МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ВОКРУГ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
SIMULATION OF STRESS AROUND WELL SHAFT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие относится к моделированию напряжения вокруг ствола скважины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В нефтяной промышленности бурение с земной поверхности до целевой глубины может быть сложным процессом, который требует досконального знания среды и свойств коллекторного пласта, которое включает в себя, но не ограничивается этим, режим пластовых напряжений, поровое давление, прочность горной породы пласта, и другие характеристики. Такие характеристики могут оказывать влияние на механическую стабильность ствола скважины, что может быть описано геомеханической моделью, включающей в себя описанные выше характеристики и, возможно, другие.
Существует много способов в установлении геомеханической модели для оптимизации бурения и работы со стволом скважины. В некоторых случаях понимание локальных и региональных режимов напряжений вокруг ствола скважины может быть полезным в разработке и/или калибровке геомеханической модели для оптимизации бурения или других работ со стволом скважины по отношению к достижению эффективной поддержки скважины и максимизированной устойчивости отверстия. Один из традиционных способов для определения поля напряжений вокруг ствола скважины с помощью соответствующих геологических механизмов разломообразования представляет собой способ многоугольника напряжений. Этот способ, как правило, ссылается на понятие несвязного скольжения фрикционного разрушения. Фрикционные разрушения, однако, обычно состоят из связных пород, а не из несвязных материалов, таких как пески, так что связные фрикционные разрушения могут преобладать в пластовых условиях.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует примерную скважинную систему, включающую в себя примерный вариант осуществления движка напряжений ствола скважины;
Фиг. 2A представляет собой графическое представление примерной каротажной диаграммы ствола скважины;
Фиг. 2B иллюстрирует примерный способ для моделирования напряжения вокруг ствола скважины;
Фиг. 2C иллюстрирует примерную геомеханическую модель;
Фиг. 3A-3C представляют собой графические представления нормального напряжения и касательного напряжения, приложенного к части примерной подземной зоны, и разрушение ствола скважины из-за концентрации напряжений;
Фиг. 4A-4B представляют собой графические представления давления, приложенного к стволу скважины в примерной подземной зоне;
Фиг. 5A-5B представляют собой примерные графики максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для фрикционного скольжения и решений Мора-Кулона, которые имеют примерные значения связности;
Фиг. 6 представляет собой примерный график максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования в соответствии со способом многоугольника напряжений;
Фиг. 7A-7B представляют собой примерные графики, сравнивающие решения Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования в соответствии со способом многоугольника напряжений при различных примерных значениях связности;
Фиг. 8 представляет собой примерный график, сравнивающий решения Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования в соответствии со способом многоугольника напряжений для примерного геологического пласта;
Фиг. 9 представляет собой примерный график эффективного коэффициента напряжения по сравнению с коэффициентом трения для режимов напряжений;
Фиг. 10A-10B представляют собой примерные графики максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования в соответствии со способом многоугольника напряжений в границах либо в качестве максимального напряжения, либо в качестве минимального напряжения;
Фиг. 11 представляет собой примерный график угла внутреннего трения по сравнению с коэффициентом трения для различных примерных пластов в соответствии с наблюдаемыми и вычисленными значениями; и
Фиг. 12 представляет собой примерный график максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением либо без связности, либо со связностью.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В одном общем варианте осуществления методы для моделирования напряжения вокруг ствола скважины состоят в том, что калибруют геомеханическую модель, которая содержит геологические данные, связанные с подземной зоной, на основе способа многоугольника напряжений; и генерируют выходной сигнал основанного на фактах состояния напряжения подземной зоны на основе откалиброванной геомеханической модели.
В первом аспекте, комбинируемом с общим вариантом осуществления, калибровка геометрической модели на основе способа многоугольника напряжений состоит в том, что учитывают предел прочности при неограниченном сжатии (USC), связанный с подземной зоной.
Второй аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что инициируют образование ствола скважины через или близко к подземной зоне.
Третий аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что используют кабельный каротаж ствола скважины в процессе формирования ствола скважины.
Четвертый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что пересматривают геологические данные на основе каротажа.
Пятый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что повторно калибруют геомеханическую модель на основе пересмотренных геологических данных.
Шестой аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что предсказывают в процессе формирования ствола скважины пересмотренное напряженное состояние подземной зоны с использованием обновленной геомеханической модели на основе пересмотренных геологических данных.
Седьмой аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что принимают идентификацию геологических данных, связанных с подземной зоной.
Восьмой аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что генерируют на основе идентифицированных геологических данных геомеханическую модель подземной зоны.
В девятом аспекте, комбинируемом с любым из предшествующих аспектов, идентифицированные геологические данные содержат по меньшей мере одно из исторических геологических данных, связанных с подземной зоной, или геологических данных, определенных тестом мини-ГРП (гидроразрыв пласта).
Десятый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что завершают формирование ствола скважины до заданной глубины.
Одиннадцатый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что вслед за завершением формирования ствола скважины выполняют каротаж завершенного ствола скважины.
Двенадцатый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что пересматривают геологические данные на основе каротажа завершенного ствола скважины.
Тринадцатый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что повторно калибруют геомеханическую модель на основе пересмотренных геологических данных.
В четырнадцатом аспекте, комбинируемом с любым из предшествующих аспектов, напряженное состояние подземной зоны содержит максимальное горизонтальное напряжение подземной зоны.
В пятнадцатом аспекте, комбинируемом с любым из предшествующих аспектов, калибровка геомеханической модели на основе способа многоугольника напряжений и UCS, связанного с подземной зоной, состоит в том, что сдвигают многоугольник, определенный способом многоугольника напряжений, на основе UCS и коэффициента трения, связанного с подземной зоной.
Шестнадцатый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, состоит в том, что регулируют вес бурового раствора на основе предсказанного напряженного состояния подземной зоны.
В семнадцатом аспекте, комбинируемом с любым из предшествующих аспектов, геологические данные содержат одно или более из данных гамма излучения, данных удельного сопротивления или звуковых данных, связанных с подземной зоной.
Восемнадцатый аспект, комбинируемый с любым из предшествующих аспектов, дополнительно состоит в том, что предоставляют выходной сигнал предсказанного напряженного состояния через GUI (graphical user interface, графический интерфейс пользователя) вычислительной системы.
Различные варианты осуществления движка напряжений ствола скважины в соответствии с настоящим раскрытием могут включать в себя один или более из следующих отличительных признаков. Например, движок напряжений ствола скважины может обеспечить отклонение близких к стволу скважины режимов напряжений как от несвязного, так и связного механизмов фрикционных разломообразований. Кроме того, движок напряжений ствола скважины может идентифицировать и использовать корреляции между несвязным способом многоугольника напряжений из механизма скользящего разломообразования Андерсона и связным способом многоугольника напряжений из связного критерия разрушения Мора-Кулона. Например, тогда как способ Мора-Кулона может быть лучше способа скользящего разломообразования Андерсона (Anderson) в том, что касается определения более чувствительных областей многоугольников напряжений, движок напряжений ствола скважины может использовать новый способ многоугольника напряжений, который приводит к сдвигу прямоугольника напряжений к верхнему левому углу по сравнению со способом многоугольника напряжений, предложенным Зобаком (Zoback, 2007). Движок напряжений ствола скважины может, таким образом, моделировать режимы напряжений для более характерного коллекторного пласта. В качестве дополнительного примера движок напряжений ствола скважины может учитывать влияние связности породы, например, посредством включения эффекта связности в формулировку способа многоугольника напряжений.
Эти общие и специфические аспекты могут быть реализованы с использованием устройства, системы или способа, или любых комбинаций устройств, систем или способов. Например, система из одного или нескольких компьютеров может быть выполнена с возможностью выполнения определенных действий в силу наличия программных средств, программно-аппаратных средств, аппаратных средств или их сочетания, установленных в системе, которые при работе приводит или приводят к тому, что система выполняет действия. Одна или более компьютерные программы могут быть выполнены с возможностью выполнения определенных действий в силу того, что включают в себя инструкции, которые при выполнении устройством обработки данных приводят к тому, что устройство выполняет действия. Подробности одной или более реализаций изложены на прилагаемых чертежах и в описании, приведенном ниже. Другие отличительные признаки, цели и преимущества будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует примерную скважинную систему 100, включающую в себя примерный вариант осуществления движка 132 напряжений ствола скважины. В некоторых примерных вариантах осуществления и описанных более подробно ниже движок 132 напряжений ствола скважины может генерировать, калибровать, повторно калибровать и в противном случае управлять геомеханической моделью подземной зоны на основе собранных геологических данных подземной зоны и способа многоугольника напряжений. В некоторых вариантах осуществления движок 132 напряжений ствола скважины может калибровать и/или повторно калибровать геомеханическую модель на основе модели многоугольника напряжений, которая может учитывать воздействие предела прочности при неограниченном сжатии (UCS) подземной зоны. Такая откалиброванная геомеханическая модель может в некоторых вариантах осуществления позволять оператору скважины определять и/или предсказывать стабильность формируемого (или сформированного) ствола скважины в подземной зоне. К примеру, оператор скважины, буровик или владелец скважины, например, может определить режим напряжений, который включает в себя максимальное горизонтальное напряжение ствола скважины, на основе калиброванной геомеханической модели через выполнение движка 132 напряжений ствола скважины.
