使用压力场特征预测注入井异常的方法 【技术领域】
在此公开的实施例大体上涉及在 CRI 操作期间确定处理地层或岩层的断裂行为的方法。 背景技术 在钻井中， 使用钻头钻入地壳数千英尺。通常， 石油钻塔采用在钻井平台上面 延伸的井架。在钻井操作期间， 井架支撑端部到端部连接的钻管的接合之后的钻管接头 (joint)。当钻头向地下更深地推进时， 附加的钻管被增加到不断加长的 “管柱” 或 “钻柱或 钻具组” 。因此， 钻柱包括多个钻管的接头。
流体 “钻井泥浆” 通过钻柱或钻具组从钻井平台被抽取到支撑在钻柱的下端或末 端的钻头。钻井泥浆使钻头润滑， 并带走在钻入更深时钻头产生的钻井岩屑。通过井环状 空间该岩屑被钻井泥浆的回流携带， 并返回地层表面的钻井平台。 当钻井泥浆到达平台时， 钻井泥浆混合有工业上已知的页岩和岩石的小碎片以及碎块或钻井岩屑。一旦钻井岩屑、 钻井泥浆以及其他废弃物到达平台， 通常使用 “泥浆振动筛 (shale shaker)” 从钻井岩屑中 去除钻井泥浆， 使得钻井泥浆可以再利用。 然后， 残余的钻井岩屑， 废弃物， 以及残余的钻井 泥浆被转移至贮存槽进行处理。 某些情况下， 例如特定种类的钻井泥浆， 钻井泥浆不能再利 用而必须被处理。通常， 通过利用容器将钻井泥浆运至处理地点将不可回收的钻井泥浆与 钻井岩屑和其他废弃物分离进行处理。
钻井岩屑和钻井泥浆的处理是一个复杂的环境问题。 钻井岩屑不仅包括残余的会 污染周围环境的钻井泥浆产物， 特别是在海洋环境中钻井时， 还可能包括对环境特别有害 的油和其他废物。
处理含油污染的岩屑的一种方法是， 采用岩屑回注 (CRI) 操作将岩屑回注到地层 或岩层中。该过程的基本步骤包括识别适合注入的地层或岩层 ； 准备适当的注入井 ； 配制 泥浆， 包括考虑诸如重量， 固体含量， pH， 凝胶等因素 ； 实施注入操作， 包括确定和监控泵速， 例如每单位时间和压力的体积 ； 以及盖井。
因此， 需要一种在 CRI 操作中确定处理岩层的断裂行为的方法。
发明内容 一方面， 在此公开的实施例涉及一种设计在向岩层回注岩屑期间响应岩层断裂行 为的方法， 所述方法包括 ： 获取一个时间段的压力场特征 ； 解释这个时间段的压力场特征 以确定所述岩层的断裂行为 ； 基于所述岩层的断裂行为确定一种解决方案 ； 以及实施所述 解决方案。
另一方面， 在此公开的实施例涉及一种评估岩屑回注操作的地下风险的方法， 所 述方法包括 ： 获取一个时间段的压力场特征 ； 解释所述压力场特征以确定所述岩层的断裂 行为 ； 表征与所确定的所述岩层的断裂行为相关的风险 ； 以及基于所表征的风险实施解决 方案。 。
通过以下的描述和未决的权利要求， 本发明的其他方面和优点将是显而易见的。附图说明
图 1 示出压力场特征的解释和异常识别的方法。 图 2 示出关井后立即进行 CRI 操作的常态压力场特征。 图 3 示出表示井身贮存压力下降行为的压力场特征。 图 4 示出表示裂纹贮存压力下降行为的压力场特征。 图 5 示出表示下降压力反弹的压力场特征。 图 6 示出表示覆盖层上注入的压力场特征的对数坐标图。具体实施方式
一方面， 在此公开的实施例涉及解释 CRI 操作的压力行为。另一方面， 在此公开的 实施例涉及评价对地下钻井系统和周围岩层造成的潜在的风险和影响。
泥浆分批处理 ( 即， 将达到要求的泥浆注入到处理岩层中， 然后在注入后等待一 段时间 ) 允许裂纹一定程度上机械地封闭， 消除了在处理岩层中压力的积聚。然而， 通常处 理岩层中的压力由于注入的固体的存在 ( 即， 存在于钻井岩屑泥浆中的固体 ) 而增大。 将要被注入的泥浆应保持在计算的参数范围内以减少裂纹堵塞的机会。 为了监控 泥浆， 通常以定期原则检查流变参数 (rheological parameter) 以确保泥浆具有预定的特 征。例如， 一些系统在注入前并入对泥浆粘度和密度的连续测量。
