能源行业作业特征化和/或优化的制作方法

对相关申请的交叉参考

本申请要求2014年12月3日提交的美国申请号14/559690的权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文。

背景

油气勘探和能源行业采用各种系统和作业来实现包含钻井、地层评估、刺激和生产的活动。通常执行例如温度和流量测量等测量来监视和评定这些作业。

概要

一种执行能源行业作业的方法的实施方案包括：在土地地层中部署载体，所述载体包含被配置成执行所述作业的井下组件；根据作业参数执行所述作业；测量条件，所述条件包含地表条件和井下条件中的至少一者，以及产生表示所述测得条件的测量数据；基于所述测量数据调谐所述作业的模拟模型，所述模型是被配置成基于所述选定作业参数估计所述条件的数学模型；选择对一个或多个选定作业参数的假设调整；将所述假设调整应用于所述模拟模型以产生所述作业的预测条件；以及基于表示对所述作业的改进的所述预测条件，根据所述假设调整而调整作业参数。

一种用于执行能源行业作业的系统的实施方案包括：载体，其被配置成安置于土地地层中，所述载体包含被配置成基于选定作业参数执行所述作业的井下组件；至少一个传感装置，其被配置成在所述作业期间测量条件，所述条件包含地表条件和井下条件中的至少一者；以及处理器，其被配置成接收表示所述测得条件的测量数据，且将所述测量数据应用于所述作业的模拟模型，所述模拟模型是被配置成基于选定作业参数估计所述条件的数学模型。所述处理器被配置成执行以下动作：基于所述测量数据调谐所述作业的所述模拟模型；选择对一个或多个选定作业参数的假设调整；将所述假设调整应用于所述模拟模型以产生所述作业的预测条件；以及基于表示对所述作业的改进的所述预测条件，根据所述假设调整而调整作业参数。

附图简述

以下描述不应当以任何方式视为限制性的。参考附图，相同元件带有相同编号：

图1描绘钻井和/或地质导向系统的实施方案；

图2描绘油气生产和/或刺激系统的实施方案；

图3描绘连续油管系统的实施方案；

图4是提供产生和更新能源行业作业的模型以及基于所述模型控制作业的示例性方法的流程图；

图5描绘包含表示作业参数和条件的状态指示符和其它视觉指示符的示例性显示的一部分；

图6描绘图4中所示的状态指示符的实施例；

图7描绘图4中所示的状态指示符的实施例；以及

图8描绘状态指示符日志的实施例。

详细描述

本文描述的系统和方法提供了创建、更新和/或优化能源行业作业的模型，以及使用所述模型来控制、改进和/或优化作业。在一个实施方案中，产生描述所建议作业的作业模型，所述模型提供各种井下和/或地表条件的预测。所述条件可包含作业参数、条件的井下测量(例如，压力、温度、振动和其它)以及条件的地表测量(例如，泵压力、注入流体流率、产生的流体性质、部署或解扣速度和其它)。

在作业期间，执行各种测量，这可在地表和/或井下进行。在一个实施方案中，接收这些测量且实时应用于所述模型。例如地表或井下控制器等处理装置实时地自动调谐或更新所述模型以匹配测得的井下和/或地表条件。在一个实施方案中，系统被配置成通过选择或建议对作业的假设调整(“如果...怎么办？”)来执行改进和/或优化方法。

将假设调整应用于模型以预测井下组件、井孔和/或地层的响应。如果一个或多个假设调整被确定为有益的，那么可以将它们应用于作业。这些预测的产生比实时更快，即，基于模型在其当前形式中的预测可以在下一次实时调整之前执行。

在一个实施方案中，系统提供包含视觉指示符或机会旗标的显示。基于实际条件(井下和/或在地表测得)与预测条件之间的比较而将指示符呈现给用户。指示符的产生可以与模型的实时调谐结合执行。举例来说，一种方法包含接收测量数据，将测得的条件与由模型预测的条件进行比较，基于所述比较产生指示符，以及基于所述比较调谐所述模型。

