確定鑽井液密度的方法及控制鑽井液密度的設備的製作方法

2023-04-30 19:09:06 2

專利名稱：確定鑽井液密度的方法及控制鑽井液密度的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及鑽井技術，特別涉及鑽井液密度的確定方法和控制設備。
鑽井液的一個重要技術指標是其密度。鑽井液密度太小，可以致使鑽井過程中發生井噴，引起重大機械及人身事故，鑽井液密度太大，又可造成地層的油層汙染，能使高產油井變為低產油井，甚至滴油不出。
確定鑽井液密度的重要參數是地層孔隙壓力確定。一般來說，地層孔隙壓力確定值高，則鑽井液密度值就偏高，反之亦然。由於長期以來，進行地層孔隙壓力確定是屬於地質工作者的職責，而確定鑽井液密度是屬於鑽井工作者的職責，同屬於石油部門兩個大的專業門類，很少有人從這兩個專業門類的「結合部」考察鑽井液密度的確定問題。
2000年2月，在美國New Orleans，Louisiana(路易斯安娜州，紐奧良市)召開2000年世界石油鑽井SPE/I ADC(石油工程師及國際石油承包商)年會，本發明的發明人在會上發表了英文論文「SPE59263Improvementon the Procedure in Exploration Well By Unbalanced DrillingA Case Historyin BS7 Well in People’s Republic of China」(以欠平衡的方法改進勘探井的鑽井過程及在中國板深7井的應用)，並獨立提出了一個新的井湧過程微分方程。
本發明還提供了一種確定鑽井液密度的方法，該方法包括以下步驟(1) 測量鑽井各段的地層孔隙壓力係數；(2) 測量裸眼井段的長度；(3) 測量各井段的起始位置、終止位置和各井段的長度；(4) 確定鑽井的地層孔隙壓力係數；(5) 確定鑽井液密度。
1998年，本發明在板深7井的設計和施工中，首次從鑽井工程與鑽井地質的結合中重新考慮鑽井液密度的確定問題，利用本發明確定地層孔隙壓力係數，形成一套新的鑽井液密度確定方法。此井鑽井結束時，已達到日產原油(折合)1000噸的水平。
具體實施例方式
目前，無論是石油鑽井的大學教科書或相關工具書，都講述這樣的原理，即鑽井設計所遵循的地層孔隙壓力確定方法是，依據某一裸眼段的最高孔隙壓力設計鑽井液的密度。本發明的地層孔隙壓力係數確定方法是，考慮目前鑽井設備中的井控裝置，各種先進的錄井監測裝置，以及各種業已成熟的錄井計算機確定算法等，可以忽略所佔比例不大的少數高孔隙壓力井段來作地層孔隙壓力梯度確定。可以舉一例子來說明兩種方法的不同之處。
例對某油田A井進行鑽井設計時，有1000m井段需要下13 3/8」套管(17 1/2」裸眼井段)，根據地質資料，其中80m的地層孔隙壓力係數為1.32，而其餘部分的壓力係數為1.22。可以有兩種不同的確定方法，從而得出不同的結果。
第一，按照傳統確定方法，這一井段的地層壓力係數應定為1.32。這樣，在此井段鑽進使用的鑽井液密度至少應為1.32(平衡鑽井)，或是1.34(常規鑽井)。依照通常做法，若這一井段使用低於1.32的鑽井液，例如將地層壓力確定為1.22，使用1.22或1.24的鑽井液進行鑽進時，就有可能在高壓層(地層壓力係數為1.34)時造成井噴，發生大事故。
第二，按照本發明的方法，這一井段的地層壓力係數應定為1.22。這樣，此井段鑽井液密度為1.22(平衡鑽井)，或是1.24(常規鑽井)。(當平衡鑽井時，鑽井液密度與所確定的地層孔隙壓力係數相等；當常規鑽井時，鑽井液密度要比所確定的地層孔隙壓力係數高0.02-0.03。)同樣，在這一井段鑽井時也會遇到局部高壓層，然而，有3個原因使設計時對此高壓力層可以忽略不計。
第一個原因是由於現代鑽井較完善的井控技術，可以提前預報並臨時採取應急措施，比如加重鑽井液密度、啟動各種井控裝置等，完全不必要因為較短井段的局部高壓層，就在整個井段使用高密度的鑽井液，從而造成油層汙染。