必须避免向环境丢弃有害的废弃物， 并且必须确保废弃物的保持或密封满足严格 的政府规定。在操作过程期间中考虑的重要的容纳或密封因素包括如下 ： 注入的废弃物的 位置和贮存的机制 ； 注入井身或环状空间的容量 ； 是应该在目前的区域继续注入还是在不 同的区域继续注入 ； 是否应该钻另一个处理井 ； 对适当的废弃物容纳或密封必要的所需的 操作参数 ； 以及在泥浆运输中对固体悬浮液必要的操作的泥浆设计参数。
CRI 操作的建模和处理废弃物程度的预测有利于解决这些容纳或密封因素， 并有 利于确保处理的废弃物安全且合法的容纳或密封。 断裂的建模和预测也有利于研究影响将 来钻井的 CRI 操作， 例如所需的井距， 岩层压力增加， 等。彻底了解 CRI 操作中的贮存机制 对于预测注入的达到要求的泥浆的可能范围和预测注入井的处理容量是关键。 如在此采用 的， 贮存机制可以指的是泥浆贮存在岩层中的模型或方法， 包括， 例如， 注入岩层的方法， 注 入裂纹的方法， 裂纹生长， 以及裂纹几何形状的改变。
一旦由断裂模拟计算了裂纹闭合所需的关井 (shut-in) 时间， 接下来分批注入可 能引起已存在的裂纹重新开裂， 并可能产生二次的远离井身附近区域的分支裂纹。这种情 形由局部应力、 由之前注入造成的孔压力的改变以及岩层特征来决定。分支裂纹的位置和 取向还依赖于应力的各向异性。例如， 如果存在强烈的应力各向异性， 那么裂纹紧密地间 隔， 然而， 如果不存在应力各向异性， 则裂纹广泛传播。 注入过程中， 这些裂纹如何分布以及 形状和范围如何改变可能是确定处理井的处理容量的重要因素。
通常， 对 CRI 操作和岩层断裂的建模和模拟不会在 CRI 操作期间提供即时的或实 时的结果。此外， 对 CRI 操作的建模和模拟不揭示岩层断裂行为的原因。然而， 在此公开的 实施例提供了一种观测、 识别和解释在 CRI 操作期间观测到的共同的压力场特征的方法。
此外， 在此公开的实施例可以提供一种用于在 CRI 操作期间设计用以响应岩层断裂行为的 方法。
为了在 CRI 操作中提高安全性， 可以连续地监控在注入和关井后压力下降期间的 压力响应。 容易实施的与深处压力分析结合的注入压力监控可以帮助诊断在抽吸和关井时 期的期间的断裂行为， 并且有助于估计关键裂纹和岩层参数。 另外， 连续的裂纹诊断可以帮 助追踪诸如裂纹长度、 宽度和方向的机械参数的长期的发展变化， 并帮助评估通过注入废 弃物对处理的和周围的岩层造成的整体影响。
CRI 的首要目标是， 通过利用间歇的分批注入获得环境安全和钻井废弃物的无故 障的地下处理。 因此， 作为对于地下风险的识别和表征的一个有效的工具， 压力分析的重要 性是首要的。 在循环注入期间重复地观察到的各种压力场特征的深入解释可以用于揭示和 理解地下风险的性质， 表征可能的原因， 以及全面地评估对地下系统的未来影响。 适当和及 时的压力场特征的解释有助于保证连续的 CRI 操作， 延长注入井的寿命， 以及最大化井的 处理容量。相反地， 缺少地下废弃物注入实验以及忽视明显的压力场特征可能潜在地导致 不可预料的注入损失， 这会增加再次填充井的费用或者导致额外的注入井钻井。
