CN114075972A - 基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，首先基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；然后基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；最后钻井过程中动态井身结构风险评估。通过随钻测井数据实时对含可信度地层孔隙压力修正，提高下部未钻地层的压力预测精度，并结合安全密度窗口约束条件和概率理论，建立钻井过程中的动态井身结构风险评估方法，从而在钻井过程中对下部未钻地层的井身结构风险进行实时定量评估。以及根据最终评估来确定是否重新对下部未钻地层进行实时动态的井身结构设计，从而达到最大程度的规避工程风险。

Description

基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及深井复杂地层钻井领域，具体为基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法。

背景技术

深井复杂地层钻井中窄安全密度窗口问题一直是井身结构设计和安全施工面临的难题之一，且随着井深的增加，窄安全密度窗口问题越发突出。现有技术一般采用先进的欠平衡钻井、控压钻井、充气钻井等新工艺技术以及基于概率统计的钻前井身结构设计及风险评估方法等风险评估技术，在一定程度上解决了这个问题。

但是，现有技术中的欠平衡钻井、控压钻井、充气钻井等新工艺技术，以及基于概率统计的钻前井身结构设计及风险评估方法等风险评估技术没有结合精确确定已钻井段的地层压力和岩石力学参数等钻前不确定性参数，因此无法从根源上排除地层不确定性参数导致的潜在风险。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，以解决现有技术中欠平衡钻井、控压钻井、充气钻井等新工艺技术，以及基于概率统计的钻前井身结构设计及风险评估方法等风险评估技术没有结合精确确定已钻井段的地层压力和岩石力学参数等钻前不确定性参数，导致潜在风险存在的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，包括：

步骤1：基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；

步骤2：基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；

步骤3：钻井过程中动态井身结构风险评估。

优选的，所述步骤1中的基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测，包括：

基于获取的地震层速度资料，对所述地震层速度资料预处理，确定上覆岩石压力梯度；

基于Fillippone法计算地层孔隙压力；

结合Eaton法反算伊顿指数，并基于所述伊顿指数获取分布状态；

重新代入Eaton法计算含可信度地层孔隙压力。

优选的，所述步骤2中的基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正，包括：

(1)基于地震资料计算地层孔隙压力G_p，结合Eaton法反算伊顿指数得到一个大样本库n(h)，统计全井段Eaton指数，获取分布状态；

(2)基于随钻测井所得地层孔隙压力G_p′，反演已钻井段伊顿指数，得到小样本库n′(h₁)，并将n′(h₁)替换已钻井段的Eaton指数n(h₁)组成新的大样本库n′(h)，获取新的分布状态；重新代入Eaton法计算下部未钻地层含可信度孔隙压力。

优选的，所述步骤2在得到地层含可信度孔隙压力之后，还包括：

利用公式

计算可信度J条件下不同概率时地层孔隙压力对应的地层破裂压力P_f′，其中σ_h、σ_H、α、μ、f和S_t为利用邻井资料预测所得到的下一地质分层的各岩石力学参数；

钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，通过随钻测井所得到的当前地质分层内各岩石力学参数x′(σ_h′、σ_H′、α′、μ′、f′、S_t′)的平均值

为该分层的真实值，并利用

重新计算当前地质分层的地层破裂压力P_f″。

优选的，所述步骤2在所述利用

重新计算当前地质分层的地层破裂压力P_f″之后，还包括：

利用随钻测井测得该地质分层Δh+δh井段内的各岩石力学参数的平均值为

所述δh为钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，继续钻进的距离；

当

时，将公式

中的

中各岩石力学参数的平均值替换为

并重新计算所述地质分层的地层破裂压力p″′_f，其中，

为当前利用随钻测井测得的当地质分层的各岩石力学参数平均值。

优选的，在步骤3中，钻井过程中动态井身结构风险评估，包括：

基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力确定分布带；

基于所述分布带，确定安全钻井液密度窗口的下限曲线和上限曲线；

对钻井过程中动态井身结构风险评估。

优选的，所述基于修正后的未钻地层的含可信度地层孔隙压力确定分布带，包括：

基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力，确定地层压力的计算值，所述地层压力的计算值包括含可信度的分布带。

