专利名称：利用司肯普顿理论估计岩层的侧限抗压强度的方法
技术领域：
本发明一般涉及用于估计岩石强度的方法，更具体地，涉及用于 估计要钻取井孔(wellbore)的岩层的"侧限(confined)"抗压强度 (CCS)的方法。
背景技术：
使用基于测井(log)的岩石强度分析设计井孔和分析钻头性能已 成为标准操作。在使用中存在几种依据CCS表征岩石强度的方法，但 钻头专家使用最广泛的标准是"无侧限(unconfined)"抗压强度 (UCS ) 。 UCS —般是指岩石仅处于有限或单轴加栽时的岩石的强度。 当岩石被来自各个方向的限制压缩压力或应力支撑时，岩石的强度一 般增加。该强度用CCS表达，它是单位面积的力，即每平方英寸的磅 数(psi)。
使用UCS用于钻头选择和钻头性能预测/分析是些问题的，原因 在于，岩石对于钻头的"表观，，强度一般与UCS不同。根据被广泛接受 和证明的对问题的了解，钻头性能在很大程度上受钻井液压力以及钻 井液压力与正在被钻取的岩石的原位(in situ)孔隙压力(PP)之间 的差值影响。由钻井液提供的压力常被称为等效循环密度(ECD)压
ii力，并可用泥浆重量即每加仑的磅数(ppg)表示。对于垂直井，随
着覆盖层负载(overburden)被钻离岩石，钻井液压力或ECD压力 代替覆盖层负栽(OB)压力。
一种广泛实践和接受的用于计算CCS的"岩石力学"方法是使用 以下的数学表达式
CCS = UCS + DP + 2DpsinFA/ (l隱sinFA ) (1)
这里，
UCS -岩石的无侧限抗压强度；
DP-压差(或岩石上的侧限应力(confining stress ));
FA-岩石的内摩擦角或摩擦角(岩石性能)。
常常通过将DP限定为由钻井液施加到正在被钻取的岩石上的
ECD压力和钻取之前的岩石的原位PP之间的差值，使式(1)适于用
于高度渗透的岩石的底孔钻取条件。
这种适应导致以下的高渗透性岩石用CCS (CCShp)的表达式 CCSHP = UCS + DP + 2DPsinFA/ (l誦sinFA ) ( 2 )
这里，DP-ECD压力-原位孔隙压力 (3) 在岩石的渗透性非常低的情况下，没有工业上广泛的标准或方法
用于预测岩石对钻头的表观强度。
已提出了各种方案，但仅有的已获得有限的接受的筒单方法假定
岩石是有渗透性的或者岩石中的PP为零。后一种假定导致以下的低
渗透性岩石用CCSLP的数学表达式
CCSLP = UCS + DP + 2DPsinFA/ (1-sinFA ) ( 4 )
这里，DP-ECD压力-O (5) 对于低渗透性岩石假定PP为零以及压差DPECD —般等于ECD压
力导致表观CCSw的错误估计。当基于岩石的强度使用CCSw估计值
用于钻头选择、钻头穿透速率计算、钻头磨损寿命预测和其它方面等
时，随后对低渗透性岩石使用这些CCSLP估计值从而导致很差的估计。 以上用于计算CCS的方法的另一缺点在于，它不能解释相对于垂
直井孔的偏斜或水平的井孔的岩石的应力状态的变化。与覆盖层负栽已被钻离的垂直井孔相比，由于由覆盖层负栽施加的压力，因此以偏
斜的角度或作为水平井孔钻取的井孔可在切割区域深度(d印th of cut zone)中具有大大不同的应力状态。
另一缺点在于，以上计算的CCS是假定剖面(profile) —般平整 的井孔的底孔剖面上的平均强度值。实际上，井孔的底孔剖面的轮廓 可高度依赖于产生井孔的钻头的结构被构造。并且，在孔的径向周缘 出现应力集中。高度简化的CCS计算方法没有考虑这些在某些条件下 可大大改变岩石在钻取操作中对钻头的表观强度的几何因素。
因此，需要更好的计算钻取的岩石特别是具有低渗透率的岩石的 CCS的方式。方法应考虑由于钻取操作导致的孔隙压力的相对变化 (△PP)，而不是假定在高度渗透岩石的情况下PP将保持在包围的储 层(reservoir)的PP或对于渗透率非常低的岩石在岩石中没有明显 的PP。本发明通过提供用于估计用于低渗透率岩石和用于具有有限渗 透率的岩石的CCS的改进的方法，解决这种需求。并且，本发明解决 适应与垂直井孔相比在偏斜和水平井孔中发现的切割区域深度中的变 化的应力状态的需要。另外，本发明提供适应可大大影响正在被钻取 以产生井孔的岩石的表观CCS的诸如井孔剖面的几何因素和相关应 力集中的方式。
发明内容
本发明包括一种用于估计要通过使用钻头和钻井液钻取的地层的 切割区域深度中的岩石的CCS的方法。首先，对于岩石确定UCS。 然后，确定由于将在钻取过程中施加到岩石上的施加应力导致的岩石 的强度的变化，该变化包含由于由钻取导致的岩石的APP导致的强度 变化。然后，通过将估计的强度变化加到UCS上，计算切割区域深度 中的岩石的CCS。对于高度不可渗透的岩石的情况，在假定在钻取过 程中基本上不存在进出岩石的流体的移动的情况下估计APP。本发明 优选根据司肯普顿(Skempton)理论计算APP，在该Skempton理论 中，当基本上不存在流入和流出岩石或土壤的流体时不可渗透的岩石或土壤具有由于施加的负载或应力导致的孔隙体积的变化。
通过利用使用计算机建模导出的校正因子，可对于偏斜的井孔计
算ccs，并考虑诸如井孔剖面、应力上升处、孔直径和泥浆重量的因素。
对于高度偏斜的井(>30°)的情况，可为了更高的精度利用井偏 斜、方位角、地主水平应力(earth principal horizontal stress )。
图l是多孔/渗透性岩石中的垂直井孔的底孔环境的示意图； 图2A和图2B是CCS与切割区域深度中的岩石上施加的侧限或 DP的关系图3A和图3B是对于a)垂直井孔；b)水平井孔；和c)以偏离 垂线的角度a和方位角p取向的井孔、对切割区域深度中的岩石的应力 块施加的应力的示意图4是表示根据本发明预测和由有限元计算机模型估算的不可渗 透的岩石的孔的底部的DP的示图5是计算的DP、 CCS和穿透速率ROP的值的表格；
图6是钻头的穿透速率ROP和正在被钻取的岩石的CCS的关系
图7是穿透速率ROP与泥浆密度的关系图8是穿透速率ROP与PP的关系图9是可被组合以表征钻头的剖面的钻头剖面段的表格。
具体实施例方式
I.垂直井孔的通用CCS计算
岩石抵抗钻取的强度的重要部分依赖于岩石在钻取过程中受到的 压缩(compressive)状态。岩石的这种在侧限钻取条件下抵抗钻头钻 取的能力应被称为岩石的CCS。在钻取之前，特定深度的岩石的压力 状态在很大程度上依赖于由岩石支撑的覆盖层负栽的重量。在钻取操作中，井孔的底部即切割区域深度中的岩石暴露于钻井液而不是已被 去除的覆盖层负载。但是，要在偏斜或水平井孔中去除的岩石仍受到 覆盖层负载载荷的分量以及钻井液的作用，并依赖于井孔偏离垂线的 角度以及其方位角。
在理想情况下，钻头的切割区域深度中的原位PP的实际估计在
计算要被钻取的岩石的ccs时被确定。根据穿透速率、钻头特性和钻 头操作参数，该切割区域深度的量级一般为零到15mm。本发明对于 有限的渗透率的岩石提供新型的计算井孔底部(紧接在切割区域深度 中钻头下面)的变化的PP的方式。应当注意，由于孔底的变化的PP 影响CCS和钻头性能，因此它是短时帧(timeframe)作用，最长的 时帧可能在一秒的量级上，但有时在更小的量级上。
