009033 Область техники

009033
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне в подземной формации. Изобретение также относится к системе для оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне.
Предшествующий уровень техники
Поровое давление флюидов формации в подземной формации может иметь нормальное, т.е. гидростатическое, поведение, при этом поровое давление определяется гидростатически путем взвешивания
выдавленного столба флюида, либо ненормальное или негидростатическое поведение, при этом другие
факторы помимо веса выдавленного столба флюида оказывают влияние на давление флюида формации.
Существует обычно два определенных типа негидростатического поведения:
1) повышенное давление, при котором поровое давление превышает поровое давление, определенное гидростатически;
2) недостаточное давление, при котором поровое давление меньше, чем поровое давление, определенное гидростатически.
Обычно давление порового флюида в подземной формации определяется с помощью так называемого многократного опробования формации внутри исследуемой зоны или особенно внутри исследуемого диапазона глубин.
В частности, в области разведочного бурения желательно прогнозировать аномалию в давлении порового флюида в исследуемой зоне, которая лежит перед буровой коронкой. Особо желательно иметь
возможность прогнозировать для зоны с повышенным давлением в формации возможность увеличения
притока флюидов формации в скважину из-за повышенного давления, так называемый выброс, который
может привести к прорыву.
Доступные в настоящее время методики прогнозирования давления порового флюида в данной области техники основаны на определении отклонений в пористости от нормального характера изменения
уплотнения формации, которое определяет пористость. Таким образом, эти методики основаны на определении недоуплотнений и известны как методики недоуплотнения. В таких методиках обычно делается
допущение, что повышенное давление связано с ненормально высокой пористостью осадочных пород.
Однако повышенное давление не всегда имеет строгую, основанную на пористости природу, потому что
повышенное давление может быть вызвано различными геологическими процессами и часто зависит от
сложных геологических структур, таких как диапиры и надвиги.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание более надежного способа для
оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа оценки давления поровых флюидов в исследуемой зоне в подземной формации под земной поверхностью, в котором определяют два или более значения напряжения, представляющих информацию о напряжении на разной глубине в зоне измерения подземной формации, расположенной со смещением относительно исследуемой зоны, указанные значения напряжения используют для обнаружения наличия негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне.
Было обнаружено, что напряжение формации в зоне, смещенной относительно исследуемой зоны,
вызывается давлением порового флюида формации в исследуемой зоне. Изобретение, таким образом,
основывается на понимании того, что наблюдение напряжения формации в зоне измерения за пределами
исследуемой зоны обеспечивает информацию о давлении порового флюида в исследуемой зоне. Например, информация о поровом флюиде может уже быть получена для зоны, которая еще не была достигнута в ходе буровых работ.
Преимуществом изобретения является то, что результаты могут быть использованы при принятии
решения о весе применяемого раствора и/или установке обсадной колонны.
Способ изобретения основан скорее на напряжении, чем на пористости, и поэтому он менее зависит
от состояния пористости формации, чем недоуплотнения. По сравнению со способами, основанными на
пористости, достигается дополнительная надежность, по меньшей мере, в том, что высокое поровое давление обнаруживается в случаях, когда высокое поровое давление не сопровождается недоуплотнением.
Способ изобретения может быть использован сам по себе или дополнительно к существующим
способам.
Исследуемая зона может в некоторых предпочтительных случаях быть подземным углеводородным
резервуаром.
Изобретение наиболее предпочтительно в случае, когда давление порового флюида в исследуемой
зоне является повышенным, при этом давление порового флюида является более высоким, чем чисто
гидростатическое давление, при этом напряжение в зоне измерения может быть использовано для прогнозирования повышенного давления и, таким образом, выброса во время бурения можно избежать. Способ может быть успешно применен до бурения, что поможет при разведке углеводородов в зонах с высоким давлением и при проектировании оптимальных скважин.
-1-
009033
Использование значений напряжения для обнаружения негидростатического давления порового
флюида в исследуемой зоне включает в себя предварительную оценку эффективного значения напряжения, представляющего разность между напряжением формации в зоне измерения и значением давления
порового флюида в зоне измерения.