优选的，所述对钻井过程中动态井身结构风险评估，包括：

基于预先建立的下部未钻地层井身结构风险评估模型，对钻井过程中动态井身结构风险评估；

其中，所述下部未钻地层井身结构风险评估模型，包括：井涌风险：

压差卡钻风险：

钻井井漏风险：

R_井涌(h)、R_{压差卡钻(h)}、R_{钻进井漏(h)}分别为井深h处的井涌、压差卡钻、钻进井漏风险大小；p(x)为事件x对应的概率大小；ρ_下(h)和ρ_上(h)分别为井深h处含可信度安全钻井液密度窗口下限曲线及上限曲线所对应的当量密度；

为井深h处地层孔隙压力的累计概率分布；

为井深h处地层破裂压力的累计概率分布。

优选的，在执行步骤3，钻井过程中动态井身结构风险评估后，还包括：

步骤4：若所述钻井过程中井身存在风险，重新设计所述井身结构；

若所述钻井过程中井身不存在风险，执行步骤2。

优选的，在所述步骤4中，若所述钻井过程中井身存在风险，重新设计所述井身结构，包括：

若所述钻井过程中井身存在风险，建立的安全钻井液密度窗口约束条件；所述安全钻井液密度窗口约束条件，包括：

其中，ρ_pmax′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最大地层孔隙压力梯度、ρ_pmin′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层孔隙压力梯度、ρ_fmin′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层破裂压力梯度，S_b′为基于实时井身结构和钻井工况计算的抽吸压力系数、S_g′为基于实时井身结构和钻井工况计算的激动压力系数、Δρ′为基于实时井身结构和钻井工况计算的附加钻井液密度。

由上述内容可知，本发明公开了基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，首先基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；然后基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；最后钻井过程中动态井身结构风险评估。通过随钻测井数据实时对含可信度地层孔隙压力修正，提高下部未钻地层的压力预测精度，并结合安全密度窗口约束条件和概率理论，建立钻井过程中的动态井身结构风险评估方法，从而在钻井过程中对下部未钻地层的井身结构风险进行实时定量评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于地震层速度的含可信度地层孔隙压力预测流程图；

图3为本发明实施例提供的全井段Eaton指数分布形式；

图4为本发明实施例提供的基于随钻测井数据的含可信度地层孔隙压力预测流程图；

图5为本发明实施例提供的钻井过程中动态井身结构风险评估流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，参考图1和图2，图1为基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法的流程示意图，上述方法至少包括如下步骤：

步骤1：基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；

需要说明的是，基于地震层速度比采用邻井测井资料对目标井压力进行预测，本申请就可以不受邻井资料丰度影响，同时有利于结合MWD、LWD等随钻测井数据对已钻地层的压力及相关计算参数进行修正。

在执行步骤1的过程中，具体执行过程主要包括以下步骤：

首先，基于获取的地震层速度资料，对所述地震层速度资料预处理，确定上覆岩石压力梯度；

其次，基于Fillippone法计算地层孔隙压力；

然后，结合Eaton法反算伊顿指数，并基于所述伊顿指数获取分布状态；

最后，重新代入Eaton法计算含可信度地层孔隙压力。

还需要说明的是，地层破裂压力的计算需要用到地层孔隙压力，因此，地层破裂压力的计算值也是含有相同可信度的分布带，同时，岩石力学参数可按照不同地质层由邻井测井资料进行移植计算。

所述地层破裂压力的计算采用黄荣樽法，计算公式为公式(1)。

式中，P_f为地层破裂压力，单位为MPa；σ_H最大水平地应力，σ_h为最小水平地应力；f为孔隙度；P_p为地层破裂压力，MPa；S_t为地层拉伸强度；μ为泊松比；α为有效应力系数。

