用于具有天然裂缝性储层的油田的水平井设计的制作方法

本文所公开的示例性实施方案总体上涉及通过整合来自多个油田相关学科的工作流程来在具有天然裂缝性储层的油气田(hydrocarbonfield)中设计水平井的方法、系统和计算机程序产品。背景钻探水平井或井筒下部平行于油气储层的井由于各种原因是复杂和昂贵的工作。钻压(WOB)、摩阻扭矩(torqueanddrag)、定向控制等是在钻探水平井时需要管理的几个因素。当油气储层由于强压缩力而在地质学上复杂时，在钻探水平井中涉及的困难是复合的。例如，此类压缩力可产生极具裂缝性和重叠的地层沉积物，当所述沉积物与强含水层结合时，可引起早期水突破、采油率的急速下降以及低的钻井性能。因此，典型地分析多个井勘测和完井场景以最大化井和油气田的寿命周期。鉴于可能在钻探水平井、尤其是涉及在许多油气储层中发现的具有地质复杂性类型的井中遭遇的困难，对设计水平井的改良方式并且特别是设计用于具有天然裂缝性储层的油气田的水平井的方式存在需要。附图简述为了更完全地理解示例性公开实施方案及其进一步的优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：图1示出根据公开的实施方案可用于钻探水平井的石油或天然气钻机的示意图；图2示出根据公开的实施方案可用于设计水平井的地球物理学解决方案工作流程；图3示出根据公开的实施方案可用于设计水平井的地质力学解决方案工作流程；图4示出根据公开的实施方案可用于设计水平井的完井和开采解决方案工作流程；图5示出根据公开的实施方案用于在具有天然裂缝性储层的油田中的水平井设计的整合工作流；图6示出根据公开的实施方案可用于设计水平井的计算系统；图7示出根据公开的实施方案可用于设计水平井的过程；以及图8示出根据公开的实施方案用于在具有天然裂缝性储层的油田中的水平井设计的整合工作流的数据库表示法。示例性实施方案的描述提出以下讨论以使得本领域技术人员能够实现并且使用示例性公开实施方案。本领域的技术人员将容易明白各种修改，并且在不脱离如本文所定义的公开实施方案精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可应用于除了以下详细说明的实施方案和应用外的实施方案和应用。公开的实施方案不意图限于示出的具体实施方案，而是根据与本文所公开的原理和特征一致的最宽广范围。现参见图1，示出用于实现本文公开的示例性实施方案的某些方面的石油钻机100。钻机100可被用来从表面位置12钻探井眼10，所述表面位置12可为地表面、钻井平台或井眼10外部的可控制钻探的任何其他位置。钻机100具有从所述钻机悬置的钻柱26，所述钻柱26由被称为钻井油管的一段连续管道构成，所述管道由互相连接的相对短的管段51制成。钻柱26典型地具有附接在其端部的孔底组件，孔底组件包括连接至钻头32的旋转钻井马达30。典型地使用滑动钻井执行钻探，其中钻头32在钻井期间由钻井马达30旋转，但在钻井期间钻井油管不会旋转。执行滑动钻探以及其他的能力允许钻头32的轨迹受控制，从而在相对于垂直成角的方向(包括水平方向)上钻探。如上所述，钻探水平井是昂贵和费时的过程，尤其是在被钻探的储层具有强压缩力的情况下如此，所述强压缩力可产生需要分析多个井勘测和完井场景的裂缝性和重叠的地层沉积物。本文所公开的示例性实施方案涉及用于在此类地质复杂的储层中设计水平井的改进方法、系统和计算机程序产品。具体来说，公开的实施方案采用来自多个油田相关学科的工作流程来设计水平井，所述油田相关学科包括地球物理学、地质力学和完井和开采学科。通过在钻井提案之前、期间和之后应用示例性公开实施方案，可实现最佳结果。这些示例性公开实施方案可用于生成钻井提案的多个阶段中。在一些实施方案中，工作流程可涉及进行灵敏度分析以确定储层是否可能对于诸如井筒的偏向角的一个或多个特定参数更为敏感。同样地，可设计产液和完井工作流程以防止早期水突破。还可采用用于延长井产油寿命、提高增量产油的方法和由ICD(流入控制装置)技术供应商提供的不同选择。