Предварительная оценка эффективного напряжения может быть проще и займет меньше бурового
времени в процессе бурения, чем измерение истинного напряжения. Более того, поскольку значение истинного напряжения в зоне измерения, находящейся вплотную, например, к зоне с повышенным давлением, уже увеличилось, давление порового флюида в измеряемой зоне может быть определено гидростатически. Таким образом, повышенное давление в исследуемой зоне является точно прогнозируемым по
увеличению значения эффективного напряжения рядом с началом зоны с повышенным давлением.
В варианте осуществления изобретения определение значения напряжения включает в себя определение значения напряжения, представляющего главное напряжение формации в одном из трех главных
направлений напряжения в тензоре напряжения.
Главное направление может быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить оптимальную чувствительность в зоне измерения к аномалии в давлении порового флюида в исследуемой зоне. Было обнаружено, что минимальное главное направление напряжения обеспечивает наиболее оптимальную измеряемость. Часто минимальное главное направление напряжения совпадает с горизонтальным направлением.
В варианте осуществления изобретения получаются два или более значения напряжения или значения эффективного напряжения, каждое на разной глубине в зоне измерения. С учетом этого может проводиться сейсморазведка.
В частности, делают заключение об изменении двух или более значений напряжения или значений
эффективного напряжения как функции от их глубины и сравнивают их с номинальным значением. С
помощью контроля отклонения от номинального значения получают информацию о возможной аномалии в давлении порового флюида в исследуемой зоне.
Предпочтительно, делают заключение о трех или более значениях напряжения или значениях эффективного напряжения, которые позволяют определить отклонение от направления в сейсморазведке в
зоне измерения. Такое отклонение от направления может содержать информацию о давлении порового
флюида, относящуюся к исследуемой зоне.
Соответственно, определяют границы давления, в которых поведение порового давления изменяется от гидростатического до негидростатического, предпочтительно пока поровое давление в зоне измерения еще остается гидростатически определяемым. Соответственно, определяют отклонение давления порового флюида в исследуемой зоне от гидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне.
В основном перед оценкой поведения давления порового флюида в исследуемой зоне указанным
выше способом
устанавливают буровую коронку на нижнем конце бурильной колонны;
при этом нижний конец бурильной колонны опускают в скважину в подземную формацию;
при бурении осуществляют оценку давления порового флюида в исследуемой зоне;
буровая коронка может работать, углубляя скважину.
Во время бурения скважины исследуемая зона может быть расположена рядом с зоной бурения.
Этот способ может, следовательно, быть использован для получения ранних предупреждений во время
буровых работ о внезапных аномалиях в давлении порового флюида в зоне, расположенной рядом с зоной бурения. Этот предупреждающий признак может быть использован для того, чтобы избежать выброса в случае, когда аномалией является повышенное давление, или чтобы избежать повреждения формации из-за проникновения бурового раствора в случае, когда аномалия является пониженным давлением.
Согласно изобретению также предложена система для оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне в подземной формации под земной поверхностью, содержащая
измерительное оборудование, предназначенное для формирования двух или более сигналов, каждый из которых представляет собой значение напряжения формации на разной глубине в зоне измерения
подземной формации;
устройство для обработки сигнала, предназначенное для приема и использования сигнала для обнаружения наличия негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне, расположенной
со смещением относительно зоны измерения.
Измерительное оборудование может быть, например, системой, используемой для осуществления
удаленного геофизического обнаружения, например 3-D или 4-D, т.е. покадровая сейсмическая методика.
Дополнительно, измерительная система предпочтительно содержит, по меньшей мере, устройство
для измерения во время бурения, которое может устанавливаться в бурильной трубе для опускания в
скважину так, что оно может достичь зоны измерения.
В данном описании устройство для измерения во время бурения представляет собой устройство для
измерения перед буровой коронкой, в соответствии с чем зона измерения находится перед устройством
для измерения перед буровой коронкой, если смотреть по направлению бурения.
-2-
009033
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки и предпочтительные варианты воплощения изобретения описаны ниже со
ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает диаграмму давления порового флюида и нарастание с глубиной главного давления в подземной формации;
фиг. 2 - диаграмма эффективного главного напряжения для случая на фиг. 1;
фиг. 3а - диаграмма данных давления порового флюида и значения истинного напряжения формации;
фиг. 3b - диаграмма эффективного горизонтального напряжения в скважине (данные из J.S. Bell в
периодическом издании "Rock at Great Depth", vol. 3, Balkema Rotterdam, 1990);
фиг. 4a - схематическое представление данных;
фиг. 4b -объем данных акустического анализа из сейсмического интервала скоростей в сравнении с
профилем давления (данные из J.P. Mouchet и A. Mitchell в "Abnormal pressures while drilling" из Elf
Aquitaine Manuals Techniques 2, 1989);
фиг. 5 - система для обнаружения давления порового флюида в исследуемой зоне в подземной формации под земной поверхностью согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг. 1 представлены диаграмма давления (линия 1) порового флюида и диаграмма истинного
минимального главного напряжения (линия 2) как функции глубины в подземной формации под земной
поверхностью. Примеры данных измерений будут показаны ниже.
