一种用于钻井的数字岩体的构建和应用方法与流程

本方法属于石油钻井技术领域，尤其涉及一种用于钻井的数字岩体的构建和应用方法。

背景技术：

在石油勘探开发过程中，我们必须对地下的地质情况进行研究，才能有的放矢，并采取合理的钻探、开采方式，才能提高勘探成功率和油气采收率。

多年来，对于勘探和开发，各油田耗巨资建立了地震数据体和储层的油藏描述数据体等等，在油田勘探开发中起到了关键作用。然而，在钻井工程领域中，同样需要以区块为单元，将钻井必须考虑的各种地质因素集成起来，便于优化钻井方案，达到降低施工风险和提高钻井效率的目的。

目前，部分研究人员提出了一些钻井工程地质参数的计算方法，但未提出有关数字岩体(即工程地质数据体)的构建方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种用于钻井的数字岩体的构建方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于钻井的数字岩体的构建方法，包括：建立设定区域的地层格架模型，所述地层格架模型的每个层位的空间被划分为角点网格形式，每个网格的顶点用笛卡尔坐标表示；获取所述设定区域已钻井轨迹上的各种钻井工程地质属性值；计算每种属性在所述地层格架模型的每个层位内分布的变差函数；在所述地层格架模型的每个层位内，分别针对每种属性遍历每个网格，如果网格内存在该种属性，则将该属性同时赋给该网格的每个顶点；遍历每个网格，如果网格的每个顶点全部或部分为空值，则利用该空值所对应的属性在该层位内分布的变差函数计算得到属性值，并将其赋给该空值的顶点；将所述地层格架模型的每个层位内得到的所有顶点数据存储 起来得到数字岩体。

优选地，在建立设定区域的地层格架模型的步骤中，以所述设定区域中每一口历史井测井解释的地质分层为依据，利用空间插值技术建立每个地层的空间几何格架。

优选地，所述钻井工程地质属性包括：抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、体积模量、最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力、地层孔隙压力、地层坍塌压力和/或地层破裂压力。

优选地，利用空值所对应属性在该层位内分布的变差函数，采用克里金插值法计算得到属性值，并将该属性值赋给空值的顶点。

优选地，利用八叉树方式将所述地层格架模型的每个层位内得到的所有顶点数据存储起来得到数字岩体。

优选地，利用地质统计学方法计算每种属性在所述地层格架模型的每个层位内分布的变差函数。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于钻井的数字岩体的应用方法，包括：将井眼轨迹均分为多个轨迹点，获得每个轨迹点的深度、井斜角和方位角，并计算得到每个轨迹点的笛卡尔坐标值；对于每个轨迹点，利用相应的笛卡尔坐标值，从所述数字岩体中搜索该坐标所处的网格，并计算得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值。

优选地，在计算得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值的步骤中，如果该轨迹点与某个网格的任一顶点重合，则将该顶点的属性值直接赋给该轨迹点；否则，通过计算该轨迹点所处网格的各顶点相应属性值的算术平均值，得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果。

本发明实施例基于设定区域的地层格架模型，构建该设定区域的用于钻井的数字岩体，并能从数字岩体中获取沿井眼轨迹的各种工程地质参数，从而精细优化钻井施工方案，提高钻井效率、降低施工风险。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实 现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明实施例的用于钻井的数字岩体的构建方法的流程示意图。

图2为岩体格架模型的示意图。

图3为分辨率为3*3*3的角点网格体示意图。

图4为轨迹点A穿过角点网格体上一个网格的示意图。

图5为八叉树形式的存储结构图。

图6为本发明实施例的用于钻井的数字岩体的应用方法的流程示意图。

图7为数据抽取的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

(实施例一)

图1为本发明实施例的用于钻井的数字岩体的构建方法的流程示意图，下面参考图1来说明本实施例的用于钻井的数字岩体构建方法的各个步骤。所谓“数字岩体”意为“描述岩体各种属性的空间数据体”(业界有“工程岩体”词汇，指的是物理岩体)。