步骤2：基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；

需要说明的是，在步骤2中，通过分析步骤1中的执行过程，可以利用

反演算得到Eaton指数分布形式为全井段的统计结果。

然而由于Eaton指数是随着井深不断变化的，而步骤1中的方法对全井段的Eaton指数进行概率统计进而得到不同可信度条件下的地层压力分布，虽然计算结果具备足够的准确度，但对于Eaton指数沿井深变化较大的井，会造成预测的含可信度地层压力分布带较宽，不利于窄安全密度窗口地层的井身结构设计和风险规避。因此，可利用随钻测井数据对已钻地层的Eaton指数重新反演计算，寻求合理的方法对下部未钻地层的预测压力分布带进行修正。

结合图2，参考图4，为基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正的流程示意图，主要包括以下步骤：

(1)基于地震资料计算地层孔隙压力G_p，结合Eaton法反算伊顿指数得到一个大样本库n(h)，统计全井段Eaton指数，获取分布状态；

(2)基于随钻测井所得地层孔隙压力G_p′，反演已钻井段伊顿指数，得到小样本库n′(h₁)，并将n′(h₁)替换已钻井段的Eaton指数n(h₁)组成新的大样本库n′(h)，获取新的分布状态；重新代入Eaton法计算下部未钻地层含可信度孔隙压力。

优选的，利用公式

计算可信度J条件下不同概率时地层孔隙压力对应的地层破裂压力P_f′，其中σ_h、σ_H、α、μ、f和S_t为利用邻井资料预测所得到的下一地质分层的各岩石力学参数；然后，钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，通过随钻测井所得到的当前地质分层内各岩石力学参数x′(σ_h′、σ_H′、α′、μ′、f′、S_t′)的平均值

为该分层的真实值，并利用

重新计算当前地质分层的地层破裂压力P_f″。

优选的，利用随钻测井测得该地质分层Δh+δh井段内的各岩石力学参数的平均值为

所述δh为钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，继续钻进的距离；

当

时，将公式

中的

中各岩石力学参数的平均值替换为

并重新计算所述地质分层的地层破裂压力p″′_f，其中，

为当前利用随钻测井测得的当地质分层的各岩石力学参数平均值。

需要说明的是，通过上述步骤建立了基于随钻测井数据的含可信度地层压力预测方法，利用该方法对下部未钻地层的含可信度地层孔隙压力和地层破裂压力进行基于随钻数据的实时修正，不但具备步骤1中钻前含可信度地层压力预测方法的优势，还可以弥补因邻井资料丰度不足导致的预测误差出现，从而提高了下部未钻地层的压力预测精度。

步骤3：钻井过程中动态井身结构风险评估。

在执行步骤3的基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正过程中，具体执行过程包括以下步骤：

首先，基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力确定分布带；

具体的，基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力，确定地层压力的计算值，所述地层压力的计算值包括含可信度的分布带。

然后，基于所述分布带，确定安全钻井液密度窗口的下限曲线和上限曲线。

最后，对钻井过程中动态井身结构风险评估。

首先，需要建立下部未钻地层井身结构风险评估模型；

然后，基于下部未钻地层井身结构风险评估模型，对钻井过程中动态井身结构风险评估；

其中，所述下部未钻地层井身结构风险评估模型，包括：

井涌风险：

压差卡钻风险：

钻井井漏风险：

R_井涌(h)、R_{压差卡钻(h)}、R_{钻进井漏(h)}分别为井深h处的井涌、压差卡钻、钻进井漏风险大小；p(x)为事件x对应的概率大小；ρ_下(h)和ρ_上(h)分别为井深h处含可信度安全钻井液密度窗口下限曲线及上限曲线所对应的当量密度；