На небольших глубинах 31+36 вниз от пунктирной линии 4 давление порового флюида увеличивается с глубиной, главным образом, гидростатически. Пунктирная линия 4 соответствует верхней границе
зоны 32 с повышенным давлением и является границей между зонами с нормальным и аномальным давлением. Градиент давления порового флюида в зоне 32 увеличивается, т.е. давление порового флюида
увеличивается с большей скоростью, чем гидростатическая скорость в зоне 31 на глубинах ниже пунктирной линии 4.
Градиент истинного минимального главного напряжения (линия 2) также увеличивается, т.е. он изменяется с большей скоростью в диапазоне глубин около линии 4, чем в случае небольших глубин 31, но
более высокий градиент уже начинается на меньших глубинах, чем начало зоны повышенного давления,
отмеченное пунктирной линией 4. Меньшая глубина показана пунктирной линией 17. Между линией 4 и
линией 17 находится предшествующая зона 36, где давление все еще ведет себя гидростатически, но где
эффективное давление повышается из-за увеличения общего напряжения.
Очевидно, что давление порового флюида и напряжение формации связаны не только внутри одной
зоны формации, как это было известно и смоделировано прежде, но напряжение формации в зоне над
исследуемой зоной вызвано аномалией в давлении порового флюида в исследуемой зоне.
Согласно одному аспекту изобретения предложен способ, в котором определяют значение напряжения в зоне измерения, представляющее собой напряжение формации, и значение напряжения используют для обнаружения наличия аномалии в поведении давления порового флюида в исследуемой зоне,
которая расположена со смещением относительно зоны измерения.
Следует заметить, что в случае, если давление порового флюида в исследуемой зоне является сравнительно низким, например, из-за истощения углеводородного резервуара, может иметь место так называемый арочный эффект в формации над исследуемой зоной, приводящий к измеримому влиянию на
напряжение в формации над исследуемой зоной. Несмотря на то что могут быть определены другие факторы, вызывающие подобный эффект, здесь предполагается, что в обратном случае повышенного давления в исследуемой зоне влияние на напряжение в формации над исследуемой зоной может происходить
из-за так называемого обратного арочного эффекта. Значения в измерениях напряжения в зоне измерения
могут различаться в зависимости от повышенного давления и пониженного давления.
На фиг. 2 показано, что соответствующее минимальное эффективное главное напряжение (линия 3),
которое здесь принято за минимальное главное напряжение минус давление порового флюида на этой же
глубине, имеет резко выраженный пик возле границы давления, где гидростатическое давление изменяется в зону с повышенным давлением, граница давления показана пунктирной линией 4. Другими словами, начало зоны с повышенным давлением проявляется как инверсия сигнала эффективного главного
напряжения. Инверсии предшествует значительное увеличение скорости изменения напряжения с глубиной, которое может быть обнаружено для обеспечения раннего предупреждения о приближающейся границе давления зоны с повышенным давлением.
-3-
009033
На фиг. 3 показан пример результатов различных тестов, относящихся к определению напряжения
формации и оценке давления порового флюида в подземной скважине. В таблице поясняются используемые обозначения.
Линия 11 показывает давление массы бурового раствора в скважине. Как показано символом 10 на
фиг. 3а, на глубине 4095 м начинается зона с повышенным давлением. На глубине около 3700 м, т.е. на
400 м выше начала зоны с повышенным давлением, минимальное (горизонтальное) напряжение начинает
отклоняться от прямой линии. Это лучше видно на фиг. 3b, где показано эффективное минимальное напряжение. На диаграмме показан резко выраженный пик начиная, с 3700 м. Таким образом, определение
минимального напряжения или, предпочтительно, предварительная оценка эффективного минимального
напряжения могут быть использованы для прогнозирования приближения аномалии в давлении порового
флюида на большей глубине.