Фиг. 1 иллюстрирует часть примерного варианта осуществления скважинной системы 100 в соответствии с настоящим раскрытием. Как правило, скважинная система 100 осуществляет доступ к одному или более подземным пластам 116 и/или 118 и облегчает производство любых углеводородов, расположенных в таких подземных пластах 116 и/или 118 (или других подземных пластах или зонах).
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, скважинная система 100 включает в себя ствол 102 скважины, сформированный с буровым снарядом (не показан), развернутым на земной поверхности 104. Буровой снаряд может быть использован для формирования вертикальной части ствола скважины, тянущейся от земной поверхности 104 и через один или более подземные пласты 116, 118 в Земле. Одна или более обсадные колонны ствола скважины, такие как направляющая обсадная колонна 110, промежуточная обсадная колонная 112 и эксплуатационная обсадная колонна 114, могут быть установлены по меньшей мере в части вертикальной части ствола 102 скважины. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления одна или более из обсадных колонн 110, 112 и 114 могут не быть установлены (например, скважина с необсаженным забоем).
В некоторых вариантах осуществления буровой снаряд может быть развернут на водном объекте вместо земной поверхности 104. Например, в некоторых вариантах осуществления земная поверхность 104 может быть океаном, морским заливом, морем или любым другим водным объектом, под которым могут быть найдены пласты, несущие углеводороды. Короче говоря, ссылка на земную поверхность 104 включает в себя как земные, так и водные поверхности и предполагает формирование и/или развитие одного или нескольких стволов 102 скважин из одного или обоих местоположений.
Фиг. 1 в целом иллюстрирует ствол 102 скважины, уже сформированный (например, после бурения) до заданной глубины. Буровой снаряд, который формирует ствол 102 скважины, однако, может быть любым подходящим агрегатом или буровой установкой, используемой для формирования стволов скважин или буровых скважин в Земле. В некоторых вариантах осуществления буровой снаряд может использовать оборудование для роторного бурения для формирования таких стволов скважин. Оборудование для роторного бурения известно и может состоять из бурильной колонны и забойного оборудования. В некоторых вариантах осуществления буровой снаряд может состоять из установки для роторного бурения. Вращающееся оборудование на такой установке для роторного бурения может состоять из компонентов, которые служат для вращения головки бура, который в свою очередь формирует ствол 102 скважины глубже и глубже в землю. Вращающееся оборудования состоит из ряда компонентов (не показаны), которые способствуют передаче энергии от первичного источника энергии к самой головке бура. Первичный источник энергии подает энергию к буровому ротору или верхней системе прямого привода, которая в свою очередь подает крутящий момент бурильной колонне. Бурильная колонна, как правило, присоединена к головке бура в забойном оборудовании. Вертлюг, который присоединен к подъемному оборудованию, переносить большую часть веса, если не весь вес, бурильной колонны, но может позволить ей свободно вращаться.
Головка бура, как правило, расположена в или прикреплена к забойному оборудованию, которое расположено у скважинного конца бурильной колонны. Головка бура в первую очередь отвечает за создание контакта с материалом (например, породой) в пределах одной или нескольких геологических формаций и бурение через такой материал. Четыре наиболее распространенных типа головок буров состоят из: запаздывающих или волоченых головок, стальных вращательных головок, поликристаллических алмазных компактных головок и алмазных головок. Вне зависимости от того, какие конкретно выбраны головки бура, непрерывное удаление "бурового шлама" имеет важное значение для роторного бурения.
Циркуляционная система операции роторного бурения может быть дополнительным компонентом бурового снаряда. Как правило, циркуляционная система имеет ряд основных целей, включая охлаждение и смазку головки бура, удаление бурового шлама из головки бура и ствола скважины и покрытие стенок ствола скважины коркой глинистого типа. Циркуляционная система состоит из бурового раствора (например. воздуха, пены, воды, химических веществ на водной основе и других жидкостей), который циркулирует вниз через ствол 102 скважины на протяжении всего процесса бурения. Как правило, компоненты циркуляционной системы включают в себя насосы бурового раствора, компрессоры, связанную санитарно-техническую арматуру и специализированные инжекторы для добавления присадок к буровому раствору. В некоторых вариантах осуществления, таких как, например, во время горизонтального или направленного процесса бурения, забойные двигатели могут быть использованы совместно с или в забойном оборудовании. Такой забойный двигатель может быть забойным турбинным двигателем с турбинной установкой или установкой кавитационного типа, таким как двигатель Муано. Эти двигатели принимают буровой раствор через бурильную колонну и вращаются, чтобы привести в движение головку бура или изменить направления в операции бурения.
Во многих операциях роторного бурения буровой раствор закачивается вниз по бурильной колонне и наружу через порты или форсунки в головке бура. Раствор затем течет вверх по направлению к поверхности 104 в кольцевом пространстве (т.е., кольцевом зазоре) между стволом 102 скважины и бурильной колонной, перенося буровой шлам в суспензии на поверхность. Буровой раствор, во многом так же, как и головка бура, может быть выбран в зависимости о типа геологических условий, найденных под земной поверхностью 104, таких как, например, давление (например, поровое давление) подземного пласта(ов).
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, после или во время формирования (например, бурения) ствола 102 скважины, каротажный прибор 108 может быть запущен в ствол 102 скважины и соединен с возможностью обмена данными с вычислительной системой 120 через проводную линию связи 106. Как правило, каротажный прибор 108 (например, прибор MWD (measuring-while-drilling, измерение во время бурения) или LWD (log-while-drilling, каротаж во время бурения)) может оценивать и/или измерять физические свойства подземных зон 116 и/или 118, включая давление, температуру и траекторию ствола скважины в трехмерном пространстве. Измерения могу быть сделаны в скважине, храниться в полупроводниковой памяти в течение некоторого времени и позже передаваться на поверхность 104 (например, для хранения и/или анализа). В некоторых вариантах осуществления каротажный прибор 108 может измерять параметры формирования (например, удельное сопротивление, пористость, скорость по акустическому каротажу, гамма излучение). Такие свойства формирования и физические свойства могут быть переданы и/или перемещены (например, на поверхность 104) в вычислительную систему 120 для хранения в памяти 126. Например, как проиллюстрировано, такие свойства могут быть сохранены в качестве свойств 128 геологических данных в проиллюстрированной памяти 126.
Проиллюстрированная вычислительная система 120 включает в себя компьютер 122, который включает в себя графический пользовательский интерфейс 124, процессор 134, интерфейс 136, память 126 и движок 132 напряжений ствола скважины. Хотя и проиллюстрирован как единый компьютер, компьютер 122 может быть, например, распределенной клиент-серверной средой, несколькими компьютерами, отдельным вычислительным устройством при необходимости. Например, в некоторых вариантах осуществления компьютер 122 может содержать сервер, который хранит одно или более приложения (например, движок 132 напряжений ствола скважины) и прикладные данные. В некоторых случаях компьютер 122 может содержать веб-сервер, где приложения представляют собой одно или более приложения на базе Интернет-технологий, к которым выполняется доступ и которые выполняются по сети с помощью одного или более клиентов (не показаны).
На высоком уровне компьютер 122 содержит электронное вычислительное устройство, выполненное с возможностью приема, передачи, обработки, хранения или управления данными и информацией, связанной с вычислительной системой 120. В частности, компьютер 122 может принимать запросы приложения от одного или более клиентских приложений, связанных с клиентами системы 120, и отвечать на принятые запросы путем обработки упомянутых запросов в движке 132 напряжений ствола скважины и отправки соответствующего ответа от движка 132 напряжений ствола скважины обратно в запрашивающее клиентское приложение. Альтернативно, компьютер 122 может быть клиентским устройством (например, персональным компьютером, портативным компьютером, карманным компьютером, планшетом, смартфоном, сотовым телефоном, другим мобильным устройством или другим клиентским вычислительным устройством), которое соединено с возможностью обмена данными с сервером или пулом сервером (не показан).