为井深h处地层孔隙压力的累计概率分布；

为井深h处地层破裂压力的累计概率分布。

通过上述公开的技术方案，首先基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；然后基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；最后钻井过程中动态井身结构风险评估。通过随钻测井数据实时对含可信度地层孔隙压力修正，提高下部未钻地层的压力预测精度，并结合安全密度窗口约束条件和概率理论，建立钻井过程中的动态井身结构风险评估方法，从而在钻井过程中对下部未钻地层的井身结构风险进行实时定量评估。

进一步，基于上述步骤1至步骤3，参考图5。

步骤4：若所述钻井过程中井身存在风险，重新设计所述井身结构；

若所述钻井过程中井身不存在风险，重新执行步骤2。

需要说明的是，由于上述实施例中可得到动态井身结构风险评估，因此，可以通过评估结果来确定钻井过程中井身是否存在风险，若存在风险，则重新设计所述井身结构，若未存在风险，重新执行步骤2，跟随钻井获取随钻测井数据，并对含可信度地层孔隙压力实时修正。

在执行重新设计所述井身结构的过程中，具体执行过程为：

建立的安全钻井液密度窗口约束条件，所述安全钻井液密度窗口约束条件，包括：

其中，ρ_pmax′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最大地层孔隙压力梯度、ρ_pmin′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层孔隙压力梯度、ρ_fmin′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层破裂压力梯度，S_b′为基于实时井身结构和钻井工况计算的抽吸压力系数、S_g′为基于实时井身结构和钻井工况计算的激动压力系数、Δρ′为基于实时井身结构和钻井工况计算的附加钻井液密度。

为了便于理解上述方案，下面对本方案作进一步介绍：

本申请提出了一种基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计新方法，充分利用随钻测井等技术的优势寻求提高窄安全密度窗口地层压力预测精度的方法，从根源上排除地层不确定性参数导致的潜在风险，并在此基础上对钻井过程中的漏、喷、塌、卡等工程风险识别方法进行研究，建立钻井过程中的动态井身结构风险评估方法；同时对现有井身结构设计方法中的不确定性参数进行研究，改进设计方法，从而最大程度的降低井身结构设计的风险。

技术方案为：

首先，利用地震资料对目标深井复杂地层井的地层压力进行含可信度预测，并结合随钻测井数据对已钻地层压力进行修正，进而对下部未钻地层的压力进行重新预测；然后，基于随钻测井数据修正后的含可信度安全钻井液密度窗口内，依据压力平衡约束条件可对现有井身结构设计方案进行风险评估；同时，若在钻井过程中利用风险评估方法预测到下部未钻地层的现有井身结构设计方案存在较大风险，应对其进行调整以规避风险。因此，提出基于随钻测井数据的钻井过程中动态井身结构设计方法。

主要步骤为：

步骤一：基于地震层速度的钻前含可信度地层压力预测；

步骤二：基于随钻测井数据的含可信度地层压力实时修正；

步骤三：钻井过程中动态井身结构风险评估；

步骤四：钻井过程中动态井身结构优化设计。

各步骤的具体执行过程：

步骤一：基于地震层速度的钻前含可信度地层压力预测。

为了充分考虑深井复杂地层钻井地层参数的不确定性问题，管志川教授等人提出了基于概率统计的地层压力预测方法[柯珂,管志川,周行.深井复杂地层探井钻前含可信度的地层孔隙压力确立方法[J].中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(5):61-67.]，从该方法的原理入手，利用地震资料对目标深井复杂地层井的地层压力进行含可信度预测，并结合随钻测井数据对已钻地层压力进行修正，进而对下部未钻地层的压力进行重新预测。采用地震层速度比采用邻井测井资料对目标井压力进行预测，一个很重要的优势就是不受邻井资料丰度的影响，同时，有利于结合MWD、LWD等随钻测井数据对已钻地层的压力及相关计算参数进行修正。该方法采用Eaton法、Fillippone法和有效应力法联合计算地层孔隙压力，其具体流程如图2所示。

