻井过程中，井筒(wellbore)压力必须保持在特定水平以上，以将地层流体从井筒排出和/或防止井筒(borehole)的塌陷，井筒压力还必须保持在另一水平以下，以防止井漏(lost circulation)。这一压力范围称为泥衆比重窗口(mud weight window,MWff)。MWW是泥浆密度的值的范围，该范围在给定深度的钻井过程期间为井筒提供安全支持。如果在该MWW范围内选择泥浆比重的值，则井筒是稳定的，且沿着井筒壁的塑性变形得以最小化。进一步，在MWW内选择的安全泥衆比重下,泥衆损耗得以最小化。
[0002]MWW由两个边界来限定，它们通常是地层中井筒的自然压力界限。它的下边界是所谓的剪切破坏梯度(shear failure gradient，SFG)，其为保持井筒免受塑性破坏所需的最小泥浆密度。SFG通常为地层压力。MWW的上边界是所谓的压裂梯度(fracture gradient,FG)，其为在地层中不引起裂缝开口的条件下所能达到的泥浆比重的最大值。由于在各种类型的地层内往往存在天然压裂，所以实际上，FG的值在绝大多数垂直井筒中通常是最小水平应力的值。
[0003]在一些环境中，诸如在经受地质高压的地层(如在地质学意义上年轻的近海盆地中遇到的)中，或者在有着减小的原位应力而由仍处于初始储层压力的地层跨越(straddle)的枯竭地层中，允许的泥浆比重窗口可能非常窄，或者在极端的情况下不存在允许的泥浆比重窗口。窄的泥浆比重窗口会需要额外的操作，例如，减小钻进速率或者设置中间的套管柱或钻井尾管，这会大大提高井的总成本。因此，如果能够拓宽井的泥浆比重窗口，能够极大地节约成本。现有的技术是井筒紧邻的地带中隔离孔隙压力并加固地层。这些技术通过降低MWW的下边界能够有效地拓宽泥浆比重窗口。
[0004]在同一方面，如果规划和钻设井取决于MWW的大小。在井设计阶段，宽的泥浆比重窗口能够在井规划中简化井轨迹、套管程序、及其它项目。在较宽的窗口下，能够以更少的套管柱来达到总深度(total d印th，TD)。因而，能够以更小的钻头来开钻挖(spud)井及钻设上部孔段，同时仍能提供所需的生产管道直径。此外，能够大幅度地减少钻屑体积和清理成本。能够调整泥浆密度、体积、和其他性质来帮助减小流体成本以及帮助优化钻井性能。并且还能够以优化的泵浦速率能够通过更佳的泥浆去除效率来减小水泥量和改善布井品质。能够更快地钻设井、安装套管、及灌注水泥。甚至可减小所需的钻机大小。用宽泥浆比重窗口钻设井能够大幅度地改善控制井的能力，并且能够实现改善的井筒稳定性、钻井水力参数、和井筒品质。这些改善能够大大提高ROP(rate of penetration,钻进速率)同时减少钻井意外和由此带来的麻烦时间。宽的MWW能够防止井漏、地层崩落(breakout)、和流体涌入。宽的窗口还有利于井控制操作以及防止必须过早设置套管。
[0005]实践中，能够用一维(1-D)分析法或三维(3-D)数值有限元(finite element,FE)法来估计给定井筒的MWW。现有技术的1-D方法根据沿着井筒轨迹的覆岩应力(overburdenstress)和测井数据来确定水平应力分量，并且在MWW的确定中仅使用沿着井筒轨迹的信肩、O
[0006]在现有技术的3-D有限元法中，使用地层的3-D模型，该模型由3-D网格几何结构和网格的多点或节点之间的3-D机械本构关系组成。
[0007]现有1-D分析工具的优点是高效。它们的主要缺点在于它们在选择输入数据时需要做出多个假设。另外，输入的数据不能够考虑那些跨越地层可具有不同值的数据。
[0008]由于盐体(salt body)周围复杂的应力方向分布，在现有技术1_D MWW分析工具中前述的许多假设往往是合理的情况下，它们对于诸如盐下盐丘(subsalt dome)等地层内的特定地质结构而言并不足够精确，对于这样的结构提供精确预测的MWW更加困难。具体而言，对于经盐下盐丘通过的井筒，由现有技术1-D分析法预测的MWW的值与3-D有限元法预测的MWW值有显著不同。这是因为，在盐基底(salt base)处地层的有效应力比不仅随着真实垂直深度(true vertical depth, TVD)变化,而且随着水平部分而变化。现有技术的1-D分析法对此没有考虑。
[0009]与现有技术的1-D法相反，3-D数值法的优点在于其能够通过3-D有限元分析精确地计算地层内的地质应力分布。另外，因为对于具有诸如在盐基底处等地质结构的地层有效应力比存在的变量，这些现有技术3-D方法在这样的情况中已经成为用于计算MWW的接受的标准。
[0010]然而，现有技术3-D法的一个主要缺点在于，它们不像现有技术的1-D法那样有效。具体而言，因为用3-D有限元法预测MWW需要沿着拟建井轨迹对关键点来构建子模型，其计算成本比起现有技术1-D MWff分析法所需的成本显著更高。
[0011]理想的是提供一种用于为尤其在涉及诸如盐丘等地质结构时识别井段MWW的方法，该方法具有上述现有技术3-D法的精确度，而且具有上述现有技术1-D法的效率。
