本發(fā)明涉及油氣田勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域中，儲層巖石受到地應(yīng)力作用，其中存貯了一定的形變能，稱為畸變能密度。有斷層儲層中斷層周邊的地應(yīng)力場不同于無斷層儲層的地應(yīng)力場，地應(yīng)力的不同會造成儲層畸變能密度的差異，進而影響鉆頭鉆進過程中的反扭矩。

在鉆井作業(yè)中，鉆頭鉆遇斷層易引發(fā)鉆井液漏失等工程問題，會導(dǎo)致嚴重的事故和經(jīng)濟損失?，F(xiàn)有的隨鉆地震技術(shù)可以預(yù)測斷層，然而費用昂貴且操作復(fù)雜。鉆遇斷層預(yù)警一直是國際難題，有效預(yù)警鉆遇斷層備受石油公司和鉆井工程師的關(guān)注。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有的隨鉆地震技術(shù)預(yù)測斷層的費用昂貴且操作復(fù)雜的問題。

本發(fā)明的第一個方面是提供一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法，包括：

建立有斷層儲層力學模型；

在實際井眼軌跡上布置深度計算點，計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一畸變能密度；

根據(jù)所述第一畸變能密度，獲得所述有斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第一變化趨勢；

監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第一變化趨勢相同，則拋出預(yù)警。

本發(fā)明的第二個方面是提供一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)，包括：

構(gòu)建模塊，用于建立有斷層儲層力學模型；

第一計算模塊，用于在實際井眼軌跡上布置深度計算點，計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一畸變能密度；

第二計算模塊，用于根據(jù)所述第一畸變能密度，獲得所述有斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第一變化趨勢；

監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第一變化趨勢相同，則拋出預(yù)警。

本發(fā)明提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法及系統(tǒng)，通過建立有斷層儲層力學模型，并計算實際井眼軌跡上的深度計算點在有斷層儲層力學模型中的畸變能密度，從而獲得有斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第一變化趨勢，監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢與第一變化趨勢相同時，則拋出預(yù)警。上述方案可在鉆井過程中沒有隨鉆地震的情況下預(yù)測斷層，操作簡單且成本低。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明實施例一提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖；

圖1b為本發(fā)明實施例一提供的另一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖；

圖1c為本發(fā)明實施例一提供的又一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖；

圖1d為本發(fā)明實施例一提供的又一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例二提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖；

圖3a為本發(fā)明實施例三提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3b為本發(fā)明實施例三提供的另一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1a為本發(fā)明實施例一提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖，如圖1a所示，所述方法包括如下步驟：

11、建立有斷層儲層力學模型。

具體的，建立有斷層儲層力學模型的方法可以有多種，舉例來說，建立有斷層儲層的力學模型，需要建立斷層及圍巖的幾何模型與邊界條件。具體如圖1b所示，圖1b為本發(fā)明實施例一提供的另一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖，在圖1a所示實施方式的基礎(chǔ)上，11可以包括：

111、確定模型尺寸、邊界條件和儲層的物理力學參數(shù)，所述邊界條件包括邊界的上覆巖層壓力、邊界的水平最大主地應(yīng)力和邊界的水平最小主地應(yīng)力。

實際應(yīng)用中，儲層的物理力學參數(shù)包括但不限于：彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度。上述參數(shù)的獲取方法可以有多種，以碳酸鹽巖儲層為例，可以參考國際巖石力學學會《巖石力學試驗建議方法》來測定獲得碳酸鹽巖儲層的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度。

112、根據(jù)所述模型尺寸和斷層的深度、厚度、傾角、傾向特征參數(shù)，建立有斷層儲層的幾何模型，并根據(jù)所述有斷層儲層的幾何模型、所述邊界條件和所述儲層的物理力學參數(shù)，建立有斷層儲層力學模型。

12、在實際井眼軌跡上布置深度計算點，計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一畸變能密度。

以實際應(yīng)用舉例來說，12中所述在實際井眼軌跡上布置深度計算點，具體可包括：在實際井眼軌跡上從所述斷層所在的深度以上10米的深度位置到所述斷層所在的深度以上2米的深度位置之間布置所述深度計算點。從而同時獲得較小的計算量和足夠的預(yù)警距離。

進一步的，儲層各點的畸變能密度取決于儲層地應(yīng)力和儲層巖石的物理力學性質(zhì)，計算畸變能密度的方式可以有多種，舉例來說，12中所述計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一畸變能密度，具體可以包括：

計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型下的上覆巖層壓力、水平最大主地應(yīng)力以及水平最小主地應(yīng)力，并利用第一公式，計算所述第一畸變能密度。