地层破裂压力的计算采用黄荣樽法，计算公式为公式(1)。

式中，P_f为地层破裂压力，MPa；σ_H和σ_h为最大和最小水平地应力，MPa；f为孔隙度，％；P_p为地层破裂压力，MPa；S_t为地层拉伸强度，MPa；μ为泊松比，无因次；α为有效应力系数，无因次。

地层破裂压力的计算需要用到地层孔隙压力，因此，地层破裂压力的计算值也是含有相同可信度的分布带；同时，式中的岩石力学参数可按照不同地质分层由邻井测井资料进行移植计算。

步骤二：基于随钻测井数据的含可信度地层压力实时修正。

分析步骤一中基于地震层速度的钻前含可信度地层压力预测方法可知，流程图1中，利用公式(2)反演得到的Eaton指数分布形式为全井段的统计结果，见式(3)、图3。

由于Eaton指数是随着井深不断变化的，步骤一中的方法对全井段的Eaton指数进行概率统计进而得到不同可信度条件下的地层压力分布，虽然计算结果具备足够的准确度，但对于Eaton指数沿井深变化较大的井，会造成预测的含可信度地层压力分布带较宽，不利于窄安全密度窗口地层的井身结构设计和风险规避。因此，可利用随钻测井数据对已钻地层的Eaton指数重新反演计算，寻求合理的方法对下部未钻地层的预测压力分布带进行修正。

假设钻前基于地震层速度、利用式(2)反演得到的Eaton指数为一个大样本库n(h)，其中，h为目标井的井深，m；已钻井段深度为h₁，利用随钻测井所得地层孔隙压力为G_p′，g/cm³，则已钻地层的Eaton指数可根据式(4)进行修正：

式中，G_h为静液压力，g/cm³；G₀为上覆岩层压力梯度，g/cm³；V_n为正常压实条件下的层速度，m/s；V_in为层速度，m/s。

将根据随钻测井数据修正后的已钻地层的Eaton指数看做一个小样本库n′(h₁)，而根据前面的假设，钻前基于地震层速度反演得到的全井段Eaton指数为一个大样本库n(h)，其中0-h₁井段(已钻井段)的Eaton指数为小样本库n(h₁)，将n′(h₁)替换n(h₁)组成新的大样本库n′(h)，则该新的大样本库中Eaton指数的分布形式可由式(5)求得。

由此，便可根据修正后的Eaton指数分布形式，结合步骤一中的方法对下部未钻地层的含可信度地层孔隙压力分布带进行实时修正，具体流程如图3所示。

对于地层破裂压力，由式(1)可知，它可随着地层孔隙压力的修正而实时修正；同时，其计算模型中涉及诸多岩石力学参数，它们与地质分层等有关，在以往的计算中一般由邻井测井资料进行区域移植预测，同一地质分层内看作定值进行计算，因此其取值存在不确定性。为了得到更精确的地层破裂压力预测值，可利用随钻测井数据进行修正，具体步骤如下：

(1)根据地层孔隙压力的实时修正值，利用式(1)计算可信度J条件下不同概率时地层孔隙压力P_p′对应的地层破裂压力P_f′，如式(6)所示：

(2)若钻前利用邻井资料预测所得下一地质分层的各岩石力学参数为x(σ_h、σ_H、α、μ、f、S_t)，当钻至距下一地质分层顶部Δh(根据实际情况设定步长)处时，认为随钻测井所得的该地质分层内各岩石力学参数x′(σ_h′、σ_H′、α′、μ′、f′、S_t′)的平均值

为该分层的真实值，利用式(7)重新计算本地质分层的地层破裂压力P_f″：

(3)若继续钻进δh，利用随钻测井测得该地质分层Δh+δh井段内的各岩石力学参数的平均值为

当|x″-x′|＞ε时，则用

替换式(7)中的

重新计算该地质分层的地层破裂压力P″′_f；

(4)重复步骤(3)，直到钻完本地质分层。

由此，便建立了基于随钻测井数据的含可信度地层压力预测方法，利用该方法可对下部未钻地层的含可信度地层孔隙压力和地层破裂压力进行基于随钻数据的实施修正，不但具备步骤一中钻前含可信度地层压力预测方法的优势，还可弥补因邻井资料丰度不足导致的预测误差，从而提高了下部未钻地层的压力预测精度。