第二個原因是由對鑽井中井噴前的井湧過程機理的新認識。在鑽井中，從有井噴跡象，到井噴實際發生，其「醞釀」時間要比人們通常想像長得多。具體在大港地區，這一時間大約是人們通常認為的3倍左右。這一時間足夠使井場工程師採取各種必要措施來防止井噴的發生，不必對某些佔比例很小的異常高壓層很在意。
第三個原因是基於重新認識井湧過程機理後，專門應用於地層壓力確定所提出的本發明的方法。
這一例子參見表1。
表1 某油田A井的地層孔隙壓力確定序 使用確定地層孔隙壓 確定地層孔隙 設計常規 設計平號 力係數方法 壓力係數 鑽井鑽井 衡鑽井液密度 鑽井液密度1用原有確定方法 1.32 1.34 1.322用概略確定方法 1.22 1.24 1.223本發明確定方法 1.228 1.25 1.234本發明的修正的確定 1.2217 1.24 1.22方法(查表法)5 本發明的修正的確定 1.2254 1.24 1.23方法(計算法)從表1中可以看出，用修正後的地層孔隙壓力確定方法來進行鑽井設計，可以較大幅度地降低鑽井液的密度。其好處一是可以減少油層汙染，提高勘探成效及原油產量；二是可以加快鑽井速度，節省鑽井成本。一般來說，鑽井液密度若無緣無故地增加0.2，就有可能「槍斃」一個好油層；而鑽井液密度若能降低0.2，就可以使鑽頭的機械鑽速提高3％。修正後的確定方法對鑽井工程，確實有「多快好省」的功效。
表1中的第3至5結果是依據本發明提出的方法得出。對於井湧過程的描述使用一定密度的鑽井液參與鑽進過程，其重要目的之一是平衡地層壓力，防止鑽井中的井噴事故發生。井噴之前鑽井液的緩慢噴發過程稱井湧，這也稱為井噴事故發生前的「前奏」。對於井湧的過程機理人們研究已有近百年歷史。現在多數人認為，在鑽進中井湧的過程就是由地層向井眼內緩慢地「注氣」的過程，即井眼內鑽井液裡的氣體成份不斷增加，使井眼內單位體積的「液氣混合物」密度不斷減小。當這種密度的減少不足以平衡井內地層的壓力時，就產生了井口的溢流，直到井噴。
在本發明中，對井湧物理過程作如下的描述。
假設某一鑽井深度下井內發生井湧。此時井眼內能夠容納鑽井液及氣體的總容積為n，其中液體體積為s，氣體體積為i。顯然，從井湧開始直到井噴，s與i都是時間t的函數用數學公式表示n＝i(t)+s(t) (1)1線性描述第一種描述。多年來人們普遍認為井湧時井眼內氣體的增加是時間的線性函數，即從地層開始向井筒內注氣開始，井眼內的氣體是隨著時間的增加而增加的。用數學公式表示，即為下列微分式di(t)dt=K----(2)]]>將(2)式解出，就得到i(t)＝Kt+c (2)』c，K為一任意常數，其值將由條件初值而定。
顯然，上式認為井眼內氣體量的變化與時間呈線性一次函數；時間越長，氣體量增加越多。並且認為，從開始井湧，到後來井噴的發生，其單位時間的氣體增加量都是一樣的。這種描述解釋不了這樣一井場現象，即井湧開始時的「先兆」很難捕捉(井眼內進氣量非常少)，而井噴開始後井眼內的氣量瞬間急劇增加。2非線性描述針對前一描述的不足，本發明提出一新的描述，不少現場工程師運用不同形式也有近似的表述，這就是第二種描述。現場人員普遍認識到井湧過程中井眼內氣體體積增加的速率，並不是一個常數；然而究竟是怎樣的非線性，很多人提出不同的見解。本發明則直接提出，此時氣體增加的速率與當時氣體的體積成正比。
用微分式將這一過程表示di(t)dt=Ki(t)----(3)]]>用相應的微分方程解法解出上式，就得i(t)＝ekt+c (3)』從上式看出，井眼內氣量的變化與時間之間是自然指數函數的關係。此式較好地描述了這樣一個井場現象即當井湧剛開始時，地層進入井眼中的氣量很小，但隨著時間增加，進氣量成指數地增長，從理論上說，幾乎可以發展為無窮大。這一公式較好地解釋了現場中並湧開始的「平靜」，以及井噴發生時的巨大能量。3一種特殊的非線性描述第三種描述，是一種特殊非線性描述。這種描述認為氣體湧入井眼的速率，即井筒內氣體的瞬時增加量，不僅與當時氣體總體積有關，而且還與當時井筒內的實際液量有關。即為di(t)dt=Ki(t)s(t)----(4)]]>構造(4)式的基本思想是，井眼內注入氣體的速率並不是與氣體量成正比，而是與此時氣體量與液量的乘積成正比。也就是說，當氣體量很少或液量很少時，其氣體注入速率都不很大。只有當氣體量與液量乘積為最大時，其氣體注入速率才為最大。
