用来在钻探期间确定地层完整性和最佳钻探参数的方法

摘要

一种用来在井孔钻探期间确定地层完整性的方法，包括在井孔钻探期间确定在井孔中的环隙流体压力。环隙压力按预定量调整。将进入井孔中的钻探流体的流量与从井孔出来的钻探流体流量相比较。当相比较的流量相差为选定量时，由环隙压力确定地层孔隙压力和地层断裂压力中的至少一个。可选择地确定孔隙和/或断裂压力的方法包括：确定井孔对于调整的流体压力的响应；和由井孔响应确定最佳环隙流体压力。

说明书

技术领域

总体而言，本发明涉及穿过地下岩层钻井的领域。更具体地说， 本发明涉及用来在钻探期间确定和保持最佳井孔流体压力、和使用井 孔流体压力响应测量来确定地层完整性和最佳钻探操作参数的方法。

背景技术

从地下岩层中勘探油气和油气的生产要求装置到达岩层和从岩层 提取油气。这样的装置典型地是从地面到地下含油气岩层的井孔。井 孔使用钻具钻探。按其最简单形式，钻具是用来支撑钻头的装置，该 钻头安装在称作“钻杆组”的管子的端部上。钻杆组典型地由钻杆节或 类似管状段形成，这些钻杆节或类似管状段用螺纹端对端地连接。钻 杆组在地面处由钻具结构沿纵向支撑，并且可以由与钻具相联接的装 置转动，这些装置如顶部驱动、或凯利(kelly)/凯利方钻杆组件。由 基础流体-典型地水或油、和各种添加剂组成的钻探流体沿在钻杆组中 的中央开口向下泵送。流体穿过在转动钻头的本体中的开口离开钻杆 组，这些开口叫做“喷口”。钻探流体然后在井孔壁与钻杆组之间形成 的环形空间中向地面循环返回，将岩屑从钻头处带走，以便清理井孔。 钻探流体的组成还使得由钻探流体施加的流体压力典型地大于周围地 层流体压力，由此防止地层流体进入井孔以及井孔坍塌。然而，这样 的组成也必须保证，静压力不超过由井孔暴露的地层将破裂(断裂) 的压力。

在本技术领域中已知的是，由钻探流体施加的实际压力(“流体动 力学压力”)与其以上解释的组成、其流变性能-如粘度、及钻探流体 穿过钻杆组运动到井孔中的速率有关。在本技术领域中也已知的是， 通过对于钻探流体从井孔穿过环形空间的排出的适当控制，有可能在 钻杆组与井孔壁之间的环形空间中，施加超过静压力和动压力一个选 定量的压力。已经开发出被称为“动态环形压力控制”(Dynamic  Annular Pressure Control，DAPC)系统的多种钻探系统，这些系统进 行上述的流体排出控制。一种这样的系统公开在例如美国专利No. 6,904,981中，该美国专利颁发给van Riet，并且转让给本发明的受让 人。在‘981专利中公开的DAPC系统包括流体背压系统，在该流体背 压系统中，来自井孔的流体排出被选择性地控制以维持在井孔底部处 的选定压力，并且将流体沿钻探流体返回系统向下泵送，以在当关闭 泥浆泵(并且没有泥浆被泵送过钻杆组)时的时间期间维持环隙压力。 进一步提供压力监视系统，以监视探测的井孔压力、用于进一步钻探 的模型期望井孔压力，并且控制流体背压系统。美国专利No.7,395,878 描述了一种不同形式的DAPC系统，该美国专利颁发给Reitsma等人， 并且转让给本发明的受让人。

