井筒钻屑的实时现场力学表征制造技术

描述了井筒钻屑的实时现场力学表征。在井筒钻探现场处钻探的井筒的表面处，接收由于钻探井筒所产生的多个钻屑。在井筒钻探现场处，对多个钻屑中的每一个执行纳米压痕测试。在井筒钻探现场处，基于纳米压痕测试的结果，确定多个钻屑的力学特性。

Real time mechanical characterization of wellbore cuttings

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】井筒钻屑的实时现场力学表征要求优先权本申请要求于2017年5月11日提交的美国专利申请No.15/593,099的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本说明书涉及确定井筒的力学特性。
技术介绍
在油气开采中，将井筒钻入含油气的地质层中。在一些情况下，对完整的井筒进行压裂以增加完整的井筒的开采率。可以对地层的力学特性进行分析，以提高油气产量，优化压裂操作，或以改善其他与地层有关的操作。有时使用声波测井来估算地质层的力学特性。这样的测井可能是昂贵的、费时的并且具有有限的能力和准确性。例如，测井工具无法估算水力压裂操作计划中所需的面内方向的刚度。关于地层特性的另一信息来源是当井筒被钻入地层中时形成的井筒钻屑。
技术实现思路
本说明书描述了与井筒钻屑的实时现场力学表征有关的技术。这里描述的主题的某些方面可以实现为一种方法。在井筒钻探现场处钻探的井筒的表面处，接收由于钻探所产生的多个钻屑。在井筒钻探现场处，对多个钻屑中的每一个执行纳米压痕测试。在井筒钻探现场处，基于纳米压痕测试的结果，确定多个钻屑的力学特性。该方面和其他方面可以包括以下一个或多个特性。多个钻屑的力学特性可以包括多个钻屑的刚度横切各向同性特性。纳米压痕可以被执行一段时间。为了基于纳米压痕测试的结果来确定多个钻屑的力学特性，可以随时间生成力学特性的测井记录。为了执行纳米压痕测试，可以以范围在1毫牛顿和100毫牛顿之间的压痕负载对每个钻屑进行压痕操作。压痕负载可以以10的倍数增大或减少。可以对每个钻屑进行压痕操作至深度大于钻屑的表面粗糙度。深度可以为至少一微米。在井筒表面处所接收的多个钻屑可以处于未经处理状态。可以在所述井筒钻探现场处对未经处理状态下的多个钻屑中的每个钻屑上执行纳米压痕测试。为了对多个钻屑中的钻屑执行纳米压痕测试，可以将钻屑切分为两个钻屑部分。两个钻屑部分中的第一钻屑部分可以安装成层理平面平行于纳米压痕测试设备的压头力的方向。两个钻屑部分中的第二钻屑部分可以安装成层理平面垂直于纳米压痕测试设备的压头力的方向。为了对钻屑执行纳米压痕测试，两个钻屑部分中的每一个可以进行压痕操作至少五次。可以响应于每个压痕操作生成压痕曲线，从而得到多个压痕曲线。为了在井筒钻探现场处基于纳米压痕测试的结果确定多个钻屑的力学特性，可以根据每个压痕曲线确定压痕模量，从而得到对应的多个压痕曲线的多个压痕模量。可以使用多个压痕模量来确定两个钻屑部分中的每个的各自的平均压痕模量。可以使用两个平均压痕模量确定多个钻屑的横切各向同性力学特性。可以在页岩地层中钻探井筒。多个钻屑可以包括多个页岩钻屑。可以基于纳米压痕测试的结果确定井筒的力学特性。可以基于井筒的力学特性来计划在井筒内的水力压裂操作，或者可以基于井筒的力学特性来计划用于在井筒附近钻探一个或多个其他井筒的钻探操作。这里描述的主题的某些方面可以被实现为一种方法。在地质地层中钻探井筒的同时，收集由钻探井筒产生的多个钻屑。在井筒钻探现场处，对多个钻屑中的每一个执行纳米压痕测试。在井筒表面处收集多个钻屑之后，不对每个钻屑进行处理。使用纳米压痕测试的结果来确定多个钻屑的力学特性。使用多个钻屑的力学特性来确定井筒的力学特性。该方面和其他方面可以包括以下一个或多个特征。多个钻屑可以包括多个页岩钻屑。为了执行纳米压痕测试，可以对所述多个钻屑中的每一个进行压痕操作至深度大于多个钻屑中的每一个的表面粗糙度。为了执行纳米压痕测试，可以将多个钻屑的每一个切分为两个钻屑部分。可以将与层理平面平行的方向上的纳米压痕力施加到两个部分中的第一部分，并且可以将与层理平面垂直的方向上的纳米压痕力施加到两个部分中的第二部分。这里描述的主题的某些方面可以被实现为一种方法。在地质地层中钻探井筒的同时，收集由钻探井筒产生的多个页岩钻屑。在井筒钻探现场处并且在钻探井筒的同时，对多个页岩钻屑中的每一个执行纳米压痕测试。对页岩钻屑执行纳米压痕操作包括对页岩钻屑压进行压痕操作至深度大于页岩钻屑的表面粗糙度。使用纳米压痕测试的结果来确定多个钻屑的力学特性。使用多个钻屑的力学特性来确定井筒的力学特性。该方面和其他方面可以包括以下一个或多个特征。可以将多个页岩钻屑中的每一个运输到井筒钻探现场处的纳米压痕测试设备，而不对每个钻屑进行任何中间处理。可以使用纳米压痕测试设备来执行纳米压痕。本说明书中描述的主题的一种或多种实现的细节在附图和以下描述中阐述。根据说明书、附图和权利要求书，本主题的其他特征、方面和优点将变得清楚。附图说明图1A是示出示例井筒钻探现场的侧视图的示意图。图1B是示出示例井筒钻探现场的俯视图的示意图。图1C是示例钻屑的示意图。图2是纳米压痕测试设备的示意图。图3A至图3F是由纳米压痕测试设备确定的示例性负载-位移曲线。图4是如在井间隔上捕获的横切各向同性力学参数的示例性测井记录。图5A至图5C是用于现场和实时确定井筒的力学特性的方法的流程图。在各个附图中，相同的附图标记和标记指示相同的元件。具体实施方式本公开描述了一种用于在钻探操作期间实时和现场表征井筒钻屑的材料特性的方法。当在钻探操作期间钻屑循环到井筒表面时，钻屑被导向振动台。