求解(4)式微分方程需要較多的技巧，注意要考慮(1)式。最後結果為i(t)=n1+(ni0-1)e-knt----(5)]]>(5)式的i0為由初始條件決定的常數。(5)式的曲線圖見圖2。從曲線上看，當井湧過程開始或即將結束，即井噴突然暴發時，井眼內單位時間裡注入的氣量都非常小。這裡分2點討論第一是井湧過程開始時，此時注氣量小的原因同前面第2種數學模型。具體說來，此時井眼中氣體很少，液體相對來說較為「緻密」，使氣體無縫隙可「鑽」；然而隨著氣體的慢慢侵入，液體內氣泡增多，不僅為氣體繼續侵入增大了空間，也客觀上減小了單位液體的密度，為氣體侵入井筒內提供了條件。
第二是井湧過程結束時，即井噴即將暴發前，此時向井眼內的單位注氣量仍趨於逐漸減少。這其中原因有二(1)從物理學理論上說，井筒不是簡單的容器，而是一條趨於「無限長」的狹長管狀容器，此外還有複雜的液體與容器壁面的交接邊界；在井噴開始前，由於鑽井液與井壁之間、鑽井液分子之間的初切力、動切力等因素影響，加之鑽井液本身的液柱壓力，使地層的高壓氣體承受一個「反壓力」(由氣體及液體壓力傳遞的各方向等同性)，迫使地層向井筒內注氣量減少。可以假定這一高壓狀態存在對一鑽井過程來說是「罕見」的，否則不能想像整個鑽井過程會時時處在即將井噴的情況下進行。
(2)實驗室井湧模擬試驗可以證明這點。用一可變排量泵模擬地層向試驗用井筒加入高壓氣體或高壓水；井筒內放入鑽井液。當井筒內壓力增高時，泵為了平衡並筒內壓力，其排量明顯減少。以往不少實驗室做同類試驗時得不出此結果，是由於這些實驗室多採用高壓柱塞泵模擬地層向井筒加壓，顯然，這種固定排量泵與地層向井筒注氣的原理是不同的。
(3)井場上實際井噴過程與大自然火山噴發時的原理大致相同。國外對火山噴發過程的數學模擬顯示，其噴發前有個緩慢的能量驟集過程。而對井湧過程的第一種或第二種描述，都不能解釋這一能量的緩慢驟集及突然噴發，而第三種描述則可以解釋。4特殊的非線性描述的討論關於(4)式數學公式有以下特點。
第一，井湧過程中井筒內液體隨時間變化的情況。
(4)式微分方程的另一種解的形式如下，注意在求解中要考慮代入i0的關係s(t)=n(1-11+(ni0-1)e-knt)----(6)]]>上式表示了井筒內液體容積s(t)隨時間的變化情況。顯然由於(1)式，(6)式的曲線圖形正好與(5)式互為補充。
第二，井湧過程中地層向井筒內注氣的最大速率點。
研究井場的井湧過程，自然注意到何時地層向井筒注氣量最大，即求得注氣的最大速率點。將(5)式對時間t求導數，得下式didt=kn2(ni0-1)e-knt[1+(ni0-1)e-knt]2----(7)]]>當下式成立時d2id2tt=0=0----(7)]]>圖3描述了(7)式的大致形狀。從圖中看出，當上式達到最高峰值，即t0時刻，地層向井筒內注氣速率達到最高值。由微分極值原理不難得出t0=ln(ni0-1)kn----(8)]]>5三種井湧解釋的圖形曲線比較根據(2)式，(3)式及(4)式，均代入同一地質區塊、同一地層的地質及氣體的初值條件，解出常數i0和k，就可繪出圖2。從圖中可看出，以同一口井為研究對象，用3種不同解釋，其由開始井湧(即有井噴跡象)，到發生井噴的時間長度，第一種解釋時間間隔最短，第二種解釋時間間隔次之，第三種解釋時間間隔最長。
本發明在某個井鑽探前，曾代入該井的地質條件參數試算過，所得的結果見表2。
表2 3種解釋的結果序 使用確定方法 微分方程 數學公式 從井湧開始到發生井噴時間(小號 時)1 線性解釋 (2)式(2)』式 約3小時2 非線性解釋 (3)式(3)』式 約4小時3 特殊的非線性解釋 (4)式(5)式不少於6小時實際上以前在上述井所在地區，鑽井工程師及泥漿工程師的經驗數據，是發現井湧到實際井噴的時間約為2小時。
