專利名稱：確定鉆井液密度的方法及控制鉆井液密度的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆井技術(shù)，特別涉及鉆井液密度的確定方法和控制設(shè)備。
鉆井液的一個重要技術(shù)指標(biāo)是其密度。鉆井液密度太小，可以致使鉆井過程中發(fā)生井噴，引起重大機(jī)械及人身事故，鉆井液密度太大，又可造成地層的油層污染，能使高產(chǎn)油井變?yōu)榈彤a(chǎn)油井，甚至滴油不出。
確定鉆井液密度的重要參數(shù)是地層孔隙壓力確定。一般來說，地層孔隙壓力確定值高，則鉆井液密度值就偏高，反之亦然。由于長期以來，進(jìn)行地層孔隙壓力確定是屬于地質(zhì)工作者的職責(zé)，而確定鉆井液密度是屬于鉆井工作者的職責(zé)，同屬于石油部門兩個大的專業(yè)門類，很少有人從這兩個專業(yè)門類的“結(jié)合部”考察鉆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，新奧爾良市)召開2000年世界石油鉆井SPE/I ADC(石油工程師及國際石油承包商)年會，本發(fā)明的發(fā)明人在會上發(fā)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(jìn)勘探井的鉆井過程及在中國板深7井的應(yīng)用)，并獨(dú)立提出了一個新的井涌過程微分方程。
本發(fā)明還提供了一種確定鉆井液密度的方法，該方法包括以下步驟(1) 測量鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)；(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) 確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)；(5) 確定鉆井液密度。
1998年，本發(fā)明在板深7井的設(shè)計(jì)和施工中，首次從鉆井工程與鉆井地質(zhì)的結(jié)合中重新考慮鉆井液密度的確定問題，利用本發(fā)明確定地層孔隙壓力系數(shù)，形成一套新的鉆井液密度確定方法。此井鉆井結(jié)束時，已達(dá)到日產(chǎn)原油(折合)1000噸的水平。
具體實(shí)施例方式
目前，無論是石油鉆井的大學(xué)教科書或相關(guān)工具書，都講述這樣的原理，即鉆井設(shè)計(jì)所遵循的地層孔隙壓力確定方法是，依據(jù)某一裸眼段的最高孔隙壓力設(shè)計(jì)鉆井液的密度。本發(fā)明的地層孔隙壓力系數(shù)確定方法是，考慮目前鉆井設(shè)備中的井控裝置，各種先進(jìn)的錄井監(jiān)測裝置，以及各種業(yè)已成熟的錄井計(jì)算機(jī)確定算法等，可以忽略所占比例不大的少數(shù)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(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)時，有1000m井段需要下13 3/8”套管(17 1/2”裸眼井段)，根據(jù)地質(zhì)資料，其中80m的地層孔隙壓力系數(shù)為1.32，而其余部分的壓力系數(shù)為1.22?？梢杂袃煞N不同的確定方法，從而得出不同的結(jié)果。
第一，按照傳統(tǒng)確定方法，這一井段的地層壓力系數(shù)應(yīng)定為1.32。這樣，在此井段鉆進(jìn)使用的鉆井液密度至少應(yīng)為1.32(平衡鉆井)，或是1.34(常規(guī)鉆井)。依照通常做法，若這一井段使用低于1.32的鉆井液，例如將地層壓力確定為1.22，使用1.22或1.24的鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)時，就有可能在高壓層(地層壓力系數(shù)為1.34)時造成井噴，發(fā)生大事故。
第二，按照本發(fā)明的方法，這一井段的地層壓力系數(shù)應(yīng)定為1.22。這樣，此井段鉆井液密度為1.22(平衡鉆井)，或是1.24(常規(guī)鉆井)。(當(dāng)平衡鉆井時，鉆井液密度與所確定的地層孔隙壓力系數(shù)相等；當(dāng)常規(guī)鉆井時，鉆井液密度要比所確定的地層孔隙壓力系數(shù)高0.02-0.03。)同樣，在這一井段鉆井時也會遇到局部高壓層，然而，有3個原因使設(shè)計(jì)時對此高壓力層可以忽略不計(jì)。
第一個原因是由于現(xiàn)代鉆井較完善的井控技術(shù)，可以提前預(yù)報(bào)并臨時采取應(yīng)急措施，比如加重鉆井液密度、啟動各種井控裝置等，完全不必要因?yàn)檩^短井段的局部高壓層，就在整個井段使用高密度的鉆井液，從而造成油層污染。
第二個原因是由對鉆井中井噴前的井涌過程機(jī)理的新認(rèn)識。在鉆井中，從有井噴跡象，到井噴實(shí)際發(fā)生，其“醞釀”時間要比人們通常想象長得多。具體在大港地區(qū)，這一時間大約是人們通常認(rèn)為的3倍左右。這一時間足夠使井場工程師采取各種必要措施來防止井噴的發(fā)生，不必對某些占比例很小的異常高壓層很在意。
