一种利用工程参数计算泥岩地层纵波速度的方法

1.本发明涉及一种利用工程参数来计算泥岩地层纵波速度的方法，可以为随钻三压力评价提供基础参数，属于钻井工程领域。


背景技术：

2.在油气钻井过程中，及时准确的获取地层三压力剖面是钻井成功的重要基础。地层三压力指的是地层孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力，当钻进过程中钻柱与裸眼井壁之间的钻井液柱压力低于地层孔隙压力时，可能导致溢流甚至井喷；当钻井液柱压力低于地层坍塌压力时，可能导致泥岩地层失稳；当钻井液柱压力高于地层破裂压力时，可能导致地层破裂形成井漏。目前的地层三压力评价工作可分为钻前评估、钻中监测和钻后评价三个方面，其中钻前和钻中阶段缺乏实时的地层声波速度数据，监测阶段一般只能计算地层孔隙压力和地层破裂压力、无法计算地层坍塌压力，由于钻井液密度低于地层坍塌压力导致的钻井复杂事故层出不穷，严重影响了钻进效率和勘探进程。
3.目前获取泥岩地层纵波速度的方式有以下几类：
4.1、在电缆测井作业后获得。在下入下级套管或完钻之前，为了取全取准地质资料，作业者们的普遍做法是针对裸眼地层进行电缆测井作业，声波测井一般是常测或必测项目之一。由于地层刚刚打开，且电缆测井工具在测量过程中紧贴裸眼井壁，电缆测井获得的地层声波数据被认为最接近地层真实状态，是技术人员常用的基础数据类型。尽管电缆声波测井具有测量密度高、连续性好和一致性强的优点，但易受井眼不规则、泥浆滤液侵入等因素的困扰，且只能用于钻后或中途完钻阶段。
5.2、通过随钻测井作业获得。为了在随钻过程中获得泥岩地层的速度数据，测井工作者开发了随钻声波测井工具，相对于电缆测井技术，随钻测井不受井斜和泥浆滤液侵入地层的影响，更真实的反映了原状地层的地质特征。但受限于钻井噪声、仪器偏心和声波频散等因素的制约，并且该技术受井斜和井眼环境影响较大，其仪器工具、数据传输和处理解释技术仍不成熟，随钻声波测井技术仅应用于海域中浅部钻井等部分钻井市场，在高温高压井地层三压力评价中的案例极少。
6.3、通过岩屑声波测量获得。为了及时获取钻进过程中的地层声波数据，研究者开发了针对岩屑进行超声波测量的技术，该技术测量成本低、实时性较好，但由于目前普遍采用pdc钻头造成岩屑细小，实际测量效果不佳，未普遍推广应用。
7.4、提取井旁地震道获得。利用地震层速度资料进行地层压力预测是新探区或者新层系探井的唯一选择，但由于地震资料受岩性和孔隙度等非地层压力因素影响较大，且地震层速度分辨率较井筒资料低，因此仅应用于钻前预测阶段。
8.5、通过元素录井等随钻资料进行回归分析获得。利用岩屑的元素录井资料和实测的电缆声波测井数据进行多元线性回归，可以得到二者之间的转换模型。由于元素录井资料在实质上是地层岩石矿物组分的反映，极易受地层在纵向和横向上的非均质性影响，因而计算的声波速度结果精度不高。
9.6、使用区域经验公式进行计算获得。这种方法是利用区域已钻井的声波速度资料进行深度回归，进而推测正钻井的地层声波速度分布情况。该方法在本质上是通过邻井对比得到本井的地层属性信息，在构造稳定、区域异常地层压力分布较为规律的地区和层系中可以使用，但无法应用于地层非均质性强、深层和地层高压的探井地层压力监测。
10.由于泥岩地层纵波速度是计算地层三压力的关键参数，而目前获取泥岩地层纵波速度的测量工具或计算方法无法在随钻过程中满足资料需求，严重制约了随钻过程中的地层三压力计算和井壁稳定性评价工作。工程参数是钻进过程中自然产生和实施记录的基础数据，提出利用工程参数来计算可靠精度的泥岩纵波速度的方法，对于保障钻井安全和提速增效具有重要意义。本发明所述的有益效果：
11.1、本发明依赖的计算数据来自于钻机钻进过程中的伴生参数，不需要增加其他的测试项目即可完成计算，具有明显的经济性；
12.2、本发明可在钻井过程中实时评价变质岩地层裂缝的发育情况，相较于其他方法具有明显的实时性。
13.3、本发明提供一种在随钻过程中，利用实时的工程参数来识别和评价地层裂缝的方法，通过对钻井过程中实时采集的工程参数进行分析，建立校正的修正钻压指数与裂缝发育特征之间的响应关系，从而根据实时的钻井工程参数对钻遇的地层裂缝进行识别和评价。