本文提供的描述可适用于各种油气或能源行业数据活动或作业。虽然本文的实施方案是在钻井、完井和刺激作业的情境中来描述，但它们不受此限制。所述实施方案可以应用于任何能源行业作业。能源行业作业的实施例包含地表或地下测量和建模、储层特征化和建模、地层评估(例如，孔压力、岩性、裂缝识别等)、刺激(例如，水力压裂、酸性刺激)、连续油管作业、钻井、完井和生产。

参见图1，示出了安置于井孔12中的井下钻井系统10的示例性实施方案。钻柱14安置于井孔12中，所述钻柱穿透至少一个地层16。虽然井孔12在图1中示出为具有恒定直径，但所述井孔不受此限制。举例来说，井孔12可以具有变化的直径和/或方向(例如，方位角和倾斜)。钻柱14由例如管道或多个管道区段制成。系统10和/或钻柱14包含钻井组合件18。可被配置为井底钻具组合件(bha)的钻井组合件18包含钻头20，且被配置成从钻机22传递到井孔12中。各种测量工具也可以并入到系统10中以影响测量体系，例如有线测量应用或随钻测井(lwd)应用。举例来说，例如钻柱14和钻井组合件18等一个或多个井下组件包含被配置成测量地层和/或井孔的各种参数的传感器装置24。

在一个实施方案中，钻井组合件18和传感器装置24被配置成与一个或多个处理器通信，例如井下电子设备单元26和/或地表处理单元28。所述处理器可以接收来自井下组件的数据和通信信号和/或将控制信号传输到组件。信号和数据可以经由任何合适的传输装置或系统来传输，例如电缆30。用以传输信号和数据的其它技术包含有线管道、电气和/或光纤连接、泥浆脉冲、电磁和声学遥测。

参见图2，油气生产和/或刺激系统40的示例性实施方案包含被配置成安置于井孔44中的井孔钻柱42，所述钻柱穿透至少一个地层46。所述井孔可以是开放井孔、套管井孔或部分套管井孔。在一个实施方案中，井孔钻柱42是生产钻柱，其包含管柱48，例如管道(例如，多个管道段)有线管道或连续油管，所述管柱从地表位置处(例如，在钻井现场或离岸刺激船只)的井口50延伸。

系统40包含一个或多个刺激组合件52，所述组合件被配置成控制刺激流体的注入且引导刺激流体进入地层中的一个或多个生产区。每一刺激组合件52包含一个或多个注入或流量控制装置54，所述装置被配置成将来自管柱48中的导管的刺激流体引导到井孔44。如本文使用，术语“流体”包含液体、气体、烃类、多相流体、两种或多种流体的混合物、从地表注入的水和流体，例如水或刺激流体。举例来说，流体可以是包含压裂或刺激流体和/或支撑剂的浆料。在另一实施例中，流体是例如酸性刺激流体等刺激流体。

可以并入的其它组件包含套管和/或井孔中的穿孔，以及填塞器56，所述填塞器通常在井下传递且当其到达选定深度时被激活而膨胀以密封井孔且产生隔离区域。多个开口和填塞器可安置于多个深度以产生多个隔离区域或区。

在地表位置可包含各种地表装置和系统。举例来说，流体储存单元58、支撑剂储存单元60、混合单元62以及泵或注入单元64连接到井口50，用于将流体提供到井孔钻柱42或钻井/完井环面以用于例如水力压裂作业、刺激作业、清除作业和其它等作业。

系统40还包含例如控制单元66等地表处理单元，其通常包含处理器68、用于执行指令的一个或多个计算机程序70，以及存储装置72。控制单元66接收来自例如混合单元62和泵单元64等井下传感器和地表装置的信号，且控制地表装置以获得在井下位置处的流体的选定参数。例如感测和控制功能等功能可以并不专门由地表控制器66执行。举例来说，井下电子设备单元74连接到井下传感器和装置，且执行例如控制井下装置、接收传感器数据和通信以及与控制器66通信等功能。