尽管不希望束缚于特定的理论，但以下说明在得出用于计算岩石 的CCS的方法的过程中所作的一般假定，该岩石正在通过钻头和钻井 液被钻取以产生具有平整底孔剖面的一般垂直的井孔。现在参照图1， 示出多孔/渗透性岩层中的垂直井的底孔环境。岩层20被示为具有在 其中钻取的垂直井孔22。井孔22的内周缘填充有钻井液24，该钻井 液24产生沿井孔22排列的滤饼26。箭头28指示岩层20即周围的储 层中的孔隙流体可自由流入切割区域深度中的岩石中的孔隙中。当岩 石高度具有可渗透性时，情况一般如此。并且，钻井液24如箭头30 指示的那样向井孔施加压力。
在钻取井孔之前施加"OB应力或OB压力"的以前覆在切割区域 深度上的岩石已被钻井液24代替。虽然可以有例外，但由钻井液24 施加的流体压力一般比切割区域深度中的原位PP大，并且比以前由 覆盖层负栽施加的OB压力小。在这种一般的钻取条件下，由于应力 减小(来自钻井液的压力比由覆盖层负载施加的OOB压力小)，因 此切割区域深度中的岩石在孔或井孔的底部轻微扩张。类似地，假定 岩石中的孔隙体积也扩张。如果没有流体流入切割区域深度中的扩张 的岩石的孔隙中，那么岩石及其孔隙的扩张将导致影响区域中的瞬时 PP减小。如果岩石具有高可渗透性，那么PP减小导致流体如箭头28指示 的那样从远场(储层)移动到扩张区域中。孔隙流体流入扩张区域中 由此使得扩张岩石的PP与远场的PP (储层压力)均衡的速度和程度 依赖于多种因素。这些因素中的主要因素是与穿透速率和岩石对孔隙 流体的相对渗透率相关的岩石变化的速率。这假定储层体积与切割区 域深度相比相对较大，这一般是合理的假定。同时，如果钻取流体或 ECD压力比原位PP大，那么来自钻取流体的滤液将试图进入切割区 域深度中的可渗透孔隙中。在初始的泥浆浸入过程中构造的滤饼 (filter cake)26(有时称为喷射损失)作为进一步的滤液浸入的障碍。 如果构成的滤饼26是高效的，(又薄又快，这是所希望的并且常得到 实现)，那么假定滤液浸入对改变切割区域深度中的PP的影响可忽 略不计是合理的。还假定泥浆滤饼26对于钻井液压力比PP大的典型 情况用作不可渗透膜。因此，对于用钻井液钻取的高度渗透性岩石， 切割区域深度中的PP可合理地被假定为与周围的储层岩石的原位PP 基本上相同。
对于基本上不可渗透的岩石，诸如页岩和非常致密的非页岩，假 定没有大量的孔隙流体移动或滤液进入切割区域深度中。因此，切割 区域深度中的瞬时PP是切割区域深度中的岩石上的应力变化、诸如 渗透率和刚度的岩石性能和原位孔隙流体性能(初始可压度)的函数。
如上面在背景部分中说明的那样，式(l)表示广泛实践和接受的 用于计算岩石的CCS的"岩石力学"方法
CCS = UCS + DP + 2DPsinFA/ (l画sinFA) (1)
这里，
UCS =岩石无侧限抗压强度； DP-岩石上的压差(或侧限应力)；
FA-岩石的内摩擦角。
在本发明的优选和示例性实施例中，UCS和内摩擦角FA通过声 学测井数据或地震数据的处理被算出。本领域技术人员可以理解， USC和内摩擦角FA的其它计算方法是已知的，并可供本发明使用。作为例子而不是限制，这些用于确定UCS和FA的替代性方法包含测 井数据的处理和钻心(core)或钻头切割(drill cutting)的分析和/ 或测试的替代性方法。
在授权给Goodman的发明名称为"Method for Determining Rock Mechanical Properties Using Electrical Log Data，，的美国专利No. 5416697中可发现关于内摩擦角的细节，在此包含该专利的全部内容 作为参考。Goodman利用由Turk和Dearman在1986年在"Estimation of Friction Properties of Rock From Deformation Measurements", Chapter 14， Proceedings of the 27th U.S. Symposium on Rock Mechanics, Tuscaloosa, Alabama, June 23-25， 1986中公开的用于确定 内摩擦角的方法。该方法预测，随着泊松比随着水饱和和页岩性的变 化而变化，内摩擦角变化。内摩擦角因此还与岩石可钻性并因此与钻 头性能有关。通过将DP限定为ECD压力减去钻取前的岩石的原位 PP或钻取时的周围储层岩石的PP，实现将该方法应用于用于渗透性 岩石的底孔钻取条件。这导致以上关于式(2 )和(3 )说明的用于CCSHP 和DP的数学表达式。
最优选通过使用下向钻眼工具直接测量压力计算ECD压力。作 为替代方案，可通过将合理的值加到泥浆压力上或用软件计算估计 ECD压力。图2A和图2B示出表示CCS如何随在切割区域深度中的 岩石上施加的DP改变的示例性示图。当在岩石上没有施加DP时， 岩石的强度基本上是UCS。但是，随着DP增加，CCS也增加。在图 2A中，增加被示为线性函数。在图2B中，增加被示为非线性函数。
本发明不是假定低渗透率岩石中的PP基本上为零，而是利用土 壤力学以确定APP并将该方法应用于岩石的钻取。对于不可渗透的岩 石的情况，可4吏得由Skempton， A.W.:"Pore Pressure Coefficients A and B，，，Geotechnique (1954)， Volume 4，第143-147页说明的关系适用 于式(1) 。 Skempton孔隙压力一般可被描述为被由于假定渗透率非 常低以至于没有可觉察的流体流入或流出材料的材料的体积上的平均 应力的变化导致的PP变化APP修改的、钻取之前的多孔但一般非渗
17透的材料的原位PP。在本申请中，考虑中的多孔材料是切割区域深度 中的岩石，并且假定该渗透性非常低，以至于没有可觉察的流体流入
或流出切割区域深度。注意，在图2A中，DP中的变化APP是岩石中
的PP变化(由于钻取)的函数。
切割区域深度中的岩石上的该DP可在数学上表达为
DPLP = ECD- (PP + APP) (6)
这里，
DP =对于低渗透率岩石的岩石上的压差；
ECD =钻井液的等效循环密度压力； (PP + APP) = Skempton孑L隙压力；
PP-钻取之前的岩石中的孔隙压力；
△PP=由代替地应力的ECD压力导致的孔隙压力的变化。
图3A表示施加到来自一般垂直的井孔的切割区域深度的岩石的 应力块上的主应力。注意，ECD压力作为岩石正在被钻取的结果代替 OB压力。图3B示出来自井孔的一般水平延伸的部分的岩石的应力块。 在这种情况下，在应力块的垂直表面上保持OB压力。图3C表示从 偏斜的井孔获得的岩石的应力块，该井孔具有偏离垂线的角度a和投 射到水平面上的方位角p。在钻取方向上(z方向)上，泥浆或ECD
压力代替以前的压力或在钻取之前存在的应力。
Skempton描述两个PP系数A和B，这两个系数确定在零排放条 件下由多孔材料的施加的总应力的变化导致的APP。通过下式赋予
△PP —般的情况
APP = B[(Acr! + A(T2 + Ao"3) / 3 +
^V2[(化-Ao"2)2十(A^ -厶0"3)2 +(Acr2 - Ao"3)2] *(3A-1)/3] (7) 这里，
A =描述由剪应力变化导致的孔隙压力的变化的系数； B-描述由平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数； dt-第一主应力； cy2 =第二主应力；cr3 =第三主应力；