第3種解釋的提出及應用有2層意義一是為改進地層壓力係數確定提供了理論根據，即地層井湧是一個較「漫長」的過程，不象原來人們所設想的那麼「短暫」，當然可以有足夠時間去處理控制井噴。
二是也為錄井、井控等工作提出了更高的要求。上述井開鑽之前，本發明提出，由於此地區井噴跡象的出現到實際井噴的時間不少於6個小時，錄井隊應力爭在井噴6個小時之前作出預報，凡是因為沒有及時預報而造成的井噴事故，應由錄並隊負責。這為現場鑽井隊在新的地層壓力確定方法下，使用低密度鑽井液鑽進，分解井噴事故責任，減輕井隊操作人員的思想負擔；同時也為錄井工作，提出了新的工作目標及要求。本發明的確定地層壓力的方法對於前面提到的例子1可以提出2個問題，一是當地層的某高壓層長度佔所鑽進的裸眼井段比例為多少時，可以忽略此高壓層的存在？二是此時高壓層與低壓層比率為多少時，即使高壓層比例不大也不能忽略？三是在忽略少數高壓層後如何定出新的確定值，並在確定值中考慮到此高壓層的影響？1原有方法的確定模型設所確定的某一裸眼井段的地層孔隙壓力係數值為P，這一裸眼井段的長度為L，則以往確定方法，用數學表示即為P＝ξmax(9)其中ξmax＝Max(ξ1，ξ2，ξ3......ξi......ξn)，ξi為這一裸眼段第i地層的地層孔隙壓力係數，n為此裸眼段中地層總數。2本發明的確定方法與原有方法的關係本發明的確定方法的壓力係數表達式為P=l1l2dlL----(10)]]>其中l1與l2為此裸眼段的起始與始止位置，有L＝l2-l1(11)將(10)式作一代換ξ＝ξmax(12)所得結果即為(9)，即關於地層壓力係數確定的原有方法。所以按照本方法，油田原來延用的地層壓力係數確定方法，不過是(10)式的一種特例而已。3非連續條件下的確定方法若考慮到(10)在積分區間常常是分段不連續函數，則(10)式可改寫為P=i=1niliL=i=1nliLi=i=1nii----(13)]]>其中βI＝li/L；容易看出，βi實際是第i層的地層壓力係數對最後確定值P的加權因子，或者稱貢獻係數。
4對確定方法的第一種修正(查表法)本發明提供一種查表方法，來對確定結果進行修正。查表法與後面介紹的計算法，都是對各種來源獲得的地層壓力確定原始數據進行評價。地質工程人員在進行壓力係數確定時，通常都要依據各種技術手段得來的基礎數據，如對將要鑽井地區的二維或三維地震勘探資料數據，所鑽井鄰近地區已完成井的實鑽採集數據等。這些數據的可靠性，或都說準確性，對確定結果有很大的影響。
將(13)式稍作變形成為下式P=i=1niiii----(14)]]>式中的λi為第i地層壓力數據資料來源準確率的概率係數，ωi為第i層的斷塊狀況係數。λi的取得見表3。ωi的取得見表4。
表3 資料來源係數λi取值表序使用確定方法 獲取地層壓力數據資料方式 λi取值號1 ξi＜＝Ω 12 ξI＞Ω 同區塊鄰井0.983 ξI＞Ω 三維地震資料 0.954 ξI＞Ω 二維地震資料 0.93在選擇λi值、ξI＞Ω時，如果可以同時獲得上述2種或3種數據的話，則可以從表3中選取一個最大值，作為λi值。
表4 斷層狀況係數ωi取值表序 使用確定方法 鑽井所在地區斷塊情況ωi取值號1 ξi＜＝Ω 12 ξI＞Ω斷塊不多，油田較完整0.993 ξI＞Ω斷塊油田0.96在選擇ωi值、ξI＞Ω時，如果可以同時獲得上述1種或2種數據的話，則可以從表4中選取一個最大值，作為ωi值。表3與表4中的Ω值為=i=1nliLi----(15)]]>5對確定方法的第二種修正(計算法)本發明提供另外一種方法，以直接計算方法來修正確定結果。查表法的優點，主要為了方便現場使用，但缺點是忽略了使用條件之間的差異。本發明的計算法可利用各油田各類數據的實際可靠性概率來進行確定，顯然具有更好的合理性。
第一，數據處理目的。一般來說，使用各種技術手段得到的數據，例如利用二維或三維地震獲得了地層孔隙壓力確定數據，利用所設計井周圍已完成的鄰井數據，都可以得出其準確性或可靠性的概率值。