步骤S110，建立设定区域的地层格架模型(也称岩体格架模型)V_f。

需要说明的是，地层格架模型是由坐标数据、分层数据和断层数据建立的叠合层面模型。即将各井的相同层组按等时对比连接起来，形成层面模型，然后利 用断层数据，将断层与层面模型进行组合，建立储层空间格架，并进行三维网块化。

具体在建立地层格架模型时，以设定区域中每一口历史井测井和/或录井解释的地质分层为依据，利用空间插值技术建立每个地层的空间几何格架，即得到每个地层界面的横向展布。根据图2，可以看出构建出的格架模型将该区域的岩体划分为多层。

在确定设定区域中每一口历史井测井解释的地质分层时，利用地震数据体、历史测井解释数据和地质录井数据解释得到分层岩性、裂缝断层等信息，利用这些信息与地层分层共同构成了地层格架模型。

步骤S120，获取该设定区域已钻井轨迹上的各种钻井工程地质属性值。

具体地，利用行业现有计算方法，结合试验数据，分别得到已钻井轨迹上各种钻井工程地质属性值(统称为x0)。

更具体地，首先利用声波测井、密度测井和自然伽玛等测井数据计算，并结合岩心实验，得到沿井眼轨迹分布的地层岩石属性参数(弹性和强度属性参数)，该地层岩石属性参数包括抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量和体积模量等。

利用该设定区域的每口井每个深度点(优选每两个点间隔1米)的测井数据，分别计算出该点的岩石属性参数，最终得到的是每种属性都会对应一系列的取值，对应井眼轨迹上的每个深度点。

单井计算的结果可如下表来表示：

其中，轨迹点用每个深度点的X坐标、Y坐标和Z坐标来表示，通过上述计算方法得到针对每个轨迹点的岩石属性。

其次，针对每口井，利用行业成熟算法分别计算出最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力、地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力等力学属性。

更具体地，利用密度测井数据积分计算得到沿井眼轨迹分布的上覆岩层压力，然后利用测井数据结合三轴应力实验，得到沿井眼轨迹分布的最大水平主应 力、最小水平地应力与垂向应力。利用声波测井数据、工程录井数据或地震层速度数据计算出沿井眼轨迹分布的地层孔隙压力数据。利用测井数据计算出沿井眼轨迹分布的地层坍塌压力数据。利用测井数据计算并结合破裂压力试验得到沿井眼轨迹分布的地层破裂压力数据。

通过上述步骤可以得到抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、体积模量、最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力、地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力这十几个钻井工程地质属性。

然而，需要说明的是，上述钻井工程地质属性可以根据实际情况或需要，选择性地进行计算，可以得到多种钻井工程地质属性的组合，不限于上述那一种组合。

步骤S130，计算每种属性在地层格架模型V_f的每个层位内分布的变差函数。

具体地，在地层格架模型V_f的每个层位内，针对每个钻井工程地质属性，利用地质统计学方法分别建立每种工程地质属性在地层格架模型的每个层位内分布的变差函数。

变差函数是区域化变量空间变异性的一种度量，反映了空间变异程度随距离变化的特征。变差函数强调三维空间上的数据构形，从而可定量地描述区域化变量的空间相关性，即地质规律所造成的岩石参数在空间上的相关性和随机性。

具体计算时一般经过数据准备(数据选取、质量检查、数据统计)、实验变差函数的计算(利用已钻井数据计算的系列离散的变差函数)、理论变差函数的最优拟合与结构套合(选择合适的变差函数模型对系列实验变差函数进行拟合，得到最优的连续型变差函数曲线；变差函数模型包括球状模型、指数模型、高斯模型、幂函数模型、空洞效应模型等，可根据实际统计特征选用)、变差函数参数的最优性检验等四大步骤。

步骤S140，将地层格架模型V_f的每个层位的空间划分为角点网格形式(这里所说的网格是三维立体网格，下同)。

在本实施例中，每个网格底面XY的水平投影是正方形，Z的方向与地层走向垂直。图3为一个分辨率为3*3*3的角点网格体示意图，从图中可以看出，针对地层格架模型V_f的每个层位，将空间划分为分辨率为3*3*3的角点网格体，每个网格的每个顶点(共8个顶点)分别以笛卡尔坐标表示。