下面介绍解释压力场特征的方法。下面介绍是， 在全球各种 CRI 工程的注入期间 经常观测和识别到的五种最普遍的压力场特征的解释。压力场特征解释的使用可以为 CRI 操作中观测的非理想压力行为提供更好的解释， 可以估计潜在的风险和对地下系统的影 响， 以及可以基于岩层的已确定的断裂行为提供一种解决方案或行为。
解释压力场特征的方法
来自 CRI 操作的压力场特征可被解释以更好地理解和解决在 CRI 操作中观测到的 非理想压力行为。另外， 操作员能够估计由 CRI 操作引起的潜在风险和对地下系统的影响。 在一个实施例中， 压力场特征可以包括表示一段时期内测得的多个压力测量值的曲线。这 种表示压力场特征的曲线在图 2-6 中示出。在另一实施例中， 压力场特征可以包括在一段 时期内测得并以为格形式示出的的多个压力测量值。任何本领域技术人员都能意识到， 压 力场特征可以包括任何已知的用于表示在一段时期内测得的多个压力测量值的表现形式。
参照图 1， 在一个实施例中， 可以确定 CRI 操作中的一段预选定时间段的压力场特 征， 如 120 所示。压力场特征可通过现有技术中的任何装置确定， 并且可以在诸如注入、 关 井后、 裂纹闭合期间以变化的时间间隔或在 CRI 操作中连续地获取。
然后， 对于每个时间段解释所获得的压力场特征以确定岩层的断裂行为， 如 122 所示。 一个实施例中， 如下所述， 压力场特征可以与识别为表示岩层的地下条件或断裂行为 的压力场特征对比。例如， 关井后立即获取的压力场特征可以包括压力下降线上的基本上 直的线。通过将获取的压力场特征与已识别的压力场特征比较， 操作者可以确定井身贮存 的压力下降表明井身与裂纹之间的流体连通已经被限制 ( 下面参照图 3 进行详细的讨论 )。
基于由压力场特征 122 解释的断裂行为或地下行为， 可确定解决方案 124 并随后 实施 126。例如， 如果操作者确定井身与岩层之间的已经发生连通限制， 可以向井下注入海 水以防止固体沉淀和 / 或减轻岩层的应力， 由此减小或消除连通限制。
一个实施例中， 与断裂行为相关的地下风险可以以由低到高风险的范围来表示或 以表示风险的由低到高范围的数字范围来表征。 例如， 在一个实施例中， 可以解释压力场特 征， 并且确定岩层的断裂行为。 那么， 操作者可以归类或者表征这种断裂行为的风险。 例如，如果操作者确定裂纹包含水平分量， 操作者可以评估该裂纹水平分量与设计的井轨迹交叉 的风险。 在这个例子中， 操作者可以将该裂纹行为表征为高风险， 因为它可能会导致设计井 的钻井失败。其他实施例中， 压力场特征可以解释为表示常态 (normal) 的压力下降。同样 地， 操作者可以将该裂纹行为描述为低风险。 因此， 基于岩层断裂行为确定的解决方案可以 包括不采取行动或继续 CRI 操作。在其他实施例中， 与断裂行为相关的地下风险可以包括 确定诸如与断裂行为相关的井处理容量、 预期的由于断裂行为引起的压力改变以及预期的 裂纹的几何形状变化。
常态的压力下降
在关井后的期间经常观察到常态的压力 ( 或者常规的压力下降 )。图 2 表示代表 常态压力下降的示例的压力场特征。常态压力由裂纹闭合和岩层的瞬间反应确定， 并指示 裂纹与井身之间开放的 ( 或不受限制的 ) 连通。通常， 在压力下降期间区别出两个不同的 时间段 ： 裂纹闭合时间段和瞬变形成时间段。