步骤三：钻井过程中动态井身结构风险评估。

步骤二建立了基于随钻测井数据的含可信度地层压力预测方法，可随着钻井深度的增加对下部未钻地层的含可信度地层压力预测值进行实施修正，因此下部未钻地层的安全钻井液密度窗口也随之实时修正。由于步骤一中建立的地层压力剖面为含可信度的分布带，若选取可信度J＝95％-5％＝90％，则定义累积概率95％对应的地层孔隙压力剖面为安全钻井液密度窗口的下限曲线，定义累积概率5％对应的地层破裂压力剖面为安全钻井液密度窗口的上限曲线，由此便组成了含可信度J的安全钻井液密度窗口。

在步骤二中建立的基于随钻测井数据修正后的含可信度安全钻井液密度窗口内，依据压力平衡约束条件可对现有井身结构设计方案进行风险评估。为了保证裸眼井段的安全，需满足以下压力平衡约束条件：

停泵防井涌：

ρ_m(H_i)≥ρ_pmax+S_b+Δρ (8)

防压差卡套管：

(ρ_m(H_i)-ρ_pmin)×H_pmin×0.00981≤ΔP (9)

下钻防漏：

ρ_m(H_i)+S_g+S_f≤ρ_fmin (10)

关井时防漏：

其中，H_i为计算点深度，m；S_b为抽吸压力系数，g/cm³；S_k为井涌允量，g/cm³；S_g为激动压力系数，g/cm³；ρ_m(H_i)为钻井液静态当量密度，g/cm³；ρ_pmax为计算点及其以上地层的地层孔隙压力(安全钻井液密度窗口的下限曲线)的最大值，g/cm³；ρ_pmin为计算点及以上部分的地层孔隙压力(安全钻井液密度窗口的下限曲线)的最小值，g/cm³；ΔP表示压差卡钻允值，MPa；S_f为地层破裂压力安全系数，g/cm³；Δρ为附加钻井液密度，g/cm³；ρ_fmin为计算点及以上井段的地层破裂压力(安全钻井液密度窗口的上限曲线)的最小值，g/cm³；H_pmin为地层孔隙压力最小值所在的井深，m；H_n-1为上一层套管的套管鞋所在的深度，m。

由于井涌允量S_k和地层破裂压力安全系数S_f都是因地层压力预测不准而人为添加的安全系数，表征了地层压力的不确定性，而在含可信度J的安全钻井液密度窗口内，认为地层压力的预测是足够精确可靠的，因此，此时可以将井涌允量S_k和地层破裂压力安全系数S_f忽略，进而压力平衡约束条件中的式(11)可以忽略，式(10)变为：

下钻防漏：

ρ_m(H_i)+S_g≤ρ_fmin (12)

由此，式(8)、(9)和式(12)组成可信度J条件下的压力平衡约束条件。

若现有井身结构设计方案中下部未钻地层的设计钻井液密度均满足式(8)、(9)和式(12)，则认为当前井身结构设计方案无漏喷塌卡等工程风险。若不满足，则可按下式对计算井深h处的风险R_{井涌/压差卡钻/钻进井漏(h)}进行定量评估。

井涌风险：

压差卡钻风险：

钻进井漏风险：

式中，R_井涌(h)、R_{压差卡钻(h)}、R_{钻进井漏(h)}分别为井深h处的井涌、压差卡钻、钻进井漏风险大小，％；p(x)为事件x对应的概率大小；ρ_下(h)和ρ_上(h)分别为井深h处含可信度安全钻井液密度窗口下限曲线及上限曲线所对应的当量密度，g/cm³；