Было отмечено, что дополнительные полевые данные были раскрыты в статье J.S. Bell, в частности
на фиг. 14 этой статьи.
Основываясь на полевых данных, можно сделать вывод, что этот пик эффективного минимального
напряжения становится явным, начиная от десятков до сотен метров выше начала зоны с повышенным
давлением. Ясно, что в случае бурения новой скважины увеличение скорости роста главного напряжения
с глубиной может быть использовано в качестве предупреждающего сигнала о зоне с повышенным давлением, которая скоро будет достигнута, так что выброса можно избежать путем выбора и циркуляции
соответственно увеличивающейся плотности бурового раствора для непрерывного бурения.
Линия 5 на фиг. 4а схематически показывает эффективное главное напряжение как функцию от
глубины, подобно показанному до этого. Приблизительная граница давления, представляющая начало
зоны с повышенным давлением, переходящей из гидростатической зоны, показана пунктирной линией 4.
Линия 6 на фиг. 4а схематически показывает акустический сигнал (или сейсмическую скорость), которая
также выявляет инверсию сигнала на глубинах, показанных пунктирной линией 4, и резкое увеличение
скорости роста напряжения на глубине, показанной пунктирной линией 17. Обнаружение изменения направления эффективного напряжения на линии 17 может обеспечить раннее предупреждение о приближении границы давления 4.
Пример реального измерения показан на фиг. 4b, где символы 15 представляют точки данных, полученных при каротаже сланцев в скважине, и линия 16 является псевдо
акустической волной из сейсмической модели. Инверсию акустического сигнала можно видеть на
линии 4. Правая часть на фиг. 4b показывает профиль соответствующего давления с точками 8 данных и
направлением 18 давления из модели. Пунктирная линия 4 показывает границу давления между зоной,
где давление увеличивается гидростатически, и зоной с повышенным давлением на большей глубине,
чем глубина, где аномалия давления становится явной. Пунктирная линия 17 показывает глубину, на которой увеличение скорости роста напряжения можно обнаружить и которая меньше, чем глубина, отмеченная линией 4. Таким образом, можно сделать вывод, что геофизические измерения, такие, как сейсмические измерения или акустические измерения, могут быть использованы для определения давления
формации для прогнозирования давления порового флюида.
Вышеописанный способ может быть использован во время бурильных работ, в частности во время
разведочных бурильных работ. Пример бурильных работ приведен со ссылкой на фиг. 5, где система для
определения давления порового флюида в зоне исследований в подземной формации под поверхностью
земли показана схематически и содержит бурильную колонну 21, опущенную в скважину 20 в подземной
геологической формации 22. На нижнем конце бурильная колонна 21 снабжена бурильной коронкой 23.
Бурильная коронка может продолжать углублять скважину во время оценки давления порового флюида в
зоне измерения.
Бурильная колонна может быть снабжена переходником для измерения во время бурения, включающим в себя один или более приемников 24, расположенных выше в бурильной колонне 21, для обеспечения акустического сигнала, из которого может быть определена информация об эффективном напряжении во время бурения скважины. Приемник 24 может быть, например, приемником шума бурильной коронки, который распространяется через формацию 22 и определяет зону 30 измерения. В качестве
альтернативы или в качестве дополнения один или более приемников 25, 26 могут быть размещены в
других близлежащих скважинах.
-4-
009033
На фиг. 5 показана гидростатическая зона 31, отделенная границей 34 давления от зоны 32 с повышенным давлением. Непосредственно над границей 34 давления расположена предшествующая зона 36,
показанная между линиями 34 и воображаемой линией 35, где эффективное напряжение увеличивается, в
то время как градиент порового давления еще остается постоянным.
Глобальная информация о границе 34 давления и предшествующей зоне 36 может быть получена
опытным путем и из данных, полученных во время предшествующего бурения близлежащих скважин, и,
например, из общей сейсморазведки участка. Однако важно иметь точный прогноз глубины, на которой
граница 34 давления будет достигнута во время бурения скважины 20. Такой прогноз обеспечивается
путем обнаружения предшествующей зоны 36, когда в нее входит бурильная коронка.