Как используется в настоящем раскрытии, термин "компьютер" предназначен, чтобы включать в себя любое подходящее обрабатывающее устройство. Например, хотя Фиг. 1 иллюстрирует единый компьютер 122, система 120 может быть реализована с использованием двух или более серверов 102, а также компьютеров, отличных от серверов, включая пул серверов. Действительно, компьютер 122 может быть любым компьютером или обрабатывающим устройством, таким как, например, сервер-лезвие, персональный компьютер (ПК, PC) общего назначения, Макинтош, рабочая станция, рабочая станция на основе UNIX или любое другое подходящее устройство. Другими словами, настоящее раскрытие предусматривает компьютеры, отличные от компьютеров общего назначения, а также компьютеры без традиционных операционных систем. Кроме того, проиллюстрированный компьютер 122 может быть приспособлен для выполнения любой операционной системы, включая Linux, UNIX, Windows, Mac OS или любой другой подходящей операционной системы.
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, компьютер 122 включает в себя процессор 134. Хотя проиллюстрирован как единый процессор 134 на Фиг. 1, два или более процессоров могут быть использованы в зависимости от конкретных потребностей, желаний или конкретных вариантов осуществления компьютера 122. Каждый процессор может быть центральным процессором (ЦП, CPU), лезвием, специализированной интегральной схемой (ASIC), программируемой вентильной матрицей (FPGA) или другим подходящим компонентом. Обычно процессор 134 выполняет инструкции и управляет данными для выполнения операций компьютера 122 и, в частности, движка 132 напряжений ствола скважины. В частности, процессор 134 выполняет функциональность, требуемую для приема и ответа на запросы, а также функциональность, требуемую для выполнения операций программных средств движка 132 напряжений ствола скважины.
Вне зависимости от конкретной реализации, "программные средства" могут включать в себя машинно-читаемые инструкции, программно-аппаратные средства, проводные или запрограммированные аппаратные средства или любую их комбинацию на материальном носителе, выполненном с возможностью, при исполнении, выполнять по меньшей мере процессы и операции, описанные в материалах настоящей заявки. Действительно, каждый программный компонент может быть полностью или частично написан или описан на любом подходящем компьютерном языке, включая C, C++, Java, Visual Basic, ассемблер, Perl, любую подходящую версию 4GL, а также других. Будет понятно, что тогда как части программных средств, проиллюстрированных на Фиг. 1, показаны как отдельные модули, которые выполняют различные отличительные признаки и функциональные возможности с помощью различных объектов, способов или других процессов, программные средства могут вместо этого включать в себя ряд под-модулей, сторонние сервисы, компоненты, библиотеки и тому подобное при необходимости. И наоборот, отличительные признаки и функциональные возможности различных компонентов могут быть объединены в единые компоненты при необходимости.
На высоком уровне движок 132 напряжений ствола скважины представляет собой любое приложение, программу, модуль, процесс или другие программные средства, которые могут выполнять, изменять, удалять, генерировать или, другими словами, управлять информацией в соответствии с настоящим раскрытием, в частности, в ответ на и в связи с одним или более запросами, принятыми от, например, пользователя компьютера 122 или других клиентских устройств. В определенных случаях система 120 может реализовать композитный движок 132 напряжений ствола скважины. Например, части движка 132 напряжений ствола скважины могут быть реализованы как Enterprise Java Beans (EJB) или как компоненты периода проектирования, которые имеют возможность генерировать реализации времени выполнения на различные платформы, такие как J2EE (Платформа Java 2, Корпоративная Версия) или Microsoft .NET среди прочих.
Кроме того, движок 132 напряжений ствола скважины может представлять приложение на базе Интернет-технологий, к которому осуществляется доступ и которое выполняется удаленными клиентами или клиентскими приложениями через сеть (например, через Интернет). Кроме того, тогда как проиллюстрированы в качестве внутренних по отношению к компьютеру 122, один или более процессов связанных с движком 132 напряжений ствола скважины, могут храниться, на них могут ссылаться или они могут выполняться удаленно. Например, часть движка 132 напряжений ствола скважины может быть веб сервисом, связанным с приложением, которое удаленно вызывается, тогда как другая часть движка 132 напряжений ствола скважины может быть интерфейсным объектом или агентом, прилагаемым для обработки на удаленном клиенте. Кроме того, любой или все из движка 132 напряжений ствола скважины могут быть дочерним или под-модулем другого программного модуля или корпоративного приложения (не проиллюстрировано), не выходя из объема настоящего раскрытия.
Проиллюстрированный компьютер 122 также включает в себя память 126. Память 126 может включать в себя любую память или модуль базы данных и может принимать форму энергозависимой или энергонезависимой памяти, включая, без ограничения, магнитные носители, оптические носители, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), съемные носители или любой другой подходящий локальный или удаленный компонент памяти. Память 126 может хранить различные объекты или данные, включая классы, инфраструктуры, приложения, данные резервного копирования, бизнес объекты, задания, веб страницы, шаблоны веб страниц, таблицы базы данных, репозитарии, хранящие бизнес и/или динамическую информацию, и любую другую подходящую информацию, включая любые параметры, переменные, алгоритмы, инструкции, правила, ограничения или ссылки на них, связанные с целями компьютера 122 и движка 132 напряжений ствола скважины. Например, память 126 может хранить геологические данные 128, собранные и/или измеренные каротажным прибором 108. Кроме того, память 126 может хранить одну или более геомеханические модели 130, сгенерированные, полученные и/или разработанные на основе геологических данных 128. Например, определенная геомеханическая модель 130 может описывать свойства (например, давление, температуру, удельное сопротивление, пористость, скорость по акустическому каротажу, гамма излучение и другие свойства) определенного пласта (например, глинистого сланца, песчаника, угля, гнейса, известняка, мрамора, гранита, базальта, аспидного сланца и другой породы), который содержит всю или часть подземной зоны.
GUI 124 содержит графический пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью взаимодействия по меньшей мере с частью системы 120 для любой подходящей цели, включая генерирование визуального представления движка 132 напряжений ствола скважины (в некоторых случаях, веб браузер) и взаимодействия с движком 132 напряжений ствола скважины, включая ответы, принятые от движка 132 напряжений ствола скважины, принятые в ответ на запросы, отправленные пользователем, и, например, графические или числовые представления геологических данных 128 и/или геомеханических моделей 130. Обычно через GUI 124 пользователю предоставляется эффективное и удобное для пользователя представление данных, предоставленных или передаваемых внутри системы. Термин "графический пользовательский интерфейс", или GUI, может быть использован в единственном или множественном числе для описания одного или более графических пользовательских интерфейсов и каждого из экранов определенного графического пользовательского интерфейса. Следовательно, GUI 124 может представлять любой графический пользовательский интерфейс, включая, но не ограничиваясь, веб браузер, сенсорный дисплей или интерфейс командной строки (CLI), которые обрабатывает информацию в системе 120 и эффективно представляет информацию результатов пользователю.
Компьютер 122 может обмениваться данными, например, с каротажным прибором 108 через проводную линию связи 106, с одной или более системами или компьютерами в сети или одним или более компьютерами или системами через Интернет, через интерфейс 336. Интерфейс 336 используется компьютером 122 для обмена данными с другими системами в клиент-серверной или другой распределенной среде (в том числе, внутри системы 120), подключенной к сети. Как правило, интерфейс 136 содержит логику, закодированную в программных и/или аппаратных средствах в подходящей комбинации и выполненную с возможностью обмена данными внутри сети. Более конкретно, интерфейс 136 может содержать программные средства, поддерживающие один или более протоколы связи, связанные с обменом данными, так что сеть или интерфейсные аппаратные средства выполнены с возможностью передачи физических сигналов внутри и снаружи проиллюстрированной системы 120.
Фиг. 2A представляет собой графическое представление примерной каротажной диаграммы 200, которая включает в себя геологические данные, связанные с одной или более подземными зонами. Проиллюстрированная каротажная диаграмма 200 может графически и/или численно представлять непрерывное измерение свойств пласта с помощью питаемых электрически инструментов (например, каротажного прибора 108), чтобы делать заключение о свойствах, связанных с пластами. Такие измерения включают в себя электрические свойства (удельное сопротивление и проводимость на различных частотах), звуковые свойства, активные и пассивные ядерные измерения, измерения размеров ствола скважины, отбор проб пластового флюида, измерение давления пласта, перемещаемые с помощью проводной линии связи боковые керноотборники и прочее.
В соответствии с настоящим раскрытием, в проводных измерениях каротажный прибор 108 (например, зонд) может быть опущен в ствол скважины 102 на состоящем из множества проводников, бронированном с помощью перекрестной обмотки канате. После опускания на дно ствола 102 скважины (или любую его часть или представляющий интерес интервал), измерения могут быть приняты на выходе из ствола скважины. Определенные проводные измерения записываются непрерывно, даже несмотря на то, что каротажный прибор 108 двигается. Определенные приборы отбора проб пластового флюида и измерения давления могут требовать, чтобы каротажный прибор 108 был остановлен.