其中，所述第一公式為：

其中，ud為畸變能密度，μ為巖石泊松比，e為巖石彈性模量，σv為上覆巖層壓力，σh為水平最大主地應(yīng)力，σh為水平最小主地應(yīng)力。

具體的，

其中，ρi為地層巖石密度，g為重力加速度，hi為地層巖石厚度，pp為儲層孔隙壓力，α為biot系數(shù)，εh、εh為構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)。

13、根據(jù)所述第一畸變能密度，獲得所述有斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第一變化趨勢。

具體的，根據(jù)畸變能密度獲得鉆頭反扭矩隨鉆井深度的變化趨勢的方法可以有多種，例如，可以利用相似原理實驗確定畸變能密度對鉆頭反扭矩的影響規(guī)律。相應(yīng)的，如圖1c所示，圖1c為本發(fā)明實施例一提供的又一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖，在前述任一實施方式的基礎(chǔ)上，13具體可以包括：

131、確定第一定量關(guān)系，所述第一定量關(guān)系為有斷層儲層下畸變能密度和鉆頭反扭矩的定量關(guān)系；

132、根據(jù)所述第一畸變能密度和所述第一定量關(guān)系，計算獲得所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一鉆頭反扭矩；

133、根據(jù)所述第一鉆頭反扭矩，獲得所述第一變化趨勢。

其中，所述第一定量關(guān)系可以通過多種方法獲得，例如，可以通過進行多次實驗分析獲得。相應(yīng)的，如圖1d所示，圖1d為本發(fā)明實施例一提供的又一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖，在圖1c所示實施方式的基礎(chǔ)上，131具體可以包括：

1311、根據(jù)實際鉆井裝置和有斷層儲層力學模型，建造等比例縮小的鉆井裝置模型和有斷層儲層的巖塊模型；

1312、設(shè)計模擬井眼軌跡，在所述模擬井眼軌跡上布置深度測量點；

1313、根據(jù)所述有斷層儲層力學模型，計算所述深度測量點的有斷層畸變能密度；

1314、測量所述鉆井裝置模型鉆進所述有斷層儲層的巖塊模型時所述深度測量點的有斷層鉆頭反扭矩；

1315、根據(jù)所述有斷層畸變能密度和所述有斷層鉆頭反扭矩，擬合獲得所述第一定量關(guān)系。

14、監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第一變化趨勢相同，則拋出預(yù)警。

實際應(yīng)用中，儲層巖石受到地應(yīng)力作用，其中存貯了一定的形變能，即畸變能密度。有斷層儲層的儲層中斷層周邊的地應(yīng)力場不同于無斷層儲層的地應(yīng)力場。地應(yīng)力的不同會造成儲層畸變能密度的差異，進而影響鉆頭鉆進過程中的反扭矩。本方案中，建立有斷層儲層的力學模型，計算有斷層儲層中井眼軌跡各個位置的畸變能密度，以獲得有斷層儲層的力學模型中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律。在實鉆過程中監(jiān)測鉆頭反扭矩變化規(guī)律，并與有斷層儲層的力學模型中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律對比，若符合有斷層變化模式，則拋出預(yù)警，實現(xiàn)鉆井過程中鉆遇斷層的及時預(yù)警。本方案提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法，可在鉆井過程中沒有隨鉆地震的情況下預(yù)測斷層，操作簡單且成本低。

圖2為本發(fā)明實施例二提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法的流程示意圖，如圖2所示，在實施例一的基礎(chǔ)上，所述方法還包括如下步驟：

21、建立無斷層儲層力學模型；

建立無斷層儲層力學模型的方法可以有多種，舉例來說，建立無斷層儲層的力學模型，需要建立圍巖的幾何模型與邊界條件。具體的，21可以包括：

根據(jù)所述模型尺寸，建立無斷層儲層的幾何模型，并根據(jù)所述無斷層儲層的幾何模型、所述邊界條件和所述儲層的物理力學參數(shù)，建立無斷層儲層力學模型。

22、計算所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型中的第二畸變能密度；

計算畸變能密度的方式可以有多種，舉例來說，22具體可以包括：

計算所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型下的上覆巖層壓力、水平最大主地應(yīng)力以及水平最小主地應(yīng)力，并利用第一公式，計算所述第二畸變能密度。

23、根據(jù)所述第二畸變能密度，獲得所述無斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第二變化趨勢；

進一步的，根據(jù)畸變能密度獲得鉆頭反扭矩隨鉆井深度的變化趨勢的方法可以有多種，例如，可以利用相似原理實驗確定畸變能密度對鉆頭反扭矩的影響規(guī)律。舉例來說，23具體可以包括：

確定第二定量關(guān)系，所述第二定量關(guān)系為無斷層儲層下畸變能密度和鉆頭反扭矩的定量關(guān)系；

根據(jù)所述第二定量關(guān)系和所述第二畸變能密度，計算獲得所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型中的第二鉆頭反扭矩；