图3中示出系统40的另一实施例。在此实施例中，井孔钻柱42包含连续油管76，其可延伸到井孔44中，例如井孔44的水平部分。术语“水平井孔”指代如此项技术中了解的水平或高度偏离的井。bha78经由例如“抓钩”连接器等连接器连接到连续油管76的末端。虽然bha78可以采取多种形式，但bha78在此实施例中包含被装备以用于反向循环的喷砂穿孔工具。bha78的喷砂工具可用以产生穿孔80。在示例性压裂作业中，沿着环面84向下泵送压裂浆料82，在此期间第一支撑剂床86可以开始在水平部分的下侧上形成，且如果利用了砂穿孔方法，则第二支撑剂床88可以开始形成。

可以使用多种技术来隔离穿孔80，例如填塞器或插塞。举例来说，将具有较高砂浓度的小体积流体添加到压裂浆料的最终阶段以产生砂插塞。随后在浆料后方泵送清洁的移位流体以便使压裂浆料移位到穿孔中。

在一个实施方案中，为了避免在压裂期间的过早筛出问题，移除(即，清除)残余的固体或残渣(例如，支撑剂床86和88)。示例性清除过程包含在bha78在井下和/或正向上移动的同时沿着环面84向下泵送清除流体，从而使残余的固体和支撑剂床在井下朝向砂插塞循环。迫使清除流体流动通过bha78，沿着连续油管76向上且回到地表。在支撑剂床和/或其它残渣已经移除之后，仅清除流体存在于环面84中。因此，可以使下一间隔压裂而没有过早筛出的危险。应注意，压裂和清除作业仅是示例性的，因为可以使用其它技术和/或组件用于压裂和清除。

在系统10和/或系统40中在井下和/或地表位置中可以包含各种感测或测量装置。举例来说，一个或多个参数传感器(或例如lwd替代物等传感器组合件)被配置成用于与地层、井孔、地理特性和/或井孔流体相关的地层评估测量。这些传感器可以包含地层评估传感器(例如，电阻率、介电常数、水饱和、孔隙度、密度和渗透率)、用于测量地理参数的传感器(例如，声学速度和声学行进时间)、用于测量井孔流体参数的传感器(例如，粘度、密度、清晰度、流变性、ph水平以及油、气和水含量)，以及用于井孔状态的传感器(例如，压力、温度、流体速率)。

本文描述的系统配备有一个或多个处理器(例如，处理单元28和/或66)，其被配置成接收井下和/或地表数据，以及产生、调整和/或更新可用以监视和/或控制作业的模拟模型。所述模拟模型可在作业期间实时使用，例如通过基于实时测量而调谐所述模型。所述模型也可以在作业之后使用，例如通过基于在作业期间进行的测量而调谐所述模型以增强未来作业。

在一个实施方案中，所述模型是模拟能源行业作业的各方面的数学模型。这些模型包含例如模拟随着时间和/或深度而变的各种作业参数和条件(地表和/或井下)的作业模型。模型接收描述井下环境(例如，地层性质、地层流体性质、例如直径和轨迹等井孔参数等)的信息以及例如流体性质、注入压力、温度和/或流率、旋转速率和其它等作业参数。基于此信息和作业参数，模型预测作业的过程中的各种条件的值。这些条件包含例如井孔压力、井孔温度、井下流体性质、生产流体性质和其它条件。在一个实施方案中，在作业之前基于所提议作业的环境信息和作业参数而产生初始作业模型。可以在执行各种条件的测量时在作业期间重复地调整初始模型。

在一个实施方案中，处理器被配置成产生关于对作业的潜在调整和所述调整对作业的影响的预测信息。此预测信息可用以按比实时更快的方式优化和/或改进作业，即，预测信息是独立于基于测得条件的实时调整而产生或在其之前产生。这是有用的，因为经常存在在进行测量和接收测量数据时发生的延迟，以及在控制装置调整作业参数的时间点与井下条件响应于这些调整而改变的时间点之间发生的延迟。预测信息允许用户评估对作业的调整而不必实际上执行调整且等待井下条件改变。