Проиллюстрированная каротажная диаграмма 200 показывает измерения для минимального горизонтального напряжения 202, веса 204 бурового раствора, порового давления 206 и градиента 208 разрушения при сдвиге. Как проиллюстрировано, в некоторых случаях (например, на определенной глубине или глубинах в стволе 102 скважины) измеренный градиент 208 разрушения при сдвиге может быть больше, чем вес 204 бурового раствора. В таких случаях буровой раствор (например, "глинистый раствор") может начать просачиваться в пласт путем преодоления порового давления 206.
В некоторых вариантах осуществления градиент 208 разрушения при сдвиге может быть получен аналитически и может быть откалиброван из прорыва, наблюдаемого из наклонограммы, тогда как градиент давления гидравлического разрыва может быть утвержден из испытания на гидроразрыв и проверен из полевого наблюдения буровых событий (например, потерянная циркуляция и потеря глинистого раствора) и из изучения наклонограмм (например, вызванные бурением разрушения стен при растяжении). В некоторых вариантах осуществления градиент разрушения при сдвиге считается нижней границей окна веса глинистого раствора, тогда как градиент давления гидравлического разрыва считается как верхней границей окна веса глинистого раствора. Кроме того, минимальное горизонтальное напряжение 202 представляет собой эквивалент давления смыкания трещины, и его величина может быть определена с использованием теста мини-ГРП.
Фиг. 2B иллюстрирует примерный способ 250 для моделирования напряжения вокруг ствола скважины, такого как ствол 102 скважины. В некоторых вариантах осуществления весь или часть способа 250 может быть выполнена с помощью движка 132 напряжений ствола скважины, проиллюстрированного на Фиг. 1. Способ 250 может начинаться на шаге 252, когда геологические данные, связанные с одной или более подземными зонами или пластами, могут быть идентифицированы. В некоторых вариантах осуществления идентифицированные геологические данные могут быть предварительно сохранены (например, в памяти 126) и могут представлять исторические данные, связанные, например, с определенной областью, пластом или стволом скважины. Альтернативно, геологические данные могут быть идентифицированы на основе теста, такого как LOT (leakoff test, испытание на гидроразрыв) или теста мини-ГРП. В качестве другого примера, идентифицированные геологические данные могут быть данными реального времени (например, между менее, чем секунда, и несколькими секундами) или данными, близкими к реальному времени (например, между несколькими секундами и несколькими минутами), измеренными и/или определенными каротажным прибором.
На шаге 254 движок напряжений ствола скважины (или другое приложение) может генерировать геомеханическую модель пласта на основе идентифицированных геологических данных. Сгенерированная геомеханическая модель может быть представлена графически, численно, текстуально или в виде комбинации перечисленных способов. Например, геомеханическая модель может состоять из концептуальной трехмерной конструкции пласта, части пласта или всей области, например. Модель может быть построена из неполных данных с помощью некоторых данных, оцененных из, например, расположенных рядом скважин или из данных с низким вертикальным разрешением, таких как сейсмические данные. Генерирование геомеханической модели может быть выполнено с помощью детерминированных способов или геостатистических способов или комбинацией обоих. Более широко, геомеханическая модель может быть представлением физического свойства или сущности, которая может быть использована, чтобы делать прогнозы или сравнивать наблюдения с предположениями.
v
H
h
Например, обращаясь кратко к Фиг. 2C, проиллюстрирована примерная геомеханическая модель 225. Проиллюстрированная геомеханическая модель 225 включает в себя компонент 230 напряжения, компонент 235 порового давления и компонент 240 прочности горной породы. Как дополнительно проиллюстрировано в этом примере, компонент 230 напряжения включает в себя, например, вертикальное напряжение, σ, и горизонтальные напряжения, σ и σ, (например, максимальное и минимальное горизонтальные напряжения). Проиллюстрированный компонент 235 порового давления включает в себя, например, давления из различных расположенных под поверхностью жидкостей, таких как однофазные жидкости (например, грунтовая вода) и многофазные жидкости (например, воздух, газ, нефть, вода и другие многофазные жидкости). Проиллюстрированный компонент 240 прочности горной породы включает в себя, например, напряжение разрушения горной породы при различных ограничениях (например, UCS (unconfined compressive strength, предел прочности при неограниченном сжатии) и предел прочности при ограниченном сжатии, CCS), связность, Cs (например, связность 365 на Фиг. 3B) и угол внутреннего трения, ϕ. В некоторых вариантах осуществления во многом так же, как геологическая модель может быть инструментом для оказания помощи в геологическом исследовании, геомеханическая модель представляет собой инструмент для выполнения геомеханического изучения.
На шаге 256 геомеханическая модель может быть откалибрована на основе способа многоугольника напряжений (SPM) и предела прочности при неограниченном сжатии (UCS) пласта. Например, в некоторых вариантах осуществления калибровка геомеханической модели с помощью SPM и UCS может дополнительно включать в себя вычисление коэффициента трения в пласте. Такая калибровка, которая учитывает, например, UCS и коэффициент трения подземной зоны (например, пласта), может сдвигать многоугольник напряжений вверх и влево, как проиллюстрировано и обсуждено ниже.
На шаге 258 состояние напряженное состояние подземной зоны предсказывается на основе откалиброванной геомеханической модели. В некоторых вариантах осуществления предсказанное напряженное состояние может включать в себя максимальное горизонтальное напряжение подземной зоны.
На шаге 260 бурение ствола скважины в подземную зону может быть инициировано, например, принимая во внимание откалиброванную геомеханическую модель и предсказанное напряженное состояние подземной зоны. Например, принимая во внимание предсказанное напряженное состояние всего режима напряжений, хорошая стабильность ствола скважины может увеличиться. Например, бурение с поверхности до целевой глубины представляет собой сложный процесс, который требует досконального знания среды и свойств коллекторного пласта, которое включает в себя, но не ограничивается этим, режим пластовых напряжений, поровое давление, прочность горной породы пласта, и прочее. Путем сбора пластовых напряжений, порового давления и прочности горной породы (например, UCS) в откалиброванной геомеханической модели, хорошая стабильность может быть достигнута более просто.
В некоторых вариантах осуществления изучаются напряжения в ближней зоне и дальней зоне вертикальной скважины. Для определения вертикального напряжения может быть вычислена интеграция диаграммы плотностного каротажа вдоль глубины ствола скважины. Проверка измеренной диаграммы плоскостного каротажа может быть сделана путем сравнения с преобразованной диаграммой плоскостного каротажа из диаграммы акустического каротажа с использованием корреляций. Как описано выше, минимальное горизонтальное напряжение может быть определено в прямом анализе в соответствии, например, с LOT и тестами мини-ГРП. Что касается определения максимального горизонтального напряжения, однако, традиционные способы могут приводить к существенно различающимся результатам. Для анизотропного горизонтального поля напряжений в упругой среде классические решения напряжений ближней зоны вокруг ствола скважины, подверженные напряжениям дальней зоны, были даны Киршем (Kirsch, 1898). Для наклонной скважины такие решения были опубликованы Аадной и Ченеверт (Aadnoy и Chenevert, 1987). Касаясь вызванного напряжением разрушения ствола скважины (например, прорыва и разрушения стен при растяжении), что может быть подтверждено из обзора наклонограмм и/или ориентированных измерений каверномером, Зобак (Zoback, 2007) предложил упрощенные теоретические решения напряжений вокруг ствола скважины. Используя дипольные звуковые измерения в напряжении, сконцентрированном около зон ствола скважины, Винклер и другие (Winkler, 1998) дал формулировку, чтобы установить связь между составляющими напряжениями ствола скважины и измеренными скоростями волн. Сэйерс и другие (Sayers, 2009) предложил аналогичный подход для получения максимального напряжения ствола скважины из интерпретированных измерений скорости звука вокруг буровой скважины. На основе модифицированного закона Гука для 3D поперечной изотропной упругой среды Хиггинс и другие (Higgins, 2008) дал выражение максимального горизонтального напряжения из известных составляющих горизонтальных деформаций.
Поскольку анизотропию горизонтального напряжения часто связывают с воздействием региональной тектоники, Зобак и другие (Zoback, 1987) разработал способ многоугольника напряжений с целью получения максимального горизонтального напряжения графически в предположении, что как вертикальное напряжение, так и минимальное горизонтальное напряжение могут быть известны первыми. Используя общепринятую фрикционную теорию разломообразования от Андерсона (Anderson, 1951), трение определяет как ограничивающие значения напряжения, так и ориентацию разломов, которые, вероятно, скользят. На основе традиционной теории трения Кулона эффективный коэффициент напряжения существует, когда связность игнорируется как упрощающее предположение (Зобак, 2007).
