本申請屬于油氣勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

碳酸鹽巖儲層中因裂縫、孔洞的發(fā)育，造成鉆井過程中放空現(xiàn)象時有發(fā)生，放空現(xiàn)象的發(fā)生會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故和經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)有的隨鉆地震技術(shù)可以預(yù)測裂縫、孔洞的存在，然而采用隨鉆地震技術(shù)存在費(fèi)用昂貴且操作復(fù)雜的問題。放空預(yù)警一直是國際難題，有效預(yù)警碳酸鹽巖儲層鉆井放空備受石油公司和鉆井工程師的關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┮环N碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中隨鉆地震技術(shù)預(yù)測裂縫、空洞存在操作復(fù)雜，費(fèi)用昂貴的問題。

本申請的一技術(shù)方案為提供一種碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法，包括：

建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型；

根據(jù)有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)確定有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

監(jiān)測實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

將實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律與有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行對比，若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律符合有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律，則進(jìn)行預(yù)警。

本申請還提供一種碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警系統(tǒng)，包括：

力學(xué)模型建立模塊，用于建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型；

鉆頭反扭矩變化規(guī)律確定模塊，用于根據(jù)有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)確定有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

預(yù)測模塊，用于將實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律與有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行對比，若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律符合有洞模式下磚頭反扭矩的變化規(guī)律，則進(jìn)行預(yù)警。

本申請通過利用地應(yīng)力對鉆頭鉆進(jìn)過程中反扭矩的影響，發(fā)明了碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法及系統(tǒng)，可用于預(yù)警碳酸鹽巖儲層鉆井過程中放空現(xiàn)象的發(fā)生，解決了在沒有隨鉆地震情況下預(yù)測孔洞的難題，填補(bǔ)了碳酸鹽巖儲層鉆井中避免放空的國際空白，為碳酸鹽巖儲層油氣勘探與開發(fā)提供技術(shù)支持。本申請節(jié)約了隨鉆地震費(fèi)用，降低了鉆井成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1a及圖1b分別為本申請實(shí)施例的有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽儲層井眼軌跡；

圖2a及圖2b分別為本申請實(shí)施例的有孔洞模式及無孔洞模式下深度-畸變能密度曲線；

圖3a及圖3b分別為本申請實(shí)施例的有孔洞模式及無孔洞模式下深度-鉆頭反扭矩曲線；

圖4為本申請實(shí)施例的碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法的流程圖；

圖5為本申請實(shí)施例的碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本申請的技術(shù)特點(diǎn)及效果更加明顯，下面結(jié)合附圖對本申請的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，本申請也可有其他不同的具體實(shí)例來加以說明或?qū)嵤?，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在權(quán)利要求范圍內(nèi)做的等同變換均屬于本申請的保護(hù)范疇。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一實(shí)施例”、“一具體實(shí)施例”、“一些實(shí)施方式”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本申請的至少一個實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。各實(shí)施例中涉及的步驟順序用于示意性說明本申請的實(shí)施，其中的步驟順序不作限定，可根據(jù)需要作適當(dāng)調(diào)整。

儲層巖石受到地應(yīng)力作用，其中存貯了一定的形變能，謂之畸變能密度。碳酸巖鹽儲層中大裂縫和溶洞周邊的地應(yīng)力場不同于無縫、無洞連續(xù)儲層的地應(yīng)力場。地應(yīng)力的不同勢必導(dǎo)致儲層畸變能密度的不同，進(jìn)而影響鉆頭鉆進(jìn)過程中的反扭矩，現(xiàn)有技術(shù)中，還未見儲層畸變能密度與鉆頭反扭矩之間關(guān)系的研究，申請人正是分析了碳酸鹽巖儲層畸變能密度與鉆頭反扭矩之間的關(guān)系之后才能出了本申請要求保護(hù)的技術(shù)方案。下面詳細(xì)說明如何得到鉆頭反扭矩與儲層畸變能密度的定量關(guān)系的：

步驟一：建立有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型。

步驟二：分別確定有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層的井眼軌跡，根據(jù)有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型計(jì)算相應(yīng)模式下碳酸鹽巖儲層井眼軌跡上各點(diǎn)的畸變能密度。

