專利名稱：用來在鉆探期間確定地層完整性和最佳鉆探參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及穿過地下巖層鉆井的領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用來在鉆探期間確定和保持最佳井孔流體壓力、和使用井孔流體壓力響應(yīng)測量來確定地層完整性和最佳鉆探操作參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
從地下巖層中勘探油氣和油氣的生產(chǎn)要求裝置到達巖層和從巖層提取油氣。這樣的裝置典型地是從地面到地下含油氣巖層的井孔。井孔使用鉆具鉆探。按其最簡單形式，鉆具是用來支撐鉆頭的裝置，該鉆頭安裝在稱作“鉆桿組”的管子的端部上。鉆桿組典型地由鉆桿節(jié)或類似管狀段形成，這些鉆桿節(jié)或類似管狀段用螺紋端對端地連接。鉆桿組在地面處由鉆具結(jié)構(gòu)沿縱向支撐，并且可以由與鉆具相聯(lián)接的裝置轉(zhuǎn)動，這些裝置如頂部驅(qū)動、或凱利(kelly)/凱利方鉆桿組件。由基礎(chǔ)流體-典型地水或油、和各種添加劑組成的鉆探流體沿在鉆桿組中的中央開口向下泵送。流體穿過在轉(zhuǎn)動鉆頭的本體中的開口離開鉆桿組， 這些開口叫做“噴口 ”。鉆探流體然后在井孔壁與鉆桿組之間形成的環(huán)形空間中向地面循環(huán)返回，將巖屑從鉆頭處帶走，以便清理井孔。鉆探流體的組成還使得由鉆探流體施加的流體壓力典型地大于周圍地層流體壓力，由此防止地層流體進入井孔以及井孔坍塌。然而，這樣的組成也必須保證，靜壓力不超過由井孔暴露的地層將破裂(斷裂)的壓力。在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的是，由鉆探流體施加的實際壓力(“流體動力學(xué)壓力”)與其以上解釋的組成、其流變性能-如粘度、及鉆探流體穿過鉆桿組運動到井孔中的速率有關(guān)。在本技術(shù)領(lǐng)域中也已知的是，通過對于鉆探流體從井孔穿過環(huán)形空間的排出的適當控制，有可能在鉆桿組與井孔壁之間的環(huán)形空間中，施加超過靜壓力和動壓力一個選定量的壓力。已經(jīng)開發(fā)出被稱為“動態(tài)環(huán)形壓力控制”(Dynamic Annular Pressure Control, DAPC)系統(tǒng)的多種鉆探系統(tǒng)，這些系統(tǒng)進行上述的流體排出控制。一種這樣的系統(tǒng)公開在例如美國專利No. 6，904，981中，該美國專利頒發(fā)給van Riet，并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。 在‘981專利中公開的DAPC系統(tǒng)包括流體背壓系統(tǒng)，在該流體背壓系統(tǒng)中，來自井孔的流體排出被選擇性地控制以維持在井孔底部處的選定壓力，并且將流體沿鉆探流體返回系統(tǒng)向下泵送，以在當關(guān)閉泥漿泵(并且沒有泥漿被泵送過鉆桿組)時的時間期間維持環(huán)隙壓力。 進一步提供壓力監(jiān)視系統(tǒng)，以監(jiān)視探測的井孔壓力、用于進一步鉆探的模型期望井孔壓力， 并且控制流體背壓系統(tǒng)。美國專利No. 7，395，878描述了一種不同形式的DAPC系統(tǒng)，該美國專利頒發(fā)給Reitsma等人，并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。鉆探流體的組成、和當使用時對于流體排出的補充控制-例如通過使用DAPC系統(tǒng)，用于在鉆探期間在井孔中提供選定流體壓力。這樣的流體壓力如以上解釋的那樣被選擇成使得來自一定地下地層的孔隙的流體壓力不進入井孔，從而井孔在繼續(xù)鉆探操作期間保持力學(xué)穩(wěn)定，并且從而暴露的巖層在鉆探操作期間不會因液壓而斷裂。具體地說，DAPC系統(tǒng)在鉆探操作期間提供增強的控制在井孔中的流體壓力的能力，而不需要徹底地重新組成鉆探流體。如在以上提到的各專利中所解釋的那樣，使用DAPC系統(tǒng)也可以使穿過具有流體