技术实现要素：

14.本发明设计开发了一种利用工程参数计算泥岩地层纵波速度的方法，根据已钻井资料，建立地层孔隙压力和纵波速度的数学转换模型，结合正钻井的岩石可钻性和岩屑录井数据计算得到的地层孔隙压力数据，通过转换模型得到正钻地层泥岩层的纵波速度，可以为随钻地层三压力评价提供实时且可靠的基础数据。
15.本发明提供的技术方案为：
16.一种利用工程参数计算泥岩地层纵波速度的方法，包括如下具体步骤：收集已钻井的地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据，提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据的步骤；根据常压且未扩径段泥岩层的纵波速度值与深度数据，建立泥岩层纵波速度趋势线的步骤；参照提出的回归模型，建立已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度量化关系的步骤；获取正钻井的随钻工程参数和岩屑录井资料，提取正钻井泥岩层岩石可钻性参数的步骤；基于eaton法，以正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算泥岩层地层孔隙压力的步骤；根据已钻井资料建立的回归模型和正钻井资料计算的地层孔隙压力数据，计算正钻井泥岩层纵波速度的步骤。
17.其中，收集已钻井的地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据，提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据的步骤具体包括：搜集已钻井资料的步骤，包括钻头尺寸、地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据；提取已钻井未扩径段深度序列的步骤，根据实测井径测井数据与钻头尺寸之差除以钻头尺寸小于10％为通过标准，确定未扩径段的深度序列；根据岩屑录井数据确定未扩径段泥岩点深度序列的步骤，以单层厚度不小于2m为判别标准，确定未扩径段泥岩点深度序列；根据地层孔隙压力数据，提取常压且未扩径段泥岩点声波速度的步骤，地层孔隙压力系数大于1.05的最小深度
数据为常压段下限，该下限以上地层为常压段，然后根据常压段深度范围提取常压且未扩径段泥岩点纵波速度数据；
18.根据常压且未扩径段泥岩层的纵波速度值与深度数据，建立泥岩层纵波速度趋势线的步骤，利用如下公式，计算得到泥岩点纵波速度趋势线
[0019]vn
＝e^(a
×
h+b)
[0020]
式中，vn为纵波速度趋势值，单位为m/s，h为深度，单位为m，e为自然对数，a、b为常量。
[0021]
参照提出的回归模型，建立已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度量化关系的步骤，根据未扩径段泥岩点深度序列，从地层孔隙压力数据和声波测井数据中提取未扩径段泥岩点的相应数据，按照以下公式回归得到模型相关系数。
[0022]
v＝vn×
[(p
o-p
p
)/(p
o-ph)]^c
[0023]
式中：v为纵波速度测量值，单位为m/s，po为上覆地层压力，单位为g/cm3；p
p
为静水压力，单位为g/cm3；ph为地层孔隙压力，单位为g/cm3；c为回归系数，无量纲。
[0024]
获取正钻井的随钻工程参数和岩屑录井资料，提取正钻井泥岩层岩石可钻性参数的步骤，具体包括：搜集正钻井的dc指数和岩屑录井数据的步骤；提取泥岩点深度序列数据的步骤，以单层厚度不小于2m为判别标准，确定泥岩点深度序列；提取泥岩点深度序列的dc指数数据的步骤，参照泥岩点深度序列，提取对应的dc指数数据；
[0025]
基于eaton法，以正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算泥岩层地层孔隙压力的步骤参照sy/t5623—2009，具体包括：根据中浅层或常压段泥岩点dc指数与深度的变化规律，建立dc指数趋势线；根据dc指数和dc指数趋势线计算地层孔隙压力的步骤。
[0026]
根据已钻井资料建立的回归模型和正钻井资料计算的地层孔隙压力数据，计算正钻井泥岩层纵波速度的步骤包括：根据泥岩点深度序列提取泥岩点地层孔隙压力数据的步骤；根据泥岩点地层孔隙压力数据和已钻井回归模型，计算得到正钻井泥岩层纵波速度。
附图说明
[0027]
图1为本发明所述的利用工程参数计算泥岩层纵波速度的技术路线图。
[0028]
图2为分别利用工程参数计算和完钻电缆测井获得的泥岩层纵波速度对比情况。
具体实施方式
[0029]
本发明的目的是针对现有随钻压力监测中难以获取泥岩地层纵波速度的技术现状，旨在提供一种利用已钻井和正钻井资料计算正钻地层泥岩点的纵波速度，可以为随钻地层坍塌压力监测提供实时且可靠的基础数据。本发明的实现具体步骤如下：