如本文所用，术语“工作流程”大体上指的是精心安排并且可重复模式的商业和/或工程活动，所述活动通过将资源系统地整合成一个或多个过程以转变材料、提供服务和/或处理数据和信息来实现。术语“工作流程”通常理解为一系列操作，但可简单地为一个人或一组人、一个组织或一个或多个简单或复杂机构的工作。除其他优点以外，示例性公开实施方案利用来自多个学科的工作流程来促进整合了地质学家、地球物理学家、地质力学和储层、完井、钻井和采油工程师的多学科合作，这有助于实现油田公司的最佳解决方案。同样地，示例性公开实施方案使得一个PSL(产品和服务线)有可能与其他PSL非常紧密地互动，从而促进所建议产品技术(诸如流入控制装置、膨胀封隔器(swellpacker)等)的成功应用。简单来说，示例性公开实施方案实现地球科学、地质力学以及完井和开采学科中已被确认的标准协同工作流程，以便为钻井设计过程传达快速的结果。多学科合作、多PSL项目、作为策略的工作流程实现方式以及其他方面被结合来提供创新和整合的解决方案。其他优点还包括使用本文公开的实施方案整合到钻井设计过程中的静态和动态学科(如地球物理学、地质力学、完井和开采等)。整合允许研究完井部件对储层性能和开采量(例如采收率(recoveryfactor)、累积开采量、水/气突破时间等)的长期作用。可使用最大曲率属性来选择优化的钻勘测位置，并且可将三维(3D)可视化与开采历史相关联。还可确定具有较高裂缝密度的区域，并且可使用本文所公开的实施方案定义水平长度和风险水区域。同样地，可增加机械钻速(ROP)并且可最小化非开采时间(NPT)。这种方法允许机械地球模型识别并且集中解决油气田中的更重要钻井问题。例如，可通过机械地球模型来设计用于井建造设计的所有阶段的较安全泥浆窗口。可实现优化的完井设计，所述设计了整合多个工程工具以对井筒流动路径内的开采行为进行建模。此外，可执行不同的井型和完井分析以优化开采性和井经济学。首先转向图2，示出示例性地球物理学工作流程200。这个工作流程200主要提供三维可视化并且利用了可商购获得的可视化应用程序的现有功能性，所述应用程序诸如来自LandmarkGraphicsCorporationofHouston，Texas的OpenWorksGeoProbe。地球物理学工作流程200必需加载由油田客户提供的信息，整合地质和开采信息以验证结果，显示每个提出的井，并且提取井路径中的最大曲率属性以识别利用地震体积观察到的具有大垂直延长裂缝的可能位置。如图2中可见，地球物理学解决方案工作流程200的示例性阶段可包括：i)信息回顾阶段202，用于对油田地质和结构信息的回顾；ii)最大曲率可视化阶段204，用于在具有天然裂缝性储层的油气田中的开采井的最大曲率属性的三维可视化；iii)整合阶段206，用于整合地质和开采信息以供最大曲率属性的定性校准；iv)水平钻井可视化阶段208，用于针对最大曲率属性的水平钻井提案的三维可视化和沿流动路径具有较高裂缝密度的最佳区域的确定；以及v)任何断裂带评估阶段210，用于对沿水平井的流动路径的点(断裂带)的评估，和对轨迹中可能的变化的提案和建议。这个工作流程200的几个要素可被用于优化水平井的设计，诸如地震体积堆叠前深度迁移(PSDM)，按时间缩放以增加连续性并且降低噪音。同样地，最大曲率体积可被用作导航区域中对目标层(天然裂缝性储层)的顶部和基底的控制。其他要素可涉及开采主要开采区域下方的地层，包括所述地层中的任何直井和斜井的轨迹，所述地层的碳酸盐地层中的生产井(producer)以及对水平井提出的路径。多个阶段202-210是本领域普通技术人员熟知的，并且因此本文省去更详细地描述。水平钻井可视化208可包括使最大曲率属性透明，只留下表示可归属于断裂带的最大不连续性的数据点，将PSDM地震体积与完井的最大曲率属性结合，鉴于所述属性分析不连续性是否反映在原始地震体积中，并且不连续性是否对应由地层裂缝引起的地震信号的不连续性。