Продолжая способ 250, на шаге 262 в стволе скважины может быть выполнен проводной каротаж, чтобы раскрыть свойства пласта, например, во время бурения с каротажным прибором (LWD, logging while drilling, каротаж в процессе бурения). Пересмотренные геологические данные могут затем быть определены и/или собраны на основе каротажа в шаге 264. Например, в некоторых вариантах осуществления каротаж-в-процессе-бурения может указывать, что один или более параметр геологических данных, идентифицированный на шаге 252 (например, из исторических данных), может не быть полностью точным. Например, давление, пористость, удельное сопротивление или любые другие геологические данные определенной подземной зоны могут отличаться "как попали в результаты каротажа" по сравнению с историческими данными вследствие, например, меняющихся значений этих данных в заданной зоне, области, пласте или другой территории.
На шаге 266 геомеханическая модель может быть заново откалибрована, чтобы учесть пересмотренные геологические данные (например, на основе SPM и UCS пласта). Повторная калибровка геомеханической модели с пересмотренными геологическими данными с использованием SPM и UCS может дополнительно включать в себя вычисление коэффициента трения пласта, как на шаге 256.
На шаге 268 состояние напряженное состояние подземной зоны предсказывается на основе повторно откалиброванной геомеханической модели. В некоторых вариантах осуществления предсказанное напряженное состояние может включать в себя максимальное горизонтальное напряжение подземной зоны. На основе скорректированного предсказания напряженного состояния подземной зоны делается определение на шаге 270, гарантируется ли корректировка бурового раствора. Например, в некоторых вариантах осуществления предсказанное напряженное состояние (например, максимальное горизонтальное напряжение) может быть более низким давлением (в фунтах на квадратный дюйм), чем вес бурового раствора, используемый в бурении ствола скважины. Это может вызвать ситуацию бурения при повышенном гидростатическом давлении в стволе скважины (например, давление ствола скважины превышает давление жидкостей в пласте), что может быть нежелательным, поскольку избыточный дисбаланс может замедлять процесс бурения за счет эффективного усиления расположенной рядом со стволом скважины горной породы и ограничения удаления бурового шлама под буровой головкой. С другой стороны, в некоторых ситуациях сравнение веса бурового раствора и предсказанного напряженного состояния может выявить ситуацию бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины (например, давление ствола скважины меньше, чем давление жидкостей в пласте), что также, в некоторых случаях, может быть нежелательным, поскольку жидкости пласта могут бесконтрольно высвобождаться в ствол скважины до начала производства.
Если определено, что вес бурового раствора должен быть отрегулирован на шаге 270, то регулировка (например, сделать легче или тяжелее) делается для веса жидкости на шаге 272, и затем ствол скважины завершается на шаге 274. Если определено, что вес бурового раствора не нуждается в регулировке на шаге 270, то ствол скважины завершается на шаге 274. Конечно, шаги с 262 по 270 могут быть выполнены много раз в течение курса бурения ствола скважины в соответствии с настоящим раскрытием, при необходимости.
На шаге 276 выполнение каротажа может быть сделано в завершенном стволе скважины, например, с помощью каротажного прибора 108. На основе выполнения каротажа завершенного ствола скважины геологические данные могут быть пересмотрены на шаге 278. Например, финальный каротаж завершенного ствола скважины может указывать, что один или более параметр геологических данных, идентифицированный на шаге 252 (например, из исторических данных), и/или один или более параметр геологических данных, идентифицированный на шаге 262 (например, из LWD), может не быть полностью точным. Например, давление, пористость, удельное сопротивление или любые другие геологические данные определенной подземной зоны могут отличаться "как попали в результаты каротажа" по сравнению с историческими данными или LWD вследствие, например, меняющихся значений этих данных в заданной зоне, области, пласте или другой территории.
На шаге 280 геомеханическая модель может быть заново откалибрована (например, снова), чтобы учесть пересмотренные геологические данные (например, на основе SPM и UCS пласта), определенные на шаге 278. На шаге 280 один или более параметры бурения (например, для будущих или запланированных скважин) могут быть отрегулированы на основе заново откалиброванной модели шага 278.
Как было отмечено выше, определение максимального горизонтального напряжения с использованием традиционных способов может приводить к существенно различающимся результатам, ни один из которых не может наилучшим образом описать истинное напряженное состояние ближней зоны ствола скважины, например, с учетом связности горной породы, трения и других параметров реального мира. Например, на основе традиционной теории трения Кулона, следующий эффективный коэффициент напряжения существует, когда связность игнорируется как упрощающее предположение (Зобак, 2007):
(a)
1
3
где σ и σ представляют собой максимальное и минимальное главные напряжения, p представляет собой поровое давление, а µ представляет собой:
(b)
где ϕ представляет собой угол внутреннего трения.
Уравнение (a) может быть полезным для определения режимов напряжений (например, нормальный, перемещение по простиранию и обратный режим напряжения разрушения) на основе локальных механизмов разрушения и относительных величин напряжений. Следовательно, эффективное напряжение может быть использовано вместо общего напряжения в способе многоугольника напряжений, чтобы оценить разрушение горной породы при определенных условиях напряжения (например, прорыв и разрушение при растяжении) вместе с испытательным стендом, отмеченным прочностью горной породы (например, предел прочности при неограниченном сжатии или UCS).
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия состояние напряжения ближней зоны ствола скважины, включая максимальное горизонтальное напряжение, может быть предсказано геомеханической моделью, сгенерированной на основе собранных геологических данных подземной зоны и откалиброванной с помощью способа многоугольника напряжений, который принимает во внимание UCS подземной зоны. Такая откалиброванная геомеханическая модель может в некоторых вариантах осуществления более точно предсказывать режим напряжений, который включает в себя максимальное горизонтальное напряжение ствола скважины, как объяснено более полно ниже.
Фиг. 3A-3C представляют собой графические представления 300, 350 и 375, соответственно, напряжения и трения, приложенного к части примерной подземной зоны. Обращаясь к Фиг. 3A, графическое представление 300 иллюстрирует двумерный случай (т.е., условие плоской деформации) образца горной породы, который может разрушиться от плоскости сдвига под воздействием двух дифференциальных напряжений, как показано. Нормальное напряжение и напряжение сдвига при разрушении на Фиг. 3A может быть представлено главными напряжениями как:
(1), и
(2)
1
3
где σ и σ представляют собой главные напряжения, σ* и τ* представляют собой нормальное напряжение и напряжение сдвига к плоскости сдвига (например, напряжение при разрушении), и β представляет собой угол между нормальным напряжением и максимальным главным напряжением.
s
Обращаясь к Фиг. 3B, графическое представление 350 иллюстрирует круг 360 Мора и линию 355 Кулона. Выражения в Уравнениях (1) и (2) наилучшим образом проиллюстрированы в представлении 350, где C представляет собой связность, а ϕ представляет собой угол внутреннего трения. Напряжение сдвига  находится у местоположения центра круга 360 Мора на поперечной оси, а нормальное напряжение  представляет собой радиус круга 360 Мора.
Связь между нормальным напряжением и напряжением сдвига (σ и τ) в представлении 350 по отношению к линии 355 разломообразования Кулона может быть записана как:
(3)
где µ представляет собой коэффициент трения (например, для определенного пласта) и может быть выражен как функция угла ϕ внутреннего трения:
(4)
Когда связность исчезает, связь между нормальным напряжением и напряжением сдвига является линейной:
(5)
β и угол ϕ внутреннего трения в графическом представлении 350 могут быть связаны следующим уравнением:
(6)
Для исследования взаимосвязи напряжения при разрушении при сдвиге подстановка σ* и τ* из Уравнений (1) и (2) в Уравнение (3) приводит к:
(7)
Используя выражения ϕ в Уравнениях (4) и (6) для замены µ и β в Уравнении (7) дает:
(8)
3
1
Если ограничивающее напряжение σ в Уравнении (8), как показано на Фиг. 3A, исчезает, σ в Уравнении (8) представляет предел прочности при неограниченном сжатии (UCS):
(9)
Подставляя Уравнение (6) в Уравнение (9), UCS может быть представлен следующим соотношением:
(10)
Подставляя Уравнение (6) в Уравнение (8), получается следующее соотношение:
(11)
r
θ
m
Обращаясь к Фиг. 3C, графическое представление 375 иллюстрирует напряженный ствол 380 или 385 скважины в полярной системе координат. Нормальные напряжения представляют собой радиальное напряжение σ и окружное напряжение σ. Для вертикальной скважины предполагается, что максимальное и минимальное главные напряжения будут максимальным и минимальным горизонтальными напряжениями. Взаимосвязи между радиальными-окружными напряжениями и максимальными-минимальными горизонтальными напряжениями могут быть изображены на Фиг. 3C, где угол β* половины прорыва и его связь с углом β также показана. Радиальное напряжение равно нулю, когда нет прилагаемого веса бурового раствора; в противном случае радиальное напряжение равно весу бурового раствора (например, P).