4壓力和斷裂壓力的地層鉆探井孔成為可能，從而僅使用配置的鉆探流體和來自井孔的非受控流體排出的鉆探基本上是不可能的。然而，正確井孔流體壓力的選擇，甚至當使用DAPC系統(tǒng)時，也要求至少先期地估計被鉆探地層的流體壓力和斷裂壓力。在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的用來估計這樣的壓力的技術(shù)包括地震勘測和重力勘測的分析。其它技術(shù)可以包括使用來自附近井孔的實際鉆探測量結(jié)果和/或流體壓力測量結(jié)果，改進由地震和重力勘測進行的估計。無論用來估計地層流體壓力和斷裂壓力的技術(shù)是怎樣的，在鉆探井孔期間遇到的實際流體壓力和斷裂壓力可能與預(yù)測或估計的那些壓力不同。流體壓力和斷裂壓力的不準確估計可能導(dǎo)致降低的鉆探效率、增大的地層斷裂的危險、增大的井孔坍塌的危險、增大的鉆探故障的危險-如鉆桿卡在井孔中、及增大的關(guān)于實際地層流體壓力和斷裂壓力在不正確深度處設(shè)置保護管或套管的危險。需要在鉆探的同時估計地層微孔流體壓力和地層斷裂壓力的技術(shù)，以便更好地定義用于正確套管深度選擇的地層完整性和更好地選擇用于高效鉆探的鉆探操作參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用來在井孔鉆探期間確定地層完整性的方法包括在井孔鉆探期間確定在井孔中的環(huán)隙流體壓力。環(huán)隙壓力按預(yù)定量調(diào)整。將進入井孔中的鉆探流體的流量與從井孔出來的鉆探流體流量相比較。當相比較的流量相差為選定量時，確定地層孔隙壓力和地層斷裂壓力中的至少一個。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用來在井孔鉆探期間確定最佳鉆探操作參數(shù)的方法包括在井孔鉆探期間確定在井孔中的環(huán)隙流體壓力。環(huán)隙壓力按預(yù)定量調(diào)整。測量起吊載荷、鉆桿組扭矩、進入井孔中的鉆探流體的流量及井孔的延長速率中的至少一個。在將接近井孔底部的井孔環(huán)隙中的流體壓力保持為大體恒定的同時，改變流量。重復(fù)測量起吊載荷、鉆桿組扭矩及延長速率中的至少一個。使用測得的起吊載荷、鉆桿組扭矩及延長速率， 確定流量和井孔環(huán)隙壓力的最佳值。通過如下描述和所附的權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將更為顯明。


圖1示出井孔鉆探單元的一個例子，該井孔鉆探單元包括動態(tài)環(huán)形壓力控制 (DAPC)系統(tǒng)。圖2示出由示范方法建立的地下巖層的孔隙壓力和斷裂壓力以及底部孔壓力極限的一個例子。圖3示出由示范方法建立的地下巖層的孔隙壓力和斷裂壓力以及底部孔壓力和力學(xué)極限的一個例子。圖4示出一種示范方法的流程圖。圖5示出另一種示范方法的流程圖。
具體實施例方式總體而言，根據(jù)本發(fā)明的方法在井孔鉆探期間利用動態(tài)環(huán)形壓力控制(DAPC)系統(tǒng)，以在鉆探期間將在井孔環(huán)隙中的流體壓力調(diào)整到選定值，并且測試井孔對于這樣的調(diào)整的響應(yīng)。測試井孔響應(yīng)可以包括確定流體是正在進入井孔或是從井孔失去。測試井孔響應(yīng)也可以包括確定鉆探系統(tǒng)對于變化壓力的響應(yīng)，從而選擇例如最佳流體壓力和鉆探流體流量。穿過地下巖層鉆探井孔的鉆探單元的例子在圖1中示意性地示出，該鉆探單元包括動態(tài)環(huán)形壓力控制(DAPC)系統(tǒng)。DAPC系統(tǒng)的操作和細節(jié)可以大體上如在美國專利 No. 7，395，878中描述的那樣-該美國專利頒發(fā)給Reitsma等人并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，或者可以如在美國專利No. 6，904，981中描述的那樣-該美國專利頒發(fā)給van Riet并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。鉆探系統(tǒng)100包括稱作鉆具102的起重裝置，該鉆具102用來支持穿過諸如在104 處表示的之類的地下巖層的鉆探操作。在鉆具102上使用的多個元件，如Kelly (或頂部驅(qū)動器)、動力夾鉗、滑套、絞車及其它設(shè)備，為了圖示清楚起見，沒有示出。所示的井孔106鉆過巖層104。鉆桿組112懸掛在鉆具102上，并且延伸到井孔106中，由此在井孔壁與鉆桿組112之間、和/或在套管101(當包括在井孔中時)與鉆桿組112之間形成環(huán)形空間(環(huán)隙)115。鉆桿組112的功能之一是將鉆探流體150(表示在存儲罐或料坑136中)輸送到井孔106的底部和輸送到井孔環(huán)隙115中，該鉆探流體150的使用是為了在這里的背景技術(shù)章節(jié)中所解釋的目的。鉆桿組112支承著靠近其下端部的底部孔組件(Bottom Hole Assembly, “BHA”) 113，該底部孔組件113包括鉆頭120，并且可以包括泥漿馬達118、傳感器包119、單向閥(未示出)，該單向閥防止鉆探流體從環(huán)隙115回流到鉆桿組112中。傳感器包119 例如可以是邊鉆探邊測量和邊鉆探邊記錄(Measurement While Drilling,Logging while Drilling, MWD/LWD)傳感器系統(tǒng)。具體地說，BHA 113可以包括壓力換能器116，以測量在靠近井孔106的底部的環(huán)隙115中的鉆探流體的壓力。在圖1中表示的BHA 113也可包括遙測發(fā)射器122，該遙測發(fā)射器122可用來發(fā)射由換能器116得出的壓力測量結(jié)果、MWD/LWD 測量結(jié)果及鉆探信息，以在地面處被接收。包括壓力數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)存儲器可以設(shè)置在 BHA 113中的方便位置處，用于在使用遙測發(fā)射器122的數(shù)據(jù)發(fā)射之前，對測得的壓力和其它數(shù)據(jù)(例如，MWD/LWD數(shù)據(jù))加以臨時存儲。遙測發(fā)射器122可以例如是可控制閥，該可控制閥調(diào)節(jié)鉆探流體通過鉆桿組112的流量，以產(chǎn)生在地面處可探測的壓力變化。壓力變化可以被編碼，以代表來自MWD/LWD系統(tǒng)和壓力換能器116的信號。鉆探流體150可以存儲在儲箱136中，所示的儲箱136呈泥漿罐或料坑的形式。儲箱136與一個或多個泥漿泵138的進口流體連通，這些泥漿泵138在操作中通過導(dǎo)管140 泵送鉆探流體150?？蛇x擇的流量計152可以被設(shè)置成與一個或多個泥漿泵138相串聯(lián)，或者在其上游或者在其下游。導(dǎo)管140連接到適當?shù)貕毫γ芊獾男D(zhuǎn)接頭(未示出)上，該旋轉(zhuǎn)接頭聯(lián)接到鉆桿組112的最上段(“接頭”)上。在操作期間，鉆探流體150由泵138 從儲箱136中提升，泵送過鉆桿組112和BHA 113，并通過在鉆頭120中的噴嘴或路線(未示出)離開，在該處，它流通以將巖屑從鉆頭120帶走，并且通過環(huán)隙115將它們返回到地面。鉆探流體150返回到地面，并且通過鉆探流體排出導(dǎo)管IM和選擇性地通過各種平衡罐和遙測系統(tǒng)(未示出)，以最終返回到儲箱136。用于環(huán)隙115的壓力隔離密封按轉(zhuǎn)動控制頭的形式提供，該轉(zhuǎn)動控制頭形成防噴
6器(Blowout Preventer，“BOP”)142的一部分。鉆桿組112穿過BOP 142和與其關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)動控制頭。當被致動時，在B0P142上的轉(zhuǎn)動控制頭繞鉆桿組112密封，隔離其下面的流體壓力，但仍然使得鉆桿組能夠轉(zhuǎn)動和縱向運動。可選擇地，轉(zhuǎn)動BOP(未示出)可以為了基本上同一目的被使用。壓力隔離密封形成背壓系統(tǒng)的一部分，該背壓系統(tǒng)用來維持在環(huán)隙 115中的選定流體壓力。隨著鉆探流體返回到地面，它通過在壓力隔離密封(轉(zhuǎn)動控制頭)下面的側(cè)出口到達背壓系統(tǒng)，該背壓系統(tǒng)配置用以提供對于在環(huán)隙115中的鉆探流體的可調(diào)整背壓。背壓系統(tǒng)包括可變節(jié)流裝置，該可變節(jié)流裝置適當?shù)爻尸F(xiàn)為耐磨損節(jié)門130的形式。將認識到，存在有設(shè)計成在如下環(huán)境下操作的節(jié)門鉆探流體150包含大部分鉆屑和其它固體。節(jié)門130是一種這樣的類型，并且還能夠在可變壓力、流量下及通過多個工作循環(huán)操作。鉆探流體150離開節(jié)門130，并且流過可選擇流量計126，以被引導(dǎo)過一個可選擇的脫氣器1和固體分離設(shè)備129。脫氣器1和固體分離設(shè)備1 設(shè)計用于從鉆探流體150 中除去過多氣體和其它污染物，包括鉆屑。在通過固體分離設(shè)備1 之后，鉆探流體150返回到儲箱136。流量計1 可以是質(zhì)量平衡型或其它高分辨率流量計。壓力傳感器147可以選擇性地設(shè)置在鉆探流體排出導(dǎo)管124中，在可變節(jié)流裝置(例如，節(jié)門130)的上游。除背壓傳感器147之外，與流量計1 相似的流量計可以放置在背壓裝置131的上游。包括壓力監(jiān)視系統(tǒng)146的背壓控制裝置用于監(jiān)視對于環(huán)隙壓力相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且將控制信號至少提供給背壓系統(tǒng)131和選擇性也提供給注入流體注入系統(tǒng)，并且/或者提供給主泵。一般地說，為得到接近井孔106的底部的期望環(huán)隙壓力要求的背壓，可通過如下方式確定在選定時間得到關(guān)于在BHA 113附近在環(huán)隙115中的鉆探流體的現(xiàn)有壓力的信息-該壓力稱作底部孔壓力(Bottom hole I^ressurejHP)、將該信息與期望的BHP相比較、 并使用在它們之間的差來確定設(shè)置點背壓。設(shè)置點背壓用來控制背壓系統(tǒng)，以便建立接近設(shè)置點背壓的背壓。使用液壓模型和鉆探流體在它被泵送到鉆桿組中時的壓力、和鉆探流體被泵送到鉆桿組中的速率的測量結(jié)果(例如，使用流量計或關(guān)于柱塞型泥漿泵典型地提供的“行程計數(shù)器”)，可以確定與在靠近BHA 113的環(huán)隙115中的流體壓力有關(guān)的信息。使用由壓力換能器116得出的測量結(jié)果，可以定期地檢查和/或校準如此得到的BHP信息。在注入流體供給源143通路中的注入流體壓力代表比較準確的指示量，該比較準確的指示量用于在注入流體被注入到鉆探流體間隙中的深度處在鉆探流體間隙中的鉆探流體壓力。因此，在注入流體供給通路中任何處，例如在156處，由注入流體壓力傳感器產(chǎn)生的壓力信號可適當?shù)赜脕硖峁┹斎胄盘?，該輸入信號用來控制背壓系統(tǒng)，并且用來監(jiān)視在井孔環(huán)隙115中的鉆探流體壓力。如果希望，則壓力信號對于注入流體柱的密度，并且/或者對于動態(tài)壓力損失，可以選擇性地被補償，以便得到在鉆探流體返回通路中在注入流體被注入到鉆探流體間隙中的深度處注入壓力的準確值，該動態(tài)壓力損失例如可能產(chǎn)生在注入流體中，在注入流體供給通路中的注入流體壓力傳感器與到鉆探流體返回通路中的注入發(fā)生處之間。在注入流體供給通路141中注入流體的壓力有利地用來得到與用來確定當前底部孔壓力相關(guān)的信息。只要注入流體正在注入到鉆探流體返回流中，在注入深度處的注入流體的壓力就可假定與在注入點144處的鉆探流體壓力相等。因而，由注入流體壓力傳感
7器156所確定的壓力可有利地用來產(chǎn)生壓力信號，該壓力信號用作用來控制或調(diào)節(jié)背壓系統(tǒng)的反饋信號。應(yīng)該注意，對于井下壓力的靜態(tài)影響的變化-該變化由注入流體注入速率的可能變化生成，由背壓裝置的上述受控重新調(diào)整密切接近地補償。因而通過按照本發(fā)明控制背壓裝置，在鉆孔中的流體壓力幾乎獨立于注入流體注入的速率。使用與注入流體壓力相對應(yīng)的壓力信號的一種可能途徑是控制背壓系統(tǒng)，從而在整個鉆探或完井操作期間，將注入流體壓力維持在一定適當恒定值上。當注入點144密切靠近鉆孔的底部時，精度被提高。當注入點144不是如此靠近井孔106的底部時，在注入點144與井孔106的底部之間伸展的鉆探流體返回通路的部分上的壓差的數(shù)值優(yōu)選地被建立。為此，可利用液壓模型，如下面將描述的那樣。在一個例子中，在注入流體注入點與井孔的底部之間延伸的井孔106的下部部分中的鉆探流體返回通路中的鉆探流體的壓力差，可使用液壓模型尤其是考慮到井的幾何形狀而計算。因為液壓模型一般僅用來計算在井孔的比較小段上的壓力差，所以預(yù)期精度比當必須計算在整個井孔長度上的壓力差時要好得多。在本例子中，背壓系統(tǒng)131可設(shè)有背壓泵128，該背壓泵1 與井孔環(huán)隙115和節(jié)門130并聯(lián)地流體連通，以對于在節(jié)流裝置130上游在鉆探流體排出導(dǎo)管124中的鉆探流體進行加壓。背壓泵128的進口經(jīng)導(dǎo)管119連接到鉆探流體源上，該鉆探流體源可以是儲箱136。斷流閥125可以設(shè)置在導(dǎo)管119A/B中，以將背壓泵128與鉆探流體源隔離?？蛇x擇地，可以提供閥123，以選擇性地將背壓泵1 與鉆探流體排出系統(tǒng)隔離。背壓泵1 可用來保證，通過節(jié)門130的流量是充分的以便能夠維持背壓，即使當來自井孔環(huán)隙115的、用以維持在節(jié)門130上的壓力的流量不足時，也是如此。然而，在某些鉆探操作中，當鉆探流體150經(jīng)鉆桿組112的循環(huán)速率減小或中斷時，常?？赡苤灰ㄟ^減小注入流體注入速率而增加在井孔環(huán)隙的上部部分149中包含的流體的重量就足夠了。在本例子中的背壓控制系統(tǒng)可產(chǎn)生控制信號，該控制信號用于背壓系統(tǒng)，不僅適當?shù)卣{(diào)節(jié)可變節(jié)門130，而且也適當?shù)卣{(diào)節(jié)背壓泵1 和/或閥123。在本例子中，鉆探流體儲箱136除泥漿罐或料坑之外包括控制罐(trip tank) 20 控制罐通常用在鉆具上，以在鉆桿組進出井孔106的運動(稱作“脫開操作”)期間監(jiān)視鉆探流體增益和損失。注意，當使用多相流體系統(tǒng)時，如以上描述的涉及氣體到鉆探流體返回流中的注入，不能過度地使用控制罐，因為當注入氣體壓力放出時，井孔106可能常常保持成活的，或者在井中的鉆探流體液位下降。然而，在本實施例中，例如對于其中將高密度鉆探流體被向下泵送而不是高壓井的情形，保持控制罐的功能性。閥歧管可以設(shè)置在背壓系統(tǒng)131的下游，以實現(xiàn)儲箱的選擇，從井孔106返回的鉆探泥漿被引導(dǎo)到該儲箱。在本例中，閥歧管可包括兩通閥5，允許鉆探流體從井返回或者被引導(dǎo)到泥漿料坑136或控制罐2。閥歧管也可以包括兩通閥125，該兩通閥125設(shè)置用于將鉆探流體150從儲箱136 經(jīng)導(dǎo)管119A或從儲箱2經(jīng)導(dǎo)管119B進給到背壓泵128，該背壓泵1 選擇性地設(shè)置成與鉆探流體返回通路115和節(jié)門130并聯(lián)流體連通。在操作中，閥125將被操作以選擇導(dǎo)管119A或?qū)Ч?19B，并且背壓泵1 被嚙合，
8以保證足夠流量通過節(jié)門系統(tǒng)以能夠維持背壓，即使當沒有來自環(huán)隙115的流量時也是如此。不像在鉆桿組內(nèi)的鉆探流體通路，注入流體供給通路可優(yōu)選地專用于一項任務(wù)，這項任務(wù)是將用于注入的注入流體供給到鉆探流體間隙中。這樣，其與注入流體的靜和動相互作用在操作期間可準確地確定和保持恒定，從而可準確地建立注射流體的重量和在供給通路中的動態(tài)壓力損失。以上參照圖1的鉆探系統(tǒng)的描述是用于提供使用DAPC系統(tǒng)鉆探井孔的一個例子， 該DAPC系統(tǒng)能夠保持在井孔106的底部附近的選定環(huán)隙流體壓力，即以上描述的BHP。這樣的系統(tǒng)可以包括液壓模型，該液壓模型，如以上解釋的那樣，將鉆探泥漿150的流變性質(zhì)、 泥漿流入井孔的速率、井孔和鉆桿組構(gòu)造、在排出導(dǎo)管上的壓力、及如果可得到則還有靠近井孔的底部的環(huán)隙流體壓力(例如，來自換能器116)的測量結(jié)果用作輸入量，以補充由液壓模型進行的計算或使所述計算精確化。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，DAPC系統(tǒng)可以按特定方式操作，以在鉆探操作正在進行的同時提供地層完整性的測量，并且也可以按特定方式操作，以提供鉆探操作參數(shù)的最佳值的指示。這里使用的“鉆探操作參數(shù)”用于指代在鉆具的操作人員的控制內(nèi)的參數(shù)，并且可以包括例如施加到鉆頭120上(通過將鉆桿組112的軸向負載的一部分施加到鉆頭120 上)的軸向力。鉆探操作參數(shù)也可以包括施加的扭矩量，該扭矩用以按選定速度轉(zhuǎn)動鉆桿組112。鉆探操作參數(shù)也可以包括鉆探流體150運動到鉆桿組中的速率(例如通過監(jiān)視流量計152而測量)和選定BHP?，F(xiàn)在參照圖2，將解釋在巖層(例如在圖1的104)的孔隙中的地層流體壓力(“孔隙壓力”)與流體壓力(“斷裂壓力”)之間的關(guān)系，以表明本發(fā)明的一種示范方法，該流體壓力(“斷裂壓力”)如果在井孔中存在，則可引起地層的破壞或斷裂。如以上解釋的那樣， 鉆探流體(在圖1中的150)運動通過鉆桿組(在圖1中的112)，以使鉆屑循環(huán)和在環(huán)隙 (在圖1中的11 中提供流體壓力。在環(huán)隙(在圖1中的11 中需要流體壓力以防止在一定可透過巖層中的孔隙中的流體進入井孔(在圖1中的106)，并且防止井孔的凹陷或坍塌。這樣的功能通過提供具有選定密度的鉆探流體，并且例如像在Reitsma等人的‘878專利中解釋的那樣，借助于通過節(jié)門操作、流體注入及背壓施加的組合控制在鉆探流體排出導(dǎo)管中的壓力(例如，通過使用背壓系統(tǒng))而進行。相反，在井孔環(huán)隙中的流體壓力決不許可超過斷裂壓力，否則作為超過斷裂壓力的結(jié)果，鉆探流體將損失在經(jīng)受斷裂的地層中。一般而言，據(jù)信，在地下任何特定地層的地層斷裂壓力與在地下特定地層以上的巖層的重量(叫做“過載”)有關(guān)，并且與在地層的孔隙中的流體壓力(“孔隙壓力”)有關(guān)。 在圖2中的曲線表示，預(yù)期的斷裂壓力一般相對于地下的深度而增大。地層孔隙壓力由曲線10表示。一般地，地層壓力相對于深度而增大，然而，已知的是，一定地層可能具有的孔隙壓力低于在其上方的地層的孔隙壓力。這樣的情形由在約9，900英尺深度處開始的曲線 10反映。在圖2中表示的壓力關(guān)系例如在美國墨西哥灣中的地下巖層中是常見的，在該處， 具有在靜鹽水壓力梯度以上的孔隙壓力的地層(叫做“過壓地層”)，由具有依次較接近靜鹽水壓力梯度的孔隙壓力的地層埋在下面。在圖2中表示的情形稱作“孔隙壓力反向”。在圖2中明顯的是，斷裂壓力不再相對于深度線性地增大。如果在預(yù)期中BHP(由鉆探流體密度和背壓生成)保持成比實際存在的高的斷裂壓力，則地層可能斷裂。將認識到，在圖2中所示的曲線按壓力單位畫出。在圖2中所示的曲線在本技術(shù)領(lǐng)域中也已知的是按照壓力梯度畫出。壓力梯度典型地按等效鉆探流體密度(“泥漿重量”)的單位表達；在油氣井孔鉆探技術(shù)中已知的這樣的單位包括每加侖鉆探流體的磅重量(PPg)。在圖2的曲線圖中的曲線可以在鉆探井孔的開始之前估計。這樣的估計例如可以通過估計巖層相對于深度的重量的重力和地震勘測的分析、和估計流體壓力的地震勘測的速度分析而進行。這樣的技術(shù)在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的?？梢缘玫降钠渌畔?，如來自附近井孔的地層流體壓力試驗和鉆探記錄，可以用來改進由重力和地震勘測進行的估計。本發(fā)明打算在鉆探操作正在進行的同時，進一步改進斷裂壓力和孔隙壓力的估計。例如，在諸如圖2中表示的之類的情形下井孔建造的重要元素是將管或套管(例如，在圖1中的101)放置到正確深度，以保護經(jīng)受斷裂的地層，并且盡可能多地液壓隔離其中具有較低流體壓力的地層，以避免通過不同壓力的作用將鉆桿組卡在井孔中。正確套管深度尤其與暴露地層的孔隙壓力和暴露地層的斷裂壓力有關(guān)。在根據(jù)本發(fā)明的一種示范方法中，DAPC系統(tǒng)，例如像以上參照圖1解釋的那樣，在鉆探期間操作，以將底部孔壓力增大到選定設(shè)置點以上。增大底部孔壓力例如可以由增大泥漿泵(在圖1中的138)的泵送速率、增大來自注入泵(在圖1中的143)的流體注入速率、減小節(jié)門(在圖1中的130)的孔口及操作背壓泵(在圖1中的128)的任何組合而進行。DAPC系統(tǒng)可以操作，以按選定增量增大壓力，例如按100磅每平方英寸(psi)或按其它選定增量。隨著底部孔壓力漸次增大，將進入(“流入”)井孔中的鉆探流體體積或質(zhì)量流量的測量值-例如使用流量計(圖1中的152)、或者在泥漿泵(在圖1中的138)是往復(fù)柱塞泵的場合使用“行程計數(shù)器”，將流出(“流出”)井孔的鉆探流體體積或質(zhì)量流量的測量值-例如使用流量計126-相比較。正在離開井孔的鉆探流體比正在泵送到井孔中的鉆探流體小一個選定閾值量或小得更多的指示，可以被推斷為是底部孔壓力處在斷裂壓力處或其附近的指示。這樣的指示可以用來建立用于底部孔壓力的安全上限，例如沿圖2中的曲線13。DAPC系統(tǒng)也可以操作，以選擇性地減小底部孔壓力。這樣的減小也可以按選定減量進行，例如按IOOpsi進行。對于每個減量，進行流出和流入的測量并且對測量結(jié)果加以比較。流出的測量值超過了流入的測量值在選定閾值量以上或超過得更多，可以指示流體進入井孔中，因為底部孔壓力不足。這樣的確定可以用來建立底部孔壓力的安全下限，例如沿圖2中的曲線11。以上過程可以在井孔的主動鉆探期間進行(即，當井孔由于鉆頭的動作而被延長時)。如由本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的那樣，隨著鉆探繼續(xù)，可能接近這樣一個深度，在該深度處，可能接近最低安全壓力或者超過最高安全壓力。在這樣的深度處，典型必要的是， 將管或套管設(shè)置在井孔中，以保護暴露的地下巖層，從而鉆探可安全地繼續(xù)。與依賴鉆探前估計相反，通過在井孔的鉆探期間進行最大和最小安全壓力確定，預(yù)期的是，可以到達最大可能套管深度。通過使用上述技術(shù)確定最大可能套管深度，有可能避免對井孔有不利影響的兩種情況。首先，可以避免將套管設(shè)置得太淺。將套管設(shè)置得太淺，會具有使得套管深度下面的地層被暴露的效果，這些地層因為地層狀態(tài)，如以上描述的孔隙壓力反向、或孔隙壓力梯度的巨大增加，不能安全地鉆探。在這樣的情況下，將需要的是，在現(xiàn)有套管內(nèi)同軸地設(shè)置輔助套管。這樣的輔助同軸套管會顯著地減小井孔的可能直徑，并且降低井孔的最終生產(chǎn)能力?？梢员苊獾牧硪环N情況是，由被鉆探的地層的斷裂破壞造成的地下噴射或井孔損失。以上描述的方法通過確定最佳可能套管深度，可幫助井孔操作人員使上述兩種情況的可能性最小化。參照圖4，上述過程的流程圖包括如下步驟。在40處，鉆探操作在進行中，并且井孔正在被進行鉆探。在42處，可以操作DAPC系統(tǒng)(圖1)，以使在環(huán)隙(圖1中的115)中的壓力按選定量增大。在44處，將流入與流出相比較。如果流出大體與流出相同，則操作 DAPC系統(tǒng)，從而再增大環(huán)隙壓力。重復(fù)以上步驟，直到在46處，有指示表明流出小于流入。 在這時接近井孔底部的環(huán)隙壓力將也在46處用來建立在井孔底部處的安全最大流體壓力 (“底部孔壓力”或“BHP”)。相反，并且在圖4中的48處，可以操作DAPC系統(tǒng)，以按選定減量減小壓力。在50 處，比較流入和流出的測量。也在50處，如果流入和流出大體相同，則可操作DAPC系統(tǒng)，以進一步減小BHP。以上步驟繼續(xù)，直到在50處，流出顯得超過流入。在52處，在這樣的情況下，在這時確定的BHP可以用來建立安全壓力下限?，F(xiàn)在參照圖3解釋本發(fā)明的另一個方面。圖3分別包括孔隙壓力曲線和斷裂壓力曲線10和11，這些曲線大體與以上參照圖2描述的那些相同。由曲線11和13表示的壓力極限也大體上與在圖2中的相同。下面將進一步解釋在井孔中可安全維持的最大和最小壓力，該最大和最小壓力在曲線14和15處。在本例中，在鉆探期間可以確定用于一定鉆探操作參數(shù)(如上地定義)的最佳值。參照在圖5中的流程中，在60處，井孔鉆探操作在進行中，并且鉆探繼續(xù)前進。在62處，操作DAPC系統(tǒng)，以增大壓力。在64處，測量一定鉆探操作參數(shù)，如“起吊載荷”(由鉆具懸掛的鉆桿組的重量)、施加到鉆桿組上的扭矩量、及流入速率。也可測量鉆探響應(yīng)參數(shù)，如井孔延長的速率(“穿透速率”Rate of Penetration，或 “R0P”)。在某些例子中的以上增大和測量可以重復(fù)，直到得到斷裂壓力的指示(如以上參照圖2和4解釋的那樣)。在66處，可以操作DAPC系統(tǒng)，以減小壓力。在68處，可以測量鉆探操作參數(shù)，如扭矩、起吊載荷、流入、及諸如ROP之類的響應(yīng)參數(shù)。在某些實施例中這樣的減小和測量可以重復(fù)，直到得到孔隙壓力的指示(如參照圖2和4解釋的那樣)。在70處，可以調(diào)節(jié)流入，例如通過減小將泥漿泵送到鉆桿組中的速率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認識到，流入普通地應(yīng)該至少保持成，從井孔的底部提升鉆屑需要的量(“孔清理”下限)。在正在調(diào)節(jié)流量的同時，DAPC系統(tǒng)應(yīng)該操作以保持BHP大體恒定。在72處， 可以測量起吊載荷、扭矩、及R0P?？梢詫τ诹魅胨俾实姆秶貜?fù)上述步驟。在BHP和流入的選定值處進行的上述測量結(jié)果可以被分析，以提供一定鉆探操作參數(shù)的最佳值，如流入和BHP，從而使鉆探響應(yīng)參數(shù)最大化，所述鉆探響應(yīng)參數(shù)例如是R0P。 以上分析也可以提供流入(和因此輸送到鉆頭的液壓馬力)的最小值，該最小值符合安全鉆探操作。上述測量，即增大和減小BHP，如果如以上解釋的那樣延伸到壓力極限，則可能實現(xiàn)確定井孔的最大和最小機械壓力極限，例如沿圖5中的曲線14和15。在最一般的意義上，本發(fā)明的各個例子包括調(diào)節(jié)BHP和確定井孔對于這樣的調(diào)整的響應(yīng)?！熬椎捻憫?yīng)”或 “井孔響應(yīng)”用作一般術(shù)語，以指示地層孔隙壓力和斷裂壓力確定和鉆探響應(yīng)(例如，在其它鉆探操作參數(shù)保持恒定的情況下ROP的變化)。使用根據(jù)本發(fā)明的各個方面的方法，可以提供井孔套管深度的更良好的確定和更高效的鉆探。盡管已經(jīng)通過有限數(shù)量的實施例對本發(fā)明做了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員在受益于本發(fā)明時將認識到，可以設(shè)計出不脫離本文所公開的本發(fā)明的范圍的其它實施例。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種用來在井孔鉆探期間確定地層完整性的方法，包括 在井孔鉆探期間確定在所述井孔中的環(huán)隙流體壓力； 按預(yù)定量調(diào)整所述環(huán)隙壓力；將進入所述井孔中的鉆探流體的流量與從所述井孔出來的鉆探流體流量相比較；及當所比較的流量相差為選定量時，由所述環(huán)隙壓力，確定地層孔隙壓力和地層斷裂壓力中的至少一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述調(diào)整包括增大所述環(huán)隙壓力，并且當進入所述井孔中的流量超過從所述井孔出來的流量時，確定所述地層斷裂壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述調(diào)整包括減小所述環(huán)隙壓力，并且當從所述井孔出來的流量超過進入所述井孔中的流量時，確定所述地層孔隙壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用所確定的斷裂壓力或孔隙壓力，估計要設(shè)置套管的井孔的深度。
5.一種用來在井孔鉆探期間確定最佳鉆探操作參數(shù)的方法，包括 在井孔鉆探期間確定在所述井孔中的環(huán)隙流體壓力；按預(yù)定量調(diào)整所述環(huán)隙壓力；測量起吊載荷、鉆桿組扭矩、進入所述井孔中的鉆探流體的流量及所述井孔的延長速率中的至少一個；在將接近所述井孔底部的井孔環(huán)隙中的流體壓力保持為大體恒定的同時，改變所述流量；重復(fù)測量起吊載荷、鉆桿組扭矩及延長速率中的至少一個；及使用所測得的起吊載荷、鉆桿組扭矩及延長速率，選擇流量和井孔環(huán)隙壓力的最佳值。
6.一種用來在井孔鉆探期間確定在井孔環(huán)隙中的最佳流體壓力的方法，包括 在井孔鉆探期間，確定在靠近井孔底部的井孔環(huán)隙中的流體壓力；通過操作背壓系統(tǒng)，調(diào)整在所述環(huán)隙中的所述流體壓力； 確定所述井孔對于所調(diào)整的流體壓力的響應(yīng)；及由井孔響應(yīng)確定最佳環(huán)隙流體壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括流體從地下巖層進入到所述井孔中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括流體損失進入到由所述井孔穿透的地下巖層中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括施加到用來鉆探所述井孔的鉆桿組上的扭矩的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括所述井孔通過鉆探而延長的速率的變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括用來鉆探所述井孔的鉆桿組的懸掛負載的變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在維持在所述環(huán)隙中的流體壓力大體恒定的同時，調(diào)整進入所述井孔中的鉆探流體的流量；確定所述井孔對于所調(diào)整的流量的響應(yīng)； 及由對于所調(diào)整的流量的井孔響應(yīng)，確定最佳流量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括施加到用來鉆探所述井孔的鉆桿組上的扭矩的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括所述井孔通過鉆探而延長的速率的變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應(yīng)包括用來鉆探所述井孔的鉆桿組的懸掛負載的變化。
全文摘要
一種用來在井孔鉆探期間確定地層完整性的方法，包括在井孔鉆探期間確定在井孔中的環(huán)隙流體壓力。環(huán)隙壓力按預(yù)定量調(diào)整。將進入井孔中的鉆探流體的流量與從井孔出來的鉆探流體流量相比較。當相比較的流量相差為選定量時，由環(huán)隙壓力確定地層孔隙壓力和地層斷裂壓力中的至少一個?？蛇x擇地確定孔隙和/或斷裂壓力的方法包括確定井孔對于調(diào)整的流體壓力的響應(yīng)；和由井孔響應(yīng)確定最佳環(huán)隙流體壓力。
文檔編號E21B21/08GK102272410SQ200980154288
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者O·R·謝薩 申請人:Prad研究與發(fā)展股份有限公司