第二，數據樣本來源。以某一數據採集單位及某型號設備幾年內的數據資料為樣本，例如計算三維地震資料確定地層異常壓力數據的可靠性，就以某地震勘探公司及其某型號三維地震儀所採集的數據作為數據樣本。通過已鑽井的實際資料對比，確定其原有勘探數據的準確性。簡單說，只作「符合」與「不符合」的驗證。本發明認為這是「獨立事件」概率。i=mn----(16)]]>其中ηi是這種數據採集的可靠性概率，n為數據子樣總數，m是確定準確或較準確子樣數。一般來說，數據子樣總數n不應少於200個。當所確定地層壓力的井有多個數據來源時，就以可靠性最高的那種數據來源作為可靠性概率。
第三，數據處理。在本發明中，求出數據來源可靠性概率的目的，只是為了估計確定壓力係數中，那些高於加權平均值以上的係數值的可靠性，或稱可信度，故有下列公式=i=1nii----(17)]]>P=i=1nii----(18)]]>其中 τi＝ξi當ξi≤Ω時τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當ξi＞Ω時以上就是本發明的第2種修正方法(計算法)。
條件同實施例2。補充條件為對確定基礎數據來源進行樣本可靠性分析，按照(16)式，取200個子樣，經實際鑽井驗證可靠性概率為65％。將已知條件代入(17)式與(18)式，得表1中的第5個結果。
Ω＝1.228P=92010001.22+801000[1.228+(1.32-1.228)0.65]=1.2254----(21)]]>對上述結果進行討論。
第一，上述例子與實施例1的計算結果比較。運用(13)式的計算結果與表1中的第2個結果，即概略計算值相差不多(用概略法確定值為1.22)，誤差小於0.7％；不嚴格地說，若考慮壓力確定係數大都在1.0以上，則兩個結果的相對誤差也不超過4％，說明從工程使用上說，兩種方法所得結果基本相同。
第二，實施例2與實施例1及上述例子計算結果的比較。運用(14)式的計算方法，所得結果為表2中的第4種結果，則與概略方法的結果相差無幾。
下面，對照圖4說明本發明控制鑽井液密度設備的框圖。
如圖4所示，本發明的控制鑽井液密度的設備包括以下裝置基本鑽井參數輸入裝置1，其用於輸入裸眼井段的長度L；鑽井參數自動檢測裝置2，其用於測量各井段的起始位置l1、終止位置l2和各井段的長度li，以及鑽井各段的地層孔隙壓力係數ξi；鑽井專用工業控制機3，其輸入端與所述基本鑽井參數輸入裝置1和所述鑽井參數自動測量裝置2相連，用於確定鑽井的地層孔隙壓力係數P和鑽井液密度，並輸出鑽井液控制信號；控制器6和自動改變鑽井液密度裝置8，控制器6和自動改變鑽井液密度裝置8的組合構成了鑽井液密度控制裝置，用於根據所述鑽井液控制信號控制鑽井液密度。
此外，本發明的控制鑽井液密度的設備還包括第1存貯器和第2存貯器，第1存貯器存貯鑽井專用工業控制機3可以執行的控制程序，以便控制鑽井參數的自動檢測、基本鑽井參數的輸入。當然，鑽井專用工業控制機3也可以同第1存貯器設計在一起，構成專用的控制鑽井參數的自動檢測、基本鑽井參數的輸入的裝置。這種設計對於本領域技術人員來說是一種常識，在此不在對其作詳細的描述。
第2存貯器用於存貯各種不同的確定鑽井的地層孔隙壓力係數P的程序，以及產生和輸出鑽井液控制信號的程序。同樣，專用工業控制機3也可以同第2存貯器設計在一起，構成一種專用的確定鑽井的地層孔隙壓力係數P、產生和輸出鑽井液控制信號的裝置。
基本鑽井參數輸入裝置1可以採用常規的裝置，如鍵盤、光信號、無線信號等，以便輸入裸眼井段的長度L。鑽井參數的自動檢測裝置2也可以採用常規的檢測裝置，如長度測量傳感器，壓力係數測量傳感器，以便測量各井段的起始位置l1、終止位置l2和各井段的長度li，以及鑽井各段的地層孔隙壓力係數ξI。
在確定鑽井的地層孔隙壓力係數P的第1種程序或者裝置中，根據下式P=l1l2dlL]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數P。
在確定鑽井的地層孔隙壓力係數P的第2種程序或者裝置中，根據下式P=i=1niliL=i=1nliLi=i=1nii]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數P。