第三個原因是基于重新認(rèn)識井涌過程機(jī)理后，專門應(yīng)用于地層壓力確定所提出的本發(fā)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(shè)計(jì)常規(guī) 設(shè)計(jì)平號 力系數(shù)方法 壓力系數(shù) 鉆井鉆井 衡鉆井液密度 鉆井液密度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(fā)明確定方法 1.228 1.25 1.234本發(fā)明的修正的確定 1.2217 1.24 1.22方法(查表法)5 本發(fā)明的修正的確定 1.2254 1.24 1.23方法(計(jì)算法)從表1中可以看出，用修正后的地層孔隙壓力確定方法來進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)，可以較大幅度地降低鉆井液的密度。其好處一是可以減少油層污染，提高勘探成效及原油產(chǎn)量；二是可以加快鉆井速度，節(jié)省鉆井成本。一般來說，鉆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；而鉆井液密度若能降低0.2，就可以使鉆頭的機(jī)械鉆速提高3％。修正后的確定方法對鉆井工程，確實(shí)有“多快好省”的功效。
表1中的第3至5結(jié)果是依據(jù)本發(fā)明提出的方法得出。對于井涌過程的描述使用一定密度的鉆井液參與鉆進(jìn)過程，其重要目的之一是平衡地層壓力，防止鉆井中的井噴事故發(fā)生。井噴之前鉆井液的緩慢噴發(fā)過程稱井涌，這也稱為井噴事故發(fā)生前的“前奏”。對于井涌的過程機(jī)理人們研究已有近百年歷史?，F(xiàn)在多數(shù)人認(rèn)為，在鉆進(jìn)中井涌的過程就是由地層向井眼內(nèi)緩慢地“注氣”的過程，即井眼內(nèi)鉆井液里的氣體成份不斷增加，使井眼內(nèi)單位體積的“液氣混合物”密度不斷減小。當(dāng)這種密度的減少不足以平衡井內(nèi)地層的壓力時，就產(chǎn)生了井口的溢流，直到井噴。
在本發(fā)明中，對井涌物理過程作如下的描述。
假設(shè)某一鉆井深度下井內(nèi)發(fā)生井涌。此時井眼內(nèi)能夠容納鉆井液及氣體的總?cè)莘e為n，其中液體體積為s，氣體體積為i。顯然，從井涌開始直到井噴，s與i都是時間t的函數(shù)用數(shù)學(xué)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(rèn)為井涌時井眼內(nèi)氣體的增加是時間的線性函數(shù)，即從地層開始向井筒內(nèi)注氣開始，井眼內(nèi)的氣體是隨著時間的增加而增加的。用數(shù)學(xué)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(shù)，其值將由條件初值而定。
顯然，上式認(rèn)為井眼內(nèi)氣體量的變化與時間呈線性一次函數(shù)；時間越長，氣體量增加越多。并且認(rèn)為，從開始井涌，到后來井噴的發(fā)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(xiàn)象，即井涌開始時的“先兆”很難捕捉(井眼內(nèi)進(jìn)氣量非常少)，而井噴開始后井眼內(nèi)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(fā)明提出一新的描述，不少現(xiàn)場工程師運(yùn)用不同形式也有近似的表述，這就是第二種描述?，F(xiàn)場人員普遍認(rèn)識到井涌過程中井眼內(nèi)氣體體積增加的速率，并不是一個常數(shù)；然而究竟是怎樣的非線性，很多人提出不同的見解。本發(fā)明則直接提出，此時氣體增加的速率與當(dāng)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(yīng)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(nèi)氣量的變化與時間之間是自然指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。此式較好地描述了這樣一個井場現(xiàn)象即當(dāng)井涌剛開始時，地層進(jìn)入井眼中的氣量很小，但隨著時間增加，進(jìn)氣量成指數(shù)地增長，從理論上說，幾乎可以發(fā)展為無窮大。這一公式較好地解釋了現(xiàn)場中并涌開始的“平靜”，以及井噴發(fā)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(rèn)為氣體涌入井眼的速率，即井筒內(nèi)氣體的瞬時增加量，不僅與當(dāng)時氣體總體積有關(guān)，而且還與當(dāng)時井筒內(nèi)的實(shí)際液量有關(guān)。即為di(t)dt=Ki(t)s(t)----(4)]]>構(gòu)造(4)式的基本思想是，井眼內(nèi)注入氣體的速率并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(dāng)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(dāng)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。