Данные или сигналы от переходника для измерения во время бурения или от близлежащих приемников 25, 26 могут быть переданы устройству 29 обработки сигнала для приема данных или сигналов и
использования их для определения эффективного напряжения в исследуемой зоне, которая располагается
со смещением относительно зоны измерения перед бурильной коронкой 23. Другие данные, получаемые
с помощью бурильного агрегата, такие как глубина размещения бурильной коронки 23 от поверхности
28, также могут быть переданы устройству 29 обработки сигнала. Устройство 29 обработки сигнала может, таким образом, выдавать сигнал напряжения как функцию глубины. Схематический пример показан
в правой части на фиг. 5. Поровое давление рассчитывается из определенного общего и эффективного
напряжений. Поведение напряжения известно для глубин над бурильной коронкой 23 и отчасти глубже
бурильной коронки.
Поведение напряжения показывает резкое увеличение скорости изменения напряжения на линии
17, что может быть интерпретировано как начало предшествующей зоны 36 в основании зоны 31 с нормальным поведением давления и вплотную к зоне 32 с аномалией давления перед бурильной коронкой
23. Это, в свою очередь, может быть интерпретировано как предупреждение о приближении границы 34
давления между зоной 31 и зоной 32.
Рассмотренный выше способ может быть также использован перед бурением с использованием, например, 4-D сейсмических данных для помощи в разведке и проектировании скважины в месторождениях с высоким давлением.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне в подземной формации
под поверхностью земли, заключающийся в том, что определяют два или более значений напряжения,
представляющих напряжение формации, на разной глубине в зоне измерения подземной формации, расположенной со смещением относительно исследуемой зоны, при этом значения напряжения используют
для обнаружения наличия негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обнаружения наличия негидростатического давления
флюида определяют границу давления, где давление порового флюида изменяется от гидростатического
к негидростатическому.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для определения наличия негидростатического давления флюида определяют предшествующую зону, где давление порового флюида является гидростатически определяемым и где увеличивается градиент напряжения.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление флюида в зоне измерения является гидростатическим.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что исследуют зону измерения в подземной
формации, которая расположена менее глубоко от поверхности земли, чем исследуемая зона.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что при использовании значения напряжения
для определения негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне осуществляют
вывод значения эффективного напряжения, представляющего разность между напряжением формации в
зоне измерений и значением давления порового флюида в зоне измерения.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что для определения негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне используют геомеханическую модель подземной формации.
8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для определения значения напряжения определяют значение главного напряжения, представляющего горизонтальное напряжение формации в зоне измерения.
9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что для определения значения напряжения выполняют геофизическое измерение, включающее сейсмическое измерение или акустическое измерение,
для получения геофизических данных и обрабатывают геофизические данные для получения значения
напряжения.
10. Способ по п.5, отличающийся тем, что зона измерения подземной формации расположена над
исследуемой зоной.
11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что осуществляют вывод значений эффек-5-
009033
тивного напряжения для каждого из значений напряжений, при этом значения эффективного напряжения
представляют собой разность между напряжением формации на соответствующих глубинах в зоне измерения и значением давления порового флюида на той же глубине в зоне измерения.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что осуществляют вывод изменения двух или более значений эффективного напряжения как функции от их глубины и сравнивают их с номинальными значениями.
13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что перед оценкой поведения давления порового флюида в исследуемой зоне размещают бурильную коронку на нижнем конце бурильной колонны,
нижний конец бурильной колонны опускают в скважину в подземной формации, при этом во время
оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне посредством бурильной коронки углубляют скважину.
14. Система оценки поведения давления порового флюида в исследуемой зоне в подземной формации под поверхностью земли, содержащая
измерительное оборудование для формирования двух или более сигналов, каждый из которых
представляет значение напряжения, представляющее напряжение формации на разной глубине в зоне
измерения подземной формации,
устройство для обработки сигнала, предназначенное для приема сигнала и использования этого
сигнала для обнаружения наличия негидростатического давления порового флюида в исследуемой зоне,
расположенной со смещением относительно зоны измерения.
15. Система по п.14, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, устройство для измерения
во время бурения, предназначенное для установки в бурильной трубе для опускания в скважину так, что
устройство для измерения во время бурения может достичь или приблизиться к зоне измерения.
Фиг. 1
Фиг. 3а
-6-
Фиг. 2
009033
Фиг. 3b
Фиг. 4а
Фиг. 4b
-7-
009033
Фиг. 5
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-8-