詳細(xì)的說，有孔洞模式及無孔洞模式的井眼軌跡為鉆井前需要設(shè)計(jì)的軌跡，如圖1a及圖1b所示，用于提供井眼軌跡上各點(diǎn)的坐標(biāo)，用(x,y,z)表示。

碳酸鹽巖儲層井眼軌跡上各點(diǎn)的畸變能密度可用深度-畸變能密度曲線表示，如圖2a及圖2b所示，碳酸鹽儲層有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層力學(xué)模型的頂面深度為6000m，有孔洞模式下，碳酸鹽巖儲層畸變能密度與深度之間為非線性關(guān)系(圖2a)，無孔洞模式下，碳酸鹽巖儲層畸變能密度與深度之間為線性關(guān)系(圖2b)。

步驟三：根據(jù)步驟一中確定的有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型分別實(shí)驗(yàn)確定有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層鉆頭鉆進(jìn)過程中的反扭矩。

同樣，碳酸鹽巖儲層鉆頭鉆進(jìn)過程中的反扭矩可用深度-鉆頭反扭矩曲線表示，如圖3a及圖3b所示，碳酸鹽儲層有孔洞模式及無孔洞模式下碳酸鹽巖儲層力學(xué)模型的頂面深度為6000m，有孔洞模式下，碳酸鹽巖儲層鉆頭反扭矩與深度之間為非線性關(guān)系(圖3a)，無孔洞模式下，碳酸鹽巖儲層鉆頭反扭矩與深度之間為線性關(guān)系(圖3b)。

步驟四：根據(jù)步驟二及步驟三中得到的值，分別確定有孔洞模式及無孔洞模式下鉆頭反扭矩與儲層畸變能密度的定量關(guān)系。儲層畸變能密度大，易破碎，鉆頭產(chǎn)生的反扭矩較大，儲層畸變能密度小，不易破碎，鉆頭產(chǎn)生的反扭矩較小。

根據(jù)相似原理，在等比例縮小鉆進(jìn)模型，實(shí)驗(yàn)測定不同上覆巖層壓力條件下鉆頭反扭矩與儲層畸變能密度的關(guān)系。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)可得，鉆頭反扭矩與畸變能密度呈正比例關(guān)系，定量關(guān)系可通過如下公式表示：

mbt＝kud+c

其中，mbt為鉆頭鉆進(jìn)過程中的反扭矩，n˙m；ud為儲層畸變能密度，mpa；k、c為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，無量綱量。

由上述分析可知，鉆頭反扭矩的變化規(guī)律能夠代表儲層畸變能密度的變化規(guī)律。基于上述分析，考慮到儲層畸變能密度能夠反映地應(yīng)力場不同，地應(yīng)力場不同能夠反映是否有孔洞或裂縫，因此，本申請得出了通過實(shí)鉆過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律來預(yù)測是否有孔洞或裂縫的技術(shù)方案。

一具體實(shí)施方式中，上述步驟一中，建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層力學(xué)模型的過程包括：

1)確定有孔洞碳酸鹽巖儲層的幾何模型。

具體的，幾何模型包括孔洞深度，孔洞長軸及短軸長度，幾何模型的邊界條件，孔洞周圍的圍巖邊界至少為孔洞長軸、短軸的5倍。

2)確定碳酸鹽巖儲層的物理力學(xué)參數(shù)。

具體的，物理力學(xué)參數(shù)包括巖石彈性模量e，巖石泊松比μ，biot系數(shù)，構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)εh、εh，內(nèi)摩擦角，黏聚力，抗拉強(qiáng)度。其中，構(gòu)造應(yīng)變系統(tǒng)εh、εh為井眼實(shí)測數(shù)據(jù)，不同的地區(qū)有不同的平均值。實(shí)施時，可參考國際巖石力學(xué)學(xué)會《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》測定碳酸鹽巖儲層的上述物理力學(xué)參數(shù)。

3)根據(jù)幾何模型上覆巖層壓力及物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層垂向地應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力及水平最小主應(yīng)力。水平最大主應(yīng)力及水平最小主應(yīng)力計(jì)算公式如下：

