用來在鑽探期間確定地層完整性和最佳鑽探參數的方法
2023-06-25 01:30:11
專利名稱：用來在鑽探期間確定地層完整性和最佳鑽探參數的方法
技術領域：
總體而言，本發明涉及穿過地下巖層鑽井的領域。更具體地說，本發明涉及用來在鑽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測量來確定地層完整性和最佳鑽探操作參數的方法。
背景技術：
從地下巖層中勘探油氣和油氣的生產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。井孔使用鑽具鑽探。按其最簡單形式，鑽具是用來支撐鑽頭的裝置，該鑽頭安裝在稱作「鑽杆組」的管子的端部上。鑽杆組典型地由鑽杆節或類似管狀段形成，這些鑽杆節或類似管狀段用螺紋端對端地連接。鑽杆組在地面處由鑽具結構沿縱向支撐，並且可以由與鑽具相聯接的裝置轉動，這些裝置如頂部驅動、或凱利(kelly)/凱利方鑽杆組件。由基礎流體-典型地水或油、和各種添加劑組成的鑽探流體沿在鑽杆組中的中央開口向下泵送。流體穿過在轉動鑽頭的本體中的開口離開鑽杆組， 這些開口叫做「噴口 」。鑽探流體然後在井孔壁與鑽杆組之間形成的環形空間中向地面循環返回，將巖屑從鑽頭處帶走，以便清理井孔。鑽探流體的組成還使得由鑽探流體施加的流體壓力典型地大於周圍地層流體壓力，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。在本技術領域中已知的是，由鑽探流體施加的實際壓力(「流體動力學壓力」)與其以上解釋的組成、其流變性能-如粘度、及鑽探流體穿過鑽杆組運動到井孔中的速率有關。在本技術領域中也已知的是，通過對於鑽探流體從井孔穿過環形空間的排出的適當控制，有可能在鑽杆組與井孔壁之間的環形空間中，施加超過靜壓力和動壓力一個選定量的壓力。已經開發出被稱為「動態環形壓力控制」(Dynamic Annular Pressure Control, DAPC)系統的多種鑽探系統，這些系統進行上述的流體排出控制。一種這樣的系統公開在例如美國專利No. 6，904，981中，該美國專利頒發給van Riet，並且轉讓給本發明的受讓人。 在『981專利中公開的DAPC系統包括流體背壓系統，在該流體背壓系統中，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，並且將流體沿鑽探流體返回系統向下泵送，以在當關閉泥漿泵(並且沒有泥漿被泵送過鑽杆組)時的時間期間維持環隙壓力。 進一步提供壓力監視系統，以監視探測的井孔壓力、用於進一步鑽探的模型期望井孔壓力， 並且控制流體背壓系統。美國專利No. 7，395，878描述了一種不同形式的DAPC系統，該美國專利頒發給Reitsma等人，並且轉讓給本發明的受讓人。鑽探流體的組成、和當使用時對於流體排出的補充控制-例如通過使用DAPC系統，用於在鑽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，從而井孔在繼續鑽探操作期間保持力學穩定，並且從而暴露的巖層在鑽探操作期間不會因液壓而斷裂。具體地說，DAPC系統在鑽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鑽探流體。如在以上提到的各專利中所解釋的那樣，使用DAPC系統也可以使穿過具有流體
4壓力和斷裂壓力的地層鑽探井孔成為可能，從而僅使用配置的鑽探流體和來自井孔的非受控流體排出的鑽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系統時，也要求至少先期地估計被鑽探地層的流體壓力和斷裂壓力。在本技術領域中已知的用來估計這樣的壓力的技術包括地震勘測和重力勘測的分析。其它技術可以包括使用來自附近井孔的實際鑽探測量結果和/或流體壓力測量結果，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是怎樣的，在鑽探井孔期間遇到的實際流體壓力和斷裂壓力可能與預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致降低的鑽探效率、增大的地層斷裂的危險、增大的井孔坍塌的危險、增大的鑽探故障的危險-如鑽杆卡在井孔中、及增大的關於實際地層流體壓力和斷裂壓力在不正確深度處設置保護管或套管的危險。需要在鑽探的同時估計地層微孔流體壓力和地層斷裂壓力的技術，以便更好地定義用於正確套管深度選擇的地層完整性和更好地選擇用於高效鑽探的鑽探操作參數。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種用來在井孔鑽探期間確定地層完整性的方法包括在井孔鑽探期間確定在井孔中的環隙流體壓力。環隙壓力按預定量調整。將進入井孔中的鑽探流體的流量與從井孔出來的鑽探流體流量相比較。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。根據本發明的另一個方面，一種用來在井孔鑽探期間確定最佳鑽探操作參數的方法包括在井孔鑽探期間確定在井孔中的環隙流體壓力。環隙壓力按預定量調整。測量起吊載荷、鑽杆組扭矩、進入井孔中的鑽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隙中的流體壓力保持為大體恆定的同時，改變流量。重複測量起吊載荷、鑽杆組扭矩及延長速率中的至少一個。使用測得的起吊載荷、鑽杆組扭矩及延長速率， 確定流量和井孔環隙壓力的最佳值。通過如下描述和所附的權利要求書，本發明的其它方面和優點將更為顯明。