钻探流体的组成、和当使用时对于流体排出的补充控制-例如通过 使用DAPC系统，用于在钻探期间在井孔中提供选定流体压力。这样 的流体压力如以上解释的那样被选择成使得来自一定地下地层的孔隙 的流体压力不进入井孔，从而井孔在继续钻探操作期间保持力学稳定， 并且从而暴露的岩层在钻探操作期间不会因液压而断裂。具体地说， DAPC系统在钻探操作期间提供增强的控制在井孔中的流体压力的能 力，而不需要彻底地重新组成钻探流体。如在以上提到的各专利中所 解释的那样，使用DAPC系统也可以使穿过具有流体压力和断裂压力 的地层钻探井孔成为可能，从而仅使用配置的钻探流体和来自井孔的 非受控流体排出的钻探基本上是不可能的。

然而，正确井孔流体压力的选择，甚至当使用DAPC系统时，也 要求至少先期地估计被钻探地层的流体压力和断裂压力。在本技术领 域中已知的用来估计这样的压力的技术包括地震勘测和重力勘测的分 析。其它技术可以包括使用来自附近井孔的实际钻探测量结果和/或流 体压力测量结果，改进由地震和重力勘测进行的估计。无论用来估计 地层流体压力和断裂压力的技术是怎样的，在钻探井孔期间遇到的实 际流体压力和断裂压力可能与预测或估计的那些压力不同。流体压力 和断裂压力的不准确估计可能导致降低的钻探效率、增大的地层断裂 的危险、增大的井孔坍塌的危险、增大的钻探故障的危险-如钻杆卡在 井孔中、及增大的关于实际地层流体压力和断裂压力在不正确深度处 设置保护管或套管的危险。

需要在钻探的同时估计地层微孔流体压力和地层断裂压力的技 术，以便更好地定义用于正确套管深度选择的地层完整性和更好地选 择用于高效钻探的钻探操作参数。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用来在井孔钻探期间确定地层完整 性的方法包括在井孔钻探期间确定在井孔中的环隙流体压力。环隙压 力按预定量调整。将进入井孔中的钻探流体的流量与从井孔出来的钻 探流体流量相比较。当相比较的流量相差为选定量时，确定地层孔隙 压力和地层断裂压力中的至少一个。

根据本发明的另一个方面，一种用来在井孔钻探期间确定最佳钻 探操作参数的方法包括在井孔钻探期间确定在井孔中的环隙流体压 力。环隙压力按预定量调整。测量起吊载荷、钻杆组扭矩、进入井孔 中的钻探流体的流量及井孔的延长速率中的至少一个。在将接近井孔 底部的井孔环隙中的流体压力保持为大体恒定的同时，改变流量。重 复测量起吊载荷、钻杆组扭矩及延长速率中的至少一个。使用测得的 起吊载荷、钻杆组扭矩及延长速率，确定流量和井孔环隙压力的最佳 值。

通过如下描述和所附的权利要求书，本发明的其它方面和优点将 更为显明。

附图说明

图1示出井孔钻探单元的一个例子，该井孔钻探单元包括动态环 形压力控制(DAPC)系统。

图2示出由示范方法建立的地下岩层的孔隙压力和断裂压力以及 底部孔压力极限的一个例子。

图3示出由示范方法建立的地下岩层的孔隙压力和断裂压力以及 底部孔压力和力学极限的一个例子。

图4示出一种示范方法的流程图。

图5示出另一种示范方法的流程图。

具体实施方式

总体而言，根据本发明的方法在井孔钻探期间利用动态环形压力 控制(DAPC)系统，以在钻探期间将在井孔环隙中的流体压力调整 到选定值，并且测试井孔对于这样的调整的响应。测试井孔响应可以 包括确定流体是正在进入井孔或是从井孔失去。测试井孔响应也可以 包括确定钻探系统对于变化压力的响应，从而选择例如最佳流体压力 和钻探流体流量。

穿过地下岩层钻探井孔的钻探单元的例子在图1中示意性地示 出，该钻探单元包括动态环形压力控制(DAPC)系统。DAPC系统 的操作和细节可以大体上如在美国专利No.7,395,878中描述的那样- 该美国专利颁发给Reitsma等人并且转让给本发明的受让人，或者可 以如在美国专利No.6,904,981中描述的那样-该美国专利颁发给van  Riet并且转让给本发明的受让人。

