预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法及装置

摘要

本发明提供了一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法及装置，方法包括：测定实钻页岩地层的页岩样品在不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值；根据PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型；建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向‑角模型；根据PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向‑角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型；根据获得的井眼轨迹、地层产状、地温资料以及PDC钻头岩石可钻性级值预测模型预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值。本发明能利用现场钻井的井眼轨迹参数、地层产状和地温资料直接预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值。

说明书

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术，具体的讲是一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法及装置。

背景技术

在油气资源的勘探与开发中，岩石可钻性一直是钻头选型，钻井参数选择的重要依据。岩石可钻性不是岩石固有的性质，它受地质、工艺、技术等因素影响，较好的预测岩石的可钻性能够有效地缩短钻井周期，提高钻井效率。

目前随着页岩油气的开发，页岩层理性的特点对页岩可钻性的影响愈加突出，不同钻进方向下页岩的可钻性差异较大。因此，在考虑地层温度影响的前提下，结合井眼轨迹参数，准确地预测实钻页岩地层不同钻进方向的岩石可钻性显得至关重要。

发明内容

为准确地预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值，提高钻井效率，本发明实施例提供了一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法，包括：

测定实钻页岩地层的页岩样品在不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值，所述预设钻进条件为预设的不同页岩温度、不同钻进方向；

根据测定的页岩样品在预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型；

建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向-角模型；

根据所述PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向-角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，所述PDC钻头岩石可钻性级值预测模型为PDC钻头可钻性级值与页岩温度、地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系；

根据钻井作业中获得的井眼轨迹、地层产状、地温资料以及PDC钻头岩石可钻性级值预测模型预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值。

本发明实施例中，所述的根据测定的页岩样品在预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型包括：

对不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值进行多元非线性回归，确定PDC钻头可钻性级值与钻进方向、页岩温度的回归方程。

本发明实施例中，所述的回归方程为：

其中，K_d为PDC钻头可钻性级值，为钻进方向，T为页岩温度。

本发明实施例中，所述的建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向-角模型包括：

根据井眼轨迹与地层的空间相交图确定钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系式(2)；

其中，为钻进方向，α为井斜角，β为井斜方位角，θ为地层倾角，φ_F为地层下倾方位角。

本发明实施例中，根据所述PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向-角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型包括：

根据所述回归方程(1)和钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系式(2)确定的所述预测模型为式(3)：

K_d＝lg(0.0558(α+tan^-1(tanθ·cos(φ_F-β)))+7.6535)·(-0.00904T+5.6227)>

其中，K_d为PDC钻头可钻性级值，为钻进方向，T为页岩温度，α为井斜角，β为井斜方位角，θ为地层倾角，φ_F为地层下倾方位角。

同时，本发明还提供一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的装置，包括：

数据接收模块，用于接收测定的实钻页岩地层的页岩样品在不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值，所述预设钻进条件为预设的不同页岩温度、不同钻进方向；

PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型确定模块，用于根据测定的页岩样品在预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型；

钻进方向-角模型确定模块，用于建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向-角模型；

预测模型确定模块，用于根据所述PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向-角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，所述PDC钻头岩石可钻性级值预测模型为PDC钻头可钻性级值与页岩温度、地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系；

预测模块，用于根据钻井作业中获得的井眼轨迹、地层产状、地温资料以及PDC钻头岩石可钻性级值预测模型预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值。

本发明实施例中，所述的PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型确定模块包括：

回归处理单元，用于对不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值进行多元非线性回归，确定PDC钻头可钻性级值与钻进方向、页岩温度的回归方程。

本发明的有益技术效果在于：能够利用现场钻井的井眼轨迹参数、地层产状和地温资料直接预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值。该方法应用简单快捷，使用的资料易于获得，适合实际工程应用，对于减少室内实验工作，提高钻井效率有很大的帮助。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值方法的流程图；

图2为发明实施例公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法的流程图；

图3为本发明实施例中钻进方向示意图；

图4为不同温度下页岩样品不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值与钻进方向的关系曲线；

图5为本发明实施例中井眼轨迹与地层的空间相交图；

图6为本发明公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值装置的框图。

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。

本发明提供了一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法，如图1所示，为本发明公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值方法的流程图，包括：

步骤S101，测定实钻页岩地层的页岩样品在不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值，所述预设钻进条件为预设的不同页岩温度、不同钻进方向；

步骤S102，根据测定的页岩样品在预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型；

步骤S103，建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向-角模型；

步骤S104，根据所述PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向-角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，所述PDC钻头岩石可钻性级值预测模型为PDC钻头可钻性级值与页岩温度、地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系；

步骤S105，根据钻井作业中获得的井眼轨迹、地层产状、地温资料以及PDC钻头岩石可钻性级值预测模型预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值。