圖1示出井孔鑽探單元的一個例子，該井孔鑽探單元包括動態環形壓力控制 (DAPC)系統。圖2示出由示範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示出由示範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極限的一個例子。圖4示出一種示範方法的流程圖。圖5示出另一種示範方法的流程圖。
具體實施例方式總體而言，根據本發明的方法在井孔鑽探期間利用動態環形壓力控制(DAPC)系統，以在鑽探期間將在井孔環隙中的流體壓力調整到選定值，並且測試井孔對於這樣的調整的響應。測試井孔響應可以包括確定流體是正在進入井孔或是從井孔失去。測試井孔響應也可以包括確定鑽探系統對於變化壓力的響應，從而選擇例如最佳流體壓力和鑽探流體流量。穿過地下巖層鑽探井孔的鑽探單元的例子在圖1中示意性地示出，該鑽探單元包括動態環形壓力控制(DAPC)系統。DAPC系統的操作和細節可以大體上如在美國專利 No. 7，395，878中描述的那樣-該美國專利頒發給Reitsma等人並且轉讓給本發明的受讓人，或者可以如在美國專利No. 6，904，981中描述的那樣-該美國專利頒發給van Riet並且轉讓給本發明的受讓人。鑽探系統100包括稱作鑽具102的起重裝置，該鑽具102用來支持穿過諸如在104 處表示的之類的地下巖層的鑽探操作。在鑽具102上使用的多個元件，如Kelly (或頂部驅動器)、動力夾鉗、滑套、絞車及其它設備，為了圖示清楚起見，沒有示出。所示的井孔106鑽過巖層104。鑽杆組112懸掛在鑽具102上，並且延伸到井孔106中，由此在井孔壁與鑽杆組112之間、和/或在套管101(當包括在井孔中時)與鑽杆組112之間形成環形空間(環隙)115。鑽杆組112的功能之一是將鑽探流體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隙115中，該鑽探流體150的使用是為了在這裡的背景技術章節中所解釋的目的。鑽杆組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包括鑽頭120，並且可以包括泥漿馬達118、傳感器包119、單向閥(未示出)，該單向閥防止鑽探流體從環隙115回流到鑽杆組112中。傳感器包119 例如可以是邊鑽探邊測量和邊鑽探邊記錄(Measurement While Drilling,Logging while Drilling, MWD/LWD)傳感器系統。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的底部的環隙115中的鑽探流體的壓力。在圖1中表示的BHA 113也可包括遙測發射器122，該遙測發射器122可用來發射由換能器116得出的壓力測量結果、MWD/LWD 測量結果及鑽探信息，以在地面處被接收。包括壓力數據存儲器的數據存儲器可以設置在 BHA 113中的方便位置處，用於在使用遙測發射器122的數據發射之前，對測得的壓力和其它數據(例如，MWD/LWD數據)加以臨時存儲。遙測發射器122可以例如是可控制閥，該可控制閥調節鑽探流體通過鑽杆組112的流量，以產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系統和壓力換能器116的信號。鑽探流體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在操作中通過導管140 泵送鑽探流體150。可選擇的流量計152可以被設置成與一個或多個泥漿泵138相串聯，或者在其上遊或者在其下遊。導管140連接到適當地壓力密封的旋轉接頭(未示出)上，該旋轉接頭聯接到鑽杆組112的最上段(「接頭」)上。在操作期間，鑽探流體150由泵138 從儲箱136中提升，泵送過鑽杆組112和BHA 113，並通過在鑽頭120中的噴嘴或路線(未示出)離開，在該處，它流通以將巖屑從鑽頭120帶走，並且通過環隙115將它們返回到地面。鑽探流體150返回到地面，並且通過鑽探流體排出導管IM和選擇性地通過各種平衡罐和遙測系統(未示出)，以最終返回到儲箱136。用於環隙115的壓力隔離密封按轉動控制頭的形式提供，該轉動控制頭形成防噴