其中，σv為垂向地應(yīng)力，mpa；hi為第i層巖性地層的厚度，m，計(jì)算時，將頂面深度以上底層的自重壓力施加到模型頂面；ρi為第i層巖性地層的巖石密度，g/cm³；n表示不同巖性的巖層數(shù)目；g為重力加速度，取9.8m/s²；σh為水平最大主應(yīng)力，mpa；σh為水平最小主應(yīng)力，mpa；e為巖石彈性模量，mpa；μ為巖石泊松比；α為biot系數(shù)；εh、εh為構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；pp為儲層壓力，也就是孔隙流體的壓力。

4)根據(jù)所述幾何模型及邊界應(yīng)力條件確定有孔洞模式碳酸鹽巖儲層各點(diǎn)的地應(yīng)力。

實(shí)施時，步驟1)、步驟2)及步驟3)中的幾何模型頂面深度為用戶設(shè)定值，步驟3)邊界應(yīng)力計(jì)算及步驟4)可通過現(xiàn)有的建模軟件實(shí)現(xiàn)，本申請對此不再詳細(xì)贅述。

建立無孔洞模式鹽酸鹽巖儲層力學(xué)模型的過程包括：

1')確定無孔洞模式碳酸鹽儲層的幾何模型。

具體的，無孔洞碳酸鹽儲層幾何模型的邊界尺寸與有孔洞碳酸鹽巖儲層幾何模型的邊界尺寸相同。

2')確定碳酸鹽巖儲層的物理力學(xué)參數(shù)。

3')根據(jù)所述物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層垂向地應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力及水平最小主應(yīng)力。各應(yīng)力的計(jì)算公式參見步驟3)。

4')根據(jù)所述幾何模型及邊界應(yīng)力條件確定所述有無洞碳酸鹽巖儲層各點(diǎn)的地應(yīng)力。

實(shí)施時，步驟1')、步驟2')及步驟3')中的幾何模型頂面深度為用戶設(shè)定值，步驟3)邊界應(yīng)力計(jì)算及步驟4)可通過現(xiàn)有的建模軟件實(shí)現(xiàn)，本申請對此不再詳細(xì)贅述。

一具體實(shí)施方式中，上述步驟二中，對于有孔洞模式，從距離洞頂10m的位置開始，每間隔固定距離(如1m)的位置計(jì)算各個深度的畸變能密度，碳酸鹽巖儲層井眼軌跡上各點(diǎn)的畸變能密度可通過如下公式計(jì)算：

其中，ud為碳酸鹽巖儲層井眼軌跡上一點(diǎn)的畸變能密度，mpa；σv為垂向地應(yīng)力，mpa；σh為水平最大主應(yīng)力，mpa；σh為水平最小主應(yīng)力，mpa；e為巖石彈性模量，mpa；μ為巖石泊松比；e為巖石的彈性模量，mpa。

如圖4所示，圖4為本申請實(shí)施例的碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警方法的流程圖。本實(shí)施例解決了在沒有隨鉆地震情況下預(yù)測孔洞的難題，填補(bǔ)了碳酸鹽巖儲層鉆井中避免放空的國際空白，為碳酸鹽巖儲層油氣勘探與開發(fā)提供技術(shù)支持。具體的，包括：

步驟401：建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型。

步驟402：根據(jù)有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)確定有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律。

步驟403：監(jiān)測實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律。實(shí)施時，監(jiān)測實(shí)際鉆進(jìn)過程中最近n米內(nèi)測得的鉆頭反扭矩的變化規(guī)律。

步驟404：將實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律與有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行對比，若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律符合有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律，則進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)備完鉆。

若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律不符合有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律，則繼續(xù)鉆進(jìn)。

本實(shí)施例具有操作簡單的特點(diǎn)，節(jié)約了隨鉆地震費(fèi)用，降低了鉆井成本。

上述步驟401建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型的過程包括：確定有孔洞碳酸鹽巖儲層的幾何模型及幾何模型頂面深度；確定碳酸鹽巖儲層的物理力學(xué)參數(shù)；根據(jù)幾何模型頂面深度及物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層邊界應(yīng)力條件；根據(jù)幾何模型及邊界應(yīng)力條件確定所述有孔洞碳酸鹽巖儲層各點(diǎn)的地應(yīng)力。