可沿流动路径定义叠加剖面以便分析垂直平面中的地层裂缝。利用最大曲率属性的透明，可进行时间扫描(即，时间片)和储层顶部扫描(即，层位切片)以验证地层中每个开采井的输入、裂缝密度和裂缝在地层内移动时的截距。在井为开采井时，可对于每块油田执行对初始开采率、随时间的下降曲线和含水率(watercut)的分析，以便将这个初始开采量与它同曲率属性相关联的裂缝的关系相比较。根据比较的结果，可获得属性相对储集岩开采率的定性校准。随后，可对于所定义的水平井执行相同过程以观察井与断裂带的相互作用并因此更好地定义坐标点(x，y)，在所述坐标点，预期裂缝沿着碳酸盐地层导航。这样一来，即可识别可表示穿孔风险的那些断裂带。图3示出地质力学工作流程300和其示例性阶段，包括：i)数据采集阶段302，用于采集测井日志、报告、地图、现场试验等以及其他数据；ii)分析阶段304，用于执行操作经验分析，包括非开采时间(NPT)分析、钻井学习曲线分析等；iii)地质力学建模阶段306，用于执行地质力学建模，包括对地层压力、岩石力学性质、原位应力等的建模；以及iv)塌陷研究阶段308，用于执行井筒塌陷研究，包括针对0°、60°和90°破裂的分析塌陷压力分析。地质力学工作流程300可用于准备一维(1D)地质力学模型并且评定在具有天然裂缝性储层的油田中的水平井的井筒稳定性。这个地质力学工作流程300的主要目标是提高机械钻速(ROP)并且最小化NPT。如图3中所示，数据采集阶段302可能必需收集诸如以下各项的信息：钻井报告、操作图监测、先前地质力学报告、区域地图、测井日志、岩芯描述、地质力学实验室试验、图像日志(FMI)、现场测试(DST或RFT)和地层顶部、每个井的勘查和表面上的UTM坐标。采集数据以便产生对于区域的地质力学岩石模型可用信息的列表库存。这允许分析员选择最佳校准井(两个以上的井)。接着，在分析阶段304，可利用随机选择的对区域中所有受测试井的钻井报告的回顾进行钻井事件的分析，以便覆盖大多数研究区域。这种回顾可生成具有事件信息、钻孔深度和所使用泥浆密度的数据库。随后可在钻井同时将事件基于构造阶段和地质地层区域进行分类，以便检测具有较高风险发生率的区域并且标绘钻井团队的学习曲线。变量风险的量化已在最近成为石油工业中的较大挑战之一，并且因此用于在地下变量不确定性非常高时做出确定性决策的方法之一是随机分析，这允许对不同场景的可视化并且指定可靠程度或风险程度。这类研究有助于以在钻井期间确保井筒稳定性的方式结合分析结果和概率结果。在缺少实验室试验以校准动态力学性质和弹性模量的情况下，以及在缺少用于直接测量裂缝梯度(FG)和最小应力(Sh)量值的现场试验的情况下，利用间接方法评估储层的最大应力(SH)可能很困难。因此，在一些实施方案中，可使用可商购获得的应用程序假定横推方案SH＞Sv＞Sh，其中K＝1.4，所述应用程序诸如来自LandmarkGraphicsCorporation的DrillworksPredict和Geostress。在地质力学建模阶段306中，地层压力、岩石力学性质和原位应力可与修正的Lade破坏准则相结合以生成地质力学模型。这个模型随后可用在于塌陷研究阶段308以例如使用蒙特卡罗模拟进行例如5000次迭代来估计0°、60°和90°破裂的塌陷压力。可在岩性柱状图的不同深度中执行破坏准则的评定，并且可在每个数据点上标绘发生频率的直方图和累积概率密度函数(PDF)。可选择塌陷压力的值来确保维持稳定井的至少50％累积概率，以建议井孔钻探全程中保持稳定的较安全泥浆窗口。图4示出完井和开采工作流程400和其示例性阶段，包括：i)信息采集阶段402；ii)原型模型开发阶段404；iii)井型设计阶段406，iv)完井设计阶段408；v)井型和完井敏感性开发阶段410，vi)完井优化阶段412；vii)最终完井提案生成阶段414；以及viii)结果演示阶段416。上述完井和开采工作流程400随后可被用来优化完井设计。为促进优化过程，工作流程400可使用诸如来自HalliburtonEnergyServices，Inc.