Hmax
hmin
1
3
θ
3
Hmax
1
hmin
Проиллюстрированные параметры σ и σ представляют собой максимальное и минимальное горизонтальные напряжения дальней зоны. Проиллюстрированные параметры σ и σ представляют собой максимальное и минимальное главные напряжения. Если горная порода разрушается на границе ствола скважины (например, возникает прорыв 395 или разрушение 390 при растяжении), окружное напряжение, σ, равно минимальному главному напряжению, σ, вдоль направления максимального горизонтального напряжения, σ, дальней зоны, наряду с тем, что оно равно максимальному главному напряжению, σ, вдоль направления минимального горизонтального напряжения, σ, дальней зоны. На Фиг. 3C предполагается, что направления максимального и минимального горизонтальных напряжений параллельны направлениям максимального и минимального главных напряжений. Если максимальное и минимальное горизонтальные напряжения не параллельны максимальному и минимальному главным напряжениям, может быть выполнено преобразование напряжения. Однако, поскольку предполагается, что вертикальное напряжение является одним из главных напряжений, максимальное и минимальное горизонтальные напряжения могут всегда быть равными максимальному и минимальному главным напряжениям, соответственно.
Как показано на Фиг. 3C, угол β* половины прорыва (также называемый шириной половины прорыва) относится к углу загрузки β как:
(12)
Фиг. 4A-4B представляют собой графические представления 400 и 450, соответственно, давления, приложенного к стволу скважины в примерной подземной зоне. Обращаясь к Фиг. 4A, в частности, ствол 405 скважины показан под напряжением, как описано выше. Учитывая эффект порового давления и поддержки веса бурового раствора в скважине, как показано, равновесие в напряжениях в границах ствола скважины может быть выражено как:
(13)
p
m
где P представляет собой поровое давление, а P представляет собой вес бурового раствора или глинистого раствора
p
Если влияние порового давления P также учитывается на Фиг. 4A, существует следующее уравнение:
(14)
Напряжение находится в состоянии равновесия, если ΔP=0, как показано на Фиг. 4A. Если ΔP не равно 0, то исходный радиус ствола скважины будет уменьшен, если ΔP<0, и будет увеличен, если ΔP>0, как проиллюстрировано на Фиг. 4B, которая иллюстрирует радиусы 465 (например, уменьшенный), 460 (равновесный) и 455 (увеличенный) ствола скважины. Уравнение (13) может быть переписано как:
(15)
θ
1
3
Из Фиг. 4A известно, что σ=σ и σ=ΔP при разрушении горной породы (например, прорыве). Используя связь в Уравнениях (11) и (14), получаем:
(16)
Hmax
1
hmin
3
Приравнивая (15) к (16) и предполагая σ=σ, σ=σ и переставляя члены уравнения, вычисленный требуемый вес бурового раствора может быть выражен как:
(17)
В Уравнении (17) используется угол β загрузки. Этот β может быть заменен связью по отношению к углу ϕ внутреннего трения в Уравнении (6). В результате,
(18)
Альтернативно, связь по отношению к углу β* половины прорыва в Уравнении (12) может быть использована для замены β. Следовательно, вес бурового раствора может быть переписан как:
(19)
Из связи между коэффициентом µ трения и углом ϕ внутреннего трения в Уравнении (4):
(20)
Из Уравнения (10) известно:
(21)
Приравнивая (20) и (21), получаем:
(22)
На основании Уравнений (6) и (22) получаем:
(23)
Для различных горных пород угол ϕ внутреннего трения, его диапазон и коэффициент µ трения могут быть просуммированы в Таблице 1 из Юмикиса (Jumikis, 1983):
<b>Таблица 1</b>
Тип Горной Породы
Средний угол ϕ внутреннего трения (градус)
Диапазон угла ϕ внутреннего трения (градус)
Средний коэффициент µ трения
Глинистый сланец
27
15~30
0,51
Песчаник
31
27~34
0,6
Мрамор
35
32~37
0,7
Известняк
45
35~50
1
s
1
3
Предел прочности при неограниченном сжатии (UCS) в Уравнении (10) пропорционален связности C горной породы. Если связность горной породы равна нулю, связь между максимальным главным напряжением σ и минимальным главным напряжением σ в Уравнении (11) упрощается как:
(24)
1
3
Уравнение может быть использовано для изучения трения скольжения в результате движения разлома (Андерсон, 1951). Из Уравнений (20) и (24) связь между максимальным главным напряжением σ и минимальным главным напряжением σ может быть представлена как:
(25)
Учитывая влияние порового давления и эффективного напряжения, Уравнение (25) может быть переписано как:
(26)
Для нормального разломообразования это дает:
(27)
v
hmin
Hmax
где σ представляет собой вертикальное и максимальное напряжение, σ представляет собой минимальное напряжение, и σ представляет собой промежуточное напряжение. Для разлома со смещением по простиранию это дает:
(28)
Hmax
hmin
v
где σ представляет собой максимальное напряжение, σ представляет собой минимальное напряжение, и σ представляет собой промежуточное напряжение. Для обратного разломообразования это дает:
(29)
Hmax
hmin
v
где σ представляет собой максимальное напряжение, σ представляет собой промежуточное напряжение, и σ представляет собой минимальное напряжение. Если µ равно 0,6 (например, для песчаника), коэффициент напряжения из Уравнения (25) становится:
(30)
Используя коэффициент эффективного напряжения и предполагая, что коэффициент µ трения равен 0,578, Уравнение (28) может быть переписано как:
(31)
Если β на Фиг. 3C равно нулю, и вес бурового раствора равен нулю, эффективное окружное напряжение в Уравнении (13) становится:
(32)
θ
Для исчезающего эффективного растягивающего напряжения (например, σ=0), Уравнение (32) становится:
(33)
Уравнение (31) идентично Уравнению (33). Уравнение (31) может представлять критическую стадию, когда предполагается, что растягивающее напряжение горной породы равно нулю. Из связи между µ и ϕ в Уравнении (23), соотношение в Уравнении (31) может всегда содержать либо µ равный 0,578, либо ϕ равный 30°. Как показано, связь между максимальным и минимальным напряжениями отлична от связи, показанной в Уравнении (25), чем та, которая показана в Уравнении (11), вследствие удаления связности горной породы Уравнением (25).
Фиг. 5A-5B представляют собой примерные графики 500 и 550, соответственно, максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для фрикционного скольжения и решений Мора-Кулона, которые имеют примерные значения связности. Обращаясь к Фиг. 5A, максимальное напряжение нанесено на y-ось 505 в фунтах на квадратный дюйм, тогда как минимальное напряжение нанесено на x-ось 510 в фунтах на квадратный дюйм. Фиг. 5A показывает сравнение отношений между максимальным и минимальным напряжениями с использованием Уравнения (25) и использованием Уравнения (11) со связностью 500 фунтов на квадратный дюйм для различных горных пород, описанных в Таблице 1 выше. Обращаясь к Фиг. 5B, максимальное напряжение нанесено на y-ось 555 в фунтах на квадратный дюйм, тогда как минимальное напряжение нанесено на x-ось 560 в фунтах на квадратный дюйм. Фиг. 5B показывает сравнение отношений между максимальным и минимальным напряжениями с использованием Уравнения (25) и использованием Уравнения (11) со связностью 1000 фунтов на квадратный дюйм для различных горных пород, описанных в Таблице 1 выше.
На Фиг. 5A кривая 515 представляет фрикционное скольжение, например, связность 0 фунтов на квадратный дюйм, тогда как кривые 520, 525, 530 и 535 представляют соотношение максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением при связности 500 фунтов на квадратный дюйм для глинистого сланца, песка, мрамора и извести, соответственно. На Фиг. 5B кривая 565 представляет фрикционное скольжение, например, связность 0 фунтов на квадратный дюйм, тогда как кривые 570, 575, 580 и 585 представляют соотношение максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением при связности 1000 фунтов на квадратный дюйм для глинистого сланца, песка, мрамора и извести, соответственно. Как проиллюстрировано на этих фигурах, разница в решениях между несвязным фрикционным скольжением и связным критерием Мора-Кулона увеличивается по мере того, как увеличивается величина связности.