裂纹闭合时间段期间的裂纹行为由流体损失特性 ( 即， 从裂纹流失到岩层的流体 体积 ) 和物质平衡关系控制。裂纹闭合时间段期间的压力下降反映裂纹长度变化和高度变 化。裂纹穿透最初增加， 直到最终向井身倒退回去。最初的裂纹延伸一般是由于贮存的泥 浆容量的从井身附近的大范围的裂纹到裂纹尖端区域的重新分布而造成的。同时， 由于裂 纹中压力减小 ( 即， 净压力 )， 高度会从任何较高的应力阻挡物回落。通过观察压力场特征 的压力下降曲线的形状， 可以确定增长到较高应力阻挡物 ( 如， 容纳或密封区域 ) 的裂纹高 度。例如， 一个向下凹的压力下降特征图指示表示裂纹高度的增长没有达到较高的应力裂 纹容纳或密封区域。相反地， 向上凸起的压力下降特征图表示大量的生长到较高的应力阻 挡物区域的裂纹高度。 根据公开的本实施例， 地下情形可由这种压力下降特征图来确定。 例如， 向上凸起 的压力下降特征图可能意味着， 裂纹中的流体从较高应力区域 ( 根据高度回落 ) 重新分布 到主要裂纹主体。通常， 当净压力变成等于注入区域与较高应力阻挡物区域之间的应力差 的大约 0.4 倍时， 发生裂纹中的流体从较高应力区域到主要裂纹主体的重新分布。通过利 用专门的时间 G- 函数， 通常作为 G 值图， 从压力下降特征图中可以估计流体效率和流体漏 损系数 ( 例如参见， 美国专利 US6076046， 发明人 Vasudevan， 在此通过参考引用 )。然而， G- 斜率的应用与那些在常规油井测试数据的解释中看到的一样具有不确定性。
瞬变形成时间段期间的压力下降， 或者裂纹闭合后的压力， 涉及注入岩层响应。 在 瞬变形成时间段期间， 压力响应变得较少依赖于开放的裂纹的机械响应， 而较多地依赖于 在注入岩层内的瞬间压力响应。瞬变形成时间段压力下降的特征首先 ( 如果不是全部 ) 由 受到流体漏损过程 ( 流体迁移到断口面 ) 干扰的注入岩层的响应来决定。该瞬变形成时间 段期间， 贮存器可能首先表现出岩层的线性流动， 接着是瞬态行为， 而最后是长期的拟径向 (pseudo-radial) 流动。 瞬变形成时间段期间的压力下降提供由标准油井试验 ( 即， 传输率 和岩层压力 ) 传统地确定的信息， 且完成了一系列裂纹压力分析， 其提供一组完整的由断 裂过程发展一种影响或结果的唯一表征所需的数据。
通常， CRI 操作的常态压力场特征表示地下系统的没有任何潜在风险， 且可以被看 作安全的压力场特征。正常的压力场特征可以被用于评估在裂纹闭合过程中的裂纹行为， 以及用于评估主要裂纹和岩层参数。因此， 根据目前公开的实施例， 与如图 2 一样， CRI 操
作期间的表示常态压力下降的压力场特征可以指示操作者， 岩层的裂纹行为没有暗示地下 系统的风险。所以， 操作者可以继续 CRI 操作而不用采取进一步行动。
井身贮存的压力下降
图 3 表示关井后立即进行 CRI 操作的压力场特征。井身贮存压力下降特征图表示 井身与岩层之间的限制。 可能由井身和岩层之间例如通过来自先前注入或者固体减少和沉 淀的粘性液体带来的密封引起该限制。 也可能由诸如水泥在注入点偶然引入的机械限制引 起该限制。井身贮存压力响应还可以是在一个密封容积中流体压缩或膨胀的结果。岩层密 封阻止裂纹和井身之间的充分的流体连通， 并造成井身中的密封容积。如图 3 所示， 井身贮 存压力下降时间段的持续时间依赖于人为限制以及井身流体的可压缩性的程度， 且可以清 楚地以位于关井后立即发生压力下降线上的直线段表征， 如 302 所示。在该时间期间的压 力下降不再表示裂纹响应， 并且裂纹参数也不能确定。