的QuikLook和NETool的储层模拟工具，以便量化益处并且允许随着时间研究完井(即瞬态分析)。使用这些工具，工作流程400允许工作团队集中评价完井类型效率以优化井的性能并且最大化石油开采量，同时减少不合需要流体(例如，水和/或天然气)的开采。工作流程400还标准化并且增强由工作团队使用的方法，包括在石油工业中与井开采率相关联的项目中使用的整体方法。更具体来说，诸如QuikLook和NETool的模拟工具允许研究完井部件对储层性能和开采量(包括诸如采收率、累积开采量和水/气突破时间的关键要素)的长期作用。使用这些工具，可对所有时间步骤针对由井轨道相交的每个储层单元交换压力和流率，从而产生动态和整合模型。可根据完井和开采解决方案工作流程400执行的一些任务包括：优化井型和完井设计以最大化客户价值；评价在随时间推移的累积产液方面的井型和完井效率；预测由于应用于储层和/或复杂井的设置而产生的完井和未来液体行为的作用；通过使用改进的候选选择来降低财务和操作风险；实现对储层构造机制的更好理解；缩短决策周期时间；并且研究隔离带随时间的最佳布置。在QuikLook和NETool用来实现工作流程400的情况下，可执行以下示例性程序以实现最佳结果，应理解可在不脱离示例性公开实施方案的范围的情况下对程序进行修改和增加：在QuikLook和NETool中创建基本情况的模型；针对基本情况运行整合QuikLook和NETool的模拟；保存基本情况的文件和数据库结果；在QuikLook和NETool中创建利用与基本情况不同的装置的情况或当前完井的模型；针对利用与基本情况不同的装置的情况或当前完井运行整合QuikLook和NETool的模拟；保存获得了利用与基本情况不同的装置的情况或当前完井的结果的文件和数据库；在QuikLook和NETool中创建利用优化装置的情况的模型；针对利用优化装置的情况允许整合QuikLook和NETool的模拟；保存利用优化装置的情况的输出结果的数据库；并且执行数据后处理、比较并显示结果。图5示出将前述多个多学科工作流程200、300和400结合来提供唯一并且整合的解决方案500，以用于在具有天然裂缝性储层的油田中设计水平井。整合有益地实现了标准化和协同的工作流程，涉及快速并有效传递结果的地质科学、地质力学以及完井和开采过程。这些创新和整合的工作流程200、300和400优化了井设计和完井过程，允许有效的效率评价，能够预测对未来储层性能的作用，帮助延迟水突破，并且提升井开采率。在一些实施方案中，可针对井勘测位置使用呈三维形式的最大曲率属性来优化来自每个工作流程200、300和400的益处并且将其与开采历史相关联。可完成这步来确定具有较高裂缝密度的区域，定义水平长度并且隔离风险水区带。此外，可主要使用操作经验分析和机械地球模型而实现提高的ROP和最小化的NPT。这允许将焦点放在钻探油田中的最大问题上，从而产生用于井构造设计的所有阶段的较安全泥浆窗口。另外，可通过整合适合的软件模拟包来优化完井设计，以利用产品和服务线顾问的支持和专长对井筒流动路径内的开采行为建模。图6示出可用于执行本文所述的多工作流程水平井设计过程的示例性系统600。示例性系统600可为常规工作站、台式机或便携式计算机，或其可为针对特定应用开发的定制计算系统600。在典型布置中，水平井设计系统600包括总线602或用于在系统600中的其他部件间传转移信息的其他通信路径，以及与总线602耦接的用于处理信息的CPU604。系统600还包括诸如随机存取存储器(RAM)的主存储器606或其他动态存储装置，所述存储器或存储装置被耦接至总线602以用于存储将由CPU604执行的计算机可读指令。主存储器606还可以用于在CPU604执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。水平井设计系统600还包括只读存储器(ROM)608或其他静态存储装置，所述存储器或存储装置被耦接至总线602以供存储用于CPU604的静态信息和指令。