A-描述岩石在钻取之前和钻取之中的特定应力的差值的算子。 对于一般垂直的井孔，第一主应力 在钻取之前是OB压力，该 OB压力在钻取过程中被施加到岩石上的ECD压力代替，并且CT2和CT3 是施加到岩石上的水平主地应力。并且，(Ao^+Acj2+Ao"3)/3代替平均
变化或平均应力，并且 /2[(一 -Ao"2)2十(Aq -Act3)2 -A。3)2]
代表材料的体积上的剪应力的变化。
对于弹性材料，可以看出A-1/3。这是因为，对于弹性材料，剪 应力的变化不导致体积变化。如果没有体积变化，那么不存在PP变 化(孔隙流体不扩张也不压缩)。如果假定孔底附近的岩石弹性变形， 那么PP变化式(7)可被简化为
APP = B(Aq +Act2 +Acj3)/3 ( 8 )
对于假定CT2—般等于CT3的情况，
APP二B(化+2Ao"3)/3 (9) 式(8)说明PP变化APP等于常数B乘以岩石上的平均或中间、
总应力的变化。注意，平均应力是不变性能。不管使用什么坐标系统
都是相同的。因此应力不需要是主应力。只要三个应力相互垂直，式 (8)就是正确的。为了方便，CTz将被定义为沿井孔方向作用的应力，
并且CTx和ciY是沿与井孔方向相互正交的方向作用的应力。式(8)从
而可被重写为
这里开始！对(10)和其它等式固定正确的边缘
APP = B(AcTz+Ac7x+Aov)/3 (10)
在孔底附近将存在Ox和CJY的变化。但是，这些变化与Aciz相比一 般较小，并且对于简化的方法可被忽略。式(10)从而被简化为
APP = B(Acrz)/3 (11)
对于大多数页岩，B为0.8 ~ 1.0。初期的较软的页岩具有0.95 ~ l.O的B值，而更晚更硬的页岩将更接近0.8。对于不需要岩石性能的 简化方法，假定B = 1.0。由于对于垂直井孔来说AcTz等于(ECD - CTZ )， 因此式(11)可被重写为<formula>formula see original document page 20</formula>(12)
注意，APP几乎总是为负。即，由于钻取操作，将在孔底附近存 在PP减小。这是因为ECD压力几乎总是小于钻取之前与井平行的原 位应力(口z)。
孔底附近的变化的PP (Skempton孔隙压力)等于PP + APP或 PP + ( ECD - cjz ) /3。这也可被表达为
<formula>formula see original document page 20</formula>(13)
对于垂直井的情况，az等于由于钻取操作被去除的OB应力或 OB压力。
在垂直井和大多数页岩(不是罕有地刚硬)的情况下，平均应力 的变化可由项"(OB-ECD)/3"近似。
通过利用该假定，以下的表达式可被用于钻取低渗透率岩石的一 般垂直的井孔
这里，<formula>formula see original document page 20</formula> (14 )
<formula>formula see original document page 20</formula>(15)
<formula>formula see original document page 20</formula>(16)这里，
OB =沿z方向的覆盖层负载压力或应力CTz
PP-原位孔隙压力。
优选通过从表面(或用于海洋环境的泥线或海底)积分岩石密度 计算OB压力。作为替代方案，可通过从表面(或用于海洋环境的泥 线)计算或假定岩石密度的平均值估计OB压力。在本发明的该优选 和示例性实施例中，式(2)和(14)被用于计算用于高和低渗透率岩 石的CCS即"CCShp"和"CCSlp"。对于中间渗透率值，这些值被用作 "端点"，并且，两个端点之间的"混合，，或内插被用于计算具有低和高 渗透率岩石的渗透率之间的中间渗透率的岩石的CCS。由于难以直接 从测井确定渗透率，因此本发明优选利用有效孔隙率cpe。有效孔隙率 cpe被定义为岩石的非页岩分数(fraction )的孔隙率乘以非页岩岩石的分数。页岩分数的有效孔隙率CPe为零。可以认识到，如果渗透率取代 这里说明的方法中的有效孔隙率是可用的，那么可直接使用渗透率。
虽然存在例外，但可以相信有效孔隙率9e —般与渗透率良好相关， 因而，有效孔隙率阈值(Pe被用作量化可渗透和不可渗透的端点的手段。
优选使用以下的方法以计算岩石对钻头的CCS"CCSMIX":
如果9e^PHP，那么CCSMIX = CCSHP (17)
如果qV^cpLP，那么CCSMIX - CCSLP (18 )
如果CpLp《Cpe^pHP ，那么CCSMIX = CCSLPX(CpHP-<Pe)/(9HP-CPLP) +
CCSHPx(cpe-q>LP)/(cpHP-cpLP) (19 )
这里，
cpe-有效孔隙率；
cpLP =低渗透率岩石有效孔隙率阈值； <Php = 高渗透率岩石有效孔隙率阈值。
在本示例性实施例中，岩石被认为如果其有效孔隙率(Pe小于或等 于.05则具有低渗透率、如果其有效孔隙率(Pe等于或大于0.20则具有
高渗透率。在本优选实施例中，这导致CCSmx的以下的值
如果(p^ .20，那么CCSMIX = CCShp ( 20 )
如果(p^ .50，那么CCSMIX = CCSLP ( 21)
如果.50<&< .20,
那么CCSMIX - CCSLPx( .20國cpe)八15 + CCS股x(qv.05V.15( 22 ) 从以上各式可以看出，如果9e小于或等于0.05则假定岩石是不可 渗透的，如果cpe等于或大于0.20则假定是可渗透的。0.05和0.:20的
端点CPe值被假定，并且可以认识到，该方法的合理的端点依赖于包含
的钻进速率的多种因素。本领域技术人员可以理解，可以使用其它的 端点以定义低和高渗透率的端点。类似地，可以理解，也可以使用非
线性内插方案以估计端点之间的CCSMIX。并且，可以使用对于某一范 围的渗透率计算CCSmk的其它方案，这些方案部分依赖于一般在数 学上用式(7) ~ (12 )描述的上述用于计算PP变化APP的Skempton 方法。通过计算机模型以及从实验数据提供对利用用于确定用于低渗透
率岩石的CCSlp的Skempton方法的方法的支持。以下称为Warren 和Smith的Warren, T.M.， Smith, M.B.:"Bottomhole Stress Factors Affecting Drilling Rate at D印th，，，J. Pet. Tech. (Aug. 1985) 1523~1533 说明了孔底的有限元或计算机建模的结果。该工作支持这样一种概念， 即，除了由于底孔剖面导致的微小的差值和由于边缘效应导致的直径 附近较大的差值以外，可渗透岩石的孔底上的有效应力出于上述原因 基本上等于钻井液ECD压力和原位PP之间的差值。
图4示出不可渗透的岩石的一组给定条件的DP。示出的是通过 Warren和Smith的有限元建模以及通过使用本发明的简化Skempton 方法即使用式(14) ~ (16)确定的DP曲线。这些结果分别用于OB 压力等于10000psi、水平应力C7x、CTY 等于7000psi、原位PP等于4700psi 和泥浆压力(Pwell )或ECDpressure等于4700、 51700和W00psi的情况。 对于钻孔表面的底部以下O.ll"以及距总半径Rw的孔的中心的各种径 向位置R提供Warren和Smith结果。对于Warren和Smith的有限 元分析需要附加的岩石性能、孔隙流体性能和底孔剖面。可以看出， 在Warren和Smith的更严格的有限元建模和这里给出的简化的 Skempton核准(approval)之间有相当好的一致性。由于Warren和 Smith对非常刚硬的页岩模型化，因此，对于更典型的页岩， 一致性 会更好。还值得注意的是，随着泥浆或ECD压力增加到原位PP之上， 两种方法之间的表观差值减小。因此，本发明的简化方法对于更加过 平衡的条件会是特别合适和准确的，然后随着接近平衡条件准确性降低。