根據(jù)所述第二鉆頭反扭矩，獲得所述第二變化趨勢。

其中，所述第二定量關(guān)系可以通過多種方法獲得，例如，可以通過進行多次實驗分析獲得。舉例來說，所述確定第二定量關(guān)系具體可以包括：

根據(jù)實際鉆井裝置和無斷層儲層力學模型，建造等比例縮小的鉆井裝置模型和無斷層儲層的巖塊模型；

設(shè)計模擬井眼軌跡，在所述模擬井眼軌跡上布置深度測量點；

根據(jù)所述無斷層儲層力學模型，計算所述深度測量點的無斷層畸變能密度；

測量所述鉆井裝置模型鉆進所述無斷層儲層的巖塊模型時所述深度測量點的無斷層鉆頭反扭矩；

根據(jù)所述無斷層畸變能密度和所述無斷層鉆頭反扭矩，擬合獲得所述第二定量關(guān)系式。

24、監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第二變化趨勢相同，則正常鉆井。

本實施例提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警方法，通過建立無斷層儲層力學模型，從而獲得無斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第二變化趨勢，監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若與第二變化趨勢相同，則正常鉆井。上述方案預(yù)測斷層的精準度更高，進一步提高預(yù)警的可靠性。

圖3a為本發(fā)明實施例三提供的一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3a所示，所述系統(tǒng)包括：

構(gòu)建模塊31，用于建立有斷層儲層力學模型；

第一計算模塊32，用于在實際井眼軌跡上布置深度計算點，計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一畸變能密度；

第二計算模塊33，用于根據(jù)所述第一畸變能密度，獲得所述有斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第一變化趨勢；

監(jiān)測模塊34，用于監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第一變化趨勢相同，則拋出預(yù)警。

具體的，建立有斷層儲層力學模型的方法可以有多種，舉例來說，建立有斷層儲層的力學模型，需要建立斷層及圍巖的幾何模型與邊界條件。圖3b為本發(fā)明實施例三提供的另一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3b所示，在圖3a所示實施方式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模塊31可以包括：

初始化單元311，用于確定模型尺寸、邊界條件和儲層的物理力學參數(shù)，所述邊界條件包括邊界的上覆巖層壓力、邊界的水平最大主地應(yīng)力和邊界的水平最小主地應(yīng)力；

處理單元312，用于根據(jù)所述模型尺寸和斷層的深度、厚度、傾角、傾向特征參數(shù)，建立有斷層儲層的幾何模型，并根據(jù)所述有斷層儲層的幾何模型、所述邊界條件和所述儲層的物理力學參數(shù)，建立有斷層儲層力學模型。

實際應(yīng)用中，儲層的物理力學參數(shù)包括但不限于：彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度。上述參數(shù)的獲取方法可以有多種，以碳酸鹽巖儲層為例，可以參考國際巖石力學學會《巖石力學試驗建議方法》來測定獲得碳酸鹽巖儲層的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度。

以實際應(yīng)用舉例來說，所述第一計算模塊32可包括布置單元，所述布置單元用于在實際井眼軌跡上從所述斷層所在的深度以上10米的深度位置到所述斷層所在的深度以上2米的深度位置之間布置所述深度計算點。從而同時獲得較小的計算量和足夠的預(yù)警距離。

進一步的，所述第一計算模塊32還可以包括應(yīng)力單元，所述應(yīng)力單元用于計算所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型下的上覆巖層壓力、水平最大主地應(yīng)力以及水平最小主地應(yīng)力，并利用第一公式，計算所述第一畸變能密度。

具體的，根據(jù)畸變能密度獲得鉆頭反扭矩隨鉆井深度的變化趨勢的方法可以有多種，例如，可以利用相似原理實驗確定畸變能密度對鉆頭反扭矩的影響規(guī)律。以實際應(yīng)用舉例來說，第二計算模塊33具體可以包括：

定量單元，用于確定第一定量關(guān)系，所述第一定量關(guān)系為有斷層儲層下畸變能密度和鉆頭反扭矩的定量關(guān)系；

反扭矩單元，用于根據(jù)所述第一畸變能密度和所述第一定量關(guān)系，計算獲得所述深度計算點在所述有斷層儲層力學模型中的第一鉆頭反扭矩；

變化單元，用于根據(jù)所述第一鉆頭反扭矩，獲得所述第一變化趨勢。

其中，所述第一定量關(guān)系可以通過多種方法獲得，例如，可以通過進行多次實驗分析獲得。相應(yīng)的，在上述實施方式的基礎(chǔ)上，定量單元具體可以包括：