最后結(jié)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(shù)。(5)式的曲線圖見圖2。從曲線上看，當(dāng)井涌過程開始或即將結(jié)束，即井噴突然暴發(fā)時，井眼內(nèi)單位時間里注入的氣量都非常小。這里分2點(diǎn)討論第一是井涌過程開始時，此時注氣量小的原因同前面第2種數(shù)學(xué)模型。具體說來，此時井眼中氣體很少，液體相對來說較為“致密”，使氣體無縫隙可“鉆”；然而隨著氣體的慢慢侵入，液體內(nèi)氣泡增多，不僅為氣體繼續(xù)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(nèi)提供了條件。
第二是井涌過程結(jié)束時，即井噴即將暴發(fā)前，此時向井眼內(nèi)的單位注氣量仍趨于逐漸減少。這其中原因有二(1)從物理學(xué)理論上說，井筒不是簡單的容器，而是一條趨于“無限長”的狹長管狀容器，此外還有復(fù)雜的液體與容器壁面的交接邊界；在井噴開始前，由于鉆井液與井壁之間、鉆井液分子之間的初切力、動切力等因素影響，加之鉆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(nèi)注氣量減少?？梢约俣ㄟ@一高壓狀態(tài)存在對一鉆井過程來說是“罕見”的，否則不能想象整個鉆井過程會時時處在即將井噴的情況下進(jìn)行。
(2)實(shí)驗(yàn)室井涌模擬試驗(yàn)可以證明這點(diǎn)。用一可變排量泵模擬地層向試驗(yàn)用井筒加入高壓氣體或高壓水；井筒內(nèi)放入鉆井液。當(dāng)井筒內(nèi)壓力增高時，泵為了平衡并筒內(nèi)壓力，其排量明顯減少。以往不少實(shí)驗(yàn)室做同類試驗(yàn)時得不出此結(jié)果，是由于這些實(shí)驗(yàn)室多采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(shí)際井噴過程與大自然火山噴發(fā)時的原理大致相同。國外對火山噴發(fā)過程的數(shù)學(xué)模擬顯示，其噴發(fā)前有個緩慢的能量驟集過程。而對井涌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(fā)，而第三種描述則可以解釋。4特殊的非線性描述的討論關(guān)于(4)式數(shù)學(xué)公式有以下特點(diǎn)。
第一，井涌過程中井筒內(nèi)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(guān)系s(t)=n(1-11+(ni0-1)e-knt)----(6)]]>上式表示了井筒內(nèi)液體容積s(t)隨時間的變化情況。顯然由于(1)式，(6)式的曲線圖形正好與(5)式互為補(bǔ)充。
第二，井涌過程中地層向井筒內(nèi)注氣的最大速率點(diǎn)。
研究井場的井涌過程，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(diǎn)。將(5)式對時間t求導(dǎo)數(shù)，得下式didt=kn2(ni0-1)e-knt[1+(ni0-1)e-knt]2----(7)]]>當(dāng)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(dāng)上式達(dá)到最高峰值，即t0時刻，地層向井筒內(nèi)注氣速率達(dá)到最高值。由微分極值原理不難得出t0=ln(ni0-1)kn----(8)]]>5三種井涌解釋的圖形曲線比較根據(jù)(2)式，(3)式及(4)式，均代入同一地質(zhì)區(qū)塊、同一地層的地質(zhì)及氣體的初值條件，解出常數(shù)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，其由開始井涌(即有井噴跡象)，到發(fā)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(fā)明在某個井鉆探前，曾代入該井的地質(zhì)條件參數(shù)試算過，所得的結(jié)果見表2。
表2 3種解釋的結(jié)果序 使用確定方法 微分方程 數(shù)學(xué)公式 從井涌開始到發(fā)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)式不少于6小時實(shí)際上以前在上述井所在地區(qū)，鉆井工程師及泥漿工程師的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是發(fā)現(xiàn)井涌到實(shí)際井噴的時間約為2小時。