如果岩层具有小于1的系数B，那么由于假定B-1导致的误差 将导致PP减小APP的量的轻微的过预测(over-prediction )。这种过 预测在图4是十分明显的，其中从极其刚硬(B-0.57)的页岩的有限 元模型示出结果。对于更典型的页岩B值，计算的DP值会高约500psi, 这极好地与本发明中使用的简化Skempton计算匹配.这种基于 Skempton的方法的更鲁棒的应用包含基于测井导出的岩石性能计算A和B系数的值，并且必要时还考虑CJx、 CJY和CTz的变化。
对于非常硬但渗透率非常低的岩石的情况，诸如非常致密的碳酸
盐，B可能远小于l.O，并且很容易在0.5的量级上。因此对于致密的 非页岩岩性应考虑B的实际值。极硬的页岩也可能需要B值的调整。
如果在孔底附近出现的应力变化足以导致非弹性行为(由于增加 剪应力)，那么可通过^f吏用适当的A值代替假定A - 1/3解释这一点。 在更先进的方法中，A系数甚至可被用于代表在正在通过钻头被切割 和失效(fail)的岩石中出现的瞬时PP变化APP。这些PP变化APP 取决于岩石是以膨胀方式还是以非膨胀方式失效，并且还在高应变速 率下表现出应变速率效应。参见在1990 IADC/SPE Drilling Conference ， Feb. 27-Mar 2， 1990， Houston, Texas上给出的Cook, J.M., Sheppard, M.C.， Houwen， O.H.: "Effects of Strain Rate and Confining Pressure on the Deformation and Failure of Shale," paper IADC/SPE 19944。 Cunningham, R.A.， Eenink， J.G.:"Laboratory Study of Effect of Overburden, Formation and Mud Column Pressures on Drilling Rate of Permeable Formations，，，J. Pet. Tech. (Jan. 1959),第9 ~ 15页包含描述泥浆侧限压力对岩样的钻进速度的 影响的实验室试验数据。如果岩石性能和侧限应力是已知的，那么可 对于各试验条件计算岩石的CCS。穿透速率ROP与CCS的关系从而 可被画出，并且ROP和CCS之间的关系被建立。在图6中示出使用 Cunningham等的实验室试验数据的例子。
图6中的ROM与CCS的关系曲线是典型的，并且来自世界范围 的大量的钻井操作的数据建议使用幂函数作为用于描述曲线的最佳的 广义函数。对于特定的试验数据，幂律趋势线与数据匹配，并且得到 的趋势线公式在图6中被指示为下式
ROP = 6xl06CCS 13284 ( 23 )
应当注意，式(23)的ROP公式专用于实验室1.25"微钻头和钻井参 数(钻头上的重量、rpm、流率等)。
表1利用式(23 )以及1)基于DP的CCS值(CCSHP) 、 2 )基于Skempton孔隙压力的CCS值(CCSLP)和3 )基于ECD压力的 CCS值(CCSECD)。利用式(23 )的一些结果被示于表1中，还被示 于图7和图8中。在图7中，例子用于10000英尺深的井、具有9.0ppg 的PP的岩石、18.0ppg的覆盖层负栽负荷、5000psi的UCS和25。的 摩擦角FA,并且随着泥浆密度从9.0到12.0ppg变化示出计算的ROP。 在图8中，相同的条件被应用，但泥浆密度被假定固定在12.0ppg并 且PP从9.0到ll.Oppg变化。
来自表l和图7和图8的数据指示，使用绝对ECD压力用于计 算CCS产生高得不现实的CCS值，并且不产生或产生非常小的ROP 响应。这与实际的现场实验是不一致的。基于从直线(stright) DP或 基于Skempon的压差DP^计算的CCShp的ROP响应产生更现实的 结果。这进一步确认使用基于直线压差DPhp或Skempton压差DPLP 而不是一些人已作为对低渗透性岩石建模的优选方式提出的绝对 ECD压力的CCS的方法。
内摩擦角FA也会随着侧限应力变化而变化。这是由于岩石力学 中的所谓的弯曲的破坏包络线(见图2B)。净效应是，在较高的侧限 应力(例如，>5000psi)， 一些岩石随着侧限应力增加侧限强度增加 得越来越少，并且， 一些岩石达到不随着侧限应力的进一步增加而增 加的峰值侧限强度。如果摩擦角FA被取为常数，那么该条件很明显 会给由本发明给出的方法带来误差。摩擦角FA随侧限应力变化的变 化程度随岩石类型和类型内的岩石性能变化。当摩擦角FA随侧限应 力变化的变化较为明显时，那么摩擦角FA应祐:修改为侧限应力的函 数。
本发明的优选和示例性方法不需要岩性。对于钻头选择或钻头性 能建模，岩性一般是本领域技术人员需要的指标。这里给出的方法假 定UCS和FA代表主导的影响的岩石性能，因此不需要岩性指标。
岩石刚度、孔隙率和孔隙流体可压度(compressibility)影响当不 可渗透的岩石膨胀时出现的PP变化APP的量。以上对于不可渗透的 岩石给出的过分简化的Skempton模型不直接考虑这些因素。它们可通过Skempton"A"和"B，，系数被考虑。对于大多数页岩来说，由于不 考虑这些因素引入的误差相对较小。只要岩石可压度明显大于孔隙流 体可压度，误差都将会相对较小。对于不刚硬且包含水作为孔隙流体 的大多数页岩，情况正是如此。当页岩刚硬时，误差会变得明显。在 这种情况下，PP下降将被过预测，并且DP将被过预测。对于非常致 密的硬的碳酸盐也可能过预测。可通过调整"B"系数以考虑岩石刚度 以及在必要时考虑孔隙率和孔隙流体可压度消除这种误差。 II.偏斜和水平井孔
在偏斜井的情况下，用与孔底正交并在孔存在之前存在的地应力 代替以上所有等式中的覆盖层负载。与孔底正交的地应力是覆盖层负 载和水平应力(j2和ct3的分量。地水平应力一般被表征为两个主水平应 力。除了存在可导致最大主水平应力大于覆盖层负载的构造力的情况 以外，地主水平应力一般比覆盖层负栽小。对于非构造环境中的适当 的岩石，水平有效应力一般为有效OB应力的1/4~3/4的量级，但在 非常柔软和/或可塑的岩石中，有效水平应力可接近或等于覆盖层负 载。应当注意，应力块和施加到这些块上的应力被大大简化，从而忽 略了诸如边缘效应和底孔应力的真实3D本质的因素。这些效应将在 下面的部分中被说明。
用于偏斜井孔的简化Skempton方法可通过假定1)岩石是弹性 的(A = l/3) 2) Acjx、 AcjY较小被得出；并且B-l.O。在数学上，用 于低渗透率岩层中的偏斜井孔的CCS^可通过^f吏用下式被计算
CCSlp = UCS + DP + 2DPsinFA/ (l-sinFA ) (14 )
这里，
DP = ECD压力一 Skempton孔隙压力； (15 )