6器(Blowout Preventer，「BOP」)142的一部分。鑽杆組112穿過BOP 142和與其關聯的轉動控制頭。當被致動時，在B0P142上的轉動控制頭繞鑽杆組112密封，隔離其下面的流體壓力，但仍然使得鑽杆組能夠轉動和縱向運動。可選擇地，轉動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的一部分，該背壓系統用來維持在環隙 115中的選定流體壓力。隨著鑽探流體返回到地面，它通過在壓力隔離密封(轉動控制頭)下面的側出口到達背壓系統，該背壓系統配置用以提供對於在環隙115中的鑽探流體的可調整背壓。背壓系統包括可變節流裝置，該可變節流裝置適當地呈現為耐磨損節門130的形式。將認識到，存在有設計成在如下環境下操作的節門鑽探流體150包含大部分鑽屑和其它固體。節門130是一種這樣的類型，並且還能夠在可變壓力、流量下及通過多個工作循環操作。鑽探流體150離開節門130，並且流過可選擇流量計126，以被引導過一個可選擇的脫氣器1和固體分離設備129。脫氣器1和固體分離設備1 設計用於從鑽探流體150 中除去過多氣體和其它汙染物，包括鑽屑。在通過固體分離設備1 之後，鑽探流體150返回到儲箱136。流量計1 可以是質量平衡型或其它高解析度流量計。壓力傳感器147可以選擇性地設置在鑽探流體排出導管124中，在可變節流裝置(例如，節門130)的上遊。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的上遊。包括壓力監視系統146的背壓控制裝置用於監視對於環隙壓力相關的數據，並且將控制信號至少提供給背壓系統131和選擇性也提供給注入流體注入系統，並且/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於在BHA 113附近在環隙115中的鑽探流體的現有壓力的信息-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、 並使用在它們之間的差來確定設置點背壓。設置點背壓用來控制背壓系統，以便建立接近設置點背壓的背壓。使用液壓模型和鑽探流體在它被泵送到鑽杆組中時的壓力、和鑽探流體被泵送到鑽杆組中的速率的測量結果(例如，使用流量計或關於柱塞型泥漿泵典型地提供的「行程計數器」)，可以確定與在靠近BHA 113的環隙115中的流體壓力有關的信息。使用由壓力換能器116得出的測量結果，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於在注入流體被注入到鑽探流體間隙中的深度處在鑽探流體間隙中的鑽探流體壓力。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生的壓力信號可適當地用來提供輸入信號，該輸入信號用來控制背壓系統，並且用來監視在井孔環隙115中的鑽探流體壓力。如果希望，則壓力信號對於注入流體柱的密度，並且/或者對於動態壓力損失，可以選擇性地被補償，以便得到在鑽探流體返回通路中在注入流體被注入到鑽探流體間隙中的深度處注入壓力的準確值，該動態壓力損失例如可能產生在注入流體中，在注入流體供給通路中的注入流體壓力傳感器與到鑽探流體返回通路中的注入發生處之間。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的信息。只要注入流體正在注入到鑽探流體返回流中，在注入深度處的注入流體的壓力就可假定與在注入點144處的鑽探流體壓力相等。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生壓力信號，該壓力信號用作用來控制或調節背壓系統的反饋信號。應該注意，對於井下壓力的靜態影響的變化-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整密切接近地補償。因而通過按照本發明控制背壓裝置，在鑽孔中的流體壓力幾乎獨立於注入流體注入的速率。使用與注入流體壓力相對應的壓力信號的一種可能途徑是控制背壓系統，從而在整個鑽探或完井操作期間，將注入流體壓力維持在一定適當恆定值上。當注入點144密切靠近鑽孔的底部時，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的底部之間伸展的鑽探流體返回通路的部分上的壓差的數值優選地被建立。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的下部部分中的鑽探流體返回通路中的鑽探流體的壓力差，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131可設有背壓泵128，該背壓泵1 與井孔環隙115和節門130並聯地流體連通，以對於在節流裝置130上遊在鑽探流體排出導管124中的鑽探流體進行加壓。背壓泵128的進口經導管119連接到鑽探流體源上，該鑽探流體源可以是儲箱136。斷流閥125可以設置在導管119A/B中，以將背壓泵128與鑽探流體源隔離。可選擇地，可以提供閥123，以選擇性地將背壓泵1 與鑽探流體排出系統隔離。背壓泵1 可用來保證，通過節門130的流量是充分的以便能夠維持背壓，即使當來自井孔環隙115的、用以維持在節門130上的壓力的流量不足時，也是如此。然而，在某些鑽探操作中，當鑽探流體150經鑽杆組112的循環速率減小或中斷時，常常可能只要通過減小注入流體注入速率而增加在井孔環隙的上部部分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可產生控制信號，該控制信號用於背壓系統，不僅適當地調節可變節門130，而且也適當地調節背壓泵1 和/或閥123。