专利名称：钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法
技术领域：
本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法。
背景技术：
我国有大量的油气资源蕴含在高陡构造发育的区域内，如川东北地区油气储量极大，但闻陆构造占该区域地质构造的80%以上。闻陆构造地质条件复杂，构造裂缝发育，钻井过程中漏失现象比较严重，不仅造成巨大的经济损失，同时也给钻井安全带来极大的危害。若能在钻前对高陡构造地层不同井深处的漏失进行预测，特别是漏失速率预测，那么在实际钻井施工过程中就可以有针对性的采取一定的措施，减少漏失，降低安全隐患的目的。因此，钻井液漏失速率的钻前预测具有重要意义。目前国内外学者对漏失的预测往往侧重于漏失压力的获取，该类方法主要针对地层能否发生漏失进行钻前预测，但是却不能对漏失速率进行预测。同样是发生漏失对于漏失量极小和漏失量极大的情况，现场所采取的措施会有很大区别，因此，相对于漏失压力的预测，钻前漏失速率的预测是现场施工中更为关心的。另外，通过邻井测井资料来确定漏失压力和漏失速度也是一种常见的漏失预测方法。但此方法更适合于地层构造起伏不大，相邻井间差异不大的地层。高陡构造地质条件复杂，构造裂缝发育，相邻井之间的地层物性参数也会出现较大差异，因此，使用临井的资料来获取当前井的漏失情况有时也会存在较大误差，而且对于已钻井较少的区块此方法受到限制。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，在对构造应力场及构造裂缝分布有限元模拟及与漏失相关的裂缝参数定量描述的基础上结合目标井的设计参数实现高陡构造裂缝性地层的漏失速率的钻前预测。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，步骤如下(I)、地质构造特征分析；(2)、古地应力的有限元模拟；(3)、古构造裂缝分布获取；(4)、古构造应力下的裂缝参数获取；(5)、今地应力的有限元模拟；(6)、今地应力条件下裂缝参数确定；(7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定；(8)、钻前漏失速率预测。优选地，地质构造特征分析具体方法如下从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图。优选地，古地应力的有限元模拟的方法如下通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质,地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征。优选地，古构造裂缝分布获取的方法如下基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据。优选地，古构造应力下的裂缝参数获取的方法如下通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。优选地，今地应力的有限元模拟的方法如下在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内现今构造应力的分布；其中地质模型中材料的性质主要包括容重、杨氏模量及泊松比。优选地，今地应力条件下裂缝参数确定的方法如下今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝；通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。优选地，古今应力共同作用下的裂缝参数确定的方法如下根据步骤(2)古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度以及渗透率的分布情况。优选地，钻前漏失速率预测的方法如下基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。本发明相对于现有技术，具有以下显著效果(I)、本发明所述的方法可以对高陡复杂构造地层钻探井中的钻井液漏失进行预测，由于高陡构造地质情况复杂，相邻井的情况也会差别较大，传统的基于邻井资料的漏失预测方式应用受到限制；(2)、本发明所述的方法考虑高陡地质构造特征及其演化史，在对古今地应力有限元模拟的基础上，结合岩石破裂准则，将与钻井液漏失相关的裂缝参数进行定量化，使得钻前钻井液漏失速率的预测成为可能，而传统的漏失预测方法更侧重于是否发生漏失，而不能对漏失速率进行预测；(3)、由于高陡构造地层开展钻井施工漏失严重，采用本发明方法可对在钻前对不同井深处的漏失做出预测，在实际钻井时可以有目的调整钻井参数，预防恶性漏失的发生；(4)、由于本发明可以对裂缝的参数进行定量预测，如裂缝的开度，因此，可以根据裂缝的开度来选择堵漏材料的尺寸。因此，本发明对堵漏材料的选择也有一定的指导作用。
图1为本发明的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法的流程示意图；图2为某气田F区块某构造剖面图；图3为某气田F区块G4组深度构造图；图4为某气田F区块G4组构造裂缝开度分布云图； 图5为某气田F区块G4组构造裂缝孔隙度及渗透率分布云图；图6为某气田F区块G4组构造裂缝密度分布云图；图7为PG-Xl井孔隙压力(PP)、破裂压力(FP)、上覆地层压力(OP)及钻井液密度(MW)剖面；图8为PG-Xl井实际钻井漏失速率与预测数据的对比曲线；图9为PG-Xl，PG-X2及PG-X3井的漏失速率预测值分布曲线。