在確定鑽井的地層孔隙壓力係數P的第3種程序或者裝置中，根據下式P=i=1niiii]]>βI＝li/L確定鑽井的地層孔隙壓力係數P，其中在上式中，ωi的取值根據下式確定=i=1nliLi]]>當ξi＜＝Ω時，ωi＝1；當ξI＞Ω時， ωi＝0.99；或者當ξI＞Ω時， ωi＝0.96；λi的取值根據以下方式而定當ξi＜＝Ω時，λi＝1；當ξI＞Ω時， λi＝0.98；或者當ξI＞Ω時， λi＝0.95；或者當ξI＞Ω時， λi＝0.93。
在確定鑽井的地層孔隙壓力係數P的第4種程序或者裝置中，根據下式P=i=1nii]]>=i=1nii]]>βI＝li/Li=mn]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數P，其中 τi＝ξi當ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當ξi＞Ω時；n是數據子樣總數，m是確定的準確或較準確子樣數。
此外，所述第2存貯器中還存貯確定鑽井液密度的程序，鑽井專用工業控制機3執行該確定鑽井液密度的程序，使得當平衡鑽井時，鑽井液密度確定為與所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數相等；當常規鑽井時，鑽井液密度確定為比所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數高0.02-0.03。另外，第2存貯器還可以同鑽井專用工業控制機3設計為一體，形成專用的確定鑽井液密度的裝置。
鑽井專用控制機3根據已經確定出的鑽井液密度，輸出相應的鑽井液控制信號，通過控制器6控制自動改變鑽井液密度裝置8。自動改變鑽井液密度裝置8通過改變鑽井液的成分，或者改變搬土加入量，改變鑽井液密度。這種自動改變鑽井液密度裝置8也是現有技術的裝置，在此亦不作詳細描述。
此外，本發明的控制鑽井液密度的設備還包括輸出報告與曲線圖裝置，用於輸出所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數P和鑽井液密度，以及相應的曲線圖。本發明在板深7井的應用1998年4月，本發明在板深7井鑽井設計時，曾運用修正後的地層孔隙壓力確定方法來進行該井的地質設計及工程設計。現簡要介紹如下。
在鑽井工程設計前，有關部門已經做好了該井的地質設計，其中地層孔隙壓力係數確定圖如

圖1。圖中的虛線，標出了利用原有地層孔隙壓力係數確定方法繪製的曲線圖。從中看出，原有的地層孔隙壓力係數的確定值較高，這會使未來鑽井中所用鑽井液的密度偏高。本發明的發明人重新調閱了該井周圍完鑽井的資料，相關井情況見表5。
從表中看出，在A的鄰井——B5-1井地層中，有2個異常高壓層，即表5的第5號層和第7號層。其中一個位於井深3369m到3380m井段，另一個是位於3729m到3745m井段。這2個地層分別厚約11m及16m，地層壓力係數為1.33及1.31。縱觀板深7井整個地質情況，若不考慮這2個層位，其地層壓力係數都在1.25以下，其平均值約為1.09。按照以前通常的地層壓力係數確定方法，則必須考慮這2個層位，或者說一定要用這2個層的壓力係數作為整個裸眼段(2900m到3900m)的壓力係數值，這樣此井段的孔隙壓力確定值即為1.31。顯然，在這種確定結果下，鑽井中鑽井液的密度至少在1.31。
用本發明的確定方法重新修改的地質設計。圖1中的實線即為修改後的地層壓力係數曲線。由修正的確定方法，表5中的5號地層與7號地層可以忽略不計，其理由如前所述。結果此井段的地層壓力係數確定值就降至1.25，自然後來實際鑽井中的鑽井液密度也大幅度降下來了。
1998年的板深7井的鑽井實踐證明，在地層孔隙壓確定值的大幅度降低，帶來了鑽井液密度的大比例降低，從而大大減少了鑽井過程中鑽井液對油層的汙染程度。此井從1750m開始，直到5000m完鑽，在相當部分井段都找到了油氣。其中較為典型的1750m和3700m，以及4000m以下地層。