在本例子中，鑽探流體儲箱136除泥漿罐或料坑之外包括控制罐(trip tank) 20 控制罐通常用在鑽具上，以在鑽杆組進出井孔106的運動(稱作「脫開操作」)期間監視鑽探流體增益和損失。注意，當使用多相流體系統時，如以上描述的涉及氣體到鑽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，或者在井中的鑽探流體液位下降。然而，在本實施例中，例如對於其中將高密度鑽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。閥歧管可以設置在背壓系統131的下遊，以實現儲箱的選擇，從井孔106返回的鑽探泥漿被引導到該儲箱。在本例中，閥歧管可包括兩通閥5，允許鑽探流體從井返回或者被引導到泥漿料坑136或控制罐2。閥歧管也可以包括兩通閥125，該兩通閥125設置用於將鑽探流體150從儲箱136 經導管119A或從儲箱2經導管119B進給到背壓泵128，該背壓泵1 選擇性地設置成與鑽探流體返回通路115和節門130並聯流體連通。在操作中，閥125將被操作以選擇導管119A或導管119B，並且背壓泵1 被嚙合，
8以保證足夠流量通過節門系統以能夠維持背壓，即使當沒有來自環隙115的流量時也是如此。不像在鑽杆組內的鑽探流體通路，注入流體供給通路可優選地專用於一項任務，這項任務是將用於注入的注入流體供給到鑽探流體間隙中。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恆定，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壓力損失。以上參照圖1的鑽探系統的描述是用於提供使用DAPC系統鑽探井孔的一個例子， 該DAPC系統能夠保持在井孔106的底部附近的選定環隙流體壓力，即以上描述的BHP。這樣的系統可以包括液壓模型，該液壓模型，如以上解釋的那樣，將鑽探泥漿150的流變性質、 泥漿流入井孔的速率、井孔和鑽杆組構造、在排出導管上的壓力、及如果可得到則還有靠近井孔的底部的環隙流體壓力(例如，來自換能器116)的測量結果用作輸入量，以補充由液壓模型進行的計算或使所述計算精確化。在根據本發明的方法中，DAPC系統可以按特定方式操作，以在鑽探操作正在進行的同時提供地層完整性的測量，並且也可以按特定方式操作，以提供鑽探操作參數的最佳值的指示。這裡使用的「鑽探操作參數」用於指代在鑽具的操作人員的控制內的參數，並且可以包括例如施加到鑽頭120上(通過將鑽杆組112的軸向負載的一部分施加到鑽頭120 上)的軸向力。鑽探操作參數也可以包括施加的扭矩量，該扭矩用以按選定速度轉動鑽杆組112。鑽探操作參數也可以包括鑽探流體150運動到鑽杆組中的速率(例如通過監視流量計152而測量)和選定BHP。現在參照圖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」)之間的關係，以表明本發明的一種示範方法，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， 鑽探流體(在圖1中的150)運動通過鑽杆組(在圖1中的112)，以使鑽屑循環和在環隙 (在圖1中的11 中提供流體壓力。在環隙(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)，並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鑽探流體，並且例如像在Reitsma等人的『878專利中解釋的那樣，藉助於通過節門操作、流體注入及背壓施加的組合控制在鑽探流體排出導管中的壓力(例如，通過使用背壓系統)而進行。相反，在井孔環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果，鑽探流體將損失在經受斷裂的地層中。一般而言，據信，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，並且與在地層的孔隙中的流體壓力(「孔隙壓力」)有關。 在圖2中的曲線表示，預期的斷裂壓力一般相對於地下的深度而增大。地層孔隙壓力由曲線10表示。一般地，地層壓力相對於深度而增大，然而，已知的是，一定地層可能具有的孔隙壓力低於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中表示的壓力關係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，斷裂壓力不再相對於深度線性地增大。如果在預期中BHP(由鑽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領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鑽探流體密度(「泥漿重量」)的單位表達；在油氣井孔鑽探技術中已知的這樣的單位包括每加侖鑽探流體的磅重量(PPg)。