在一个实施方案中，处理器利用对在作业期间的条件和参数进行建模的定量(数学和/或数值)方法。举例来说，对于钻井或连续油管作业，处理器对例如随着时间而变的井下温度和压力、流体流率、穿透率、rpm和其它等条件和参数进行建模。

虽然本文描述的处理器示出为与井下组件通信，但它们不受此限制。举例来说，处理器可实施为可接收例如模型参数、测量信息和所提议解扣时间表等输入数据的独立计算机或其它处理装置。

传感器装置、电子设备、工具和其它井下组件可以包含于或实施为bha、钻柱组件或其它合适的载体。如本文描述的“载体”意味着可用以传递、容纳、支撑或以另外方式促进另一装置、装置组件、装置组合、媒介和/或部件的使用的任何装置、装置组件、装置组合、媒介和/或部件。示例性非限制载体包含连续油管型、联合管道型及其任何组合或部分的钻柱。其它载体实施例包含套管管道、有线线路、有线探测仪、钢丝探测仪、落料、井下替代物、井底钻具组合件以及钻柱。

图4图示了用于执行能量行业作业的方法120。所述方法允许操作者对作业进行建模，实时调整模型，监视作业参数和条件，以及评估对作业的潜在调整。所述方法还提供改进和/或优化作业的有效方式。方法120包含本文描述的阶段121到125中的一者或多者，其中至少部分可以由处理器(例如，地表处理单元28)执行。在一个实施方案中，方法120包含按所描述的次序执行所有阶段121到125。然而，可以省略某些阶段121到125，可以添加阶段，或者改变阶段的次序。

在一个实施方案中，如算法指定来执行所述方法，所述算法允许处理器(例如，地表处理单元28)自动调整或调谐作业模型，提供状态信息和/或控制作业的各方面。如本文描述的处理器可以是单个处理器或多个处理器(例如，网络)。

在第一阶段121中，产生或创建所提议作业的数学模型，也称为模拟模型。所述模拟模型的初始版本(“初始模型”)使用最佳估计来特征化地层、井孔和流体(例如，地层流体、产生的流体和注入的流体)。模拟模型预测井孔和/或地层对作业或处理的响应。在一个实施方案中，模拟模型是模拟在作业期间随着时间而变的条件的时间瞬态模型。模拟的条件包含例如工具深度、解扣速度或穿透率、井下压力、井下温度、井下流体性质、产生的流体性质、流体流率，以及作业参数(例如，泵压力和流率、部署速度等)。

举例来说，通过估计例如地表压力、井下压力、解扣速度、管张力、摩擦和流体性质等随着时间或深度而变的参数或性质值来建模连续油管作业。其它值或模型参数包含井孔性质(例如，井孔尺寸和轨迹)、地层性质(例如，岩性、地层孔隙度、井孔流体性质等)，以及流体性质(例如，泵送流体、地层流体、产生的流体)。

在第二阶段122中，执行作业，在此期间监视作业且收集实时数据。在一个实施方案中，使用数据采集系统采集实时数据，所述系统包含地表和/或井下采集装置或系统。一个或多个处理器或控制器接收来自地表和/或井下测量装置的实时数据。这些测量装置包含例如井口压力传感器、温度传感器、泵压力传感器、地表流率传感器，以及用于估计连续油管的深度的测量装置。各种井下测量装置可以随井下工具并入，例如压力和温度传感器、用于测量应变的应变传感器、振动和摩擦(流体和/或接触摩擦)、流率传感器和其它传感器。

基于实时数据，处理器可以调谐模拟模型，监视作业和/或将警示和其它信息提供给用户。

在第三阶段123中，在作业期间使用实时数据自动调谐初始模拟模型。此自动调谐可基于地表数据、井下或井底数据或这两者而执行。在一个实施方案中，创建调谐模型，其使用实时数据来拨入或调整模拟模型。在一个实施方案中，井孔数据指代在井孔内进行的测量，例如在井底位置、井孔的隔离区域、井孔的定位有bha或其它组件的区域，或井孔中的任何其它所需的区域。