[0030]
1、收集已钻井的地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据，提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据。
[0031]
①
根据实测井径测井数据与钻头尺寸之差除以钻头尺寸小于10％为通过标准，确定未扩径段的深度序列；
[0032]
②
根据岩屑录井数据，以单层厚度不小于2m为判别标准，确定未扩径段泥岩点深度序列h；
[0033]
③
根据地层孔隙压力数据，以地层孔隙压力系数大于1.05的最小深度数据为常压
段下限，该下限以上地层为常压段，然后根据常压段深度范围提取常压且未扩径段的泥岩层纵波速度数据v；
[0034]
2、根据常压且未扩径段泥岩层的纵波速度值v与深度数据h，建立泥岩层纵波速度趋势线，计算公式如下：
[0035]vn
＝e^(a
×
h+b)
[0036]
式中，
[0037]vn
为纵波速度趋势值，单位为m/s，
[0038]
h为深度，单位为m，
[0039]
e为自然对数，a、b为常量。
[0040]
3、参照提出的回归模型，建立已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度量化关系：
[0041]
①
根据未扩径段泥岩点深度序列，从地层孔隙压力数据和声波测井数据中提取未扩径段泥岩点的相应数据；
[0042]
②
按照以下公式回归得到转换模型的相关系数。
[0043]
v＝vn×
[(p
o-p
p
)/(p
o-ph)]^c
[0044]
式中：
[0045]
v为纵波速度测量值，单位为m/s，
[0046]
po为上覆地层压力，单位为g/cm3；
[0047]
ph为静水压力，单位为g/cm3；
[0048]
p
p
为地层孔隙压力，单位为g/cm3；
[0049]
c为回归系数，无量纲。
[0050]
4、获取正钻井的随钻工程参数和岩屑录井资料，提取正钻井泥岩层岩石可钻性参数。
[0051]
①
利用综合录井仪传输的数据集和地质录井提交的岩屑描述成果，搜集正钻井的dc指数和岩屑录井数据；
[0052]
②
提取正钻井泥岩层深度序列数据的步骤，以单层厚度不小于2m为判别标准，确定正钻井泥岩层深度序列；
[0053]
③
参照正钻井泥岩层深度序列，提取正钻井泥岩层的dc指数数据；
[0054]
5、基于eaton法，以正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算泥岩层地层孔隙压力。具体过程参照行业标准sy/t5623—2009中第三部分的地层孔隙压力预监测方法，首先根据中浅层或常压段泥岩点dc指数与深度的变化规律，建立dc指数趋势线，然后根据dc指数和dc指数趋势线计算地层孔隙压力。
[0055]
6、根据已钻井资料建立的回归模型和正钻井资料计算的地层孔隙压力数据，计算正钻井泥岩层纵波速度。
[0056]
①
参照正钻井泥岩层深度序列，提取正钻井泥岩层的地层孔隙压力数据；
[0057]
②
利用已钻井资料建立的回归模型，计算得到正钻井泥岩点的纵波速度数值。
[0058]
本发明利用已钻井资料，建立地层孔隙压力和纵波速度的数学转换模型，结合正钻井的dc指数和岩屑录井数据计算得到的地层孔隙压力数据，通过转换模型得到正钻地层泥岩点的纵波速度，可以为随钻地层坍塌压力监测提供实时且可靠的基础数据。
[0059]
本发明在渤海湾盆地30余口井的随钻地层压力监测中进行了应用，基于正钻井资
料计算了监测井的泥岩点纵波速度数值，与完钻电缆测井获得的纵波速度数据的一致性较好，二者误差小于5％。与其他随钻声波速度测量手段对比，具有显著的经济性和较好的应用效果。
[0060]
在渤海湾盆地应用表明，利用已钻井资料建模结合正钻井录井数据计算正钻地层泥岩点纵波速度的方法具有明显优势。此方法的应用不需要增加额外的随钻测量设备，在常规录井项目进行的同时，可以及时获取已钻地层的纵波速度数据，相较于地震法和其他资料回归法的计算精度更高，且不受井眼环境的影响，可以为地层坍塌压力评价提供可靠的基础数据，有效指导钻井液密度窗口调整，为钻井安全和提质增效提供助益。
[0061]
参照图1，本发明通过搜集已钻井资料，首先确定未扩径段的深度序列，并根据常压段深度范围提取常压且未扩径段的泥岩点纵波速度数据；利用常压且未扩径段泥岩点的纵波速度值与深度数据，计算得到泥岩点纵波速度趋势线，然后利用未扩径段泥岩点的地层孔隙压力数据和声波测井数据回归得到转换模型；搜集正钻井的dc指数和岩屑录井数据并计算地层孔隙压力，根据泥岩点深度序列提取泥岩点地层孔隙压力数据，结合利用已钻井资料建立的回归模型，最后计算得到正钻井泥岩点的纵波速度数值。