在圖2的曲線圖中的曲線可以在鑽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於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。這樣的技術在本技術領域中是公知的。可以得到的其它信息，如來自附近井孔的地層流體壓力試驗和鑽探記錄，可以用來改進由重力和地震勘測進行的估計。本發明打算在鑽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，以保護經受斷裂的地層，並且儘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鑽杆組卡在井孔中。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。在根據本發明的一種示範方法中，DAPC系統，例如像以上參照圖1解釋的那樣，在鑽探期間操作，以將底部孔壓力增大到選定設置點以上。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」)井孔中的鑽探流體體積或質量流量的測量值-例如使用流量計(圖1中的152)、或者在泥漿泵(在圖1中的138)是往復柱塞泵的場合使用「行程計數器」，將流出(「流出」)井孔的鑽探流體體積或質量流量的測量值-例如使用流量計126-相比較。正在離開井孔的鑽探流體比正在泵送到井孔中的鑽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於底部孔壓力的安全上限，例如沿圖2中的曲線13。DAPC系統也可以操作，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。對於每個減量，進行流出和流入的測量並且對測量結果加以比較。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鑽探期間進行(即，當井孔由於鑽頭的動作而被延長時)。如由本領域的技術人員將認識到的那樣，隨著鑽探繼續，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， 將管或套管設置在井孔中，以保護暴露的地下巖層，從而鑽探可安全地繼續。與依賴鑽探前估計相反，通過在井孔的鑽探期間進行最大和最小安全壓力確定，預期的是，可以到達最大可能套管深度。通過使用上述技術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，可以避免將套管設置得太淺。將套管設置得太淺，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，如以上描述的孔隙壓力反向、或孔隙壓力梯度的巨大增加，不能安全地鑽探。在這樣的情況下，將需要的是，在現有套管內同軸地設置輔助套管。這樣的輔助同軸套管會顯著地減小井孔的可能直徑，並且降低井孔的最終生產能力。可以避免的另一種情況是，由被鑽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，鑽探操作在進行中，並且井孔正在被進行鑽探。在42處，可以操作DAPC系統(圖1)，以使在環隙(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，從而再增大環隙壓力。重複以上步驟，直到在46處，有指示表明流出小於流入。 在這時接近井孔底部的環隙壓力將也在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，並且在圖4中的48處，可以操作DAPC系統，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，以進一步減小BHP。以上步驟繼續，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。現在參照圖3解釋本發明的另一個方面。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，在鑽探期間可以確定用於一定鑽探操作參數(如上地定義)的最佳值。參照在圖5中的流程中，在60處，井孔鑽探操作在進行中，並且鑽探繼續前進。在62處，操作DAPC系統，以增大壓力。在64處，測量一定鑽探操作參數，如「起吊載荷」(由鑽具懸掛的鑽杆組的重量)、施加到鑽杆組上的扭矩量、及流入速率。也可測量鑽探響應參數，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複，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，以減小壓力。在68處，可以測量鑽探操作參數，如扭矩、起吊載荷、流入、及諸如ROP之類的響應參數。在某些實施例中這樣的減小和測量可以重複，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，可以調節流入，例如通過減小將泥漿泵送到鑽杆組中的速率。本領域的技術人員應該認識到，流入普通地應該至少保持成，從井孔的底部提升鑽屑需要的量(「孔清理」下限)。在正在調節流量的同時，DAPC系統應該操作以保持BHP大體恆定。