[發(fā)明專利]一種控壓鉆井過程中的地層信息反演系統(tǒng)與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110909145.3
• 申請(qǐng)日: 2021-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN113605878B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫小輝;孫寶江;李昊;王志遠(yuǎn);高永海;王金堂;張劍波;廖友強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): E21B47/00
• 分類號(hào): E21B47/00;E21B21/08;E21B47/06;E21B47/07
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 韓獻(xiàn)龍

1.一種控壓鉆井過程中的地層信息反演系統(tǒng)，其特征在于，包括地面流動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息反演系統(tǒng)；

地面流動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括：井口四通、旋轉(zhuǎn)控制頭、節(jié)流管匯、氣液分離器、溫度傳感器、壓力傳感器、文丘里管、排液管線壓力計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、泥漿池、泥漿泵、立管壓力計(jì)；

井口四通設(shè)置于井口頂部，旋轉(zhuǎn)控制頭包裹鉆桿，旋轉(zhuǎn)控制頭表面設(shè)置有旋轉(zhuǎn)控制頭排出管線，旋轉(zhuǎn)控制頭排出管線與井筒環(huán)空相通；節(jié)流管匯通過節(jié)流管匯輸入管線與旋轉(zhuǎn)控制頭排出管線相連；節(jié)流管匯通過節(jié)流管匯輸出管線與氣液分離器相連；氣液分離器上部連接排氣管線，排氣管線上設(shè)置有溫度傳感器、壓力傳感器和文丘里管；氣液分離器下部通過排液管線與泥漿池相連，排液管線上設(shè)置有排液管線壓力計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)；鉆桿經(jīng)泥漿泵輸出管線與泥漿泵相連，泥漿泵輸出管線上設(shè)置有立管壓力計(jì)，泥漿泵通過泥漿泵輸入管線與泥漿池相連；

數(shù)據(jù)信息反演系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集管線、計(jì)算機(jī)、顯示器；

數(shù)據(jù)采集管線連接計(jì)算機(jī)與流動(dòng)參數(shù)測(cè)量設(shè)備，所述流動(dòng)參數(shù)測(cè)量設(shè)備為溫度傳感器、壓力傳感器、文丘里管、排液管線壓力計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和立管壓力計(jì)，向計(jì)算機(jī)傳遞流動(dòng)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)根據(jù)獲得的流動(dòng)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行地層信息反演，得到地層壓力和滲透率信息；顯示器連接計(jì)算機(jī)，用于直觀輸出地層信息反演結(jié)果，即地層壓力和滲透率信息；

所述控壓鉆井過程中的地層信息反演系統(tǒng)的工作方法，包括步驟：

在泥漿泵的驅(qū)動(dòng)作用下，泥漿池中的鉆井液依次流經(jīng)泥漿泵輸入管線、泥漿泵、泥漿泵輸出管線、立管壓力計(jì)進(jìn)入鉆桿，鉆井液在鉆桿內(nèi)自上而下流動(dòng)，通過鉆頭水眼返出進(jìn)入井筒環(huán)空內(nèi)；當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥诰滋幍牧黧w壓力，儲(chǔ)層氣體會(huì)在壓差的作用下由地層侵入井筒；侵入的氣體和鉆井液在井筒環(huán)空內(nèi)自下而上流動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)控制頭排出管線、節(jié)流管匯輸入管線進(jìn)入節(jié)流管匯，然后經(jīng)節(jié)流管匯輸出管線流入氣液分離器中進(jìn)行分離；分離后的氣體從排氣管線流出，并進(jìn)行流量、溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；分離出的液相從排液管線流出，并進(jìn)行流量和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，液相通過排液管線進(jìn)入泥漿池；測(cè)量得到的流動(dòng)參數(shù)即氣體的溫度、壓力、流量，液相的壓力、流量，通過數(shù)據(jù)采集管線導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過地層信息反演進(jìn)行處理分析，反演得到地層壓力和滲透率信息；

地層信息反演方法，包括步驟：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工資料，確定地層信息反演所需要的工程參數(shù)；

(2)分析井筒內(nèi)的鉆井液循環(huán)時(shí)間，采用公式i計(jì)算鉆井液循環(huán)一周所用時(shí)間：

t_cir＝(V_DP+V_A)/Q_in?i

式中：t_cir表示鉆井液循環(huán)一周所用時(shí)間，即鉆井液由鉆桿注入直到從環(huán)空返出的時(shí)間，s；V_DP為鉆桿內(nèi)體積，m³；V_A為環(huán)空內(nèi)體積，m³；Q_in為鉆桿內(nèi)注入的鉆井液排量，m³/s；

(3)采用立管壓力計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量井口鉆井液注入壓力P_injection，采用公式ii計(jì)算對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)井底壓力P_wf：