Как было отмечено выше, способ многоугольника напряжений (Зобак, 2007) может графически представлять режимы напряжений при трех механизмах разрушения: нормальное, перемещение по простиранию и обратное разрушения. Это также известно из Уравнений (27), (28) и (29) с использованием теории разломообразования Андерсона (1951), как показано на Фиг. 6 ниже. Следует отметить, что поверхности скольжения отделяют зоны устойчивости от зон неустойчивости для различных механизмов разрушений. Для этого сценария предполагается, что связность горной породы равна нулю. Случаи на Фиг. 5A-5B и связь в Уравнении (11) указывают, что критерий Мора-Кулона и теории разломообразования Андерсона разделены UCS. Другими словами, максимальное напряжение из критерия Мора-Кулона может всегда быть больше, чем максимальное напряжение из теории разломообразования Андерсона, на величину UCS.
Фиг. 6 представляет собой примерный график 600 максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования - нормальным (NF) 615, перемещением по простиранию (SS) 620 и обратным (RF) 625 - в соответствии со способом многоугольника напряжений. Как проиллюстрировано, максимальное напряжение нанесено на y-ось 605 в фунтах на квадратный дюйм, тогда как минимальное напряжение нанесено на x-ось 610 в фунтах на квадратный дюйм. Кроме того, три поверхности скольжения представлены постоянной поверхностью 630 минимальных напряжений, постоянной поверхностью 645 максимальных напряжений и переменной поверхностью 635 скольжения, которая ограничивает края трех механизмов разломообразования. Кривая 640 представляет кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение. В некоторых случаях три зоны NF 615, SS 620 и RF 625 могут быть устойчивыми, тогда как точки комбинаций максимального и минимального напряжений за пределами зон могут считаться неустойчивыми.
h
H
H
h
Фиг. 7A-7B представляют собой примерные графики 700 и 750, сравнивающие решения Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений согласно трем механизмам разломообразования - NF, SS, и RF - в соответствии со способом многоугольника напряжений при различных примерных значениях связности и для различных пластов горных пород. Фиг. 7A представляет собой сравнение решений Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений при NF, SS и RF в соответствии со способом многоугольника напряжений при значении связности 500 фунтов на квадратный дюйм. Как проиллюстрировано, NF 706, SS 708 и RF 710 представляют три механизма разломообразования, тогда как максимальное напряжение нанесено на y-ось 702 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное напряжение нанесено на x-ось 704 в фунтах на квадратный дюйм. Кроме того, три поверхности скольжения представлены постоянной поверхностью, σ, 712 минимальных напряжений, постоянной поверхностью, σ, 716 максимальных напряжений и разломообразованием 718 Андерсона, которое ограничивает края трех механизмов разломообразования. Базовая кривая 714 представляет кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение (например, σ=σ).
h
H
h
h
H
H
h
Здесь базовая кривая 714 может гарантировать, что σ будет равно или меньше, чем σ. Поскольку многоугольник напряжений определяет режим напряжений на определенной глубине, вертикальное напряжение зафиксировано. Постоянная поверхность, σ, 712 минимальных напряжений определяет нижнюю границу σ на этой глубине, тогда как постоянная поверхность, σ, 716 максимальных напряжений определяет верхнюю границу SH на этой глубине, соответственно. Отношение разломообразования 718 Андерсона (например, σ=3,1σ) определяет внешнюю границу для SS 708. Разделитель между NF 706 и SS 708 гарантирует, что вертикальное напряжение является максимальным напряжением для NF 706 и является промежуточным напряжением для SS 708. Разделитель между SS 708 и RF 710 гарантирует, что вертикальное напряжение является минимальным напряжением для NF 706 и является промежуточным напряжением для SS 708.
Кривые 720, 722, 724 и 726 представляют решения Мора-Кулона для глинистого сланца, песка, мрамора и извести, соответственно. Как проиллюстрировано, каждая из кривых 720, 722, 724 и 726 сдвинута вверх и влево относительно разломообразования 718 Андерсона.
h
H
H
h
Фиг. 7B представляет собой сравнение решений Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений при NF, SS и RF в соответствии со способом многоугольника напряжений при значении связности 1000 фунтов на квадратный дюйм. Как проиллюстрировано, NF 756, SS 758 и RF 760 представляют три механизма разломообразования, тогда как максимальное напряжение нанесено на y-ось 752 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное напряжение нанесено на x-ось 754 в фунтах на квадратный дюйм. Кроме того, три поверхности скольжения представлены постоянной поверхностью, σ, 762 минимальных напряжений, постоянной поверхностью, σ, 766 максимальных напряжений и разломообразованием 768 Андерсона, которое ограничивает края трех механизмов разломообразования. Базовая кривая 764 представляет кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение (например, σ=σ).
h
H
h
h
H
H
h
Как с Фиг. 7A, базовая кривая 764 может гарантировать, что σ будет равно или меньше, чем σ. Поскольку многоугольник напряжений определяет режим напряжений на определенной глубине, вертикальное напряжение зафиксировано. Постоянная поверхность, σ, 762 минимальных напряжений определяет нижнюю границу σ на этой глубине, тогда как постоянная поверхность, σ, 766 максимальных напряжений определяет верхнюю границу SH на этой глубине, соответственно. Отношение разломообразования 768 Андерсона (например, σ=3,1σ) определяет внешнюю границу для SS 758. Разделитель между NF 756 и SS 758 гарантирует, что вертикальное напряжение является максимальным напряжением для NF 756 и является промежуточным напряжением для SS 758. Разделитель между SS 758 и RF 760 гарантирует, что вертикальное напряжение является минимальным напряжением для NF 706 и является промежуточным напряжением для SS 758.
Кривые 770, 772, 774 и 776 представляют решения Мора-Кулона для глинистого сланца, песка, мрамора и извести, соответственно. Как проиллюстрировано, каждая из кривых 770, 772, 774 и 776 сдвинута вверх и влево относительно разломообразования 768 Андерсона.
Как проиллюстрировано, прямоугольники напряжений, показанные на Фиг. 7A-7B, взяты из механизмов разломообразования Андерсона. Многоугольник напряжений из критерия Мора-Кулона должен существовать независимо от теории Андерсона. Используя связность в 1000 фунтов на квадратный дюйм и выбирая глинистый сланец, Фиг. 8 сравнивает два многоугольника напряжений между одним из теории Андерсона и одним из критерия Мора-Кулона. Фиг. 8 представляет собой примерный график 800, сравнивающий решения Андерсона и Мора-Кулона максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением для режимов напряжений при NF, SS и RF в соответствии со способом многоугольника напряжений для примерного геологического пласта; здесь пласт представляет собой глинистый сланец.
h
H
H
h
Как проиллюстрировано, максимальное напряжение нанесено на y-ось 805 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное напряжение нанесено на x-ось 810 в фунтах на квадратный дюйм. Кроме того, три поверхности скольжения представлены для каждого решения (например, Андерсона и Мора-Кулона) постоянной поверхностью, σ, 830a и 830b, минимальных напряжений и постоянной поверхностью, σ, 840a и 840b максимальных напряжений. Базовые кривые 835a и 835b представляют кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение (например, σ=σ) для разломообразования Андерсона и Мора-Кулона, соответственно.
Как показано, набор многоугольников напряжений с обозначением "a" представляет многоугольники напряжений разломообразования Андерсона, тогда как набор многоугольников напряжений с обозначением "b" представляет решения Мора-Кулона, оба для глинистого сланца. Например, NF 815a и NF 815b являются разломообразованием Андерсона и решениями Мора-Кулона, соответственно; SS 820a и SS 820b являются разломообразованием Андерсона и решениями Мора-Кулона, соответственно; и RF 825a и RF 825b являются разломообразованием Андерсона и решениями Мора-Кулона, соответственно.
Как проиллюстрировано, никакие из этих многоугольников напряжений не двигаются за пределы треугольника, определенного минимальным возможным горизонтальным напряжением (например, 2,000 фунтов на квадратный дюйм), максимальным возможным горизонтальным напряжением (например, 20,000 фунтов на квадратный дюйм), и линией равного значения между минимальным напряжением и максимальным напряжением (например, минимальное напряжение = максимальное напряжение). По сравнению с многоугольником напряжений из подхода Андерсона, многоугольник напряжений критерия Мора-Кулона двигается по направлению к верхнему левому углу области (например, большее максимальное напряжение и меньшее минимальное напряжение).