在72處， 可以測量起吊載荷、扭矩、及R0P。可以對於流入速率的範圍重複上述步驟。在BHP和流入的選定值處進行的上述測量結果可以被分析，以提供一定鑽探操作參數的最佳值，如流入和BHP，從而使鑽探響應參數最大化，所述鑽探響應參數例如是R0P。 以上分析也可以提供流入(和因此輸送到鑽頭的液壓馬力)的最小值，該最小值符合安全鑽探操作。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，本發明的各個例子包括調節BHP和確定井孔對於這樣的調整的響應。「井孔的響應」或 「井孔響應」用作一般術語，以指示地層孔隙壓力和斷裂壓力確定和鑽探響應(例如，在其它鑽探操作參數保持恆定的情況下ROP的變化)。使用根據本發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鑽探。儘管已經通過有限數量的實施例對本發明做了描述，但本領域的技術人員在受益於本發明時將認識到，可以設計出不脫離本文所公開的本發明的範圍的其它實施例。相應地，本發明的範圍僅由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種用來在井孔鑽探期間確定地層完整性的方法，包括 在井孔鑽探期間確定在所述井孔中的環隙流體壓力； 按預定量調整所述環隙壓力；將進入所述井孔中的鑽探流體的流量與從所述井孔出來的鑽探流體流量相比較；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.根據權利要求1所述的方法，其中，所述調整包括增大所述環隙壓力，並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.根據權利要求1所述的方法，其中，所述調整包括減小所述環隙壓力，並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.根據權利要求1所述的方法，還包括使用所確定的斷裂壓力或孔隙壓力，估計要設置套管的井孔的深度。
5.一種用來在井孔鑽探期間確定最佳鑽探操作參數的方法，包括 在井孔鑽探期間確定在所述井孔中的環隙流體壓力；按預定量調整所述環隙壓力；測量起吊載荷、鑽杆組扭矩、進入所述井孔中的鑽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隙中的流體壓力保持為大體恆定的同時，改變所述流量；重複測量起吊載荷、鑽杆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、鑽杆組扭矩及延長速率，選擇流量和井孔環隙壓力的最佳值。
6.一種用來在井孔鑽探期間確定在井孔環隙中的最佳流體壓力的方法，包括 在井孔鑽探期間，確定在靠近井孔底部的井孔環隙中的流體壓力；通過操作背壓系統，調整在所述環隙中的所述流體壓力； 確定所述井孔對於所調整的流體壓力的響應；及由井孔響應確定最佳環隙流體壓力。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應包括流體從地下巖層進入到所述井孔中。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應包括流體損失進入到由所述井孔穿透的地下巖層中。
9.根據權利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應包括施加到用來鑽探所述井孔的鑽杆組上的扭矩的變化。
10.根據權利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應包括所述井孔通過鑽探而延長的速率的變化。
11.根據權利要求6所述的方法，其中，所述井孔響應包括用來鑽探所述井孔的鑽杆組的懸掛負載的變化。
12.根據權利要求6所述的方法，還包括在維持在所述環隙中的流體壓力大體恆定的同時，調整進入所述井孔中的鑽探流體的流量；確定所述井孔對於所調整的流量的響應； 及由對於所調整的流量的井孔響應，確定最佳流量。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應包括施加到用來鑽探所述井孔的鑽杆組上的扭矩的變化。
14.根據權利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應包括所述井孔通過鑽探而延長的速率的變化。
15.根據權利要求12所述的方法，其中，所述井孔響應包括用來鑽探所述井孔的鑽杆組的懸掛負載的變化。
全文摘要
一種用來在井孔鑽探期間確定地層完整性的方法，包括在井孔鑽探期間確定在井孔中的環隙流體壓力。環隙壓力按預定量調整。將進入井孔中的鑽探流體的流量與從井孔出來的鑽探流體流量相比較。當相比較的流量相差為選定量時，由環隙壓力確定地層孔隙壓力和地層斷裂壓力中的至少一個。可選擇地確定孔隙和/或斷裂壓力的方法包括確定井孔對於調整的流體壓力的響應；和由井孔響應確定最佳環隙流體壓力。
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 優先權日2008年12月3日
發明者O·R·謝薩 申請人:Prad研究與發展股份有限公司