具体实施例方式如图1所示，钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，包括如下步骤(I)、地质构造特征分析从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图。(2)、古地应力的有限元模拟通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征。(3)、古构造裂缝分布获取基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据。(4)、古构造应力下的裂缝参数获取通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。(5)、今地应力的有限元模拟在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内今构造应力的分布；其中地质模型中材料的性质主要包括容重、杨氏模量及泊松比。(6)、今地应力条件下裂缝参数确定今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝；通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。(7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定根据步骤(2)古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度以及渗透率的分布情况。(8)、钻前漏失速率预测。基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。以某气田为例，采用本发明钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法的实施例如下1、地质构造特征分析从气田F区块构造剖面图(图2)入手，对区域构造位置和构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，根据该构造的地层性质将该构造地层简化为5个组，分别是G1-G5。根据构造演化的分析结果可知，该构造的主要形成期为燕山运动期，此时期也是构造裂缝形成的主构造期。主构造期之前该区域地层基本为没有起伏的平整地层，主构造运动后的构造形态如图2所示。在实际钻井过程中钻至G4组时漏失情况尤其严重，下文以G4层为例进行说明。其中，G4组的深度构造图如图3所示。2、古地应力的有限元模拟(I)、基于构造解析所得到的主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征分析的结果，建立古地应力模拟的地质模型。
(2)、通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向。通过试算确定了模型中古应力模拟负载的大小及方向最大主应力方向为近东西向；最大主应力为296MPa和最小主应力为165MPa。(3)、根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，主要包括容重、杨氏模量及泊松比，如表I所示。表I模型材料参数
组名容重(KN/m3)杨氏模量(GPa)泊松比
Gl2050.40G221250.30
G3 22 30 0.28 G4 24 40 0.25 G5_26_47_O. 24(4)、根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分。(5)、通过有线模拟软件对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布。3、古构造裂缝分布获取基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则主要包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准则，前者作为岩石剪性破裂判据，后者作为岩石张性破裂判据。4、古构造应力下的裂缝参数获取通过古裂缝参数定量描述方法，包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数，包括古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。具体确定方法如下(I)、古裂缝线密度定量描述
岩石在应力作用下变形能够积聚应变能，当岩石内应变能释放率等于产生单位面积裂缝表面所需能量(表面能密度)时即发生断裂，岩石破裂时释放出的应变能一部分用来抵消新增裂缝表面积需要的能量，其余的则以弹性波的形式(断面能)释放出去。裂缝弹性波能量很小，可忽略不计，根据能量守恒原理，得到三向挤压应力状态下裂缝密度、开度计算模型为
权利要求
1.一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，具体步骤如下 (1)、地质构造特征分析； (2)、古地应力的有限元模拟； (3)、古构造裂缝分布获取； (4)、古构造应力下的裂缝参数获取； (5)、今地应力的有限元模拟； (6)、今地应力条件下裂缝参数确定； (7)、古今应力共同作用下的裂缝参数确定； (8)、钻前漏失速率预测。