具體的，根據(jù)幾何模型頂面深度及物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層邊界應(yīng)力條件的計(jì)算公式如下：

其中，σv為垂向地應(yīng)力，mpa；hi為第i層巖性地層的厚度，m，計(jì)算時，將頂面深度以上底層的自重壓力施加到模型頂面；ρi為第i層巖性地層的巖石密度，g/cm³；n表示不同巖性的巖層數(shù)目；g為重力加速度，取9.8m/s²；σh為水平最大主應(yīng)力，mpa；σh為水平最小主應(yīng)力，mpa；e為巖石彈性模量，mpa；μ為巖石泊松比；α為biot系數(shù)；εh、εh為構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；pp為儲層壓力，也就是孔隙流體的壓力。

如圖5所示，圖5為本申請實(shí)施例的碳酸鹽巖儲層鉆井放空預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。具體的，放空預(yù)警系統(tǒng)包括：

力學(xué)模型建立模塊501，用于建立有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型；

鉆頭反扭矩變化規(guī)律確定模塊502，用于根據(jù)有孔洞模式碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)確定有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

監(jiān)測模塊503，用于監(jiān)測實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律；

預(yù)測模塊504，用于將實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律分別與有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行對比，若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律符合有洞模式下磚頭反扭矩的變化規(guī)律，則進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)備完鉆。若實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律不符合有孔洞模式下鉆頭反扭矩的變化規(guī)律，則繼續(xù)鉆進(jìn)。

實(shí)施時，力學(xué)模型建立模塊501建立有孔洞碳酸鹽巖儲層的力學(xué)模型的過程包括：確定有孔洞碳酸鹽巖儲層的幾何模型及幾何模型頂面深度；確定碳酸鹽巖儲層的物理力學(xué)參數(shù)；根據(jù)幾何模型頂面深度及物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層邊界應(yīng)力條件；根據(jù)所述幾何模型及邊界應(yīng)力條件確定有孔洞碳酸鹽巖儲層各點(diǎn)的地應(yīng)力。

其中，力學(xué)模型建立模塊501確定有孔洞碳酸鹽巖儲層的幾何模型包括：確定孔洞深度，孔洞長軸及短軸長度，幾何模型的邊界條件。

力學(xué)模型建立模塊501根據(jù)所述物理力學(xué)參數(shù)確定碳酸鹽巖儲層邊界應(yīng)力條件的計(jì)算公式如下：

其中，σv為垂向地應(yīng)力，mpa；hi為第i層巖性地層的厚度，m，計(jì)算時，將頂面深度以上底層的自重壓力施加到模型頂面；ρi為第i層巖性地層的巖石密度，g/cm³；n表示不同巖性的巖層數(shù)目；g為重力加速度，取9.8m/s²；σh為水平最大主應(yīng)力，mpa；σh為水平最小主應(yīng)力，mpa；e為巖石彈性模量，mpa；μ為巖石泊松比；α為biot系數(shù)；εh、εh為構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；pp為儲層壓力，也就是孔隙流體的壓力。

實(shí)施時，監(jiān)測模塊503監(jiān)測的為實(shí)際鉆進(jìn)過程中最近n米內(nèi)測得的鉆頭反扭矩變化規(guī)律。

本實(shí)施例提供的碳酸鹽巖儲層鉆井放空的預(yù)警系統(tǒng)能夠解決在沒有隨鉆地震情況下預(yù)測孔洞的難題，填補(bǔ)了碳酸鹽巖儲層鉆井中避免放空的國際空白，為碳酸鹽巖儲層油氣勘探與開發(fā)提供技術(shù)支持。具有操作簡單，節(jié)省鉆井成本的特點(diǎn)。

以上所述僅用于說明本申請的技術(shù)方案，任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員均可在不違背本申請的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本申請的權(quán)利保護(hù)范圍應(yīng)視權(quán)利要求范圍為準(zhǔn)。