第3種解釋的提出及應(yīng)用有2層意義一是為改進(jìn)地層壓力系數(shù)確定提供了理論根據(jù)，即地層井涌是一個較“漫長”的過程，不象原來人們所設(shè)想的那么“短暫”，當(dāng)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。上述井開鉆之前，本發(fā)明提出，由于此地區(qū)井噴跡象的出現(xiàn)到實(shí)際井噴的時間不少于6個小時，錄井隊(duì)?wèi)?yīng)力爭在井噴6個小時之前作出預(yù)報(bào)，凡是因?yàn)闆]有及時預(yù)報(bào)而造成的井噴事故，應(yīng)由錄并隊(duì)負(fù)責(zé)。這為現(xiàn)場鉆井隊(duì)在新的地層壓力確定方法下，使用低密度鉆井液鉆進(jìn)，分解井噴事故責(zé)任，減輕井隊(duì)操作人員的思想負(fù)擔(dān)；同時也為錄井工作，提出了新的工作目標(biāo)及要求。本發(fā)明的確定地層壓力的方法對于前面提到的例子1可以提出2個問題，一是當(dāng)?shù)貙拥哪掣邏簩娱L度占所鉆進(jìn)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(shù)高壓層后如何定出新的確定值，并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(shè)所確定的某一裸眼井段的地層孔隙壓力系數(shù)值為P，這一裸眼井段的長度為L，則以往確定方法，用數(shù)學(xué)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系數(shù)，n為此裸眼段中地層總數(shù)。2本發(fā)明的確定方法與原有方法的關(guān)系本發(fā)明的確定方法的壓力系數(shù)表達(dá)式為P=∫l1l2ξdlL----(10)]]>其中l(wèi)1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(jié)果即為(9)，即關(guān)于地層壓力系數(shù)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系數(shù)確定方法，不過是(10)式的一種特例而已。3非連續(xù)條件下的確定方法若考慮到(10)在積分區(qū)間常常是分段不連續(xù)函數(shù)，則(10)式可改寫為P=Σi=1nξiliL=Σi=1nliLξi=Σi=1nβiξi----(13)]]>其中βI＝li/L；容易看出，βi實(shí)際是第i層的地層壓力系數(shù)對最后確定值P的加權(quán)因子，或者稱貢獻(xiàn)系數(shù)。
4對確定方法的第一種修正(查表法)本發(fā)明提供一種查表方法，來對確定結(jié)果進(jìn)行修正。查表法與后面介紹的計(jì)算法，都是對各種來源獲得的地層壓力確定原始數(shù)據(jù)進(jìn)行評價。地質(zhì)工程人員在進(jìn)行壓力系數(shù)確定時，通常都要依據(jù)各種技術(shù)手段得來的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如對將要鉆井地區(qū)的二維或三維地震勘探資料數(shù)據(jù)，所鉆井鄰近地區(qū)已完成井的實(shí)鉆采集數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的可靠性，或都說準(zhǔn)確性，對確定結(jié)果有很大的影響。
將(13)式稍作變形成為下式P=Σi=1nβiλiωiξi----(14)]]>式中的λi為第i地層壓力數(shù)據(jù)資料來源準(zhǔn)確率的概率系數(shù)，ωi為第i層的斷塊狀況系數(shù)。λi的取得見表3。ωi的取得見表4。
表3 資料來源系數(shù)λi取值表序使用確定方法 獲取地層壓力數(shù)據(jù)資料方式 λi取值號1 ξi＜＝Ω 12 ξI＞Ω 同區(qū)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(shù)據(jù)的話，則可以從表3中選取一個最大值，作為λi值。
表4 斷層狀況系數(shù)ωi取值表序 使用確定方法 鉆井所在地區(qū)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(shù)據(jù)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Ω=Σi=1nliLξi----(15)]]>5對確定方法的第二種修正(計(jì)算法)本發(fā)明提供另外一種方法，以直接計(jì)算方法來修正確定結(jié)果。查表法的優(yōu)點(diǎn)，主要為了方便現(xiàn)場使用，但缺點(diǎn)是忽略了使用條件之間的差異。本發(fā)明的計(jì)算法可利用各油田各類數(shù)據(jù)的實(shí)際可靠性概率來進(jìn)行確定，顯然具有更好的合理性。
第一，數(shù)據(jù)處理目的。一般來說，使用各種技術(shù)手段得到的數(shù)據(jù)，例如利用二維或三維地震獲得了地層孔隙壓力確定數(shù)據(jù)，利用所設(shè)計(jì)井周圍已完成的鄰井?dāng)?shù)據(jù)，都可以得出其準(zhǔn)確性或可靠性的概率值。