2.根据权利要求1所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，地质构造特征分析具体方法如下从区块所处的区域构造入手，对区域构造位置、构造演化历史、所处盆地构造特征进行研究和分析，得到区块的地质构造特征，并结合构造演化的分析结果，得到目标区域构造裂缝形成的主构造期，获得主构造期前后目标区域地质构造的形态；其中，区块的地质构造特征包括构造类型、地层组分、岩性、走向以及区块内各组地层的深度构造图。
3.根据权利要求1-2所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，古地应力的有限元模拟的方法如下通过地质构造特征分析得到主构造期前目标区域的地质构造形态及地质构造特征，建立古地应力模拟的地质模型；通过试算法在古地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后地质模型的构造变形，直至构造变形与主构造期后的地质构造形态吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质，地质模型中材料的性质包括容重、杨氏模量及泊松比；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内古构造应力的分布特征。
4.根据权利要求1-3所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，古构造裂缝分布获取的方法如下基于古构造应力的分布特征，结合岩石的破裂准则得到古构造应力条件下的构造裂缝分布，其中岩石破裂准则包括库伦-莫尔准则及格里菲斯准贝U，岩石的本构方程采用线弹性模型；其中，库伦-莫尔准则作为岩石剪性破裂判据，格里菲斯准则作为岩石张性破裂判据。
5.根据权利要求1-4所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，古构造应力下的裂缝参数获取的方法如下通过古裂缝参数定量描述方法，得到与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数；其中，古裂缝参数定量描述方法包括古裂密度定量描述确定方法、古裂缝开度定量描述方法、古裂缝孔隙度定量描述方法以及古裂缝渗透率定量描述方法；与钻井漏失相关的裂缝定量描述参数包括古裂缝密度、古裂缝开度、古裂缝孔隙度以及古裂缝渗透率。
6.根据权利要求1-5所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，今地应力的有限元模拟的方法如下在地质构造特征分析的基础上，对物性相近的地层进行合并简化，建立今地应力地质模型；通过已钻井的测井资料或者水力压裂现场试验所获取的地应力值作为有限元模拟的约束关键点；通过试算法在今地应力地质模型边界上施加负载，不断改变负载力的大小和方向，观察加载后关键点处的地应力值的变化，直至关键点处地应力值与测井资料或者水力压裂试验所获取的地应力值吻合，确定此时负载力的大小和方向；根据目标区块内岩石的物理性质确定地质模型中材料的性质；根据地质模型形态的复杂性选择网格的形式，对地质模型进行网格划分，在断层面附近网格的划分需更密集；对目标区域的地质构造进行有限元模拟，得到目标区域内今构造应力的分布。
7.根据权利要求1-6所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，今地应力条件下裂缝参数确定的方法如下今地应力对裂缝具有改造作用，不产生新的裂缝； 通过今地应力对古构造裂缝的改造作用，确定今地应力条件下古构造裂缝参数的变化情况，得到今地应力条件下的裂缝参数；其中，今地应力条件下的裂缝参数包括裂缝密度、 裂缝开度、裂缝孔隙度以及裂缝的渗透率。
8.根据权利要求1-7所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，古今应力共同作用下的裂缝参数确定的方法如下根据步骤(2)古应力反演结果，将库伦-莫尔准则及格里菲斯准则分别作为岩石剪性及张性破裂判据，得到目标区块古裂缝的定量描述参数；现今应力对裂缝的开度、孔隙度及渗透率起到改造作用，在古应力产生裂缝的基础上结合现今应力对裂缝改造作用，得到目标区块构造裂缝最终的开度、密度、孔隙度、以及渗透率的分布情况。
9.根据权利要求1-8所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于，钻前漏失速率预测的方法如下基于裂缝开度、密度、孔隙度、渗透率的有限元模拟结果，结合目标井的钻井水力参数设计值，应用钻井液漏失速率计算模型，对高陡构造某位置处井的不同深度处的漏失速率进行预测。
10.根据权利要求1-9所述的钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法，其特征在于地质模型中材料的性质主要包括容重、杨氏模量及泊松比。
全文摘要
本发明属于油气田开发领域，涉及一种钻前预测高陡构造地层漏失速率的方法。该方法的具体步骤如下地质构造特征分析；古地应力的有限元模拟；古构造裂缝分布获取；古构造应力下的裂缝参数获取；今地应力的有限元模拟；今地应力条件下裂缝参数确定；古今应力共同作用下的裂缝参数确定；钻前漏失速率预测。本发明所述的方法可以在钻前对高陡复杂构造地层钻探井中的钻井液漏失速度进行预测，对预防高陡构造地层恶性漏失有一定指导作用，且对堵漏材料尺寸的选择也有一定帮助。
文档编号E21B49/00GK103015996SQ201210584318
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者王志远, 孙宝江, 柯珂 申请人:中国石油大学(华东), 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院