为井深h处地层孔隙压力的累计概率分布；

为井深h处地层破裂压力的累计概率分布。

由式(13)、(14)、(15)组成的下部未钻地层井身结构风险评估模型中，ρ_下(h)和ρ_上(h)是利用步骤一中方法根据随钻测井数据实时更新的；因此，可在钻井过程中对现有井身结构设计方案进行动态风险评估，若评估结果提示有较高的工程风险，应对现有井身结构设计方案进行调整，并重新进行风险评估，直到满足可信度J条件下的压力平衡约束条件。

步骤四：钻井过程中动态井身结构优化设计。

前面建立了基于钻前含可信度地层压力预测剖面、以式(8)、(9)、和(12)为安全密度窗口约束条件的钻前井身结构设计方法，该方法提高了钻前井身结构设计结果的可靠度，从而降低了钻前井身结构设计方案的潜在风险。然而，通过步骤一的分析，虽然钻前含可信度地层压力预测方法可提高地层压力预测的可靠度，但对于邻井资料丰度不高的深井复杂地层钻井，还需要利用随钻测井数据对其进行实时修正，从而最大程度的提高地层压力的预测精度；同时，若在钻井过程中利用步骤三中的方法预测到下部未钻地层的现有井身结构设计方案存在较大风险，应对其进行调整以规避风险。因此，本文提出基于随钻测井的钻井过程中动态井身结构设计方法，流程如图4所示。

其中，新的安全钻井液密度窗口约束条件^*如下：

式中，ρ_pmax′、ρ_pmin′、ρ_fmin′、S_b′、S_g′、Δρ′不再是定值，而是随着钻井过程变化的变量。ρ_pmax′、ρ_pmin′、ρ_fmin′分别是基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最大地层孔隙压力梯度、最小地层孔隙压力梯度和最小地层破裂压力梯度，g/cm³；S_b′、S_g′、Δρ′分别为基于实时井身结构和钻井工况计算的抽吸压力系数、激动压力系数和附加钻井液密度，g/cm³。

该方法利用随钻测井数据对下部未钻地层的含可信度地层压力剖面进行实时修正，同时根据钻井深度及工况实时计算钻井液附加密度Δρ、激动压力系数S_g和抽吸压力系数S_b，从而确定新的安全密度窗口约束条件(式(16))，在此基础上，利用步骤三中方法对下部未钻地层的风险定量评估，一旦发现较高的风险及时对下部地层的井身结构设计方案进行重新设计，从而在钻井过程中对下部未钻地层进行实时动态的井身结构设计，在设计层面最大程度的规避工程风险。

有益效果：

1、建立了基于随钻测井数据的含可信度地层压力预测方法，该方法可根据随钻测井数据实时修正下部未钻地层的含可信度压力分布带，提高了下部未钻地层的压力预测精度；

2、在基于随钻测井数据的含可信度地层压力预测方法基础上，结合安全密度窗口约束条件和概率理论，建立了钻井过程中的动态井身结构风险评估方法，可在钻井过程中对下部未钻地层的井身结构风险进行实时定量评估；

3、提出了钻井过程中动态井身结构设计方法，可在钻井过程中对下部未钻地层进行实时动态的井身结构设计，从而在设计层面最大程度的规避工程风险。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.基于随钻资料的钻井过程中动态井身结构优化设计方法，其特征在于，包括：

步骤1：基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测；

步骤2：基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正；

步骤3：钻井过程中动态井身结构风险评估。

2.根据权利要1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的基于地震层速度的钻前含可信度地层孔隙压力预测，包括：

基于获取的地震层速度资料，对所述地震层速度资料预处理，确定上覆岩石压力梯度；

基于Fillippone法计算地层孔隙压力；

结合Eaton法反算伊顿指数，并基于所述伊顿指数获取分布状态；

重新代入Eaton法计算含可信度地层孔隙压力。

3.根据权利要1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的基于随钻测井数据对含可信度地层孔隙压力实时修正，包括：