钻探系统100包括称作钻具102的起重装置，该钻具102用来支 持穿过诸如在104处表示的之类的地下岩层的钻探操作。在钻具102 上使用的多个元件，如Kelly(或顶部驱动器)、动力夹钳、滑套、绞 车及其它设备，为了图示清楚起见，没有示出。所示的井孔106钻过 岩层104。钻杆组112悬挂在钻具102上，并且延伸到井孔106中， 由此在井孔壁与钻杆组112之间、和/或在套管101(当包括在井孔中 时)与钻杆组112之间形成环形空间(环隙)115。钻杆组112的功能 之一是将钻探流体150(表示在存储罐或料坑136中)输送到井孔106 的底部和输送到井孔环隙115中，该钻探流体150的使用是为了在这 里的背景技术章节中所解释的目的。

钻杆组112支承着靠近其下端部的底部孔组件(Bottom Hole  Assembly，“BHA”)113，该底部孔组件113包括钻头120，并且可以 包括泥浆马达118、传感器包119、单向阀(未示出)，该单向阀防止 钻探流体从环隙115回流到钻杆组112中。传感器包119例如可以是 边钻探边测量和边钻探边记录(Measurement While Drilling，Logging  while Drilling，MWD/LWD)传感器系统。具体地说，BHA 113可以 包括压力换能器116，以测量在靠近井孔106的底部的环隙115中的 钻探流体的压力。在图1中表示的BHA 113也可包括遥测发射器122， 该遥测发射器122可用来发射由换能器116得出的压力测量结果、 MWD/LWD测量结果及钻探信息，以在地面处被接收。包括压力数据 存储器的数据存储器可以设置在BHA 113中的方便位置处，用于在使 用遥测发射器122的数据发射之前，对测得的压力和其它数据(例如， MWD/LWD数据)加以临时存储。遥测发射器122可以例如是可控制 阀，该可控制阀调节钻探流体通过钻杆组112的流量，以产生在地面 处可探测的压力变化。压力变化可以被编码，以代表来自MWD/LWD 系统和压力换能器116的信号。

钻探流体150可以存储在储箱136中，所示的储箱136呈泥浆罐 或料坑的形式。储箱136与一个或多个泥浆泵138的进口流体连通， 这些泥浆泵138在操作中通过导管140泵送钻探流体150。可选择的 流量计152可以被设置成与一个或多个泥浆泵138相串联，或者在其 上游或者在其下游。导管140连接到适当地压力密封的旋转接头(未 示出)上，该旋转接头联接到钻杆组112的最上段(“接头”)上。在 操作期间，钻探流体150由泵138从储箱136中提升，泵送过钻杆组 112和BHA 113，并通过在钻头120中的喷嘴或路线(未示出)离开， 在该处，它流通以将岩屑从钻头120带走，并且通过环隙115将它们 返回到地面。钻探流体150返回到地面，并且通过钻探流体排出导管 124和选择性地通过各种平衡罐和遥测系统(未示出)，以最终返回到 储箱136。

用于环隙115的压力隔离密封按转动控制头的形式提供，该转动 控制头形成防喷器(Blowout Preventer，“BOP”)142的一部分。钻杆 组112穿过BOP 142和与其关联的转动控制头。当被致动时，在BOP 142上的转动控制头绕钻杆组112密封，隔离其下面的流体压力，但 仍然使得钻杆组能够转动和纵向运动。可选择地，转动BOP(未示出) 可以为了基本上同一目的被使用。压力隔离密封形成背压系统的一部 分，该背压系统用来维持在环隙115中的选定流体压力。