第二，數(shù)據(jù)樣本來源。以某一數(shù)據(jù)采集單位及某型號設(shè)備幾年內(nèi)的數(shù)據(jù)資料為樣本，例如計(jì)算三維地震資料確定地層異常壓力數(shù)據(jù)的可靠性，就以某地震勘探公司及其某型號三維地震儀所采集的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本。通過已鉆井的實(shí)際資料對比，確定其原有勘探數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。簡單說，只作“符合”與“不符合”的驗(yàn)證。本發(fā)明認(rèn)為這是“獨(dú)立事件”概率。ηi=mn----(16)]]>其中ηi是這種數(shù)據(jù)采集的可靠性概率，n為數(shù)據(jù)子樣總數(shù)，m是確定準(zhǔn)確或較準(zhǔn)確子樣數(shù)。一般來說，數(shù)據(jù)子樣總數(shù)n不應(yīng)少于200個。當(dāng)所確定地層壓力的井有多個數(shù)據(jù)來源時，就以可靠性最高的那種數(shù)據(jù)來源作為可靠性概率。
第三，數(shù)據(jù)處理。在本發(fā)明中，求出數(shù)據(jù)來源可靠性概率的目的，只是為了估計(jì)確定壓力系數(shù)中，那些高于加權(quán)平均值以上的系數(shù)值的可靠性，或稱可信度，故有下列公式Ω=Σi=1nβiξi----(17)]]>P=Σi=1nβiτi----(18)]]>其中 τi＝ξi當(dāng)ξi≤Ω時τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當(dāng)ξi＞Ω時以上就是本發(fā)明的第2種修正方法(計(jì)算法)。
條件同實(shí)施例2。補(bǔ)充條件為對確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源進(jìn)行樣本可靠性分析，按照(16)式，取200個子樣，經(jīng)實(shí)際鉆井驗(yàn)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(jié)果。
Ω＝1.228P=9201000×1.22+801000×[1.228+(1.32-1.228)×0.65]=1.2254----(21)]]>對上述結(jié)果進(jìn)行討論。
第一，上述例子與實(shí)施例1的計(jì)算結(jié)果比較。運(yùn)用(13)式的計(jì)算結(jié)果與表1中的第2個結(jié)果，即概略計(jì)算值相差不多(用概略法確定值為1.22)，誤差小于0.7％；不嚴(yán)格地說，若考慮壓力確定系數(shù)大都在1.0以上，則兩個結(jié)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(jié)果基本相同。
第二，實(shí)施例2與實(shí)施例1及上述例子計(jì)算結(jié)果的比較。運(yùn)用(14)式的計(jì)算方法，所得結(jié)果為表2中的第4種結(jié)果，則與概略方法的結(jié)果相差無幾。
下面，對照圖4說明本發(fā)明控制鉆井液密度設(shè)備的框圖。
如圖4所示，本發(fā)明的控制鉆井液密度的設(shè)備包括以下裝置基本鉆井參數(shù)輸入裝置1，其用于輸入裸眼井段的長度L；鉆井參數(shù)自動檢測裝置2，其用于測量各井段的起始位置l1、終止位置l2和各井段的長度li，以及鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)ξi；鉆井專用工業(yè)控制機(jī)3，其輸入端與所述基本鉆井參數(shù)輸入裝置1和所述鉆井參數(shù)自動測量裝置2相連，用于確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P和鉆井液密度，并輸出鉆井液控制信號；控制器6和自動改變鉆井液密度裝置8，控制器6和自動改變鉆井液密度裝置8的組合構(gòu)成了鉆井液密度控制裝置，用于根據(jù)所述鉆井液控制信號控制鉆井液密度。
此外，本發(fā)明的控制鉆井液密度的設(shè)備還包括第1存貯器和第2存貯器，第1存貯器存貯鉆井專用工業(yè)控制機(jī)3可以執(zhí)行的控制程序，以便控制鉆井參數(shù)的自動檢測、基本鉆井參數(shù)的輸入。當(dāng)然，鉆井專用工業(yè)控制機(jī)3也可以同第1存貯器設(shè)計(jì)在一起，構(gòu)成專用的控制鉆井參數(shù)的自動檢測、基本鉆井參數(shù)的輸入的裝置。這種設(shè)計(jì)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是一種常識，在此不在對其作詳細(xì)的描述。
第2存貯器用于存貯各種不同的確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P的程序，以及產(chǎn)生和輸出鉆井液控制信號的程序。同樣，專用工業(yè)控制機(jī)3也可以同第2存貯器設(shè)計(jì)在一起，構(gòu)成一種專用的確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P、產(chǎn)生和輸出鉆井液控制信號的裝置。
基本鉆井參數(shù)輸入裝置1可以采用常規(guī)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。鉆井參數(shù)的自動檢測裝置2也可以采用常規(guī)的檢測裝置，如長度測量傳感器，壓力系數(shù)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，以及鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)ξI。