Skempton孑L隙压力=PP - ( C]z - ECD) /3; (16)
这里，
□z-在井被钻取之前与井轴平行的原位应力； PP-原位孔隙压力. 作为替代方案，Skempton孔隙压力可通过使用正交系统中的平均应力的变化被计算。
Skempton孔隙压力=PP + B (ECD - crz + Actx + Acjy ) /3; ( 24 ) 对于与井平行的应力不是主应力的偏斜井孔的情况，以及如果A 不能被假定为等于1/3，那么可以利用与式(7)对应的更一般的等式。 具体而言，在如图3C所示x、 y和z不是应力的主方向的x、 y、 z参
考坐标系中
APP = B[(A + A + △ )/ 3 +
(VV2[(Acr, - Ao"》2 -Ao"z)2 -^)2] + 3 2 +3A、2 +3A。*
(3A-1)/3] (25) 这里，
A =描述由岩石上的剪应力变化导致的孔隙压力的变化的 Skemptoii系数；
B =描述由岩石上的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的 Skempton系数；
A-描述岩石在钻取之前和钻取之中的特定应力的差值的算子；
沿x方向的应力； c^-沿y方向的应力； ctz =沿z方向的应力；
沿x-y面的剪应力； ^:-沿y-z面的剪应力； ^:=沿x-z面的剪应力，
可通过相对于一个轴平行于井孔、另一轴位于与井孔的轴垂直的 平面中的坐标系变换原位应力张量，确定以上的应力值。作为覆盖层 负栽的地主应力A可从密度测井数据或亚表面岩石密度的其它估计方
法获得。作为中间地主应力或最大主水平应力的ct2—般基于来自图像
测井数据的井分类总结(well breakout)的分析、岩石性能、井孔取 向和 和(j3的假设(或确定)被计算。作为最小地应力或最小主水平 应力的a3—般通过在多个深度上使井断开被直接测量，或者，它可从 cn、岩石性能和地应力历史和当前地应力的假设被计算。主应力 、
26GT2和CT3可从包含测井数据、地震数据、钻井数据和井制造数据的各种 数据源获得。这些方法是本领域技术人员所熟悉的。
可使用变换以将主应力转换到包含应力块上的法向(normal)应 力和剪应力的另一坐标系中。这些变换是本领域技术人员公知的。作 为例子，可以在本发明中使用由M.R. McLean和M*A. Addes在 "Wellbore Stability: The Effect of Strength Criteria on Mud Weight Recommendations" SPE 20405 (1990)中说明的变换。本公开的图4表 示用适当加标注的法向应力和剪应力以及偏角a和方位角p变换应力 块中的原位应力状态。McLean和Addes的附录A列出计算坐标系之 间的这种变换所需要的等式。这里包含SPE文章20405的全部内容作 为参考。岩石力学领域技术人员已知的替代性变换式也可被用于在主 应力和旋转的非主应力坐标系之间进行转换。并且，许多用于井孔稳 定性的商业软件程序，诸如GeoMechanics International，s SFIRTm軟 件和Advanced Geotechnology STABView 软件，可被用于将主应力 转换成给定偏角a和方位角p的其它坐标系中的替代性的应力和剪应 力。
III.边缘效应和底孔应力
用于预测钻孔底部的切割区域深度中的扩张的不可渗透的岩石中 的变化的PP的最简化的Skempton方法将沿整个孔底的切割区域深度 视为一个单体(element)，在该单体中，三个独立的正交应力中的一 个(cjz)已变化，另两个没有变化。参见式(16),假定变化的一个 应力CTz法向作用于孔底，并且变化由法向作用于孔底的地应力和泥浆 或ECD压力之间的差值表示。模拟(analogy)或例子是具有三个独 立的正交应力的立方体，这些应力法向作用于立方体的侧面，然后只 改变这些应力中的一个而保持另外两个不变。钻孔的底部不是这样简 单，这主要是由于两个原因。 一个是由特定的钻头结构产生的底孔剖 面，另一个是产生应力集中或应力梯级的边缘效应。上面说明的本发 明的最简化的方法不考虑非平整孔底的效应，也不考虑可能在孔的直 径附近出现的应力集中的效应。为了简化，除了注明以外，以下的讨论将假定垂直井和法向地应 力环境的情况，其中，覆盖层负载明显大于地主水平应力和PP，并且 两个地主水平应力大致相等。本领域技术人员可以理解，这种情况可 被扩展到使用所有三个正交应力，并如果希望的话可被扩展到偏斜井 孔。
如下面更详细地讨论的那样，在井孔的整个前剖面(leading profile)中切割区域深度中的岩石将具有稍微不同的应力状态。因此， CCS是岩石对在井孔的底部的剖面上施加的钻头的平均表观CCS。正 是该CCS值可然后与依赖于CCS的精确预测的各种算法一起使用。
A. 边缘效应
在紧挨着钻孔直径内侧，作用于岩石上的地应力已被泥浆压力代 替。在紧挨着直径外侧，覆盖层负载仍作为垂直应力起作用。因此， 在钻孔直径附近，岩石就在从直径的内侧到外侧的距离上经受作用于 其上的垂直应力的增加。在泥浆压力明显小于覆盖层负栽的垂直井的 经典例子中，结果是较高应力区域(就在直径外侧)中的一些应力转 移到较低应力区域(就在直径内侧)。其结果是直径附近的岩石的膨 胀比孔底中心的膨胀小，并且净结果是在直径附近的膨胀较小的岩石 中PP减少较少。该结果被示于图4中。压差曲线随着R/Rw值增加在 直径附近减小，误差的表示由相关的曲线对的值的差值指示.注意， 由于Warren和Smith的曲线用于相对刚性的岩石-大多数页岩刚度 较小并且误差会较小，因此图4一般不应被用作误差量的指示。
B. 孔剖面
重新考虑覆盖层负载明显大于地主水平应力和PP的垂直井和法 向地应力环境的情况。非平整剖面将导致变化的应力和与上述简化 Skempton方法不同的膨胀。该简化Skempton方法假定作用于孔底的 水平应力基本上与地水平应力相同。但如果孔底不平，那么切割区域 深度中的岩石上的水平应力将受泥浆压力影响。孔的中心一般随着锥 体或圆顶形状稍微升高。这对于滚锥钻头(roller cone bit)是从轻微 到不存在，并且对于固定的切割钻头(cutter bit) (PDC、金刚石和浸渍钻头(impregnated bit))可更加明显。随着锥体/圆顶的高度增 加(或者更准确地说，随着锥体/圆顶的侧边斜率或纵横比增加)，主 侧限应力将从地水平应力(对于平整底部)转变为泥浆压力。这意味 着Skempton 乂〉式的所有三项(A 、Acj2和Aa3)或(Acyx、 A(jy和AcTz) 都是非零的。作为极端的例子，形状与铅笔尖类似的非常尖的锥体可 被考虑。很显然，尖端上的任何地应力的影响都十分小-尖端将在泥 浆压力的应力下并且很少有其它情况，并且，从尖端到锥基附近地应 力的影响将从不存在到非常小，在该点上地应力将开始影响。
有限元或计算机建模可被执行，以更好地根据剖面、岩石性能、 地应力和泥浆应力预测实际的净有效应力变化。这些结果可与在本发 明的优选示例性实施例中利用的简化Skempton方法相比较。可被应 用于上述简化Skempton方法的校正可被确定，以达到更精确的岩石 对在井孔底部剖面上施加的钻头的平均表观CCS。当然，这假定有限 元方法正确地对岩石的切割区域深度中的实际情况进行建模。