随着钻探流体返回到地面，它通过在压力隔离密封(转动控制头) 下面的侧出口到达背压系统，该背压系统配置用以提供对于在环隙 115中的钻探流体的可调整背压。背压系统包括可变节流装置，该可 变节流装置适当地呈现为耐磨损节门130的形式。将认识到，存在有 设计成在如下环境下操作的节门：钻探流体150包含大部分钻屑和其 它固体。节门130是一种这样的类型，并且还能够在可变压力、流量 下及通过多个工作循环操作。

钻探流体150离开节门130，并且流过可选择流量计126，以被引 导过一个可选择的脱气器1和固体分离设备129。脱气器1和固体分 离设备129设计用于从钻探流体150中除去过多气体和其它污染物， 包括钻屑。在通过固体分离设备129之后，钻探流体150返回到储箱 136。

流量计126可以是质量平衡型或其它高分辨率流量计。压力传感 器147可以选择性地设置在钻探流体排出导管124中，在可变节流装 置(例如，节门130)的上游。除背压传感器147之外，与流量计126 相似的流量计可以放置在背压装置131的上游。包括压力监视系统146 的背压控制装置用于监视对于环隙压力相关的数据，并且将控制信号 至少提供给背压系统131和选择性也提供给注入流体注入系统，并且/ 或者提供给主泵。

一般地说，为得到接近井孔106的底部的期望环隙压力要求的背 压，可通过如下方式确定：在选定时间得到关于在BHA 113附近在环 隙115中的钻探流体的现有压力的信息-该压力称作底部孔压力 (Bottom hole Pressure，BHP)、将该信息与期望的BHP相比较、并 使用在它们之间的差来确定设置点背压。设置点背压用来控制背压系 统，以便建立接近设置点背压的背压。使用液压模型和钻探流体在它 被泵送到钻杆组中时的压力、和钻探流体被泵送到钻杆组中的速率的 测量结果(例如，使用流量计或关于柱塞型泥浆泵典型地提供的“行程 计数器”)，可以确定与在靠近BHA 113的环隙115中的流体压力有关 的信息。使用由压力换能器116得出的测量结果，可以定期地检查和/ 或校准如此得到的BHP信息。

在注入流体供给源143通路中的注入流体压力代表比较准确的指 示量，该比较准确的指示量用于在注入流体被注入到钻探流体间隙中 的深度处在钻探流体间隙中的钻探流体压力。因此，在注入流体供给 通路中任何处，例如在156处，由注入流体压力传感器产生的压力信 号可适当地用来提供输入信号，该输入信号用来控制背压系统，并且 用来监视在井孔环隙115中的钻探流体压力。

如果希望，则压力信号对于注入流体柱的密度，并且/或者对于动 态压力损失，可以选择性地被补偿，以便得到在钻探流体返回通路中 在注入流体被注入到钻探流体间隙中的深度处注入压力的准确值，该 动态压力损失例如可能产生在注入流体中，在注入流体供给通路中的 注入流体压力传感器与到钻探流体返回通路中的注入发生处之间。

在注入流体供给通路141中注入流体的压力有利地用来得到与用 来确定当前底部孔压力相关的信息。只要注入流体正在注入到钻探流 体返回流中，在注入深度处的注入流体的压力就可假定与在注入点 144处的钻探流体压力相等。因而，由注入流体压力传感器156所确 定的压力可有利地用来产生压力信号，该压力信号用作用来控制或调 节背压系统的反馈信号。

应该注意，对于井下压力的静态影响的变化-该变化由注入流体注 入速率的可能变化生成，由背压装置的上述受控重新调整密切接近地 补偿。因而通过按照本发明控制背压装置，在钻孔中的流体压力几乎 独立于注入流体注入的速率。

使用与注入流体压力相对应的压力信号的一种可能途径是控制背 压系统，从而在整个钻探或完井操作期间，将注入流体压力维持在一 定适当恒定值上。当注入点144密切靠近钻孔的底部时，精度被提高。

当注入点144不是如此靠近井孔106的底部时，在注入点144与 井孔106的底部之间伸展的钻探流体返回通路的部分上的压差的数值 优选地被建立。为此，可利用液压模型，如下面将描述的那样。

在一个例子中，在注入流体注入点与井孔的底部之间延伸的井孔 106的下部部分中的钻探流体返回通路中的钻探流体的压力差，可使 用液压模型尤其是考虑到井的几何形状而计算。因为液压模型一般仅 用来计算在井孔的比较小段上的压力差，所以预期精度比当必须计算 在整个井孔长度上的压力差时要好得多。

在本例子中，背压系统131可设有背压泵128，该背压泵128与 井孔环隙115和节门130并联地流体连通，以对于在节流装置130上 游在钻探流体排出导管124中的钻探流体进行加压。背压泵128的进 口经导管119连接到钻探流体源上，该钻探流体源可以是储箱136。 断流阀125可以设置在导管119A/B中，以将背压泵128与钻探流体 源隔离。可选择地，可以提供阀123，以选择性地将背压泵128与钻 探流体排出系统隔离。

背压泵128可用来保证，通过节门130的流量是充分的以便能够 维持背压，即使当来自井孔环隙115的、用以维持在节门130上的压 力的流量不足时，也是如此。然而，在某些钻探操作中，当钻探流体 150经钻杆组112的循环速率减小或中断时，常常可能只要通过减小 注入流体注入速率而增加在井孔环隙的上部部分149中包含的流体的 重量就足够了。

在本例子中的背压控制系统可产生控制信号，该控制信号用于背 压系统，不仅适当地调节可变节门130，而且也适当地调节背压泵128 和/或阀123。

在本例子中，钻探流体储箱136除泥浆罐或料坑之外包括控制罐 (trip tank)2。控制罐通常用在钻具上，以在钻杆组进出井孔106的 运动(称作“脱开操作”)期间监视钻探流体增益和损失。注意，当使 用多相流体系统时，如以上描述的涉及气体到钻探流体返回流中的注 入，不能过度地使用控制罐，因为当注入气体压力放出时，井孔106 可能常常保持成活的，或者在井中的钻探流体液位下降。然而，在本 实施例中，例如对于其中将高密度钻探流体被向下泵送而不是高压井 的情形，保持控制罐的功能性。

阀歧管可以设置在背压系统131的下游，以实现储箱的选择，从 井孔106返回的钻探泥浆被引导到该储箱。在本例中，阀歧管可包括 两通阀5，允许钻探流体从井返回或者被引导到泥浆料坑136或控制 罐2。

阀歧管也可以包括两通阀125，该两通阀125设置用于将钻探流 体150从储箱136经导管119A或从储箱2经导管119B进给到背压泵 128，该背压泵128选择性地设置成与钻探流体返回通路115和节门 130并联流体连通。

在操作中，阀125将被操作以选择导管119A或导管119B，并且 背压泵128被啮合，以保证足够流量通过节门系统以能够维持背压， 即使当没有来自环隙115的流量时也是如此。不像在钻杆组内的钻探 流体通路，注入流体供给通路可优选地专用于一项任务，这项任务是 将用于注入的注入流体供给到钻探流体间隙中。这样，其与注入流体 的静和动相互作用在操作期间可准确地确定和保持恒定，从而可准确 地建立注射流体的重量和在供给通路中的动态压力损失。

以上参照图1的钻探系统的描述是用于提供使用DAPC系统钻探 井孔的一个例子，该DAPC系统能够保持在井孔106的底部附近的选 定环隙流体压力，即以上描述的BHP。这样的系统可以包括液压模型， 该液压模型，如以上解释的那样，将钻探泥浆150的流变性质、泥浆 流入井孔的速率、井孔和钻杆组构造、在排出导管上的压力、及如果 可得到则还有靠近井孔的底部的环隙流体压力(例如，来自换能器 116)的测量结果用作输入量，以补充由液压模型进行的计算或使所述 计算精确化。