本发明的方案能够利用现场钻井的井眼轨迹参数、地层产状和地温资料直接预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值，本发明的技术方案应用简单快捷，使用的资料易于获得，适合实际工程应用，对于减少室内实验工作，提高钻井效率有很大的帮助。下面结合具体的实施例对本发明技术方案做进一步详细说明。

如图2所示，为发明实施例公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的方法，包括以下步骤：

步骤1，测定不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值，本发明实施例中测定PDC钻头可钻性级值的具体方法如下：

(1)利用取心机从整块页岩上按不同的钻进方向取出直径为76.2mm、长度为50mm的柱状页岩样品，使用车床把页岩样品的两个端面车平，保持页岩样品表面不存在裂纹及损伤；

(2)将不同钻进方向下的页岩样品放入恒温箱内做加热处理，分别保持一定温度烘烤24小时；

(3)将不同温度和不同钻进方向下的页岩样品依次放入岩石可钻性测量系统，分别测量页岩样品的PDC钻头可钻性级值。

根据上述步骤1所测定的不同温度和不同钻进方向下页岩样品的PDC钻头可钻性级值，实验结果见表1。

表1

如图3所示为岩心轴线与层理面法线之间的夹角关系，即钻进方向示意图，垂直层理方向为0°，平行层理方向为90°。

根据表1中的数据可做出不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值与钻进方向的关系曲线，如图4所示。

步骤2，建立不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值与温度和钻进方向的数学模型，具体方法如下：

对表1中不同温度和不同钻进方向下页岩样品的PDC钻头可钻性级值、不同温度值、不同钻进方向做多元非线性回归，得到回归方程：

式中，K_d为不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值，无因次；为钻进方向，单位为度；T为页岩温度，单位为摄氏度。

步骤3，根据空间几何关系建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角和井斜方位角的数学关系，具体方法如下：

作井眼轨迹与地层的空间相交图，如图5所示，利用空间几何的关系推导钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角和井斜方位角的数学关系，得到关系方程：

其中，为钻进方向，单位为度；α为井斜角，单位为度；β为井斜方位角，单位为度；θ为地层倾角，单位为度；φ_F为地层下倾方位角，单位为度。

步骤4，建立不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角和井斜方位角的数学模型，具体方法如下：

将步骤3中建立的钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角和井斜方位角的数学关系代入步骤2中建立的不同温度下页岩样品在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值与温度和钻进方向的数学模型，即将式(2)代入式(1)中，可得如下的数学模型：

K_d＝lg(0.0558(α+tan^-1(tanθ·cos(φ_F-β)))+7.6535)·(-0.00904T+5.6227)(3)

式中，K_d为不同温度下页岩在不同钻进方向下的PDC钻头可钻性级值，无因次；α为井斜角，单位为度；β为井斜方位角，单位为度；θ为地层倾角，单位为度；φ_F为地层下倾方位角，单位为度，T为页岩温度，单位为摄氏度。

上述式(1)、(2)、(3)的数学模型仅作为本发明实施例的一种举例，本发明不仅限于上述表达式，因此上述数学模型不应视为本发明的限制。

步骤5：根据式(3)的PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，计算预测不同井眼轨迹参数处的PDC钻头岩石可钻性级值，具体方法如下：

在实际钻井作业中，根据现场的井眼轨迹、地层产状和地温资料，利用步骤4中建立的页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，即可简便快捷地计算在不同井眼轨迹参数处的页岩PDC钻头可钻性级值。

同时，本发明还提供一种预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值的装置，如图6所示，为本发明公开的预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值装置的框图，包括：

数据接收模块，用于接收测定的实钻页岩地层的页岩样品在不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值，所述预设钻进条件为预设的不同页岩温度、不同钻进方向；

PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型确定模块，用于根据测定的页岩样品在预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值建立PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型；

钻进方向-角模型确定模块，用于建立钻进方向与地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的钻进方向-角模型；

预测模型确定模块，用于根据所述PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型和钻进方向-角模型确定PDC钻头岩石可钻性级值预测模型，所述PDC钻头岩石可钻性级值预测模型为PDC钻头可钻性级值与页岩温度、地层倾角、地层下倾方位角、井斜角及井斜方位角的关系；

预测模块，用于根据钻井作业中获得的井眼轨迹、地层产状、地温资料以及PDC钻头岩石可钻性级值预测模型预测实钻页岩地层PDC钻头岩石可钻性级值。

此外，本发明实施例中，所述的PDC钻头可钻性级值与钻进条件模型确定模块包括：

回归处理单元，用于对不同预设钻进条件下的PDC钻头可钻性级值进行多元非线性回归，确定PDC钻头可钻性级值与钻进方向、页岩温度的回归方程。

本发明利用现场钻井的井眼轨迹参数、地层产状和地温资料直接预测实钻页岩地层的PDC钻头岩石可钻性级值。该方法应用简单快捷，使用的资料易于获得，适合实际工程应用，对于减少室内实验工作，提高钻井效率有很大的帮助。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。