这种类型的比较的例子由图4示出，其中，有限元结果的APP(由 Warren和Smith报道)与使用本发明的本方法的简化Skempton方法 的APP相比较。这可代表一种形式的非常简单的比较，该比较与垂直 孔例子类似并且其中地水平应力相等。在这种情况下，与孔的底面平 行作用的地应力相等，并且2D轴对称有限元模型可被使用(如Warren 和Smith报道的那样)。假定有限元方法代表正确的解并要确定简化 Skempton方法所需的校正，那么有限元模型的APP结果和筒化 Skempton方法的APP结果可在圃区域上被结合(integrated)，以对 于各个方法确定整个区域(整个孔底)的净平均APP。这些积分的净 平均APP结果然后被用于定量建立两组结果之间的差值。随后，可导 出使有限元建模的结果与本发明的Skempton方法相关的校正因子。 例如，如果在从0到Rw的圃区域上结合的有限元APP函数为45个单 位并且在同一区域上结合的简化Skempton APP函数是57个单位，那 么校正因子CF应是45/57或0.788。即，
APP - CFxAPP - 0.788xAPP ( 26 )对于偏斜井或与孔的底面平行作用的地应力变化的情况，为了获
得适当的校正因子可能需要3D有限元模型。在这种情况下，3D有限 元结果和简化Skempton方法的APP的差值将依赖于到孔心的径向多巨 离(即，Warren和Smit使用的R/Rw值)和到孔心的方向。作为3D 有限元方法的替代，可能将与孔的底面平行作用的应力平均并然后应 用2D校正因子方法(如上所述)是足够的。3D建模可揭示该方法具 有足够的精度。
在以上概述的方法中，校正系数CF用于孔底区域的平均APP。 该方法简单地将简化Skempton方法的平均APP结果乘以校正系数 CF。为了形成用于所有钻头类型的校正因子CF,对各种钻头类型建 立"标准"或"典型"剖面，并在有限元建模中使用这种剖面，使得有限 元方法的平均APP结果被用于建立"正确"答案，并且校正系数CF被 应用于简化Skempton方法。使用用于孔底的"平均净APP"可能给出 另一误差。例如，钻头专家一般同意，钻取钻孔中的大部分工作是在 孔的直径的外面的三分之一完成的，并且中心的岩石相对容易破坏。 作为这种理论的证据，钻头设计人员 一般将优先权集中在钻头剖面的 外面的 一半到三分之二 ，并且里面的三分之一是次重要的并且一般是 必须适于钻头的外面的部分的折衷方案。这可能只是"区域，，因素，并 且，如果如此，则使用平均净APP会是适当的并且大致是精确的。但 是，如果它是由于没有被在本说明书中建议的各种校正解决的其它现 象，那么才艮据区域直径范围，孔的底部的特定区域可能必须"加权"以 指示更大或更小的影响。并且，有限元模型可被用于建立与适当的直 径范围相关的权重。并且，各种孔尺寸可被建模，以在存在孔尺寸影 响的情况下确定孔尺寸的影响，并确定如何从一个孔尺寸到另 一个孔 尺寸按比例决定结果。
作为替代方案，跨过"典型"剖面的型谱的"一套"剖面可被"构建" 并然后被建模，并且这提供可被参考的结果的"目录"和对任何剖面施 加的内插。为了减少可能的剖面的数量，可以将孔底分成多个区域。 例如，区域可以是内部径向三分之一、中间径向三分之一和外部径向
30三分之一，但可以认识到可以进行其它的分割。如果采取这种方法， 那么各个区域可由径向范围(与区域相对)限定。从用于各区域的剖 面的目录，对各种钻头类型分配复合的(完整的)剖面。例如，对于
钻头类型XYZ，最佳的代表性的剖面可能是ACB，其中，A、 C和B 代表可从用于内部、中间、外部三分之一的剖面的目录获得的剖面。 用于各种半径段的这些剖面组合的示例性表格由示于图9中的表2示 出。
如图4的结果所示，岩石性能和PP的值以及地应力影响结果和 有限元建模和简化Skempton方法之间的结果的差值。因此，某一范 围的PP和地应力可被建模以形成对于"环境，，的另一校正因子。类似 地，某一范围的岩石性能可被建模以形成对于"岩石性能，，的校正因子 CF。不管是环境还是岩石性能，由于所需的数据是一般的工作流程所 需要的，因此这些数据都可被集成到岩石力学软件中。
在优选的实施例中，本发明的修改的Skempton方法可包含使用 几个校正因子CF中的一个或更多个-一个用于剖面， 一个用于孔尺 寸， 一个用于岩石性能， 一个用于环境，等等。校正因子剖面校正平 底(用于简化的Skempton方法的假设)和实际剖面和直径上的边缘 效应之间的差值。用于孔尺寸的校正因子校正比基线尺寸或模型大或 小的孔尺寸。用于岩石性能的校正因子校正刚度的影响、体积压缩度、 孔隙流体压缩度、剪切强度、泊松比、渗透性或被视为有关的其它任 何因素。用于环境的校正因子校正应力大小的影响和泥浆压力、孔隙 压力、覆盖层负栽和地应力之间的差值。这导致产生用于垂直井的下 式
Skempton PPcorrected - PP - [(OB - ECD/3*CF ( 27 )
^^里,CF - (CFpr。file)*(CFhole size)*(CFr。ck properties)*(CFenvir。nment)，
并且，
CFpr础e-钻头类型(钢齿、镶入、3~4刀片PDC等)的函数
CFb。!esi狄-孔尺寸的函数
CFr。ekpr。perties =需要的岩石性能的函数CFenvir。nment = OB、 PP、 o2、 a3、泥浆压力、偏角(deviation)和 方位角(azimuth )。
除了岩石和孔隙流体性能以外，不考虑边缘效应和孔剖面的方法 可能是表观误差源的主要原因。如果如此，那么用于校正底孔剖面和 边缘效应以及岩石和孔隙流体性能的方法会是足够精确的。关于用于 岩石和孔隙流体性能的校正因子，基于基本原理并使用岩石和流体性 能的直接解决方案可被使用。适当的PP算法从而是一个或更多个岩 石和流体性能的函数。这导致产生用于垂直井的下式
Skempton PPe。rreeted = PP - [(OB - ECD/3气岩石性能和流体性能 a、 b、 c等的函数"CF (28)
并且，
CF-CFp幽e-钻头类型(钢齿、镶入、3~4刀片PDC等)的函数。
CCS对钻井问题的应用
CCS的上述值可被用于各种算法中以计算与钻头有关的性能。作 为例子而非限制，CCS可被用于预钻头选择、ROP预测和钻头寿命 预测。并且，可以设想使用上述方法的CCS估计还可被用于其它领域 中。例子包含在预测钻柱(drillstring)动力学和钻井设备可选的定量 分析中包含CCS, CCS为两者提供基本和必需的输入中的一个。钻柱 动力学是指钻柱的动力学行为。即，当施加钻头重量并且产生钻头扭 矩时钻柱压缩、扭转多少、以及通过钻头传送的激振力什么时候一致 并且/或者引发钻柱的固有谐振频率。这些振动模式可以是橫向、旋转、 轴向或粘滑(stick-slip)(粘滑是指扭矩和扭转在钻柱中构建并然后 释放的重复循环的条件)。 一般地，避免振动模式是有利的，因此这 些预测可证明是有用和有价值的。钻井设备选项的定量分析是指ROP 的预测以及各种钻头类型和各种钻井设备能力的钻头寿命预测。例如， 为了实现希望的商业目标，可对预测的用各种索具尺寸/能力钻井的时 间和成本进行计算和比较，然后使用比较结果以进行更明智的设备选择。目前没有定量和鲁棒的进行这种预测的方式；但是，如上所迷使 用ccs估计，可以获得这种对于各种钻头和设备组合的预测能力。