需要说明的是，单个成为网格，多个网格组成网格体，比如上面的3*3*3网 格体中包含27个网格。另外，上述划分的网格体分辨率仅为一个例子，还可以根据计算机属性、层厚和精度要求合理地设置网格体的分辨率。容易理解，如果在一个特定大小的空间内，分辨率越大则数据越密集，精度越高，则会随之要求计算机的计算和显示性能也越高。

在生成空间格架网络模型时，需要设置I,J方向网格个数、设置网格边界、设置二维网格I,J方向的趋势线等。可以在I,J方向上定义网格单元的大小，运用趋势线和方向改善网格的质量，格架网格被断层和边界分割成了断块，每一个断块都有一个给定的网格单元数目，可以改变这个数目以局部加密或抽稀网格。最终在断层模型的基础上，按照综合了断层信息的二维网格分布，建立顶面、中面和底面3个空间网格面，就构成了一个格架网格模型，地层层面会在以后被插入其中。

步骤S150，在地层格架模型V_f的每个层位内，分别针对上述每项钻井工程地质属性遍历每个网格，如果网格内存在属性x0，则将该属性x0同时赋给该网格的每个顶点(共8个顶点)。

换言之，依次在地层格架模型V_f的每个层位内，遍历每个网格，如果网格内存在轨迹点(井的深度点)，则将该轨迹点的所有钻井工程地质属性值赋给该网格的8个顶点的每个顶点。

举例而言，如图4所示，A点是井眼轨迹上的一个轨迹点，其落入在该网格内，则把该点的所有属性值同时赋给网格的8个顶点的每个顶点。在本实施例中，由于A点的抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、体积模量、上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力、地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力这14个钻井工程地质属性都被确定，那么则将这14个钻井工程地质属性值分别赋给A点所在网格的每个顶点上。

步骤S160，遍历每个网格，如果网格的8个顶点全部或部分为空值(即没有被赋予x0)，则利用该空值所对应的属性在该层位内分布的变差函数计算得到属性值，并将其赋给该空值的顶点。

具体地，利用空值所对应属性在该层位内分布的变差函数，采用克里金插值法计算得到属性值，并将该属性值赋给空值的顶点。

假如某个地层被划分为了100个网格，该地区有10口邻井(即10条轨迹)，其中被这10条轨迹穿过的网格假设有45个，还剩55个网格没有被任何轨迹穿 过，则这些空网格就需要采用上述方法来被赋予属性值。

另外，需要说明的是，克里金插值算法是业界成熟算法，它利用已经建立的网格格架和相应的变差函数，可随机计算出每个空网格的属性数据。最终使得所有的网格顶点都有属性值。

步骤S170，将地层格架模型V_f的每个层位内得到的所有顶点数据存储起来得到完整的数字岩体V_E。

更具体地，在本实施例中以八叉树方式对所有顶点数据进行组织存储。

如图5所示，假如一个岩体被分为N个网格，那么最深层(第1层)的叶子节点为每个网格的顶点(8个，比如节点410～417为某个网格的8个顶点)，计算8个顶点的属性均值作为该网格(如节点41)的属性值。然后将紧密相邻的8个网格(如节点40～47)组合成一个父节点(如节点4)，计算这8个网格属性值的平均值作为父节点的属性值，直到把所有原始网格组合完毕，形成第2层。以此类推层层组合，直至全部归集到一个根节点位置，假设最后共有M层。以这种八叉树形式可将不同粒度的数据存储到数据库中。

八叉树数据结构的优点是：在数据提取进行三维渲染时，可以灵活设定数据读取的层数从而得到不同粒度的显示结果，有利于适应不同的应用需求和不同的计算机性能；或者在显示算法上进行优化，比如先从根节点开始读取和渲染，逐层渲染出来，让用户能看到从粗到细的渲染过程而非长时间等待。