式中：P_wf為井底壓力，Pa；P_injection為注入壓力，Pa；ρ_L為鉆井液的密度，kg/m³；g為9.8m/s²；μ_L為鉆井液的塑性粘度，Pa·s；積分變量L為井筒內(nèi)的不同深度，m；L_w為井深，m；d_c為鉆桿或鉆鋌的內(nèi)徑，m；Q_in的含義與式i中相同；

(4)采用地面流動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄氣液分離器上部連接的排氣管線內(nèi)的氣相排量Q_g,out、壓力P_g,out以及溫度T_g,out，氣液分離器下部連接的排液管線內(nèi)的鉆井液排量Q_L,out和壓力P_L,out；

(5)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)以及氣液分離器結(jié)構(gòu)，分析環(huán)空返出流體中的真實(shí)氣相流量Q_g、液相流量Q_L以及井下氣體產(chǎn)出速率q_g；

采用公式iii計(jì)算氣液分離器內(nèi)的實(shí)時(shí)氣相體積為：

式中：V_g為氣液分離器內(nèi)的氣相體積，m³；V_ball為氣液分離器上部半球體的體積，m³；H為氣液分離器上部半球底端與氣液分離器底端構(gòu)成的空間的體積，m³；A為氣液分離器圓柱體的橫截面面積；

氣液分離器分離出的氣相的壓力變化速率計(jì)算方法如公式iv，氣液分離器分離出的液相的壓力變化速率計(jì)算方法如公式v：

式中，Δt為時(shí)間間隔，Δt＝1s；P¹_g,out和P²_g,out分別為時(shí)間間隔Δt前后排氣管線內(nèi)氣相的壓力，P¹_L,out和P²_L,out分別為時(shí)間間隔Δt前后排液管線內(nèi)液相的壓力；根據(jù)排氣管線和排液管線內(nèi)的壓力變化，計(jì)算氣液分離器內(nèi)部鉆井液體積的變化速率，如公式vi：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣液分離器內(nèi)部氣體的體積變化速率由氣體狀態(tài)方程vii進(jìn)行計(jì)算：

式中：T₀和P₀為標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力，即273.15K和101.325KPa；

環(huán)空返出流體中的實(shí)時(shí)氣相流量和液相流量的計(jì)算分別如式viii、ix：

Q_g＝Q_g,out+V'_g?????????????????viii

Q_L＝Q_L,out+V'_L?????????????????ix

采用公式x計(jì)算井下氣體產(chǎn)出速率，即流體侵入速率q_g：

式中：T_wf為井底處的流體溫度，K；

(6)鉆進(jìn)至產(chǎn)層深度為Δz₁時(shí)，停止繼續(xù)鉆進(jìn)，保持鉆井液注入排量Q_in恒定，直到環(huán)空返出流體中的液相流量Q_L基本恒定時(shí)，認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；之后，基于步驟(1)～(5)，持續(xù)記錄10min內(nèi)井下氣體產(chǎn)出速率q_g，并計(jì)算其平均值為q_g1，并建立如下方程式xi；

式中：K為儲(chǔ)層滲透率，為未知量，m²；p_res為儲(chǔ)層壓力，為未知量，Pa；p_wf1為持續(xù)記錄10min內(nèi)井底壓力的平均值，采用步驟(3)進(jìn)行確定，Pa；S為儲(chǔ)層的表皮系數(shù)，無因次；t為井底處氣體持續(xù)侵入的時(shí)間，s；γ為歐拉常數(shù)，γ＝0.5772；為儲(chǔ)層孔隙度；μ為儲(chǔ)層內(nèi)氣體的粘度，Pa·s；r_w為井筒半徑，m；C為儲(chǔ)層壓縮系數(shù)，1/Pa；

(7)繼續(xù)鉆進(jìn)至產(chǎn)層深度達(dá)到Δz₂時(shí)，停止繼續(xù)鉆進(jìn)，保持鉆井液注入排量Q_in恒定，直到環(huán)空返出流體中的液相流量Q_L基本恒定時(shí)，認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；之后，基于步驟(1)～(5)，持續(xù)記錄10min內(nèi)井下氣體產(chǎn)出速率q_g，并計(jì)算其平均值為q_g2，并建立如下方程式xii；

式中，p_wf2為持續(xù)記錄10min內(nèi)井底壓力的平均值，采用步驟(3)進(jìn)行確定，Pa；

(8)聯(lián)立式(xi)和(xii)，構(gòu)建儲(chǔ)層滲透率反演分析的數(shù)值求解的目標(biāo)函數(shù)如式xiii，采用牛頓拉普森迭代方法進(jìn)行求解得到儲(chǔ)層滲透率K；

(9)將步驟(8)確定的儲(chǔ)層滲透率K代入式(xi)和(xii)中，計(jì)算得到兩個(gè)儲(chǔ)層壓力值，取平均值即得平均儲(chǔ)層壓力，即按公式xiv反演得到地層壓力的平均值；

式中：K為步驟(8)計(jì)算得到的儲(chǔ)層滲透率，m²。