虽然在以上的说明书中关于本发明的某些优选实施例说明了本发 明并且为了解释阐述了许多细节，但本领域技术人员很容易理解，在 不背离本发明的基本原理的情况下，本发明能够出现变化并且这里说 明的某些其它细节可大大变化。
术语表
△CTp Act2、 Aci3-三个正交的主应力的变化
△CTx-与井孔的轴正交的底孔应力的变化，psi
AciY-与井孔的轴正交的底孔应力的变化，psi Ac7z-与井孔的轴平行的底孔应力的变化，psi APP-孔隙压力的变化，等效的psi或ppg A = Skempton系数，无量纲 B-Skempton系数，无量纲 CCSHP =基于DPHP的侧限抗压强度，psi CCSECD =基于DPECD的侧限抗压强度，psi CCSLP =基于DPLP的侧限抗压强度，psi DP- (ECD压力-PP) , psi DPEO)sECD压力，psi
DPLP =
ECD - {PP - ( OB - ECD ) /3}，psi ECD-等效循环密度，ppg
ECD压力=由单位为ppg的ECD施加的单位为psi的压力 FA-岩石内摩擦角，度 OB-覆盖层负栽，psi或ppg
q>e =有效孔隙率(岩石的非页岩分数的孔隙率乘以非页岩岩石的 分数)，单位体积中的体积、"分数"或百分比
PP-孑L隙压力，psi或ppg
PPg"每加仑的磅数ROPHP =基于CCSHP的穿透速率，ft/hr ROPLP =基于CCSLP的穿透速率，ft/hr ROPECD =基于CCSECD的穿透速率，ft/hr UCS-岩石无侧限抗压强度，psi.
权利要求
1. 一种用于估计要通过使用钻头和钻井液钻取的地层的切割区域深度中的岩石的CCS的方法，该包括以下步骤a)确定要通过使用钻头和钻井液钻取的地层的切割区域深度中的岩石的UCS；b)确定由于将在钻取过程中施加到岩石上的施加应力导致的岩石的强度的变化，该变化包含由于由钻取导致的岩石的ΔPP导致的强度变化；和c)通过将估计的强度变化加到UCS上，确定切割区域深度中的岩石的CCS。
2. 根据权利要求l的方法，其中，在假定在钻取过程中基本上不存在进出岩石的流体的移动的情况 下估计APP。
3. 根据权利要求2的方法，其中，岩石具有小于预定的孔隙率阈值的有效孔隙率，使得在钻取过程 中基本上不存在进出岩石的流体的移动。
4. 根据权利要求3的方法，其中， 预定的孔隙率阈值为0.05或更小.
5. 根据权利要求l的方法，其中， 岩石具有小于预定的阈值的有效孔隙率。
6. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP = B[(A + A + Acj2 ) / 3 +(3A-1)/3]; 这里，A =描述由岩石上的剪应力变化导致的孔隙压力的变化的 Skempton系数；B -描述由岩石上的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的 Skempton系数'，A =描述岩石在钻取之前和钻取之中的特定应力的差值的算子；ctx =沿x方向的应力；o> =沿y方向的应力；ctz=沿z方向的应力；，—=沿x-y面的剪应力；"V-沿y-z面的剪应力；T^-沿x-z面的剪应力。
7. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP = B[(Acr, + Ao"2 + Ao"3) / 3 + ^[(Ao^ - Acr2)2 +(A<7-A<r3)2 +(Acr2 _Ao"3)2] *(3A-1)/3] 这里，A-描述由岩石上的剪应力变化导致的孔隙压力的变化的系数； B -描述由岩石上的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；A-描述岩石在钻取之前和钻取之中的特定应力的差值的算子； =岩石上的第一主应力；tj2-岩石上的第二主应力；03 =岩石上的第三主应力。
8. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算 APP-B
(Ac^+Acj2+Acf3)/3+(Ac^ — Acy3)*(3A-l)/3
这里，A-描述由岩石中的剪应力变化导致的孔隙压力的变化的系数； B-描述由岩石中的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；△ -由于钻取导致的作用于岩石上的第一主应力的变化；Aa2=由于钻取导致的作用于岩石上的第二主应力的变化； Ao3=由于钻取导致的作用于岩石上的第三主应力的变化。
9. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP = B(A(7j + Acj2 + Ao"3) / 3这里，B-描述由岩石中的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；△ =由于钻取导致的作用于岩石上的第一主应力的变化； Acr2=由于钻取导致的作用于岩石上的第二主应力的变化； Aa3=由于钻取导致的作用于岩石上的第三主应力的变化。
10. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP = B( Aax + Ac5y + Aaz) / 3这里，B-描述由岩石中的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；△az=由于钻取导致的沿井孔的方向作用的应力的变化；Aox=由于钻取导致的沿与井孔垂直的第一方向作用的应力的变化；△CTy=由于钻取导致的沿与井孔和第一方向正交的第二方向作用的应力的变化。
11. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP = B(Acjz)/3这里，、8 =描述由岩石中的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；Actz -在钻取前和钻取中之间沿井孔的方向作用的应力的变化，
12. 根据权利要求l的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算APP )/3这里，Actz-由于钻取导致的沿井孔的方向作用的应力的变化。
13. 根据权利要求l的方法，其中， CCS根据以下的数学表达式被计算 CCS = UCS + f(DP);这里，UCS =岩石的无侧限抗压强度；DP =在岩石上作用的压差，并且是孔隙压力的变化口PP的函数; 并且f(DP) = DP的数学函数。
14. 根据权利要求l的方法，其中， CCS根据以下的数学表达式被计算CCS = UCS + DP + 2DPsinFA/ (1-sinFA ); 这里，UCS =岩石的无侧限抗压强度；DP =在岩石上作用的压差，并且是孔隙压力的变化口PP的函数; 并且FA-岩石的内摩擦角。
15. 根据权利要求13的方法，其中， DP根据下式被计算 DP-ECD压力- (PP + 口PP); 这里，ECD压力=由钻井液在循环条件下沿钻取方向施加的压力；PP =钻取之前的岩石的原位孔隙压力；PP=由于钻取导致的岩石中的孔隙压力的变化。
16. 根据权利要求13的方法，其中， DP根据以下的数学表达式被估计 DP = ECD - ( PP - ( (Jz-ECD) /3 );这里，ECD -在循环条件下由钻井液施加的压力；PP -钻取之前的岩石的原位孔隙压力；ctz=由于钻取导致的从岩石上去除的沿井孔的方向的原位应力。