使用本發明的確定方法和設備，從根本上為降低鑽井液密度提供了可能，也就為改善新區和老區油田勘探與開發效果增加了新的方法。
(1)本發明的方法和設備在石油勘探及開發井的鑽井實踐中都是行之有效的；這一方法對於從根本上降低鑽井液密度，減輕鑽井過程對油層的汙染程度，以及加快鑽井速度，降低鑽井成本，都有明顯的效果；在大範圍推廣後伴隨巨大的經濟效益；(2)本發明的方法和設備提高了地層孔隙壓力梯度確定精度，為常規鑽井、準平衡鑽井、平衡鑽井、欠平衡鑽井的實施提供必要的界定數據；也為各種類型的鑽井形式，提供了關鍵性的基礎數據；(3)本發明的使用簡單易行；可以在不增加一分錢投資條件，較大程度地提高鑽探效果或採油產量。
表5 板深7井鄰井地層壓力情況序號 井號 井段位置(m) 地層孔隙壓力係數1 板深5井2596-2627 m 0.932 板深5井2451-2460 m 1.133板深5-1井 3923-3936 m1.224板深5-1井 3800-3829 m1.205板深5-1井 3729-3745 m1.316板深5-1井 3698-3745 m1.257板深5-1井 3369-3380 m1.338板851井 2582-2596 m0.949板851井 3703-3721 m1.0510 板855井 2765-2776 m1.0111 板深25井3851-3870 m1.2312 板深26井3602-3633 m1.1權利要求
1.一種控制鑽井液密度的設備，其特徵在於包括以下裝置基本鑽井參數輸入裝置(1)，用於輸入裸眼井段的長度(L)；鑽井參數自動檢測裝置(2)，用於測量各井段的起始位置(l1)、終止位置(l2)和各井段的長度(li)，以及鑽井各段的地層孔隙壓力係數(ξi)；鑽井控制機(3)，其輸入端與所述基本鑽井參數輸入裝置(1)和所述鑽井參數自動測量裝置(2)相連，用於確定鑽井的地層孔隙壓力係數(P)和鑽井液密度，並輸出鑽井液控制信號；鑽井液密度控制裝置(6，8)，用於根據所述鑽井液控制信號控制鑽井液密度。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述鑽井控制機(3)包括地層孔隙壓力係數確定裝置，用於確定鑽井的地層孔隙壓力係數(P)。
3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述地層孔隙壓力係數確定裝置包括根據下式P=l1l2dlL]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數的裝置。
4.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述地層孔隙壓力係數確定裝置包括根據下式P=i=1niliL=i=1nliLi=i=1nii]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數的裝置。
5.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述地層孔隙壓力係數確定裝置包括根據下式P=i=1niiii]]>βI＝li/L確定鑽井的地層孔隙壓力係數的裝置，其中在上式中，ωi的取值根據下式確定=i=1nliLi]]>當ξi＜＝Ω時， ωi＝1；當ξI＞Ω時，ωi＝0.99；或者當ξI＞Ω時，ωi＝0.96；λi的取值根據以下方式而定當ξi＜＝Ω時， λi＝1；當ξI＞Ω時，λi＝0.98；或者當ξI＞Ω時，λi＝0.95；或者當ξI＞Ω時，λi＝0.93。
6.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述地層孔隙壓力係數確定裝置包括根據下式P=i=1nii]]>=i=1nii]]>i=mn]]>βI＝li/L確定鑽井的地層孔隙壓力係數的裝置，其中 τi＝ξi當ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當ξi＞Ω時；n是數據子樣總數，m是確定的準確或較準確子樣數。