当然，除了采用八叉树形式进行数据存储以外，还可以采用栅格数据结构等其他数据结构(即不对网格进行组合，而是平等地将所有网格位置及属性值进行记录)，因此本发明不限定具体存储模式。

本实施例的方法基于地层格架模型，利用部分测录井解释数据和实验数据，构建区域的钻井工程地质属性体，即数字岩体，这些属性包括抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、体积模量、最大水平主应力、最小水平地应力、垂向应力、地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压力等，这些属性又可实现沿任何一条新的井眼轨迹抽取出来，用于钻井方案优化和风险预测。

进一步，在使用利用上述步骤得到的用于钻井的数字岩体时，主要在新井的钻井设计或施工时，从数字岩体中抽取沿井眼设计轨道或实钻井眼轨迹分布的各种工程地质参数，用于钻井风险的预测或方案优化。参数抽取的过程与数字岩体的构建过程相反，参见图6，具体包括以下步骤。

步骤S610，将井眼轨迹均分为多个轨迹点，获得每个轨迹点的深度、井斜角和方位角，并计算得到每个轨迹点的笛卡尔坐标值。

步骤S620，对于每个轨迹点，利用相应的笛卡尔坐标值，从数字岩体V_E中搜索该坐标所处的网格，分别计算得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值。

通过计算该轨迹点所处网格的各顶点相应属性值的算术平均值(8个顶点值的算术平均值)，得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值。

更具体地，在该步骤中，如果该轨迹点与某个网格的任一顶点重合，则将该顶点的属性值直接赋给该轨迹点；否则，通过计算该轨迹点所处网格的各顶点相应属性值的算术平均值，得到该轨迹点的每个钻井工程地质属性值。

由于之前采用八叉树方式对所有顶点数据进行组织存储，因此，获取的该数字岩体所具有的优点就是，在计算机性能不够高或者对岩体描述精度要求不高的情况下，数据抽取时，可适当减少检索层级(上述岩体一共M层，检索至第1层所对应的网格最细，得到数据精度最高，数据量最大)以实现数据瘦身。

举例而言，如图7所示，假设某数字岩体共有64个网格，而井眼轨迹的100m至103米段经过了该岩体的其中4个网格(234/323/322/411)，则把这4个网格的属性数据分别赋给井眼轨迹上的4个深度点。

本发明设计了一种用于钻井的数字岩体构建和应用方法，首先利用传统的勘探开发地质建模方法，利用地震数据和测录井解释数据构建出构造地质模型，然后利用已钻井作为约束条件，构建出地层格架模型；将地层格架模型的每一层划分为若干个8顶点网格，同时利用历史数据回归方法构建每种工程地质参数的变差函数；之后利用现有方法根据已钻历史经的测井数据计算出所有工程地质参数(称为原始参数)，在此基础上利用相应的变差函数推算出每个网格体顶点位置的工程地质参数值，最终使得所有网格体的顶点都赋予了每种工程地质参数的值，形成一个数据体，即数字岩体。在钻井设计或实钻过程中，要使用这些地质参数，则可通过井眼轨迹上每个点的坐标，获取该坐标所在网格体的各顶点参数，进而计算出该坐标点的每种工程参数，最终可获得全井眼轨迹的所有工程参数。

(示例)

YB区块是天然气增储上产的重要勘探区域，但该地区钻井中遇到了一系列钻井难题，包括下部陆相地层常规钻井机械钻速低、小井眼钻井提速难度大、复 杂情况多发等。针对上述难题，技术人员需要花大量精力进行钻井施工方案的优化设计，目的是提高机械钻速，减少复杂情况的发生。而要有针对性的做好方案优化，必须了解全井段的工程地质情况，此前的主要方法是参考邻井的情况。利用本发明所述方法构建了YB的数字岩体后，每进行一口新井的方案设计，设计人员即从数字岩体中抽取出沿井眼轨道的各种工程地质参数(如岩性、地层三压力等)，由于它融合了该井周边所有邻井以及地震相关数据，因此这些工程地质参数比起简单地参考几口邻井来说，更加全面而且准确，方案优化效果明显提升。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述方法的各个步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。