诸如非易失存储器(如闪速存储器)驱动器或磁盘的计算机可读存储装置610可被耦接至总线602以供存储用于CPU604的信息和指令。CPU604还可以通过总线602耦接至显示器612以将信息显示给用户。一个或多个输入装置614可被耦接至总线602以用于将信息和命令选择传达至CPU604，所述输入装置包括字母数字和其他键盘、鼠标、轨迹球、光标方向键等。通信接口616可被提供用于允许水平井设计系统600与外部系统或网络通信。如上所使用的术语“计算机可读指令”指代可由CPU604和/或其他部件执行的任何指令。相似地，术语“计算机可读介质”指代可用来存储计算机可读指令的任何存储介质。此种介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质可包括例如光盘或磁盘，诸如存储装置610。易失性介质可包括动态存储器，诸如主存储器606。传输介质可包括同轴电缆、铜线和光纤，包括总线602的电线。传输自身可采取电磁波、声波或光波的形式，诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的那些波。常见形式的计算机可读介质可包括例如磁性介质、光学介质、存储芯片和计算机可从中读取的任何其他介质。根据示例性公开实施方案，一个或多个水平井设计应用程序618或用于所述应用程序的计算机可读指令还可驻留在存储装置610上或被下载至所述存储装置以供执行。一般来说，一个或多个水平井设计应用程序618是或包括可由CPU604执行的一个或多个计算机程序和/或允许用户设计水平井的其他组件。此类水平井设计应用程序618可以本领域普通技术人员已知的任何合适的计算机编程语言或软件开发(包括各种版本的C、C++、FORTRAN等)包来实现。图7示出可由一个或多个水平井设计应用程序618使用或结合所述应用程序使用的方法700。应注意的是，虽然图7(和本文其他图)示出许多离散的框，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离公开的实施方案的范围的情况下，在需要时，这些框中的任一个可被分为两个或更多个组成框和/或这些框中的两个或更多个可结合来形成单个框。此外，可由一个或多个水平井设计应用程序618完全自动地执行方法700，或在需要时可自动地执行方法700的部分并且手动地执行方法700的部分。如图可见，方法700以框702开始，其中大致上如本文所述(参见图2)，通过或使用水平井设计应用程序618中适当的一个或多个(包括以上讨论的各种阶段202-210中的一些或全部)来执行地球物理学解决方案工作流程。在框704处，大致上如本文所述(参见图3)，通过或使用水平井设计应用程序618中适当的一个或多个(包括以上讨论的各种阶段302-308中的一些或全部)来执行地质力学解决方案工作流程。在框706处，大致上如本文所述(参见图4)，通过或使用水平井设计应用程序618中适当的一个或多个(包括以上讨论的各种阶段402-416中的一些或全部)来执行完井和开采解决方案工作流程。最后，在框708处，通过或使用水平井设计应用程序618中适当的一个来呈现各种工作流程的结果。图8更详细地示出本文讨论的如通过或使用水平井设计应用程序618中适当的一个或多个所执行的工作流程200、300和400的整合。如上所述，可完全自动地执行整合或自动地执行整合的部分并且手动地执行整合的部分。在此处所示的实例中，由给定工作流程产生或使用的数据和信息可被存储在相应工作流程的数据库中。因此，例如，由地球物理学工作流程200产生或使用的数据和信息被存储在地球物理学数据库800中，由地质力学工作流程300产生或使用的数据和信息被存储在地质力学数据库802中，由完井和开采工作流程400产生或使用的数据和信息被存储在完井和开采数据库804中，并且由整合解决方案500产生或使用的数据和信息被存储在整合数据库806中。