在確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P的第1種程序或者裝置中，根據(jù)下式P=∫l1l2ξdlL]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P。
在確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P的第2種程序或者裝置中，根據(jù)下式P=Σi=1nξiliL=Σi=1nliLξi=Σi=1nβiξi]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P。
在確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P的第3種程序或者裝置中，根據(jù)下式P=Σi=1nβiλiωiξi]]>βI＝li/L確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P，其中在上式中，ωi的取值根據(jù)下式確定Ω=Σi=1nliLξi]]>當(dāng)ξi＜＝Ω時，ωi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時， ωi＝0.99；或者當(dāng)ξI＞Ω時， ωi＝0.96；λi的取值根據(jù)以下方式而定當(dāng)ξi＜＝Ω時，λi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時， λi＝0.98；或者當(dāng)ξI＞Ω時， λi＝0.95；或者當(dāng)ξI＞Ω時， λi＝0.93。
在確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P的第4種程序或者裝置中，根據(jù)下式P=Σi=1nβiτi]]>Ω=Σi=1nβiξi]]>βI＝li/Lηi=mn]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P，其中 τi＝ξi當(dāng)ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當(dāng)ξi＞Ω時；n是數(shù)據(jù)子樣總數(shù)，m是確定的準(zhǔn)確或較準(zhǔn)確子樣數(shù)。
此外，所述第2存貯器中還存貯確定鉆井液密度的程序，鉆井專用工業(yè)控制機(jī)3執(zhí)行該確定鉆井液密度的程序，使得當(dāng)平衡鉆井時，鉆井液密度確定為與所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)相等；當(dāng)常規(guī)鉆井時，鉆井液密度確定為比所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)高0.02-0.03。另外，第2存貯器還可以同鉆井專用工業(yè)控制機(jī)3設(shè)計(jì)為一體，形成專用的確定鉆井液密度的裝置。
鉆井專用控制機(jī)3根據(jù)已經(jīng)確定出的鉆井液密度，輸出相應(yīng)的鉆井液控制信號，通過控制器6控制自動改變鉆井液密度裝置8。自動改變鉆井液密度裝置8通過改變鉆井液的成分，或者改變搬土加入量，改變鉆井液密度。這種自動改變鉆井液密度裝置8也是現(xiàn)有技術(shù)的裝置，在此亦不作詳細(xì)描述。
此外，本發(fā)明的控制鉆井液密度的設(shè)備還包括輸出報(bào)告與曲線圖裝置，用于輸出所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)P和鉆井液密度，以及相應(yīng)的曲線圖。本發(fā)明在板深7井的應(yīng)用1998年4月，本發(fā)明在板深7井鉆井設(shè)計(jì)時，曾運(yùn)用修正后的地層孔隙壓力確定方法來進(jìn)行該井的地質(zhì)設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)。現(xiàn)簡要介紹如下。
在鉆井工程設(shè)計(jì)前，有關(guān)部門已經(jīng)做好了該井的地質(zhì)設(shè)計(jì)，其中地層孔隙壓力系數(shù)確定圖如

圖1。圖中的虛線，標(biāo)出了利用原有地層孔隙壓力系數(shù)確定方法繪制的曲線圖。從中看出，原有的地層孔隙壓力系數(shù)的確定值較高，這會使未來鉆井中所用鉆井液的密度偏高。本發(fā)明的發(fā)明人重新調(diào)閱了該井周圍完鉆井的資料，相關(guān)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。其中一個位于井深3369m到3380m井段，另一個是位于3729m到3745m井段。這2個地層分別厚約11m及16m，地層壓力系數(shù)為1.33及1.31。縱觀板深7井整個地質(zhì)情況，若不考慮這2個層位，其地層壓力系數(shù)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系數(shù)確定方法，則必須考慮這2個層位，或者說一定要用這2個層的壓力系數(shù)作為整個裸眼段(2900m到3900m)的壓力系數(shù)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(jié)果下，鉆井中鉆井液的密度至少在1.31。