模型子單元，用于根據(jù)實際鉆井裝置和有斷層儲層力學模型，建造等比例縮小的鉆井裝置模型和有斷層儲層的巖塊模型；

設(shè)計子單元，用于設(shè)計模擬井眼軌跡，在所述模擬井眼軌跡上布置深度測量點；

計算子單元，用于根據(jù)所述有斷層儲層力學模型，計算所述深度測量點的有斷層畸變能密度；

測量子單元，用于測量所述鉆井裝置模型鉆進所述有斷層儲層的巖塊模型時所述深度測量點的有斷層鉆頭反扭矩；

擬合子單元，用于根據(jù)所述有斷層畸變能密度和所述有斷層鉆頭反扭矩，擬合獲得所述第一定量關(guān)系。

本實施例提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)，通過構(gòu)建模塊建立有斷層儲層的力學模型，第一計算模塊計算有斷層儲層中井眼軌跡各個位置的畸變能密度，第二計算模塊獲得有斷層儲層的力學模型中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律，在實鉆過程中通過監(jiān)測模塊監(jiān)測鉆頭反扭矩變化規(guī)律，并與有斷層儲層的力學模型中鉆頭反扭矩的變化規(guī)律對比，若符合有斷層變化模式，則拋出預(yù)警，實現(xiàn)鉆井過程中鉆遇斷層的及時預(yù)警。本方案提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)，可在鉆井過程中沒有隨鉆地震的情況下預(yù)測斷層，操作簡單且成本低。

作為一種可選的實施方式，本發(fā)明實施例三還提供又一種鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)，在圖3a所示實施方式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模塊31，還用于建立無斷層儲層力學模型；第一計算模塊32，還用于計算所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型中的第二畸變能密度；第二計算模塊33，還用于根據(jù)所述第二畸變能密度，獲得所述無斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第二變化趨勢；監(jiān)測模塊34，還用于監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若所述實際變化趨勢與所述第二變化趨勢相同，則正常鉆井。

本實施例中，建立無斷層儲層力學模型的方法可以有多種，舉例來說，建立無斷層儲層的力學模型，需要建立圍巖的幾何模型與邊界條件。具體的，在圖3b所示實施方式的基礎(chǔ)上，處理單元312，還用于根據(jù)所述模型尺寸，建立無斷層儲層的幾何模型，并根據(jù)所述無斷層儲層的幾何模型、所述邊界條件和所述儲層的物理力學參數(shù)，建立無斷層儲層力學模型。

可選的，第一計算模塊32計算畸變能密度的方式可以有多種，相應(yīng)的，所述應(yīng)力單元，還用于計算所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型下的上覆巖層壓力、水平最大主地應(yīng)力以及水平最小主地應(yīng)力，并利用第一公式，計算所述第二畸變能密度。

進一步的，根據(jù)畸變能密度獲得鉆頭反扭矩隨鉆井深度的變化趨勢的方法可以有多種，例如，可以利用相似原理實驗確定畸變能密度對鉆頭反扭矩的影響規(guī)律。相應(yīng)的，所述定量單元，還用于確定第二定量關(guān)系，所述第二定量關(guān)系為無斷層儲層下畸變能密度和鉆頭反扭矩的定量關(guān)系。所述反扭矩單元，還用于根據(jù)所述第二定量關(guān)系和所述第二畸變能密度，計算獲得所述深度計算點在所述無斷層儲層力學模型中的第二鉆頭反扭矩。所述變化單元，還用于根據(jù)所述第二鉆頭反扭矩，獲得所述第二變化趨勢。

其中，所述第二定量關(guān)系可以通過多種方法獲得，例如，可以通過進行多次實驗分析獲得。舉例來說，所述模型子單元，還用于根據(jù)實際鉆井裝置和無斷層儲層力學模型，建造等比例縮小的鉆井裝置模型和無斷層儲層的巖塊模型；所述計算子單元，還用于根據(jù)所述無斷層儲層力學模型，計算所述深度測量點的無斷層畸變能密度；所述測量子單元，還用于測量所述鉆井裝置模型鉆進所述無斷層儲層的巖塊模型時所述深度測量點的無斷層鉆頭反扭矩；所述擬合子單元，還用于根據(jù)所述無斷層畸變能密度和所述無斷層鉆頭反扭矩，擬合獲得所述第二定量關(guān)系式。

本實施例提供的鉆井過程中鉆遇斷層的預(yù)警系統(tǒng)，通過構(gòu)建模塊建立無斷層儲層力學模型，從而獲得無斷層儲層力學模型中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的第二變化趨勢，監(jiān)測模塊監(jiān)測實際鉆井過程中鉆頭反扭矩隨鉆井深度的實際變化趨勢，若與第二變化趨勢相同，則正常鉆井。上述方案預(yù)測斷層的精準度更高，進一步提高預(yù)警的可靠性。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應(yīng)過程，在此不再贅述。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。