在许多例子中， 在关井后立即显示的井身贮存压力场特征表示在注入点处人为地 引入的限制的警告信号。由于注入间隔的可能的密封， 在关井后立即观察到的井身贮存压 力行为表示潜在的井堵塞的较高风险。当在注入悬浮液时间段期间发生颗粒沉淀时， 潜在 的油井堵塞的风险加重。考虑到 CRI 操作中油井堵塞导致最严重的故障， 关井后立即观察 到的任何井身贮存压力行为以及注入间隔的局部密封的根本原因必须被密切地监控、 评价 和彻底地研究。 仍然参照图 3， 图中示出了在 CRI 方案环状空间注入期间， 用水泥粘合 95/8 英寸的 外壳的同时， 关井后立即观察到的井身贮存压力场特征。 在这个例子中， 实际的水平比最初 设计的高。结果， 水泥桥接裸眼注入间隔的部分， 并在注入点引入人为的限制。这在压力场 特征中立即通过关井后井身贮存压力行为 ( 即， 302 处所示的直线部分 ) 反映出来， 并随后 由水泥评价记录 (log 证实。
因此， 根据本公开的实施例， 与图 3 类似， 在 CRI 操作期间表示关井后井身贮存压 力下降的压力场特征可以指示操作者， 井身与裂纹之间的流体连通已经被限制。 因此， 在一 个实施例中， 操作者可以实施海水注入以阻止固体沉淀和 / 或以释放岩层中的应力。替换 地， 酸可以泵入井下以解除机械性限制并恢复井身与裂纹之间的正常交换。整体上， 如图 3 所示的这种类型的压力场特征表示井或裂纹堵塞的高风险 ； 因此， 需要密切地监控压力场 特征， 并迅速采取正确的措施。
裂纹贮存压力下降
现在参考图 4， 图中示出表示裂纹贮存压力下降的压力场特征。 裂纹贮存压力场特 征一般表现为在裂纹闭合后的时间段期间里的压力与时间之间的线性关系 ( 即， 压力下降 线上 404 处所示的的直线部分 )。通常， 裂纹贮存压力下降由在闭合后在被限制或密封的 裂纹边界内的压力跳动或振动造成， 如 406 所示。由在先前的注入形成的断口面处的滤饼 (filter cake)( 如， 残留的聚合物和固体颗粒 ) 或对断口面的损伤造成裂纹边界密封。当 流体损耗导致裂纹宽度不足， 或者当脱水导致固体泥浆在裂纹尖端桥接时， 相似的裂纹限 制或密封还可以在端部脱砂 (tip screen-out(TSO)) 期间观察到 ( 即， 当高浓度的砂砾或 压力支撑剂 (proppant) 到达裂纹尖端， 并中断了进一步的裂纹延伸 )。
假定井身储量对整个贮存特性曲线的影响较小， 在裂纹贮存时间段期间压力行为 受裂纹中的流体贮量支配。 裂纹贮存压力主要由于在裂纹可以有效地传递压力并且相对于
注入岩层具有较高的渗透性的密封的裂纹容积中的流体压缩或膨胀而发生。 通常在裂纹机 械地靠近岩屑固体后观察到裂纹贮存压力， 因此， 允许流体和压力重新分布到裂纹中。 影响 裂纹贮存持续时间的因素可以包括裂纹和注入岩层之间的渗透性和压力差异， 以及在断口 面产生的危害的严重性。
根据目前公开的实施例， 与图 4 类似， 在 CRI 操作期间表示裂纹贮存压力下降的压 力场特征可以指示操作者， 裂纹断口面可能被损坏， 因而造成裂纹封闭。因此， 在一个实施 例中， 操作者可使用 G- 函数图形重新评估从裂纹到岩层的流体渗漏， 并通过用更新的流体 渗漏和主要的裂纹参数 ( 如， 裂纹封闭压力 ) 实施额外的裂纹模拟评估裂纹封闭。
下降压力反弹
现在参照图 5， 图中示出表示下降压力反弹的压力场特征。在示出的实施例中， 当 注入中断或暂停一段长时间， 在关井后的压力下降期间已经观察到表面压力的反弹， 如 508 所示。同时， 在 CRI 操作期间， 注入井中的钻井或生产活动可能增加压力反弹的幅度。压力 下降最初下降到裂纹封闭压力以下， 且持续下降直到井身流体开始升温， 因此影响井身中 的流体静力学压力。由于在钻井和 / 或产油期间产生的热量， 井身流体可能升温。当井身 流体的温度升高， 流体静压头 (hydrostatic head) 减小， 由此引起表面压力增大 ( 即， 压力 反弹效应 )。 反弹期间的压力增大的幅度与井身中流体温度的升高成比例。 虽然压力在反弹期 间增加， 由于热弹性对岩层的影响， 裂纹不会再启动 (re-initiated)。也就是说， 井身的温 度变化改变了应力状态， 特别是改变了井身附近区域的应力状态。典型地， 在中止期间， 岩 层升温导致附加的水平应力分量， 同时在井身附近区域的岩层升温提高了常态压力。 因此， 井身流体升温可导致需要用以克服井身附近区域中附加的热应力以启动裂纹的较高的临 界压力。