【发明内容】
【专利附图】
【附图说明】
[0012]通过参考以下结合说明书附图的说明，可获得对本公开及其优点更完整的理解，附图中:
[0013]图1示出具有盐丘的地层中的井筒轨迹。
[0014]图2为示出用现有技术1-D法得到的SFG和FG的数值结果的曲线图。
[0015]图3为用现有技术3-D法得到的SFG和FG的数值结果的曲线图。
[0016]图4为显示沿着图1中井筒轨迹的垂直部分的有效应力比的曲线图。
[0017]图5为显示沿着图1中井筒轨迹的水平部分的有效应力比的曲线图。
[0018]图6示出在3-D空间中用TVD深度=6142米(z_坐标=2858m)而在图1的盐基底地层处最小主应力的有限元结果。
[0019]图7示出与图1中盐体的中心轴垂直的平面中最小主应力的有限元结果。
[0020]图8为示出用本发明1-D法得到的SFG和FG的数值结果的曲线图。
[0021]图9为示出用于比较图2、图3、和图8中所示SFG和FG的结果的曲线图。
[0022]图10是适合用于执行示例性实施例的MWW估计系统的计算机系统的框图。
[0023]图11为示出实施此处所述实施例的由图10的MWW估计系统执行的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]为了克服当前手段的上述及其它限制，这里描述的一个或多个实施例包括一种估计地层的泥浆比重窗口(“MWW”)的方法，尤其用于那些具有诸如盐丘等地质结构或异常的地层。
[0025]已经发现对于各向同性地层中的井，用传统现有技术1-D方法得到的MWW与用现有技术3-D有限元方法得到的MWW具有相同的精度。然而，在有诸如盐丘等地质结构的地层中，现有技术用于预测MWW的1-D方法存在缺陷。本发明提供用于预测MWW的整合方法，其将地质层的3-D应力分布的特性结合到1-D软件的输入数据中。
[0026]根据一个实施例的特征,该方法利用地层的3-D全球模型(global model)来计算采用3-D有限元分析的该地层的有效应力比。选择穿过地层的井筒的轨迹并识别沿着井筒轨迹多点处的有效应力比。之后将从该3-D井筒轨迹推导的这组有效应力比数据与1-D分析系统中的传统MWW数据结合来估计MWW。
[0027]参考图1，示出地层10的3D表示。地层10由网格11特征化并包括带有限定基底14的地质结构12。这一 3D表示通常是采用本领域公知的3D地层建模软件来生成。3D地层建模软件允许地层被建模成其中限定有井筒。在图示中，示出拟建井筒16的一部分限定在优选位于地质结构12上方的第一点18和优选在地质结构12下方的第二点20之间。当图1中所示的一部分拟建井筒与其上布置的第二点20垂直时，井筒16不必垂直而是可以偏斜，如路径24所示，在这种情况下，第二点20可沿着井筒16的偏斜部分放置。
[0028]通常在现有技术MWW的1-D预测方法中，输入数据包括预测MWW上边界(即FG)的第一组数据和预测MWW下边界(即SFG)的第二组数据。具体而言，为了预测MWW的上边界，通常利用以下数据:孔隙压力(pore pressure, PP)、覆岩梯度(overburdengradient, 0BG)、以及有效应力比和/或泊松比(Poisson，s ratio)。类似地，为了预测MWff的下边界，通常利用以下数据:粘聚强度(cohesive strength)、摩擦角(frictionangle, FA)和 / 或单轴压缩强度(uniaxial compression strength, UCS)、以及构造因素(tectonic factor)。
[0029]尤其，在现有技术1-D预测MWW的FG的方法中，值在O到I之间的有效应力比是近似的并且用来确定FG。该有效应力比的近似通常是基于经验和/或来自拟建井筒区域中其他井筒的数据。近似的FG作为输入与其他已知值一起被提供给1-D MWW预测软件。因而，FG的精度仅仅与有效应力比的猜测精度那样好。进一步且重要的是，在现有技术的1-DMWff估计方法中，为有效应力比所选择的无论任何值都被用作为穿过整个地层和跨越地质结构的固定值。
[0030]有效应力比的定义，k0,为:
【权利要求】
1.一种用于识别地层的泥浆比重窗口的计算机实施方法，该方法包括: 以3-D来建模所述地层； 确定所建模3-D地层的多个有效应力比； 为穿过所述所建模3-D地层的井筒绘制轨迹； 选择沿着所述井筒轨迹的具体有效应力比的值； 将所选择的有效应力比的值输入到1-D模型中用于估计泥浆比重窗口 ； 利用所述1-D模型将所输入的3-D数据与1-D数据结合；以及 估计所述地层的所述泥浆比重窗口。
2.如权利要求1所述的计算机实施方法，其中所述1-D数据包括孔隙压力和地层强度参数。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述建模的步骤包括形成具有多个节点的3-D网格。