根据公开的实施方案，由地球物理学工作流程200产生或使用的数据和信息还可被存储于或用于地质力学工作流程300中，如将此类数据和信息从地球物理学数据库800映射至地质力学数据库802的箭头所指示。同样地，由地质力学工作流程300产生或使用的数据和信息还可被存储于或用于完井和开采工作流程400中，如将此类数据和信息从地质力学数据库802映射至完井和开采数据库804的箭头所指示。同样地，由完井和开采工作流程400产生或使用的数据和信息还可被存储于或用于整合解决方案500中，如将此类数据和信息从完井和开采数据库804映射至整合数据库806的箭头所指示。在一些实施方案中，可建立一条或更多条整合规则并将其应用至由各种工作流程产生或使用的数据和信息的整合。作为一个简单实例，如果来源于地球物理学工作流程200的最大曲率属性满足或无法满足预先确定的准则，那么分别执行或省去某一动作，或在地质力学工作流程300中以修改过的方式执行某一动作。作为另一简单实例，如果来自地质力学工作流程300的NPT分析满足或无法满足预先确定的准则，那么分别执行或省去某一动作或在完井和开采工作流程400中以修改过的方式执行某一动作。一条或更多条整合规则连同受这些规则影响的数据和信息一起可被存储在规则表中，所述的实例在下面再现于表1中。来自.工作流程.参数去往.工作流程.参数整合规则地球物理学.参数1地质力学.参数2规则A地质力学.参数3完井开采.参数1规则B地质力学.参数2完井开采.参数4规则C………………表1：整合规则因此，如上所述，本文公开的实施方案可以许多方式来实现。例如，一般来说，在一个方面，公开的实施方案涉及用于设计水平油井的基于计算机的系统。系统包括安装在基于计算机的系统内的中央处理单元、电连接至中央处理单元的显示器以及与中央处理单元数据通信的存储装置。存储装置上存储有一个或多个应用程序，用于整合多个工作流程以在具有天然裂缝性储层的油气田中设计水平井。工作流程包括地球物理学工作流程、地质力学工作流程和完井和开采工作流程。一般来说，在另一方面，公开的实施方案涉及用于设计水平油井的基于计算机的方法。方法包括使用中央处理单元来整合多个工作流程以在具有天然裂缝性储层的油气田中设计水平井。整合包括使用中央处理单元来执行地球物理学工作流程，使用中央处理单元执行地质力学工作流程，并且使用中央处理单元执行完井和开采工作流程。一般来说，在又一方面，公开的实施方案涉及存储有计算机可读指令的计算机可读介质。计算机可读指令包括用于致使计算机在设计具有天然裂缝性储层的油气田中的水平井中整合多个工作流程结果的指令，所述指令包括用于致使计算机执行地球物理学工作流程，执行地质力学工作流程，并且执行完井和开采工作流程的指令。在一些实施方案中，地球物理学工作流程可包括：对油田地质和结构信息的回顾、对具有天然裂缝性储层的油气田中的开采井的最大曲率属性的三维可视化、用于最大曲率属性的定性校准的地质和开采信息整合、针对最大曲率属性的水平钻井提案的三维可视化和沿流动路径具有较高裂缝密度的最佳区域的确定，以及对沿水平井的流动路径的点(断裂带)的评估，和对轨迹中可能的变化的提案和建议。在一些实施方案中，地质力学工作流程可包括数据采集，其包括采集测井日志、报告、地图和现场试验；操作经验分析，其包括非开采时间(NPT)分析和钻井学习曲线分析；地质力学建模，其包括对地层压力、岩石力学性质和原文应力的建模；以及井筒塌陷研究，其包括针对0°、60°和90°破裂的分析塌陷压力分析。在一些实施方案中，完井和开采工作流程可包括信息采集、开发原型模型、开发井型设计、开发完井设计、开发井型和完井敏感性、执行完井优化以及生成最终完井提案。虽然已参考一个或多个特定实施方案描述本发明，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对实施方案做出许多改变。这些实施方案中的每一个和其明显的变化方案预期落在随附权利要求阐述的所要求保护的发明的精神和范围内。当前第1页1 2 3