Фиг. 9 представляет собой примерный график 900 коэффициента эффективного напряжения по сравнению с коэффициентом трения для режимов напряжений в соответствии со способом многоугольника напряжений для примерного геологического пласта. Как проиллюстрировано, коэффициент эффективного напряжения нанесен на y-ось 905 (безразмерную), а коэффициент, µ, трения нанесен на x-ось 910 (безразмерную). Как проиллюстрировано, соотношение между коэффициентом эффективного напряжения и µ является нелинейным. Поскольку коэффициент µ трения представляет сопротивление сдвигу, то чем больше µ, тем больше будет наклон между максимальным и минимальным напряжениями. Кроме того, на основе взаимосвязи между коэффициентом эффективного напряжения и коэффициентом µ трения коэффициенты эффективного напряжения различаются для различных коэффициентов трения, как показано в Таблице 2 ниже.
<b>Таблица 2</b>
Коэффициент µ трения
Соотношение
<img file="00000038.tif" he="10" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
Коэффициент эффективного напряжения
<img file="00000039.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
1,00
1,00
0,1
1,22
1,22
0,2
1,49
1,49
0,3
1,81
1,81
0,4
2,18
2,18
0,5
2,62
2,62
0,6
3,12
3,12
0,7
3,69
3,69
0,8
4,33
4,33
0,9
5,04
5,04
1,0
5,83
5,83
Фиг. 10A-10B представляют собой примерные графики 1000 и 1050, соответственно, максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением при NF, SS и RF в соответствии со способом многоугольника напряжений для различных примерных коэффициентов трения. Например, Фиг. 10A демонстрирует три многоугольника (объединенные зоны NF, SS и RF) для различных µ (µ=0,5, 0,6, или 0,7). Как проиллюстрировано, в целом больший µ приводит к большему наклону между максимальным и минимальным напряжениями.
H
h
h
h
H
H
h
Как проиллюстрировано на Фиг. 10A, максимальное горизонтальное напряжение, σ, нанесено на y-ось 1005 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное горизонтальное напряжение, σ, нанесено на x-ось 1010 в фунтах на квадратный дюйм. Здесь на графике 1000 σ представляет собой нижнюю границу. Кроме того, три поверхности скольжения представлены постоянной поверхностью, σ, 1030 минимальных напряжений, постоянной поверхностью, σ, 1040 максимальных напряжений. Базовая кривая 1035 представляет кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение (например, σ=σ).
Как дополнительно проиллюстрировано, три многоугольника 1015, 1020 и 1025 напряжений отличаются по размеру вследствие, например, определенного µ, используемого для вычисления многоугольника напряжений. Например, многоугольник 1015 напряжений определен с µ, равным 0,5, многоугольник 1020 напряжений определен с µ, равным 0,6, а многоугольник 1025 напряжений определен с µ, равным 0,7. По мере того как µ растет, многоугольник напряжений становится больше с более крутым наклоном, ограничивая механизм разломообразования SS.
H
h
H
h
H
H
h
Обращаясь к Фиг. 10B, как показано на графике 1050, максимальное горизонтальное напряжение, σ, нанесено на y-ось 1055 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное горизонтальное напряжение, σ, нанесено на x-ось 1060 в фунтах на квадратный дюйм. Здесь на графике 1050 максимальное напряжение σ установлено в качестве верхней границы. Кроме того, три поверхности скольжения представлены постоянной поверхностью, σ, 1080 минимальных напряжений, постоянной поверхностью, σ, 1090 максимальных напряжений. Базовая кривая 1085 представляет кривую максимальное напряжение = минимальное напряжение (например, σ=σ).
Как дополнительно проиллюстрировано, три многоугольника 1065, 1070 и 1075 напряжений отличаются по размеру вследствие, например, определенного µ, используемого для вычисления многоугольника напряжений. Например, многоугольник 1065 напряжений определен с µ равным 0,5, многоугольник 1070 напряжений определен с µ, равным 0,6, а многоугольник 1075 напряжений определен с µ, равным 0,7. По мере того как µ растет, многоугольник напряжений становится больше с более крутым наклоном, ограничивая механизм разломообразования SS.
h
H
Если не задано верхнего значения ни для σ, ни для σ, то многоугольник напряжений различных  может перемещаться куда угодно. При определенных условиях меньший многоугольник напряжений с меньшим µ может содержаться в большем многоугольнике напряжений с большим µ. Что касается взаимосвязи между углом ϕ внутреннего трения и коэффициентом µ трения, Юмикис (Jumikis, 1983) определил связи для различных типов горной породы, как показано в Таблице 3 ниже.
<b>Таблица 3</b>
Тип Горной Породы
Угол Внутреннего Трения (ϕ)
Коэффициент µ Трения
Базальт
49
1,15
Диабаз
53
1,31
Габбро
21
0,4
Гранит
53
1,35
Доломит
22
0,4
Известняк
43
0,95
Песчаник
31
0,6
Глинистый сланец
23
0,42
Гнейс
33
0,65
Мрамор
41
0,9
Кварцит
42
1,11
Аспидный сланец
62
1,9
Отношения в Таблице 3 могут быть представлены графически как кривая или как уравнения полинома 2-го порядка с квадратом относительного коэффициента 0,9854:
(34)
Кратко обращаясь к Фиг. 11, проиллюстрирован примерный график 1100 угла внутреннего трения по сравнению с коэффициентом трения для различных примерных пластов в соответствии с наблюдаемыми и вычисленными значениями. Как показано на графике 1100, угол, ϕ, внутреннего трения нанесен на y-ось 1105 в градусах, а коэффициент, µ, трения нанесен на x-ось 1110 (безразмерную). Кривая 1115 представляет вычисление:
для значений показанного в Таблице 3. Кривая 1120 представляет график Уравнения (34) (например, уравнения полинома 2-го порядка с квадратом относительного коэффициента 0.9854). Точки, показанные на графике 1100, представляют определенные типы горной породы и комбинации, проиллюстрированные в Таблице 3.
Если предоставлено соотношение между минимальным и максимальным напряжениями, Уравнение (8) показывает соотношение с включением связности. Пренебрегая связностью, коэффициент напряжения между максимальным и минимальным напряжениями может быть записан из Уравнения (8) как:
(35)
max
min
Предполагая эквивалентную связность равной 300 фунтов на квадратный дюйм, Фиг. 12 сравнивает результат из Уравнения (8) с результатом из Уравнения (35). Фиг. 12 представляет собой примерный график 1200 максимального напряжения по сравнению с минимальным напряжением либо без связности, либо со связностью 300 фунтов на квадратный дюйм. Как показано на графике 1200, максимальное напряжение, σ, нанесено на y-ось 1205 в фунтах на квадратный дюйм, а минимальное напряжение, σ, нанесено на x-ось 1210 в фунтах на квадратный дюйм. Кривая 1220 представляет результат Уравнения (8), тогда как кривая 1215 представляет результат Уравнения (35). Как проиллюстрировано, коэффициент напряжения в Уравнении (35) может представлять нижнюю границу отношений напряжений.
Как было отмечено выше, в некоторых примерных вариантах осуществления движок напряжений ствола скважины может генерировать, калибровать, повторно калибровать и в противном случае управлять геомеханической моделью подземной зоны на основе собранных геологических данных подземной зоны и способа многоугольника напряжений. В некоторых вариантах осуществления движок напряжений ствола скважины может калибровать и/или повторно калибровать геомеханическую модель на основе модели многоугольника напряжений, которая принимает во внимание UCS подземной зоны. Такая откалиброванная геомеханическая модель может в некоторых вариантах осуществления позволять оператору скважины определять и/или предсказывать стабильность формируемого (или сформированного) ствола скважины в подземной зоне. К примеру, оператор скважины, буровик или владелец скважины, например, может определить режим напряжений, который включает в себя максимальное горизонтальное напряжение ствола скважины, на основе калиброванной геомеханической модели через выполнение движка напряжений ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления состояние напряжения ближней зоны ствола скважины, включая максимальное горизонтальное напряжение, может быть предсказано геомеханической моделью, сгенерированной на основе собранных геологических данных подземной зоны и откалиброванной с помощью способа многоугольника напряжений, который принимает во внимание UCS подземной зоны. Такая откалиброванная геомеханическая модель может в некоторых вариантах осуществления более точно предсказывать режим напряжений, который включает в себя максимальное горизонтальное напряжение ствола скважины.
Был описан ряд вариантов осуществления. Тем не менее, будет понятно, что могут быть сделаны различные модификации. Например, могут быть выполнены другие способы, описанные в материалах настоящей заявки, помимо или в дополнение к проиллюстрированным на Фиг. 2A. Кроме того, проиллюстрированные шаги способа 250 могут быть выполнены в различных порядках, либо одновременно, либо последовательно. Кроме того, шаги могут быть выполнены в дополнение к проиллюстрированным в способе 250, и некоторые шаги, проиллюстрированные в способе 250, могут быть опущены без отклонения от настоящего раскрытия. Соответственно, другие варианты осуществления находятся в пределах объема следующей формулы изобретения.