用本發(fā)明的確定方法重新修改的地質(zhì)設(shè)計(jì)。圖1中的實(shí)線即為修改后的地層壓力系數(shù)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(jì)，其理由如前所述。結(jié)果此井段的地層壓力系數(shù)確定值就降至1.25，自然后來實(shí)際鉆井中的鉆井液密度也大幅度降下來了。
1998年的板深7井的鉆井實(shí)踐證明，在地層孔隙壓確定值的大幅度降低，帶來了鉆井液密度的大比例降低，從而大大減少了鉆井過程中鉆井液對油層的污染程度。此井從1750m開始，直到5000m完鉆，在相當(dāng)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(fā)明的確定方法和設(shè)備，從根本上為降低鉆井液密度提供了可能，也就為改善新區(qū)和老區(qū)油田勘探與開發(fā)效果增加了新的方法。
(1)本發(fā)明的方法和設(shè)備在石油勘探及開發(fā)井的鉆井實(shí)踐中都是行之有效的；這一方法對于從根本上降低鉆井液密度，減輕鉆井過程對油層的污染程度，以及加快鉆井速度，降低鉆井成本，都有明顯的效果；在大范圍推廣后伴隨巨大的經(jīng)濟(jì)效益；(2)本發(fā)明的方法和設(shè)備提高了地層孔隙壓力梯度確定精度，為常規(guī)鉆井、準(zhǔn)平衡鉆井、平衡鉆井、欠平衡鉆井的實(shí)施提供必要的界定數(shù)據(jù)；也為各種類型的鉆井形式，提供了關(guān)鍵性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(3)本發(fā)明的使用簡單易行；可以在不增加一分錢投資條件，較大程度地提高鉆探效果或采油產(chǎn)量。
表5 板深7井鄰井地層壓力情況序號 井號 井段位置(m) 地層孔隙壓力系數(shù)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(quán)利要求
1.一種控制鉆井液密度的設(shè)備，其特征在于包括以下裝置基本鉆井參數(shù)輸入裝置(1)，用于輸入裸眼井段的長度(L)；鉆井參數(shù)自動檢測裝置(2)，用于測量各井段的起始位置(l1)、終止位置(l2)和各井段的長度(li)，以及鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)(ξi)；鉆井控制機(jī)(3)，其輸入端與所述基本鉆井參數(shù)輸入裝置(1)和所述鉆井參數(shù)自動測量裝置(2)相連，用于確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)(P)和鉆井液密度，并輸出鉆井液控制信號；鉆井液密度控制裝置(6，8)，用于根據(jù)所述鉆井液控制信號控制鉆井液密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述鉆井控制機(jī)(3)包括地層孔隙壓力系數(shù)確定裝置，用于確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)(P)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述地層孔隙壓力系數(shù)確定裝置包括根據(jù)下式P=∫l1l2ξdlL]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述地層孔隙壓力系數(shù)確定裝置包括根據(jù)下式P=Σi=1nξiliL=Σi=1nliLξi=Σi=1nβiξi]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述地層孔隙壓力系數(shù)確定裝置包括根據(jù)下式P=Σi=1nβiλiωiξi]]>βI＝li/L確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的裝置，其中在上式中，ωi的取值根據(jù)下式確定Ω=Σi=1nliLξi]]>當(dāng)ξi＜＝Ω時， ωi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時，ωi＝0.99；或者當(dāng)ξI＞Ω時，ωi＝0.96；λi的取值根據(jù)以下方式而定當(dāng)ξi＜＝Ω時， λi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.98；或者當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.95；或者當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.93。