与过度的井身流体升温相关的风险首先涉及表面上较高的注入压力， 且不能在预 设的表面压力极值内注入。这样， 一个实施例中， 在延长的中断期间， 通过维持定期的海水 注入， 有效冷却静态的井身流体， 可以减小井身附近的热弹性应力分量。结果， 在中断时间 段之后需要较少的压力以启动裂纹， 且表面注入压力可保持在最大极值以下。
覆盖层上的注入
现在参考图 6， 表示覆盖层上注入的压力场特征在对数坐标上示出。 如这里所使用 的， 覆盖层指的是覆盖感兴趣的地下区域或位置的岩层或砂矿。如果注入压力小于覆盖层 应力， 裂纹可以仅沿垂直平面传播。 然而， 在深度浅的条件下进行注入或在地壳构造活跃冲 断层环境中的岩层中进行注入的情形中， 覆盖层压力可为最小的主应力。在这种深度浅的 条件下， 裂纹可在垂直平面和水平平面中传播。这种几何结构被称为 T- 形裂纹， 且在注入 压力稍大于覆盖层应力的时候发生。
在注入压力稍大于覆盖层压力期间压力响应提供了用以确定裂纹平面是否完全 垂直或是否还包括水平分量的诊断基础。 当裂纹压力基本上是常数且大约等于或高于岩层 的覆盖层应力时， 产生了水平分量 ( 在水平方向上传播 )， 如图 6 所示。在注入压力超过覆 盖层后， 由于传播的水平分量占优， 垂直分量的渗透变得不再有效。
水平的裂纹分量增大了可用于流体损失的区域， 降低了流体效率， 并限制了裂纹 宽度。 水平分量上过多的流体损失以及受限的裂纹宽度可以导致在注入过程中过早的筛分
或裂纹堵塞。水平裂纹可以提供扩大的具有较大处理容量的覆盖区域。然而， 由于与水平 裂纹和设计的内插钻井的轨迹相交相关的风险， 这种水平裂纹可能需要详尽地评估。覆盖 层压力的大小可以通过密度记录估计， 并与作为压力分析的一部分的注入压力的大小进行 比较。
根据公开的本实施例， 与图 6 类似， 在 CRI 操作期间的表示覆盖层上注入的压力场 特征可用于确定岩层中裂纹的几何形状。操作者可以确定一个解决方案， 以减小过多的流 体损失和 / 或增加裂纹宽度以阻止注入过程中过早的脱砂或裂纹堵塞。如果压力场特征指 示裂纹可能包括水平分量， 则操作者可以例如重新设计未来的井的轨迹， 以避免与裂纹的 水平分量相交。 此外， 操作者可以以定期原则对压力场特征的细节进行解释， 以避免过早的 脱砂， 特别是在井身的附近区域或在裂纹的垂直分量与水平分量之间的交点处的过早的脱 砂。
有利地， 在此公开的实施例提供了一种确定 CRI 操作中岩层的断裂行为的方法。 进一步， 在此公开的实施例可提供一种通过允许操作者确定 CRI 操作中的断裂行为或岩层 以及地下情况对井处理容量进行最优化的方法。在此公开的其他实施例中， 提供了一种用 于基于通过对压力场特征进行解释确定的断裂行为确定一种解决方案并实施解决方案的 方法。
有利地， 在此公开的实施例可以给操作者提供一种在 CRI 操作中解决非理想的压 力行为的方法， 以及一种估计 CRI 操作对地下系统和岩层带来的潜在风险和影响的方法。
虽然发明人已经描述了有限个的实施例， 受益于本发明的本领域技术人员会意识 到发明的其他实施例不会偏离于此公开的发明范围。因此， 发明的范围只应被相关的权利 要求所限定。