举例来说，使用调谐模型来比较测得的条件与估计的条件。“测得的条件”包含由地表或井下测量装置测得的任何条件。“估计的条件”包含由模拟模型针对与测得的条件相关联的时间或时间周期模拟的条件的值。如果测得的条件与估计的条件之间存在显著差异，那么调整模拟模型以使得模拟的条件匹配测得的条件。

在第四阶段124中，选择或考虑假设调整，且应用于模型以预测对井孔、地层和/或作业的影响。举例来说，产生若干“如果...怎么办？”情景，其中每一者可应用于模拟模型的当前版本。

选择可具有改进作业的可能的假设调整。举例来说，对于残渣清除作业，假设调整可以采取“如果流体注入速率增加怎么办？”的形式。在此实施例中，模拟模型中当前指定的流体注入速率增加一个或多个量。对于每一增加，预测条件(例如，井下压力、残渣清除速率和生产流体速率)。

在第五阶段125中，如果假设调整中的任一者被确定为有益的或另外优化作业，那么将这些调整应用于作业。

使用本文描述的假设调整的自动调谐和预测可重复地执行，例如根据选定时间周期性地执行。举例来说，在采集测量数据时反复地调整模拟模型。举例来说，模型包含根据模型的当前反复的当前井孔摩擦(流体和/或接触)分布。采集一组井下压力数据，且通过改变流体摩擦值而使模型反复以匹配实际压力值。

如下针对井清除作业描述方法120的实施例。选择作业参数，例如注入流体的类型、泵速率、解扣速度和其它参数。基于作业参数和其它信息构造作业的模拟模型，例如地层性质、井孔大小和轨迹、井孔中的残渣和其它信息。

模拟模型估计在计划作业的过程中的条件。这些条件包含井底或井孔流率、温度、流体/残渣产生速率、井孔压力和其它条件。模型可以随着时间而变提供这些条件。

在清除作业期间，测量各种参数和条件，例如井孔压力、温度和/或流率。另外，可以测量地表参数和条件，例如流体产生速率、注入速率等。如果测得的参数或条件不匹配于模型，那么可在作业期间自动调整模型。

而且在作业期间，选择假设调整且应用于模型以预测所述调整对作业参数和条件的影响。举例来说，“如果...怎么办？”情景可以是“如果流体注入速率增加则将节省多少时间？”将此假设调整、即注入速率和/或压力的选定增加应用于模型。如果存在充分的时间节省(不会有害地影响其它条件)，那么可实现假设调整。以此方式，通过预期对未来调整的反应且允许调整而不必等待实时测量，可将作业优化为比实时更快。

在一个实施方案中，本文描述的系统和方法包含或利用指示符，其指示或警告用户或系统在所建模或模拟的条件与在作业期间测得的实际条件之间的任何差异。所述指示符可以是视觉指示符，其为操作者提供辨识问题或潜在问题的简单且容易辨识的方式。

图5到8图示了可在井下作业期间使用的示例性显示和指示符。在此实施例中的作业是管柱(例如，连续油管)部署作业，但不受此限制，因为所述显示和指示符可用于多种能源行业作业中的任一种。可出于各种原因而执行管柱部署，例如井清除(残渣清除)或刺激(例如，水力压裂、酸性刺激等)。图5是示例性显示90，其示出了地表设备和连续油管92将部署于井孔94中。地表设备包含抽出连续油管的卷轴96，以及注入器98。连续油管92耦合到一个或多个工具100以进行井下部署。这些工具的实施例包含刺激工具、水力设定工具、穿孔工具、流体注入工具、清除工具和其它工具。

如图5中所示，所述显示包含指示符(也称为“机会旗标”)。在此实施例中，指示符带有色码以指示警报或问题水平或严重性。在本文描述的实施例中，使用绿色、黄色和红色指示严重性，其分别指示正常条件、报警条件和严重条件。

显示了说明性质、作业参数和/或条件值的视觉指示符。在此实施例中，显示泵压力计102、连续油管重量计104以及井口压力计106的表示。这些计可以标记有正常(绿色)区域108、报警区域110和严重报警区域112。状态或报警指示符114提供简单视觉指示符，类似于交通信号灯，其提供每一测得的性质或条件的状态。