(1)基于地震资料计算地层孔隙压力G_p，结合Eaton法反算伊顿指数得到一个大样本库n(h)，统计全井段Eaton指数，获取分布状态；

(2)基于随钻测井所得地层孔隙压力G_p′，反演已钻井段伊顿指数，得到小样本库n′(h₁)，并将n′(h₁)替换已钻井段的Eaton指数n(h₁)组成新的大样本库n′(h)，获取新的分布状态；重新代入Eaton法计算下部未钻地层含可信度孔隙压力。

4.根据权利要3所述的方法，其特征在于，所述步骤2在得到地层含可信度孔隙压力之后，还包括：

利用公式

计算可信度J条件下不同概率时地层孔隙压力对应的地层破裂压力P_f′，其中σ_h、σ_H、α、μ、f和S_t为利用邻井资料预测所得到的下一地质分层的各岩石力学参数；

钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，通过随钻测井所得到的当前地质分层内各岩石力学参数x′(σ_h′、σ_H′、α′、μ′、f′、S_t′)的平均值

为该分层的真实值，并利用

重新计算当前地质分层的地层破裂压力P_f″。

5.根据权利要4所述的方法，其特征在于，所述步骤2在所述利用

重新计算当前地质分层的地层破裂压力P_f″之后，还包括：

利用随钻测井测得该地质分层Δh+δh井段内的各岩石力学参数的平均值为

所述δh为钻至距离下一地质分层顶部预设距离Δh时，继续钻进的距离；

当

时，将公式

中的

中各岩石力学参数的平均值替换为

并重新计算所述地质分层的地层破裂压力p″′_f，其中，

为当前利用随钻测井测得的当地质分层的各岩石力学参数平均值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，钻井过程中动态井身结构风险评估，包括：

基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力确定分布带；

基于所述分布带，确定安全钻井液密度窗口的下限曲线和上限曲线；

对钻井过程中动态井身结构风险评估。

7.根据权利要6所述的方法，其特征在于，所述基于修正后的未钻地层的含可信度地层孔隙压力确定分布带，包括：

基于修正后的未钻地层的含可信度地层压力，确定地层压力的计算值，所述地层压力的计算值包括含可信度的分布带。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对钻井过程中动态井身结构风险评估，包括：

基于预先建立的下部未钻地层井身结构风险评估模型，对钻井过程中动态井身结构风险评估；

其中，所述下部未钻地层井身结构风险评估模型，包括：井涌风险：

压差卡钻风险：

钻井井漏风险：

R_井涌(h)、R_{压差卡钻(h)}、R_{钻进井漏(h)}分别为井深h处的井涌、压差卡钻、钻进井漏风险大小；p(x)为事件x对应的概率大小；ρ_下(h)和ρ_上(h)分别为井深h处含可信度安全钻井液密度窗口下限曲线及上限曲线所对应的当量密度；

为井深h处地层孔隙压力的累计概率分布；

为井深h处地层破裂压力的累计概率分布。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行步骤3，钻井过程中动态井身结构风险评估后，还包括：

步骤4：若所述钻井过程中井身存在风险，重新设计所述井身结构；

若所述钻井过程中井身不存在风险，执行步骤2。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，若所述钻井过程中井身存在风险，重新设计所述井身结构，包括：

若所述钻井过程中井身存在风险，建立的安全钻井液密度窗口约束条件；

所述安全钻井液密度窗口约束条件，包括：

其中，ρ_{p max}′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最大地层孔隙压力梯度、ρ_{p min}′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层孔隙压力梯度、ρ_{f min}′为基于随钻测量数据修正后下部未钻地层压力预测剖面内的最小地层破裂压力梯度，S_b′为基于实时井身结构和钻井工况计算的抽吸压力系数、S_g′为基于实时井身结构和钻井工况计算的激动压力系数、Δρ′为基于实时井身结构和钻井工况计算的附加钻井液密度。

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