7.根據權利要求1-6中之1項所述的設備，其特徵在於，所述鑽井控制機(3)進一步包括確定鑽井液密度的裝置，當平衡鑽井時，鑽井液密度確定為與所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數相等；當常規鑽井時，鑽井液密度確定為比所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數高0.02-0.03。
8.一種確定鑽井液密度的方法，其特徵在於包括以下步驟(1)測量鑽井各段的地層孔隙壓力係數(ξi)；(2)測量裸眼井段的長度(L)；(3)測量各井段的起始位置(l1)、終止位置(l2)和各井段的長度(li)；(4)確定鑽井的地層孔隙壓力係數(P)；(5)確定鑽井液密度。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於，所述確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟包括根據下式P=l1l2dlL]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟。
10.根據權利要求8的方法，其特徵在於，所述確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟包括根據下式P=i=1niliL=i=1nliLi=i=1nii]]>確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟。
11.根據權利要求8的方法，其特徵在於，所述確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟包括根據下式P=i=1niiii]]>βI＝li/L確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟，其中在上式中，ωi的取值根據下式確定=i=1nliLi]]>當ξi＜＝Ω時， ωi＝1；當ξI＞Ω時，ωi＝0.99；或者當ξI＞Ω時，ωi＝0.96；λi的取值根據以下方式而定當ξi＜＝Ω時， λi＝1；當ξI＞Ω時，λi＝0.98；或者當ξI＞Ω時，λi＝0.95；或者當ξI＞Ω時，λi＝0.93。
12.根據權利要求8的方法，其特徵在於，所述確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟包括根據下式P=i=1nii]]>=i=1nii]]>i=mn]]>βI＝li/L確定鑽井的地層孔隙壓力係數的步驟，其中τi＝ξi當ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當ξi＞Ω時；n是數據子樣總數，m是確定的準確或較準確子樣數。
13.根據權利要求8-12中之1項所述的方法，其特徵在於，所述確定鑽井液密度的步驟進一步包括以下步驟當平衡鑽井時，鑽井液密度確定為與所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數相等；當常規鑽井時，鑽井液密度確定為比所確定的鑽井的地層孔隙壓力係數高0.02-0.03。
全文摘要
本發明提供了一種控制鑽井液密度的設備，其包括以下裝置基本鑽井參數輸入裝置(1)，鑽井參數自動測量裝置(2)，鑽井控制機(3)，鑽井液密度控制裝置(6，8)。本發明還提供了一種確定鑽井液密度的方法，該方法包括以下步驟測量鑽井各段的地層孔隙壓力係數(ξ
文檔編號E21B21/08GK1403680SQ01131019
公開日2003年3月19日 申請日期2001年8月31日 優先權日2001年8月31日
發明者郭永峰, 金曉劍 申請人:中海油田服務有限公司