从振动台上取下钻屑，并在现场执行纳米压痕测试，以确定力学特性。被测试的钻屑为未抛光的原始形式。尤其是，与用于抛光钻屑的类似测试相比，纳米压痕测试的执行深度更大。每个样品都要测试多次，并基于测试的平均值确定特性。可以从同一钻屑批次中采集多个样品，以验证测量结果或检查沿不同方向和平面的力学特性。纳米压痕已被确定为一种用于确定材料的力学特性——例如硬度和杨氏模量——的技术。通过将具有已知几何形状和力学特性的尖端压入材料表面中来执行纳米压痕。在压头加载，保持一段时间然后卸载的同时，记录施加的负载和尖端的深度。可以分析所得的负载-位移曲线，以便在达到最大负载后根据初始弹性卸载曲线确定卸载刚度。可以基于最大压痕深度估算投影的接触面积。根据这些值，可以确定压痕硬度和压痕模量。对于以横切各向异性弹性为特征的页岩等材料，压痕模量分别垂直于对称轴和平行于对称轴测量，并且可能与材料的五个弹性常数有关。岩层的两个杨氏模量的值都可以用于水力压裂模拟以及现场计划操作和优化。在页岩地层的情况下，沉积造成的页岩的横切各向同性产生了层理平面。岩石的表观硬度取决于与层理平面有关的压头力的方向。在一些实施方式中，可以基于模拟的水力压裂以及计划和优化的现场操作来对其中钻有井筒的地层进行水力压裂。在一些实施方式中，从钻屑实时捕获的力学参数可以与伽马射线一起使用或代替伽马射线用于地质导向操作，以在钻探过程期间引导钻头。用于纳米压痕的页岩样品的某些实验室制备方法包括首先使用碳化硅纸例如600和1200粗砂进行机械研磨，然后使用逐渐细化的金刚石悬浮液进行抛光，直至达到所需的表面粗糙度。标本可以用氩离子铣削进一步抛光以获得平坦的表面。另一种实验室样品制备方法包括将一组钻屑嵌入环氧树脂中，并且形成小块。例如，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n在井筒钻探现场处钻探的井筒的表面处，接收由于钻探所述井筒所产生的多个钻屑；/n在所述井筒钻探现场处，对所述多个钻屑中的每一个执行纳米压痕测试；以及/n在所述井筒钻探现场处，基于所述纳米压痕测试的结果，确定所述多个钻屑的力学特性。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170511 US 15/593,0991.一种方法，包括：
在井筒钻探现场处钻探的井筒的表面处，接收由于钻探所述井筒所产生的多个钻屑；
在所述井筒钻探现场处，对所述多个钻屑中的每一个执行纳米压痕测试；以及
在所述井筒钻探现场处，基于所述纳米压痕测试的结果，确定所述多个钻屑的力学特性。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个钻屑的力学特性包括所述多个钻屑的刚度横切各向同性特性。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米压痕测试被执行一段时间，并且其中，基于所述纳米压痕测试的结果确定所述多个钻屑的力学特性包括在所述一段时间内生成所述力学特性的测井记录。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述纳米压痕测试包括以范围在1毫牛顿(mN)和100mN之间的压痕负载对每个钻屑进行压痕操作。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述压痕负载以10的倍数增大或减小。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述纳米压痕测试包括对每个钻屑进行压痕操作至深度大于每个钻屑的表面粗糙度。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述深度为至少一微米。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述井筒的表面处所接收的多个钻屑处于未经处理状态，其中，在所述井筒钻探现场处对所述未经处理状态下的所述多个钻屑中的每个钻屑执行所述纳米压痕测试。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述多个钻屑中的钻屑执行纳米压痕测试包括：
将所述钻屑切分为两个钻屑部分；
将所述两个钻屑部分中的第一钻屑部分安装成层理平面平行于纳米压痕测试设备的压头力的方向；以及
将所述两个钻屑部分中的第二钻屑部分安装成层理平面垂直于纳米压痕测试设备的压头力的方向。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述钻屑执行所述纳米压痕测试包括：
对所述两个钻屑部分中的第一钻屑部分和所述两个钻屑部分中的第二钻屑部分中的每一个钻屑部分进行压痕操作至少五次；以及
响应于每个压痕操作生成压痕曲线，从而得到多个压痕曲线。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述井筒钻探现场处，基于所述纳米压痕测试的结果确定所述多个钻屑的力学特性包括：
根据每个压痕曲线确定压痕模量，从而得到对应的多个压痕曲线的多个压痕模量；以及
使用所述多个压痕模量，确定所述两个钻屑部分中的第一钻屑部分的第一平均压痕模量和所述两个钻屑部分中的第二钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯瑟琳·丽·赫尔，尤纳恩·N·阿布斯雷曼，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA