從套管靴到地表的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的製作方法

2023-05-07 20:07:56

從套管靴到地表的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的製作方法【專利摘要】一種設計井控操作的方法，包括獲得與圍繞井的地層有關的地下數據，基於該地下數據建立地層的地質力學模型，獲得與井控操作有關的操作數據，在處理器上執行地層的水力壓裂模擬，其中該模擬基於該操作數據和該地質力學模型，以及確定用於裂縫破裂到地層的上表面所需流體的估計體積。【專利說明】從套管靴到地表的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析【
背景技術：
】[0001]在壓井(wellkill)或者控制操作期間存在產生淺水力壓裂裂縫破裂到地表或者海床的嚴重風險。當在鑽井時碰到淺層氣時，重泥漿被泵送到井中用於井控(wellcontrol)。重泥漿的注入導致壓力聚集在井下且在大多數情況下，壓力可能超過地層壓裂梯度，從而導致地層的水力壓裂裂縫。而且，隨著一些注入的泥漿進入到新產生的裂縫，裂縫可能變得更大。如果大體積的重泥漿被泵送到井中，水力壓裂裂縫可能到達地表或者海床，從而在裝備附近的地表或者海床上產生陷口(crater)或凹陷。在這種情況下，平臺穩定性可能被破壞。而且，到地表或者海床的裂縫裂口可能導致嚴重的環境衝擊。上述情況的風險對於可能具有高概率碰到淺層氣的井和/或當由弱和/或未固結的地層所表徵的超負荷的井來說尤其大。【專利附圖】【附圖說明】[0002]圖1示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的包括鑽井子系統的系統。[0003]圖2示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於確定用於井控操作的操作參數的系統。[0004]圖3示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於確定用於井控操作的操作參數的方法的流程圖。[0005]圖4示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於獲得操作數據的流程圖。[0006]圖5示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於獲得與圍繞井的地層相關的地下(sub-surface)數據的流程圖。[0007]圖6示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於確定在壓井操作期間用於裂縫破裂到地表或海床所需泥漿的體積的方法的流程圖。[0008]圖7A-7B示出了本文公開的一個或者多個實施例的操作數據和地質力學(geomechanical)數據的實例。[0009]圖8A-8C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0010]圖9A-9C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0011]圖10A-10C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0012]圖11A-11C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0013]圖12A-12C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0014]圖13A-13C示出了本文公開的一個或者多個實施例的水力壓裂的地質力學模型和模擬的實例。[0015]圖14示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的操作參數的匯總。[0016]圖15示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於實施水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的系統。【具體實施方式】[0017]本公開的特殊實施例現在將參考附圖來詳細描述。為了一致性，不同圖中的相似元件由相似的附圖標記所表示。[0018]在下文的詳細描述中，為了提供對公開的實施例的更徹底的理解而闡述了眾多的特殊細節。但是，對於本領域技術人員來說明顯的是，沒有那些特殊細節的所公開的實施例也是可實施的。在其它例子中，沒有詳細地描述已知特徵以避免使得討論的實施例的描述模糊不清。[0019]水力壓裂抑制(containment)可用於井控操作、環境保護和淺層氣意外事故規劃和設計。通常，本公開的實施例涉及用於確定井控操作的體積和操作參數的方法和裝置。如本文所使用的，井控操作涉及與將泥漿泵送到井中以防止地層流體(例如，石油和天然氣)進入井筒有關的操作。可以在鑽井時使用井控操作。如本文所使用的，井控操作包括靜態和循環壓井操作。根據本文公開的實施例的用於確定用於井控操作的操作參數的方法和裝置包括在地表套管靴處起始的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析。該建模和分析可以使用與地質力學模型結合的水力壓裂數值模擬器(numericalsimulator)。根據一個或者多個實施例，該方法和裝置提供用於確定在水力壓裂裂縫到達地表或者海床之前可以以給定速率安全地泵送到井中的泥漿體積的範圍。[0020]在一個方面，本文公開的實施例涉及一種設計井控操作的方法。該方法包括獲得與圍繞井的地層有關的地下數據，從而基於該地下數據建立地層的地質力學模型，從而獲得與該井控操作有關的操作數據，在處理器上執行該地層的水力壓裂模擬，其中該模擬基於該操作數據和該地質力學模型，以及確定用於裂縫破裂到地層的上表面所需流體的估計體積。[0021]在另一個方面，本文公開的實施例涉及一種用於設計井控操作的系統。該系統包括處理器、存儲器、地質力學模型生成模塊，該地質力學模型生成模塊被配置為生成圍繞井的地下地層的地質力學模型。該系統進一步包括操作數據生成模塊，其被配置為生成包括用於在處理器上執行壓裂模擬的至少一個輸入參數的操作數據，其中該模擬基於與井控類型有關的操作數據；以及模擬模塊，其被配置為基於該地質力學模型和操作數據執行水力壓裂模擬，其中該模擬模塊被配置為確定用於裂縫破裂到該地下地層的上表面所需流體的估計體積。[0022]在特定實施例中，本公開的實施例涉及用於為淺裂縫提供水力壓裂容積保證驗證的方法和裝置。特別地，當對地表套管下部分進行鑽井時碰到淺層氣時，重泥漿被泵送到井中用於井控，其可能導致在地表套管靴處的水力壓裂裂縫的開始。由於地表套管被設定在較淺的深度，即在海床或者陸地地下大約500m-600m，存在著裂縫可能擴展到海床或者陸地地表的風險。因此，本公開提供方法和裝置用以建模和模擬淺水力壓裂裂縫擴展，確定或者估計泥漿體積，當泵送到井下用於井控時，引起水力壓裂裂縫破裂到海床或者地表，且確定或者估計待泵送到井下用於井控的泥漿的最大體積，其保證操作員:海床或者地表將不會破裂(例如，通過將安全因子應用到引起裂縫破裂到海床/地表的確定的體積)。[0023]圖1示出了根據本公開的一個或者多個實施例的系統。該系統包括鑽井子系統101，其用於在地層105中鑽井103。由鑽井液109(常稱為泥漿)進一步便於鑽井和井控，該鑽井液109可以潤滑鑽頭121、以及將靜水壓力提供給井控或者壓井操作。在井控操作的一個實例中，流體109可以被向下泵送到鑽柱111且允許通過環形域113循環回去，例如在循環壓井操作期間。在井控操作的另一個實例中，例如在靜態壓井操作(未示出)期間，流體109可以被向下泵送到鑽柱111和環形域113兩者。如本文所使用的，環形域113指的是鑽柱111與套管115之間的空間以及開口井眼117與鑽柱111之間的環形空間。[0024]套管段115a和115b用於確保井孔和圍繞的地層的結構完整性。根據本公開的一個或者多個實施例，由於鑽井液109的增加的當量循環密度(equivalentcirculatingdensity)和增加的靜水壓力，井控操作可能導致在套管靴123處的水力壓裂裂縫119a的開始。裂縫119a的尺寸和形狀取決於井下生成的壓力、注入的體積、地層105的地球物理(geophysical)特性和注入泥漿的特性。例如，在套管靴處裂縫開始之後泥漿連續泵送到井中可能導致裂縫尺寸的增加，由裂縫輪廓119a_119e示出，直到在某一閾值壓力處，裂縫破裂到地表或者海床125。[0025]根據一個或者多個實施例，鑽井子系統101與傳感器、鑽井設備(例如，泵、電機、壓縮機)、以及在鑽井期間用於控制流體和/或直接鑽頭121的其它元件。通常而言，與其它開採操作一起使用的鑽井操作在本文中成為野外操作(fieldoperat1n)。這些野外操作可以直接由如下文更加詳細描述的地表模塊(未示出)來執行。根據本公開的一個或者多個實施例，地表模塊可以包括水力壓裂數值模擬器，其建模和分析來自地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展，或者地表模塊可以與水力壓裂數值模擬器一起使用。根據本文公開的實施例的水力壓裂數值模擬器可以在鑽井開始之前用於設計壓井操作。根據一個或者多個實施例，井控操作由將一定體積的泥漿泵送到井中來實施，其中泵送的該體積泥漿落在由水力壓裂模擬器計算的泥漿體積的閾值範圍之下。因此，可以在水力壓裂裂縫到達地表或者海床的減小的風險情況下，安全控制該井。[0026]圖2示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於確定用於井控操作的操作參數的系統200，該井控操作包括建模和分析來自地表套管靴的水力壓裂裂縫的擴展。在一個或者多個實施例中，可以省略、重複和/或代替圖2中示出的一個或者多個模塊和元件。因此，用於確定用於井控操作的操作參數的系統200的實施例不應被視為受限於圖2示出的模塊的特定布置。[0027]如圖2所示，系統200可以包括地表模塊201、水力壓裂模擬器203、地質力學模型生成模塊205、操作數據生成模塊207、顯示器209、以及操作/地下數據儲存庫(repository)2110根據一個或者多個實施例，地表模塊211、水力壓裂模擬器203、地質力學模型生成模塊205、操作數據生成模塊207、顯示器209、以及操作/地下數據儲存庫211可以由本領域中已知的任何裝置操作和/或通信地連接。因此，每一個組件可以發送、接收或者以其它方式與每一個其它組件交換數據。在下文中更加詳細地描述這些元件中的每一個。[0028]根據本公開的一個或者多個實施例，地表模塊201可以用於與工具(例如，鑽井裝備)和/或裝置外(OfTsite)操作(未示出)通信。例如，地表模塊201用於發送和接收數據，用於發送指令到井下，用於控制工具，且還可以接收由傳感器(未示出)和/或其它數據收集源收集的數據來用於分析和其它處理。由地表模塊接收的數據可以隨後存儲在操作/地下數據儲存庫211中，或者從操作/地下數據儲存庫211發送，該操作/地下數據儲存庫211可以是任何類型的用於存儲數據的存儲模塊和/或裝置(例如，文件系統、資料庫、採集表(collect1noftable)、或者任何其它的存儲機構)。而且，由水力壓裂模擬器203生成的，和/或存儲在操作地下數據儲存庫211中的數據可以由地表模塊201使用，以更改鑽井或者井控操作的物理操作和參數。[0029]在一個或者多個實施例中，地表模塊201可以操作地耦合到油田中的井(例如，圖1所示的井103)以及其它井。具體地，地表模塊201被配置為與油田的一個或者多個元件(例如，傳感器、鑽井設備等)通信，用以發送命令到油田的元件和從其中接收數據。例如，在井湧之後的控井努力中，基於由地表模塊201發送的命令，可以將鑽井和井控設配(例如，泵)用於將鑽井液注入到環行體中和/或可以調整鑽柱以緩和或者控制淺層氣流入井孔中。在一個或者多個實施例中，由地表模塊201發送到鑽井和井控設備的命令是基於由系統執行的水力壓裂模擬所生成的一個或者多個操作參數，用於確定用於上文描述的井控操作的操作參數。具體地，鑽井和井控設備的不同狀態(例如，泵送率以及泵送到井中的總流體體積)可以由模擬程序生成的操作參數來調整，從而調整油田中的井控操作。[0030]地表模塊201可以位於油田(未示出)或者遠程位置處。地表模塊201可以提供有計算機設備，用於接收、存儲、處理和/或分析來自油田的元件的數據。地表模塊201還可以提供有用於驅動油田處的元件的功能。響應於接收的數據，然後地表模塊201可以發送命令信號到油田，例如，用以緩和或者控制淺層氣流動進入環形域。[0031]系統200進一步包括操作數據模塊207。操作數據模塊207生成、接收、和/或處理與井控操作有關的操作數據。操作數據可以從，例如操作/地下數據儲存庫211傳送，或者可以直接從井操作員處獲得。根據本文公開的一個或者多個實施例，操作數據可以由用戶輸入到操作數據模塊207中或者可以基於來自用戶的請求而從操作/地下數據儲存庫211傳送。例如，操作數據可以包括流體流變特性(流體密度、流體粘度、流體屈服點等)、套管特性(套管尺寸、破裂和倒塌壓力、套管段深度等)、以及使用在井控操作中的流體泵送速率的期望範圍。本領域技術人員將理解，與井控操作有關的任何已知操作參數可以由操作數據模塊207生成、接收和/或處理。[0032]系統200進一步包括操作地質力學模型生成模塊205。根據一個或者多個實施例，地質力學模型生成模塊205可以接收地下數據(例如，從測井儀器、隨鑽測量/隨鑽測井儀器、井測結果等)，其與圍繞井的地層相關且基於接收的地下數據來處理此數據以生成地質力學模型。地下數據可以從，例如操作/地下數據儲存庫211傳送到地質力學模型生成模塊205，或者可以直接從井操作員處獲得。根據本文公開的一個或者多個實施例，地下數據可以由用戶輸入到地質力學模型生成模塊205中或者可以基於來自用戶的請求而從操作/地下數據儲存庫211傳送。用於生成地質力學模型的地下數據可以包括地層巖相層序、孔隙壓力數據、裂縫梯度數據、漏失測試數據、地層完整性測試數據、區域構造學、地質力學數據/應力狀態以及可以幫助地質力學模型研發的其它常規巖石特性。而且，根據一個或者多個實施例，地質力學模型生成模塊可以基於地下數據計算地層特徵，且這些計算的地層特徵可以進一步幫助地質力學模型的研發。例如，現場(insitu)應力方向(水平或者垂直)、裂縫擴展平面、或者現場應力分布可以基於地下數據來計算。[0033]系統200進一步包括水力壓裂模擬器203，其可以使用來自地質力學模型生成模塊205和操作數據生成模塊207的上述操作數據和地質力學模型，用以模擬水力壓裂裂縫生成和通過地層的擴展。在一個實施例中，地質力學水力壓裂模型用於計算用以引起裂縫破裂到地表或者海床所需流體的體積範圍。在一個實施例中，水力壓裂可以使用下述系統，例如，TerrFRAC?(TerraFRAC是Schlumberger公司的TerraTEK的商標)來模擬。水力壓裂數值模擬器使用地層巖相層序、孔隙壓力數據、裂縫梯度數據、漏失測試數據、地層完整性測試數據、區域構造學、地質力學數據/應力狀態、以及在地質力學模型中用以運行水力壓裂模擬的其它常規的巖石特性。取決於這些特性和注入參數的不同組合，水力壓裂模擬在地層中提供了水力壓裂裂縫的擴大(例如，高度、長度和寬度)。本領域技術人員將理解，可以使用任何類型的數值壓裂模擬，且因此本公開不受限於使用在TerraFRAC?軟體包之內的技術、模型和方法。其它可商購的水力壓裂模擬器包括，例如Schlumberger(Houston,TX)的FracCADE?、以及MeyerandAssociates有限公司(NatronaHeights,PA)的MFRAC?。模型可以包括數值建模、二維建模、三維建模、以及可以模擬井控操作期間的裂縫生長。[0034]系統200進一步包括顯示器209，用於為用戶提供數據可視化和解釋。因此，操作數據模塊207、地質力學模型生成模塊205、以及水力壓裂模擬器203可以將數據處理成允許用戶觀察和與數據進行交互的形式。根據本公開的一個或者多個實施例，顯示器209可以包括圖形用戶界面(GUI)，用於與用戶進行交互。Gn可以包括探測來自用戶命令和因此更新數據的功能。例如，在本公開的一個或者多個實施例中，GUI包括接收對應於操作數據和/或地下數據的一組數據的功能。進一步地，在本公開的一個或者多個實施例中，GUI可以包括各種用戶界面組件，例如按鈕、檢查框、下拉菜單等。因此，根據本公開的一個或者多個實施例，具有最小型計算機和/或與水力壓裂模擬的細節有關的專門知識的用戶可以分析由該系統表示的結果用於確定用於井控操作的操作參數。而且，顯示器209可以是監視器(例如，陰極射線管、液晶顯示器、觸屏監視器等)或者能夠顯示數據的任何其它的物體。[0035]本領域技術人員將理解，上述的組件是邏輯組件，即軟體和/或硬體組件的邏輯組以及執行上述功能的工具。另外，本領域技術人員將理解，單獨組件之內的單獨軟體和/或硬體工具不必須彼此連接。此外，雖然圖2中示出的不同組件之間的相互作用對應於從一個組件向另一個組件傳送信息，但是並不需要單個組件彼此物理連接。當然，數據可以從一個組件傳送到另一個組件，例如通過使用戶獲得由一個組件產生的列印輸出數據且將相關信息經由與那個組件有關聯的界面鍵入到另一個組件中。另外，關於系統內的給定組件的物理接近(physicalproximity)不存在約束。[0036]圖3示出了根據本公開的一個實施例的流程圖。更具體地，圖3示出了用於確定用於井控操作的操作參數的方法。在步驟301中，獲得地下數據。如上文所描述的，地下數據可以經由從操作/地下數據儲存庫211傳送的數據來獲得，或者可以直接從井操作員/意外事故規劃員處直接獲得。直接從井操作員/意外事故規劃員處獲得的數據可以直接由用戶輸入或者根據本領域已知的任何數據傳送方法從遠程存儲位置處傳送。如上文所述，地下數據可以包括地層巖相層序、淺孔隙壓力數據、裂縫梯度數據、漏失測試數據、地層完整性測試數據、區域地質力學數據/應力狀態、以及可以幫助地質力學模型研發的其它常規巖石特性。[0037]在步驟303中，地下數據用於建立圍繞井眼的地層的地質力學模型。根據本文公開的一個或者多個實施例，地質力學模型是由可以存儲在操作/地表數據儲存庫211中的數據、地質力學模型生成模塊205中的數據、或者可以根據本領域已知的數據存儲方法的遠程存儲的數據所表示的數值模型。地質力學模型本身可以基於地下數據由地質力學模型生成模塊205生成。使用在根據本文公開的實施例中的地質力學模型的實例在圖8-13中更加詳細地示出。[0038]在步驟305中，獲得操作數據。操作數據可以例如通過從操作/地下數據儲存庫211傳送的數據獲得，或者可以直接從井操作員/意外事故規劃員處獲得。直接從井操作員/意外事故規劃員處獲得的數據可以直接由用戶輸入，或者根據本領域已知的任何數據傳送方法從遠程存儲位置處傳送。根據本文公開的一個或者多個實施例，操作數據可以由用戶輸入到操作數據模塊207中，或者可以基於來自用戶的請求而從操作/地下數據儲存庫211傳送。如上文所述，操作數據涉及鑽井或者井控操作的細節且可以包括泥漿特性(例如，泥漿堆積、泥漿密度)、套管特性(例如，套管尺寸和段深度)、以及使用在井控操作中的泥漿的泵送速率的期望範圍。使用在根據本文公開的實施例中的操作數據實例在下文中參考圖8-13更加詳細地討論。[0039]在步驟307中，地質力學模型和操作參數輸入到水力壓裂模擬器中且執行水力壓裂模擬。該水力壓裂模擬產生模擬的水力壓裂，如在下文中更加詳細描述的圖8-13中所不。在一個實施例中，可以使用TerrFARC?(TerraFRAC是Schlumberger公司的TerraTEK的商標)軟體平臺來數值模擬水力壓裂。[0040]在步驟309中，檢查模擬的裂縫以確定該裂縫是否到達地表或者海床。如果裂縫沒有到達海床，該方法返回到步驟305，在此獲得新的操作數據。例如，新的操作數據可以包括新的流體體積和/或待泵送到井中的新的泵送速率以及用於前一個迭代過程的相同速率。可選地，如果在步驟309處確定裂縫已經到達地表或者海床，該方法進行到步驟311處，在此輸出操作參數。例如，除了與裂縫的物理尺寸和形狀有關的數據之外，可以輸出流動速率和泵送到井中的總體積。[0041]在步驟313處，如果確定需要另一個模擬，該方法返回到步驟301處。在步驟301處，獲得新的地下數據且該方法仍然進行。通過對該方法的每一次迭代改變地下數據，該方法可以用於產生導致裂縫破裂到地表或者海床的操作參數的估計範圍。基於與被模擬的實際地下地層有關的知識的缺乏，地下數據的範圍可能反映出不確定性。[0042]在步驟315中，確定控制體積。如本文所使用的，控制體積是表示在井控操作(例如，循環或者靜態壓井操作)期間待泵送到井中的流體體積的操作參數，其導致泵送流體將造成裂縫破裂到地表或者海床的低風險。因此，可以將控制體積計算為總體積，其低於導致裂縫破裂到地表或者海床的估計的體積範圍。根據本文公開的一個或者多個實施例，控制體積可以通過使用與導致裂縫破裂到地表或者海床的估計的流體體積範圍一起使用的安全因子來確定。因此，根據本文公開的實施例，控制體積可以通過在所確定的體積的範圍內的體積分別乘以或者除以小於I或者大於I的安全因子來確定。[0043]圖4示出了根據本公開的一個或者多個實施例的流程圖。更具體地，圖4示出了與圖3的步驟305有關的附加細節，其用於獲得用於隨後用在確定井控操作的操作參數的方法中的操作數據。在步驟401中，獲得涉及井控或者壓井操作的操作參數。步驟401可以進一步再分割成為步驟401a-401d，其中在步驟401a處，選擇井控類型(例如，循環或者靜態壓井操作)，在步驟401b處，選擇泥漿流變特性(例如，泥漿密度、泥漿粘度、泥漿屈服點等)，在步驟401c處，獲得泥漿泵送速率的期望範圍，以及在步驟401d處，獲得井套管數據(例如，套管段深度、厚度、破裂和倒塌壓力等)。在步驟403中，基於所獲得的操作參數來初始化一組模擬操作變量。在步驟405中，基於包括泵送速率和注入體積的該組模擬操作變量來啟動水力壓裂模擬。[0044]圖5示出了根據本公開的一個或者多個實施例的流程圖。更具體地，圖5示出了與圖3的步驟301-303有關的附加細節，用於獲得用於隨後用在確定井控操作的操作參數的方法中與圍繞井的地層有關的地下數據。在步驟501中，獲得地下數據。步驟501可以進一步再分割成步驟501a-501d，其中在步驟501a處，獲得地層巖相層序，在步驟501b處，獲得淺孔隙壓力和/或裂縫梯度數據，在步驟501c處，獲得來自漏失測試和/或地層完整性測試的數據，在步驟501d處，獲得區域地質力學/應力狀態數據，以及在步驟501e處，獲得巖石特性數據。不同類型的地下數據的實例在圖7A、8A、9A、10A、11A、12A以及13A中示出。[0045]在步驟503中，可以基於地下數據計算額外的地層特徵。例如，可以基於地下數據計算現場垂直和水平應力分布。本領域技術人員將理解，垂直現場應力或者超負荷可以通過地層深度乘以地層巖石密度、且加上在特殊地層之上的所有地層上的負載來計算。換句話說，垂直現場應力或者超負荷是來自上述作用在特殊下面地層上的總負載。水平最小和最大應力可以使用泊松比(P1ssn’srat1)、孔隙壓力、垂直應力以及畢奧常數(B1t’sconstant)來計算。如果地層位於構造活性區域(tectonicallyactivearea)上,楊氏模量(Young’smodulus)和構造最大和最小應變也可以用於水平應力計算。[0046]在步驟505中，裂縫擴展方向定義為地下地層和應力狀態(例如，垂直裂縫或水平裂縫)的研究結果。在步驟507中，基於可提供的地下數據、額外的地層特徵、以及擴展方向來確定地質力學模型。在步驟509中，基於地質力學模型來啟動水力壓裂模擬。[0047]圖6示出了根據本公開的一個或者多個實施例的流程圖。更具體地，圖6示出了根據本文公開的一個或者多個實施例的用於確定在壓井操作期間用於裂縫破裂到地表或海床所需泥漿的體積的方法。在步驟601a和601b中，分別獲得操作數據和地下數據。操作數據和地下數據可以從例如操作/地下數據儲存庫211傳送，或者可以直接從井操作員處獲得。根據本文公開的一個或者多個實施例，操作和地下數據可以由用戶輸入到操作數據模塊207中，或者可以基於來自用戶的請求而從操作/地下數據儲存庫211傳送。[0048]根據一個或者多個實施例，操作數據可以包括壓井類型(例如，具有或者不具有循環)、泥漿特性、套管深度、以及期望泥漿泵送速率範圍。根據一個或者多個實施例，地下數據可以包括巖性地層學、淺孔隙壓力、裂縫梯度數據、漏失測試(LOT)和地層完整性測試(FIT)數據、區域地質力學數據(例如，應力狀態、以及巖石特性)。地下和操作數據的實例在下文中參考圖7-14更加詳細地描述。[0049]在步驟603中，基於操作數據定義操作變量。例如，注入深度被定義為最深套管靴的深度，流體注入速率範圍被定義為例如期望泵送速率範圍的100%到10%，並且定義注入流體特性。[0050]在步驟605中，基於地下數據來識別最小現場應力(水平或者垂直)和/或最小現場應力分布。在步驟607中，建立一個或者多個地質力學模型。在步驟609中，識別裂縫的擴展方向(例如，垂直或者水平)。在步驟611中，初始化模擬軟體。模擬軟體可以使用本領域已知的任何模擬方法，例如由TerraFRAC?軟體平臺使用的例如平面3D有限元模擬方法。在步驟613中，基於操作數據和地質力學模型來模擬裂縫擴展。在步驟615中，分析裂縫生長圖案，例如用以確定裂縫是否已經到達海床或者地表。在步驟617中，確定用於裂縫破裂到地表或者海床所需泥漿的體積範圍。[0051]在步驟619中，可以確定壓井體積。如本文所使用的，壓井體積是表示待泵送到井中以安全壓井(即沒有引起裂縫破裂到地表或者海床)的泥漿體積的操作參數。可以將壓井體積計算為泥漿的總體積，其低於導致裂縫破裂到地表或者海床的估計的體積範圍。根據本公開的一個或者多個實施例，可以通過與用於裂縫破裂到地表或者海床所需的計算的泥漿體積一起使用安全因子來確定壓井體積。因此，根據本文公開的實施例，壓井體積可以通過用於裂縫破裂到地表或者海床所需的泥漿體積分別乘以或者除以小於I或大於I的安全因子來確定。[0052]圖7-14示出了根據本文公開一個或者多個實施例的來自表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的結果。更具體地，圖7-14示出了在具有不同地質力學模型和/或不同操作參數的6個不同實例情形下的建模和分析結果的匯總。在圖7-14中匯總的結果是在已經被確定為導致破裂到水力壓裂裂縫的地表或者海床的操作條件下運行水力壓裂模擬的結果。在下文中更加詳細地描述每一種情形。在圖7-14中示出的每一種情形是對於在井的套管靴處起始的水力壓裂裂縫。這些模擬的目的是定義將導致水力壓裂裂縫破裂到海床的泥漿注入體積。使用集成了全部3DTerraFRAC?水力壓裂模擬器軟體的M-1SffACOWIToolbox來運行模擬。而且，對於所有模擬，將垂直20英寸套管設置在旋轉臺下683m的真正垂直深度(TVDBRT)處。側鑽1772英寸井孔從鞋與1350mTVDBRT之下20m的開始造斜點(KOP)處鑽井。而且，在683m和1359m之間的間隔是開口井。此模擬使用靜態井控操作，且因此閥是關閉的(沒有循環和返回)，且1.46SG泥漿被泵送到封閉系統中。由於壓力增加，而生成裂縫，且泥漿流動通過該裂縫進入地層。[0053]使用在實例模擬中用以表徵泥漿的操作參數包括泵送速率、泥漿重力(MW)、泥漿塑性粘度(PV)、屈服點(YP)、冪次定律模型係數η和K、以及粘度。用於地下和操作參數的數值的實例分別在圖7Α和7Β中示出。根據本文公開的一個或者多個實施例，輸入地質技術(geotechnical)數據、注入流體參數以及注入速率由客戶提供。此外，客戶可以提供孔隙壓力/裂縫梯度(PPFG)數據。使用此數據，對每一層所計算的應力可以用作最小水平應力οΜη輸入。孔隙壓力還可以使用PPFG數據來設定。[0054]對於在下文圖8-14中表示的模擬結果，根據巖石層位學，地質力學模型包括四層:從173mTVDRT到366TVDRT的地層I，從366mTVDRT到472mTVDRT的地層II，從472mTVDRT到683mTVDRT的地層III以及從683mTVDRT到1350mTVDRT的地層IV。[0055]執行壓裂模擬，直到裂縫靠近海床為止。為了質量控制而停止模擬的進一步運行，因為在非常淺的深度處，計算可能變得不穩定。朝向海床的增加的裂縫寬度表明了裂縫破裂情況。[0056]圖8A匯總了用於情形I的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。泥漿泵送速率被設定為42bpm。地質力學模型包括層1-4。圖8A匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖8A所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中被給定。圖8B示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間151.60分和總泥漿體積6367bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:234.2m;高度向上生長:438.0m;且高度向下生長:123.2m。不同注入體積處的裂縫輪廓在圖8C中示出。[0057]圖9B匯總了用於情形2的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。泥漿泵送速率被設定為42bpm。地質力學模型包括層1-4。圖9A匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖9A所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中給定。圖9B示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間139.5分和總泥漿體積5859bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:238.0m;高度向上生長:438.0m;高度向下生長:96.7m。不同注入體積處的裂縫輪廓在圖9C中示出。[0058]圖1OA匯總了用於情形3的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。泥漿泵送速率被設定為42bpm。地質力學模型包括層1-4。圖1OA匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖1OA所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和在泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中被給定。圖1OB示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間71.43分和總泥漿體積3001bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:144.9m;高度向上生長:451.4m;且高度向下生長:90.0m。在不同注入體積處的裂縫輪廓在圖1OC中示出。[0059]圖1lA匯總了用於情形4的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。泥漿泵送速率被設定為42bpm。地質力學模型包括層1-4。圖1lA匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖1lA所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和在泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中被給定。圖1lB示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間83.34分和總泥漿體積3501bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:136.Sm;高度向上生長:438.9m;且高度向下生長:55.0m。在不同注入體積處的裂縫輪廓在圖1lC中示出。[0060]圖12B匯總了用於情形5的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。泥漿泵送速率被設定為42bpm。地質力學模型包括層1-4。圖12A匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖12A所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中被給定。圖12B示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間76.19分和總泥漿體積3201bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:146.1m;高度向上生長:434.4m;且高度向下生長:123.9m。在不同注入體積處的裂縫輪廓在圖12C中示出。[0061]圖13A匯總了使用17bpm泵送速率、用於情形3的建模和分析的輸入的地質力學模型。泥漿參數與圖7B中示出的相同。地質力學模型包括層1-4。圖13A匯總了每一層的頂部和底部位置、每一層的地層類型、每一層的巖性學、每一層的孔隙壓力梯度、每一層的孔隙壓力、每一層的裂縫梯度、每一層的最小水平應力、每一層的楊氏模量、每一層的斷裂韌性、每一層的泊松比、以及每一層的漏失。如圖13A所示，每一層的頂部和底部位置在TVDBRT和泥漿線下的真正垂直深度(TVDBML)兩者中給定。圖13B示出了根據一個或者多個實施例的裂縫輪廓圖。對於在此模擬中選擇的參數，裂縫破裂到地表/海床發生在時間294.1分和總泥漿體積5001bbl處。最大裂縫尺寸如下:半長度:225.8m;高度向上生長:482.5m;且高度向下生長:117.6m。在不同注入體積處的裂縫輪廓在圖13C中示出。[0062]圖14示出了用於情形1-6的用於裂縫破裂到地表或者海床所需的計算的注入流體體積的匯總。圖14還示出了地下數據，其被選擇且對於實例情形1-6中的每一個變化。情形6與情形3在所有方面都相同除了泥漿泵送速率，其被設定為17bpm。根據一個或者多個實施例，導致裂縫破裂到海床的注入流體體積的範圍可以通過核查由模擬產生的用於裂縫破裂到海床所需的注入流體體積的範圍來確定。因此，對於上文模擬的井和地層，導致裂縫破裂到海床的體積範圍是3000bbl到6400bbl。因此，在以42bpm將泥漿注入到井中的井控操作期間，模擬預測出裂縫破裂到海床可能在總注入體積在3000到6400bbl的範圍中發生。因此，根據一個或者多個實施例可以安全控制井，通過將注入泥漿體積保持在由系統用於確定用於井控操作的操作參數所預測的泥漿體積的範圍之下而減少水力壓裂裂縫將到達地表或者海床的風險。在一些實施例中，可以應用安全因子，來提供待用於井控的最大體積。[0063]用於從地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的方法和系統可以實際上在任何類型的計算機上實施而無論使用何種平臺。例如，如圖15中所示，網絡計算機系統(1500)包括處理器(1502)、相關聯的存儲器(1504)、存儲裝置(1506)、以及眾多其它的目前計算機典型的元件和功能。網絡計算機(1500)還可以包括輸入裝置(例如鍵盤(1508)和滑鼠(1510))以及輸出裝置(例如監視器(1512))。網絡計算機系統(1500)經由網絡接口連接(未示出)而連接到區域網(LAN)或廣域網(例如，網際網路)。本領域技術人員將理解，這些輸入和輸出裝置可以採取其它形式。另外，本領域技術人員將理解，上述計算機(1500)的一個或者多個元件可以位於遠程位置處且通過網絡或者衛星連接到其它元件。[0064]計算機可讀介質可以包括軟體指令，該軟體指令在由處理器執行時，所執行的方法包括:與至少一個油田元件通信，包括發送命令和接收地層的地下數據；處理與井控操作有關的操作數據；基於所接收的地下數據生成地質力學模型；基於操作數據和地質力學模型來模擬水力壓裂裂縫的生成和水力壓裂裂縫通過地層的擴展；以及確定水力壓裂裂縫是否到達地層的上表面。例如，可以將命令發送到井控設備以將鑽井泥漿注入到井的環形域中和/或發送到鑽井設備以調整鑽柱操作。該方法可以進一步包括當確定水力壓裂裂縫到達地層的上表面時輸出泵送到井中的流體的估計體積。該方法可以進一步包括可視化地顯示模擬的水力壓裂。該方法還可以包括當水力壓裂裂縫沒有到達地層的上表面時處理新的操作數據。[0065]井控操作可以包括循環流體井控操作和靜態井控操作中的至少一個。處理與井控操作有關的操作數據可以包括基於井控類型、流體數據、以及井套管數據中的至少一個來定義一組模擬參數。生成地質力學模型可以包括基於地下數據來確定地層特徵。這樣的地層特徵可以包括地層的現場應力數據和地層的最小現場應力分布中的一個或者多個。還可以確定水力壓裂裂縫的高度、寬度、以及長度和識別裂縫擴展的方向。[0066]根據本文公開的一個或者多個實施例，用於從地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模及分析的方法和裝置可以為井意外事故規劃員提供水力壓裂裂縫容積保證，該規劃員在鑽井開始前在具有由弱的和未固結的地層所表徵的超負荷的地層內規劃壓井操作，且在地層處，碰到淺層氣的風險可能特別高。[0067]根據本文公開的一個或者多個實施例，用於從地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的方法和裝置提供用於確定在水力壓裂裂縫到達地表或者海床之前可以以給定速率安全地泵送到井中的泥漿體積的範圍。因此，該方法和裝置提供了一種通過從地表套管靴的淺水力壓裂裂縫擴展的數值建模來用於水力壓裂裂縫容積保證驗證的方法。[0068]根據本文公開的一個或者多個實施例，用於從地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的方法和裝置提供給客戶能夠在需要壓井時以給定速率安全泵送到井中的泥漿的體積範圍的容積保證。根據本文公開的實施例的從地表套管靴的水力壓裂裂縫擴展的建模和分析的實施方式增加了井控操作(例如，靜態或者循環壓井操作)的安全保證，且將輸入添加到淺層氣意外事故規划過程中。[0069]雖然上文中只詳細描述了少數的實例性實施例，但對於本領域技術人員來說將很容易理解，在實質上不背離所公開實施例的範圍的情況下，在實例性實施例中很多修改均是可能的。因此，所有這種修改旨被包括在本公開的範圍內。在權利要求書中，裝置-加-功能的分句旨在覆蓋本文中描述的結構為執行所述功能，而不僅是結構上的等價體，也是等同的結構。因此，雖然釘子和螺釘可能不是結構上的等價體，但是因為釘子採用圓柱的表面將木製部件固定在一起；而螺釘採用螺旋的表面；在緊固木製部件的環境中，釘子和螺釘可以是等同的結構。除了在權利要求中與相關功能一起使用了詞語「裝置用於」表述的情況夕卜，申請人:的表述旨在不援引35U.S.C§112，段落6來對本文任何權利要求進行任何限制。【權利要求】1.一種方法，包括:獲得與圍繞井的地層有關的地下數據；基於所述地下數據建立所述地層的地質力學模型；獲得與井控操作有關的操作數據；在處理器上執行所述地層的水力壓裂模擬，其中所述模擬基於所述操作數據和所述地質力學模型；以及確定用於裂縫破裂到所述地層的上表面所需的流體的估計體積。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述地下數據包括:巖石層位學數據；地質學測試數據；以及區域地質力學數據。3.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述操作數據包括:井控操作的類型；與用於所述控制操作的流體特性有關的流體數據；流體泵送速率的期望範圍；以及與待控制的井的套管有關的井套管數據。4.根據權利要求3所述的方法，其中所述井控操作的類型是選自由循環流體井控操作和靜態井控操作組成的組中的一個。5.根據權利要求3或4所述的方法，其中獲得所述操作參數進一步包括基於井控的類型、流體數據、以及井套管數據中的至少一個來定義一組模擬參數。6.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中建立所述地質力學模型進一步包括:基於所述地下數據來計算地層特徵。7.根據權利要求6所述的方法，其中所述地層特徵包括選自由所述地層的現場應力數據集和所述地層的最小現場應力分布組成的組中的至少一個。8.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括識別裂縫擴展方向。9.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括基於所述地下數據開始所述模擬。10.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括使用一定量的流體來控制所述井，所述一定量少於所述裂縫破裂到地層的上表面所需的流體的所述估計體積。11.一種系統,包括:處理器；存儲器；地質力學模型生成模塊，其被配置為生成圍繞井的地下地層的地質力學模型；操作數據生成模塊，其被配置為生成與井控類型有關的操作數據，且包括用於在所述處理器上執行的水力壓裂模擬的至少一個輸入參數；以及模擬模塊，其被配置為基於所述地質力學模型和所述操作數據來執行所述水力壓裂模擬，其中所述模擬模塊被配置為確定用於裂縫破裂到所述地下地層的上表面所需的流體體積的估計範圍。12.根據權利要求11所述的系統，進一步包括地表模塊，其被配置為基於所述裂縫破裂到地層的上表面所需的流體體積的所述估計範圍來執行井控操作。13.根據權利要求12所述的系統，其中所述地表模塊被配置為從油田元件接收地下數據。14.根據權利要求11所述的系統，進一步包括數據儲存庫，所述數據儲存庫連結到地質力學模型生成模塊、操作數據生成模塊、以及所述模擬模塊中的至少一個，且被配置為接收、存儲和發送操作數據和地下數據中的至少一個。15.一種包括軟體指令的計算機可讀介質，所述軟體指令在由處理器執行時，執行一種方法，所述方法包括:與至少一個油田元件通信，包括發送命令和接收地層的地下數據；處理與井控操作有關的操作數據；基於所接收的地下數據來生成地質力學模型；基於所述操作數據和所述地質力學模型來模擬水力壓裂裂縫的產生和所述水力壓裂裂縫通過地層的擴展；以及確定所述水力壓裂裂縫是否到達地層的上表面。16.根據權利要求15所述的計算機可讀介質，其中所述發送命令包括發送命令到井控設配以將鑽井液注入到井的環形域中。17.根據權利要求15所述的計算機可讀介質，其中所述發送命令包括發送命令到鑽井設備以調整鑽柱操作。18.根據權利要求15所述的包括軟體指令的計算機可讀介質，所述軟體指令在由所述處理器執行時，執行的所述方法進一步包括:當確定所述水力壓裂裂縫到達所述地層的上表面時，輸出泵送到井中的流體的估計體積。19.根據權利要求15所述的包括軟體指令的計算機可讀介質，所述軟體指令在由所述處理器執行時，執行的所述方法進一步包括:可視化地顯示模擬的水力壓裂裂縫。20.根據權利要求15所述的包括軟體指令的計算機可讀介質，所述軟體指令在由處理器執行時，執行的所述方法進一步包括:當所述水力壓裂裂縫沒有到達地層的所述上表面時處理新的操作數據。【文檔編號】E21B47/08GK104204407SQ201380016544【公開日】2014年12月10日申請日期:2013年2月6日優先權日:2012年2月6日【發明者】S·古馬羅夫,T·A·史卡諾夫,J·R·尤德羅斯,K·辛普森,V·V·阿諾欣,S·貝內爾卡迪申請人:M-I有限公司