[发明专利]用于预测盐下井段泥浆比重窗口的增强型1-D方法

说明书

技术领域

背景技术

在传统钻井过程中，井筒(wellbore)压力必须保持在特定水平以上，以将地层流体从井筒排出和/或防止井筒(borehole)的塌陷，井筒压力还必须保持在另一水平以下，以防止井漏(lost circulation)。这一压力范围称为泥浆比重窗口(mud weight window，MWW)。MWW是泥浆密度的值的范围，该范围在给定深度的钻井过程期间为井筒提供安全支持。如果在该MWW范围内选择泥浆比重的值，则井筒是稳定的，且沿着井筒壁的塑性变形得以最小化。进一步，在MWW内选择的安全泥浆比重下，泥浆损耗得以最小化。

MWW由两个边界来限定，它们通常是地层中井筒的自然压力界限。它的下边界是所谓的剪切破坏梯度(shear failure gradient，SFG)，其为保持井筒免受塑性破坏所需的最小泥浆密度。SFG通常为地层压力。MWW的上边界是所谓的压裂梯度(fracture gradient，FG)，其为在地层中不引起裂缝开口的条件下所能达到的泥浆比重的最大值。由于在各种类型的地层内往往存在天然压裂，所以实际上，FG的值在绝大多数垂直井筒中通常是最小水平应力的值。

在一些环境中，诸如在经受地质高压的地层(如在地质学意义上年轻的近海盆地中遇到的)中，或者在有着减小的原位应力而由仍处于初始储层压力的地层跨越(straddle)的枯竭地层中，允许的泥浆比重窗口可能非常窄，或者在极端的情况下不存在允许的泥浆比重窗口。窄的泥浆比重窗口会需要额外的操作，例如，减小钻进速率或者设置中间的套管柱或钻井尾管，这会大大提高井的总成本。因此，如果能够拓宽井的泥浆比重窗口，能够极大地节约成本。现有的技术是井筒紧邻的地带中隔离孔隙压力并加固地层。这些技术通过降低MWW的下边界能够有效地拓宽泥浆比重窗口。

在同一方面，如果规划和钻设井取决于MWW的大小。在井设计阶段，宽的泥浆比重窗口能够在井规划中简化井轨迹、套管程序、及其它项目。在较宽的窗口下，能够以更少的套管柱来达到总深度(total depth，TD)。因而，能够以更小的钻头来开钻挖(spud)井及钻设上部孔段，同时仍能提供所需的生产管道直径。此外，能够大幅度地减少钻屑体积和清理成本。能够调整泥浆密度、体积、和其他性质来帮助减小流体成本以及帮助优化钻井性能。并且还能够以优化的泵浦速率能够通过更佳的泥浆去除效率来减小水泥量和改善布井品质。能够更快地钻设井、安装套管、及灌注水泥。甚至可减小所需的钻机大小。用宽泥浆比重窗口钻设井能够大幅度地改善控制井的能力，并且能够实现改善的井筒稳定性、钻井水力参数、和井筒品质。这些改善能够大大提高ROP(rate of penetration，钻进速率)同时减少钻井意外和由此带来的麻烦时间。宽的MWW能够防止井漏、地层崩落(breakout)、和流体涌入。宽的窗口还有利于井控制操作以及防止必须过早设置套管。

实践中，能够用一维(1-D)分析法或三维(3-D)数值有限元(finite element，FE)法来估计给定井筒的MWW。现有技术的1-D方法根据沿着井筒轨迹的覆岩应力(overburden stress)和测井数据来确定水平应力分量，并且在MWW的确定中仅使用沿着井筒轨迹的信息。

在现有技术的3-D有限元法中，使用地层的3-D模型，该模型由3-D网格几何结构和网格的多点或节点之间的3-D机械本构关系组成。

现有1-D分析工具的优点是高效。它们的主要缺点在于它们在选择输入数据时需要做出多个假设。另外，输入的数据不能够考虑那些跨越地层可具有不同值的数据。

由于盐体(salt body)周围复杂的应力方向分布，在现有技术1-D MWW分析工具中前述的许多假设往往是合理的情况下，它们对于诸如盐下盐丘(subsalt dome)等地层内的特定地质结构而言并不足够精确，对于这样的结构提供精确预测的MWW更加困难。具体而言，对于经盐下盐丘通过的井筒，由现有技术1-D分析法预测的MWW的值与3-D有限元法预测的MWW值有显著不同。这是因为，在盐基底(salt base)处地层的有效应力比不仅随着真实垂直深度(true vertical depth，TVD)变化，而且随着水平部分而变化。现有技术的1-D分析法对此没有考虑。

与现有技术的1-D法相反，3-D数值法的优点在于其能够通过3-D有限元分析精确地计算地层内的地质应力分布。另外，因为对于具有诸如在盐基底处等地质结构的地层有效应力比存在的变量，这些现有技术3-D方法在这样的情况中已经成为用于计算MWW的接受的标准。