4.如权利要求3所述的方法，其中确定所述多个节点中每个节点的所述有效应力比。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述确定有效应力比的步骤使用有限元分析。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述地层包括限定于该地层中的地质结构，且其中所述绘制轨迹的步骤包括选择所述井筒的位于所述地质结构上方的第一端以及所述井筒的位于所述地质结构下方的 第二端。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述轨迹具有垂直分量和水平分量。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述轨迹具有垂直分量和水平分量。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述垂直分量大体限定在所述地质结构内，且所述垂直分量限定在所述地质结构下方。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述地质结构为盐丘。
11.如权利要求1所述的方法，还包括基于所估计的所述地层的泥浆比重窗口来实施钻井规划的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述实施钻井规划包括大体沿着所述3-D模型中绘制的所述轨迹在所述地层中钻设井筒并采用所估计泥浆比重窗口内的钻井液。
13.一种用于在地层中钻设井筒的方法，该地层具有形成于该地层中的盐基底结构，该方法包括: a.形成所述地层的3-D模型； b.利用3-D有限元分析来计算所述盐基底结构的多个有效应力比； c.在沿着经所述盐基底结构穿过的给定轨迹的多个点处选择有效应力比； d.将所选择的有效应力比输入到1-D泥浆比重窗口分析工具中；以及 e.利用所述地层的孔隙压力和强度参数，结合所述输入的所选择的有效应力比为所述地层进行泥浆比重窗口的预测。
14.如权利要求13所述的方法，还包括基于所估计的泥浆比重窗口来实施钻井规划的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述实施钻井规划包括按照与所建模地层的轨迹相符的轨迹通过所述地层来钻设井筒并采用比重在所估计泥浆比重窗口内的一种或多种钻井液。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述实施钻井规划期间重执行所述步骤c-e以及基于重执行的步骤来调整所述钻井规划的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述调整的步骤包括改变所述井筒轨迹。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述调整的步骤包括改变所述钻井液的比重。
19.如权利要求13所述的方法，还包括基于所估计的泥浆比重窗口来调整所述泥浆比重窗口的宽度的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其中拓宽的步骤包括改变井筒轨迹。
21.如权利要求20所述的方法，还包括一旦所述泥浆比重窗口被拓宽就重执行步骤c-e的步骤。
22.一种用于在继第一部分之后的一部分井筒构造处理期间在地层中钻设井筒的方法，该方法包括: 准备设备以使用第一构造处理来构造所述井筒的一部分； 以3-D来建模所述地层； 确定所建模3-D地层的有效应力比； 为穿过所建模3-D地层的井筒绘制轨迹； 沿着所述井筒轨迹选择具体的有效应力比的值； 将所选择的有效应力比的值输入到1-D模型中用于估计泥浆比重窗口 ； 利用所述1-D模型将所输入的有效应力比的值与1-D数据结合；以及 估计所述地层的所述泥浆比重窗口； 基于所估计的泥浆比重窗口，使用不同于所述第一处理的第二处理来构造所述井筒。
23.如权利要求22所述的方法，包括使用钻井处理来旋转钻设井筒第一部分的步骤。
24.一种用于识别地层的泥浆比重窗口的计算机实施系统，该系统包括: 处理器； 可由所述处理器访问的存储介质；以及 存储于所述存储介质上的软件指令，可由所述处理器执行用于: 以3-D来建模所述地层； 确定所建模3-D地层的多个有效应力比； 为穿过所述所建模3-D地层的井筒绘制轨迹； 选择沿着所述井筒轨迹的具体有效应力比的值； 将所选择的有效应力比的值输入到1-D模型中用于估计泥浆比重窗口 ； 利用所述1-D模型将输入的有效应力比的值数据与1-D数据结合；及 估计所述地层的所述泥浆比重窗口。
【文档编号】G01V1/40GK103959100SQ201180075285
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2011年10月3日 优先权日:2011年10月3日
【发明者】沈新普 申请人:兰德马克绘图国际公司