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述地層孔隙壓力系數(shù)確定裝置包括根據(jù)下式P=Σi=1nβiτi]]>Ω=Σi=1nβiξi]]>ηi=mn]]>βI＝li/L確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的裝置，其中 τi＝ξi當(dāng)ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當(dāng)ξi＞Ω時；n是數(shù)據(jù)子樣總數(shù)，m是確定的準(zhǔn)確或較準(zhǔn)確子樣數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中之1項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述鉆井控制機(jī)(3)進(jìn)一步包括確定鉆井液密度的裝置，當(dāng)平衡鉆井時，鉆井液密度確定為與所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)相等；當(dāng)常規(guī)鉆井時，鉆井液密度確定為比所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)高0.02-0.03。
8.一種確定鉆井液密度的方法，其特征在于包括以下步驟(1)測量鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)(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)確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)(P)；(5)確定鉆井液密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟包括根據(jù)下式P=∫l1l2ξdlL]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟包括根據(jù)下式P=Σi=1nξiliL=Σi=1nliLξi=Σi=1nβiξi]]>確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟包括根據(jù)下式P=Σi=1nβiλiωiξi]]>βI＝li/L確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟，其中在上式中，ωi的取值根據(jù)下式確定Ω=Σi=1nliLξi]]>當(dāng)ξi＜＝Ω時， ωi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時，ωi＝0.99；或者當(dāng)ξI＞Ω時，ωi＝0.96；λi的取值根據(jù)以下方式而定當(dāng)ξi＜＝Ω時， λi＝1；當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.98；或者當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.95；或者當(dāng)ξI＞Ω時，λi＝0.93。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟包括根據(jù)下式P=Σi=1nβiτi]]>Ω=Σi=1nβiξi]]>ηi=mn]]>βI＝li/L確定鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)的步驟，其中τi＝ξi當(dāng)ξi≤Ω時；τi＝Ω+(ξi-Ω)*ηi當(dāng)ξi＞Ω時；n是數(shù)據(jù)子樣總數(shù)，m是確定的準(zhǔn)確或較準(zhǔn)確子樣數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中之1項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述確定鉆井液密度的步驟進(jìn)一步包括以下步驟當(dāng)平衡鉆井時，鉆井液密度確定為與所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)相等；當(dāng)常規(guī)鉆井時，鉆井液密度確定為比所確定的鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)高0.02-0.03。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種控制鉆井液密度的設(shè)備，其包括以下裝置基本鉆井參數(shù)輸入裝置(1)，鉆井參數(shù)自動測量裝置(2)，鉆井控制機(jī)(3)，鉆井液密度控制裝置(6，8)。本發(fā)明還提供了一種確定鉆井液密度的方法，該方法包括以下步驟測量鉆井各段的地層孔隙壓力系數(shù)(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(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者郭永峰, 金曉劍 申請人:中海油田服務(wù)有限公司