17. 根据权利要求13的方法，其中， DP根据以下的数学表达式被估计DP = ECD - ( PP - ( OB - ECD ) /3 ); 这里，ECD =在循环条件下由钻井液施加的压力； PP =钻取之前的岩石的原位孔隙压力； OB-钻取之前的原位覆盖层负栽(垂直)应力。
18. 根据权利要求l的方法，其中，强度变化基于由于覆盖层负栽的去除导致的应力从岩石的去除、 由于钻井液导致的施加到岩石上的压力(ECD压力)、钻取之前的岩 石的原位PP和岩石的内摩擦角FA被估计。
19. 根据权利要求l的方法，其中， 强度变化至少部分基于要被钻取的井孔的偏角a被计算。
20. 根据权利要求19的方法，其中，岩石的APP根据以下的数学表达式被计算<formula>formula see original document page 6</formula>这里，B -描述由岩石中的平均应力变化导致的孔隙压力的变化的系数；Acrz=由于钻取导致的沿井孔的方向作用的应力的变化；Aax=由于钻取导致的沿与井孔垂直的第一方向作用的应力的变化；Aay=由于钻取导致的沿与井孔和第一方向正交的第二方向作用 的应力的变化；并且Aax、 Acjy和Aaz通过以下步骤被计算(i)确定在钻取之前和钻取之中作用于岩石上的主应力q、 ct2和(ii)通过基于井孔的偏角a使用变换方程将主应力q、 (j2和(73变换为法向应力CTx、 CTy和CTz。
21. 根据权利要求l的方法，其中，CCS部分基于正在被钻取的井孔的底孔剖面被确定a
22. —种用于估计要通过使用钻头和钻井液钻取的地层的切割区 域深度中的岩石的CCS的方法，该方法包括以下步骤a )确定要通过使用钻头和钻井液钻取的地层的切割区域深度中的 岩石的UCS;b) 至少部分基于从岩石的孔隙的体积变化得到的岩石的孔隙压 力变化(APP)估计岩石的强度变化，该体积变化是由于由钻取导致 的施加到岩石上的侧限应力的变化以及由于响应用钻头和钻井液对井 孔的钻取进出岩石的孔隙的流体移动导致的；和c) 通过将估计的强度变化加到UCS上，确定切割区域深度中的 岩石的CCS。
23. 根据权利要求22的方法，其中， 估计基本上不存在进出岩石的孔隙的流体的移动。
24. 根据权利要求23的方法，其中，基本上不存在进出岩石的孔隙的流体的移动的估计基于岩石具有小于预定的有效孔隙率阈值的有效孔隙率9e。
25. 根据权利要求22的方法，其中， 估计存在进出岩石的孔隙的流体的有限的移动。
26. 根据权利要求22的方法，其中，对于高渗透性岩石、低渗透性岩石以及对于具有高和低渗透性岩 石中间的渗透性的岩石进行CCS的估计。
27. 根据权利要求26的方法，其中，切割区域深度中的岩石的CCS根据以下的数学表达式被计算CCS = UCS + f(DP);这里，ucs ==切割区域深度中的岩石的无侧限抗压强度； dp 在切割区域深度中的岩石上作用的压差； f(DP)-DP的数学函数。
28. 根据权利要求27的方法，其中， DP = ECD - PP这里，ECD -钻井液的等效循环密度； PP-钻取之前的岩石的原位孔隙压力(PP)。
29. 根据权利要求28的方法，其中， 计算强度变化是井孔的偏角ct的函数。
30. —种用于估计要通过使用钻井液钻取的地层的切割区域深度 中的岩石的CCS的方法，该方法包括以下步骤(a)根据以下的数学表达式估计基本上可渗透的岩石的CCS: CCSHP - UCS + f(DP); 这里，UCS =岩石的无侧限抗压强度； DP-在岩石上作用的压差； f(DP)-DP的数学函数；(b )根据以下的数学表达式估计基本上不可渗透的岩石的CCS: CCSLP = UCS + f(DP); 这里，UCS =岩石的无侧限抗压强度；DP =在岩石上作用的压差，并且是孔隙压力变化口PP的函数； f(DP)-DP的数学函数；(c )基于岩石的估计的渗透率和基本上可渗透和不可渗透岩石的 侧限抗压强度CCSHP、 CCSLP计算岩石的中间CCS (CCSMIX)。
31. 根据权利要求30的方法，其中，岩石的估计的渗透率基于岩石的有效孔隙率，
32. 根据权利要求31的方法，其中，中间CCS CCS]ynx基于以下的数学表达式被计算 如果cp^cpHP，那么CCS = CCShp， 如果(Pe^)lp，那么CCS = CCSlp，如果9LP〈(Pe〈9HP，那么CCSMIX - CCSLpX((pHP-9e)/(9HP-9LP) +CCSHPx((pe-(pLP)/((pHP-(pLP);这里，& =有效孔隙率；9w-较低的有效孔隙率；(PHP-较高的有效孔隙率。
33. —种用于计算由于钻取导致的岩石的APP的方法，该方法包括通过使用基线数学公式计算基线APP;通过利用岩石的计算机模型和基于岩石、钻取条件和钻头中的至 少一个特性的钻取条件确定用于岩石和钻取环境的APP;确定将基线APP的基线APP与计算机模型(CCS )的APP相关联 的校正因子CF;和通过利用基线^^式和改善APP的估计的校正因子CF确定另一岩 石中的APP。
34. 根据权利要求33的方法，其中，校正因子CF是选自包含以下的组的特性中的一个CFpr。fi,e-钻头类型的函数； CFh咖size-孔尺寸的函数； CFrock pr叩erties =岩石# 食fe的函数；CFenvir。nment = OB、 PP、 hmin、 hmax、 ECD、偏角a和方位角P中 的一个的函数。
35. —种地下井孔中的井孔的钻取过程中的切割区域深度中的岩 石上的校正的压差的计算方法，该方法包括以下步骤(a)通过利用数学表达式对于具有基线组钻取条件下的基线剖面 的钻头计算切割区域深度中的岩石上的基线DP;(b) 通过使用计算机模型对于具有与基线组钻取条件下的基线剖面不同的第一剖面的钻头计算切割区域深度中的岩石上的DP;(c) 通过将基线DP与从计算机模型确定的DP相比较，计算剖 面校正因子；和(d) 通过利用数学表达式和剖面校正因子，对于具有基线组钻 取条件下的第一剖面的钻头计算校正的DP。
36.根据权利要求35的方法，其中， 对于具有不同剖面的多个钻头计算剖面校正因子；和 通过利用与钻头对应的各剖面校正因子计算多个校正的压差。
全文摘要
公开了一种用于估计要通过使用钻井液钻取的地层的切割区域深度中的岩石的CCS的方法。对于切割区域深度中的岩石确定UCS。计算由于将在钻取过程中施加到岩石上的施加应力导致的岩石的强度的变化，包含估计ΔPP。通过将估计的强度变化加到UCS上，确定切割区域深度中的岩石的CCS。本发明根据Skempton理论计算ΔPP，在该Skempton理论中，当基本上不存在流入和流出岩石或土壤的流体时不可渗透的岩石或土壤具有由于施加的负载或应力导致的孔隙体积的变化。通过利用使用计算机建模和使用用于确定CCS的未校正值的基线公式导出的校正因子，可对于偏斜的井孔计算CCS，并考虑诸如井孔剖面、应力上升处、孔直径和泥浆重量的因素。
文档编号E21B47/026GK101443530SQ200580047025
公开日2009年5月27日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月16日
发明者威廉·M·卡尔霍恩, 拉塞尔·T·艾维 申请人:切夫里昂美国公司