[0062]
下面参照附图详述本发明的实施步骤，以实际的井资料说明本发明的使用方法，并展示本发明在随钻过程中实时获取已钻地层泥岩点声波速度的应用情况。
[0063]
1、本发明在随钻过程中的应用：
[0064]
a井位于渤海湾盆地渤中凹陷，该区域的东营组地层泥岩厚度大且普遍发育地层超压，已钻井的情况表明，由于该段地层中缩径、井壁坍塌等钻井复杂工况常见，有必要在钻进过程中根据地层压力变化情况及时调整钻井液，以维护井壁稳定性。
[0065]
在钻前通过搜集邻井资料，提取常压且未扩径段泥岩点的纵波速度值与深度数据，计算得到泥岩点纵波速度趋势线，并结合地层孔隙压力数据回归得到转换模型。在a井钻进过程中，实时搜集正钻井的dc指数和岩屑录井数据并计算地层孔隙压力，根据泥岩点深度序列提取泥岩点地层孔隙压力数据，结合利用已钻井资料建立的回归模型，计算得到正钻井泥岩点的纵波速度数值。完井后本井进行了电缆测井，将前述计算结果和声波测井数据进行对比(图2)，结果表明二者在未扩径段的泥岩层中较为一致，相对于电缆测井结果的误差均小于5％，这一精度的声波速度数值完全满足井壁稳定性评价的需要。
[0066]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种利用工程参数计算泥岩地层纵波速度的方法，其特征在于，包括：收集已钻井的地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据，提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据；根据常压且未扩径段泥岩层的纵波速度值与深度数据，建立泥岩层纵波速度趋势线；参照提出的回归模型，建立已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度的量化关系；获取正钻井的随钻工程参数和岩屑录井资料，提取正钻井泥岩层的岩石可钻性参数；基于eaton法，以正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算泥岩层的地层孔隙压力；根据已钻井资料建立的回归模型和正钻井资料计算的地层孔隙压力数据，计算正钻井泥岩层纵波速度。2.根据权利要求1所述的利用工程参数计算泥岩层纵波速度的方法，其特征在于，所述提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据：未扩径段地层的区分依据，是井径与实际钻头尺寸之差小于实际钻头尺寸的10％；泥岩层的确定依据，是岩屑录井剖面中单层泥岩厚度大于2m的深度范围。3.根据权利要求2所述的利用工程参数计算泥岩层纵波速度的方法，其特征在于，建立泥岩层纵波速度趋势线的计算公式为：v
n
＝e^(a
×
h+b)式中，v
n
为纵波速度趋势值，单位为m/s，h为深度，单位为m，e为自然对数，a、b为常量。4.根据权利要求3所述的利用工程参数计算泥岩层纵波速度的方法，其特征在于，基于eaton法，以正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算泥岩层的地层孔隙压力的步骤和要求，参照行业标准sy/t 5623—2009中第三部分的地层孔隙压力预监测方法。5.根据权利要求4所述的利用工程参数计算泥岩层纵波速度的方法，其特征在于，已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度量化关系的回归模型为：v＝v
n
×
[(p
o-p
p
)/(p
o-p
h
)]^c式中：v为纵波速度测量值，单位为m/s，p
o
为上覆地层压力，单位为g/cm3；p
p
为静水压力，单位为g/cm3；p
h
为地层孔隙压力，单位为g/cm3；c为回归系数，无量纲。

技术总结
本发明公开了一种利用工程参数计算泥岩地层纵波速度的方法，收集已钻井的地层孔隙压力、声波测井、井径测井和岩屑录井数据，提取已钻井未扩径段泥岩层的地层孔隙压力和纵波速度数据；参照提出的回归模型，建立已钻井泥岩层地层孔隙压力和纵波速度的量化关系；获取正钻井的随钻工程参数和岩屑录井资料，提取正钻井泥岩层的岩石可钻性参数；基于Eaton法，利用正钻井泥岩层的岩石可钻性参数计算地层孔隙压力；根据已钻井资料建立的回归模型，结合正钻井资料计算的地层孔隙压力数据，计算正钻井泥岩层纵波速度。能够实现利用随钻的工程参数数据，计算已钻泥岩层的纵波速度值，提供用于计算地层三压力评价的基础参数。计算地层三压力评价的基础参数。计算地层三压力评价的基础参数。


技术研发人员：程乐利 印森林 陈恭洋 朱柏宇 杨沛
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/8/24