在一个实施方案中，机会旗标或指示符被配置成提供测得的条件与模拟的条件(使用模拟模型估计或预测)之间的任何差异的严重性的指示。举例来说，重量计104包含绿色区域108，其指示连续油管的重量在由模型预测的范围内，或在相对于预测重量的某个误差内。黄色区域110指示重量在绿色区域之外，即在与所建模重量的可接受差异之外。红色区域112指示重量更进一步在可接受差异之外，且应当快速或立即进行补救。

图6示出了状态指示符114的另一实施例，其针对所关注的每一条件显示“交通信号灯”，以及条件的描述。如图7中演示，状态指示符中将监视或包含的条件可由用户选择。举例来说，图6中所示的每一条件可被选择为“作用中”或“忽略”。

图8示出了指示符随着时间而变的时间记录或日志的实施例。在此实施例中，发生的每一黄色或红色交通信号灯连同其对应的时间和持续时间显示为“交通信号灯日志”。

如上文论述，在作业期间可基于模型和实时测量而评估各种假设调整或“如果...怎么办”情景。为了说明，以下是示例性假设调整或情景的列表：

如果将润滑剂泵送到井孔中则可实现的深度是多少？

通过在残渣清除期间增加速率可节省多少时间？

这些假设调整可应用于模拟模型以提供对这些情景的回答，且允许操作者或处理器确定这些情景施加的调整是否应实际上应用于作业。

在一个实施方案中，例如通过响应于报警指示符而选择和应用假设调整，结合方法120使用所述指示符。举例来说，指示符(例如，黄色或红色交通信号灯指示符)示出了井口压力由于井气产生而在增加。可以与指示符一起或结合而显示潜在调整，例如n2注入速率的建议减小。所述减小的一个或多个值应用于模拟模型的当前版本或反复，其响应于所述减小而输出井口压力的预测改变。这些预测改变也可以与指示符和潜在调整一起显示。如果井口压力的改变是合意的，那么可将注入速率的对应减小应用于作业。在另一实施例中，如果whp由于残渣堵塞而在减小，那么可使用模拟模型评估流体注入速率的各种增加。此过程可针对任何数目的情形执行。

本文描述的系统和方法提供优于现有技术的各种优点。能源行业作业的改进和/或优化可使用本文描述的调谐模型和方法来实现，从而增加领域竞争力和能力。

大体上，本文的一些教示精简到存储于机器可读媒体上的算法。所述算法由例如处理单元28或处理单元66等计算机或处理器实现，且为操作者提供所需输出。

为了支持本文的教示，可以使用各种分析和/或分析组件，包含数字和/或模拟系统。所述系统可以具有例如以下组件：处理器、存储媒体、存储器、输入、输出、通信链路(有线、无线、脉冲泥浆、光学或其它)、用户接口、软件程序、信号处理器(数字或模拟)和其它此类组件(例如，电阻器、电容器、电感器和其它)，以用本领域中较好了解的若干方式中的任一种来提供本文公开的设备和方法的操作和分析。考虑这些教示可以(但不需要)与存储于计算机可读媒体上的计算机可执行指令的集合相结合而实现，包含存储器(rom、ram)、光学(cd-rom)或磁性(磁盘、硬驱动器)或任何其它类型，所述指令集合当执行时致使计算机实现本发明的方法。除了本公开中描述的功能之外，这些指令可以提供设备操作、控制、数据收集和分析以及由系统设计者、所有者、用户或其它此类人员视为相关的其它功能。

本领域的技术人员将认识到，各种组件或技术可以提供某些必要或有益的功能性或特征。因此，为了支持所附权利要求书及其变化而可能需要的这些功能和特征被认为固有地被包含作为本文教示的一部分以及所公开发明的一部分。

虽然已经参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变且可用等效物代替本发明的元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，本领域的技术人员将了解许多修改以使特定仪器、情形或材料适合于本发明的教示。因此，希望本发明不限于作为实行本发明所预期的最佳模式而公开的特定实施方案，但本发明将包含属于所附权利要求书的范围内的所有实施方案。