在根据本发明的方法中，DAPC系统可以按特定方式操作，以在 钻探操作正在进行的同时提供地层完整性的测量，并且也可以按特定 方式操作，以提供钻探操作参数的最佳值的指示。这里使用的“钻探操 作参数”用于指代在钻具的操作人员的控制内的参数，并且可以包括例 如施加到钻头120上(通过将钻杆组112的轴向负载的一部分施加到 钻头120上)的轴向力。钻探操作参数也可以包括施加的扭矩量，该 扭矩用以按选定速度转动钻杆组112。钻探操作参数也可以包括钻探 流体150运动到钻杆组中的速率(例如通过监视流量计152而测量) 和选定BHP。

现在参照图2，将解释在岩层(例如在图1的104)的孔隙中的地 层流体压力(“孔隙压力”)与流体压力(“断裂压力”)之间的关系， 以表明本发明的一种示范方法，该流体压力(“断裂压力”)如果在井 孔中存在，则可引起地层的破坏或断裂。如以上解释的那样，钻探流 体(在图1中的150)运动通过钻杆组(在图1中的112)，以使钻屑 循环和在环隙(在图1中的115)中提供流体压力。在环隙(在图1 中的115)中需要流体压力以防止在一定可透过岩层中的孔隙中的流 体进入井孔(在图1中的106)，并且防止井孔的凹陷或坍塌。这样的 功能通过提供具有选定密度的钻探流体，并且例如像在Reitsma等人 的‘878专利中解释的那样，借助于通过节门操作、流体注入及背压施 加的组合控制在钻探流体排出导管中的压力(例如，通过使用背压系 统)而进行。相反，在井孔环隙中的流体压力决不许可超过断裂压力， 否则作为超过断裂压力的结果，钻探流体将损失在经受断裂的地层中。

一般而言，据信，在地下任何特定地层的地层断裂压力与在地下 特定地层以上的岩层的重量(叫做“过载”)有关，并且与在地层的孔 隙中的流体压力(“孔隙压力”)有关。在图2中的曲线表示，预期的 断裂压力一般相对于地下的深度而增大。地层孔隙压力由曲线10表 示。一般地，地层压力相对于深度而增大，然而，已知的是，一定地 层可能具有的孔隙压力低于在其上方的地层的孔隙压力。这样的情形 由在约9,900英尺深度处开始的曲线10反映。在图2中表示的压力关 系例如在美国墨西哥湾中的地下岩层中是常见的，在该处，具有在静 盐水压力梯度以上的孔隙压力的地层(叫做“过压地层”)，由具有依次 较接近静盐水压力梯度的孔隙压力的地层埋在下面。在图2中表示的 情形称作“孔隙压力反向”。在图2中明显的是，断裂压力不再相对于 深度线性地增大。如果在预期中BHP(由钻探流体密度和背压生成) 保持成比实际存在的高的断裂压力，则地层可能断裂。将认识到，在 图2中所示的曲线按压力单位画出。在图2中所示的曲线在本技术领 域中也已知的是按照压力梯度画出。压力梯度典型地按等效钻探流体 密度(“泥浆重量”)的单位表达；在油气井孔钻探技术中已知的这样 的单位包括每加仑钻探流体的磅重量(ppg)。

在图2的曲线图中的曲线可以在钻探井孔的开始之前估计。这样 的估计例如可以通过估计岩层相对于深度的重量的重力和地震勘测的 分析、和估计流体压力的地震勘测的速度分析而进行。这样的技术在 本技术领域中是公知的。可以得到的其它信息，如来自附近井孔的地 层流体压力试验和钻探记录，可以用来改进由重力和地震勘测进行的 估计。本发明打算在钻探操作正在进行的同时，进一步改进断裂压力 和孔隙压力的估计。

例如，在诸如图2中表示的之类的情形下井孔建造的重要元素是 将管或套管(例如，在图1中的101)放置到正确深度，以保护经受 断裂的地层，并且尽可能多地液压隔离其中具有较低流体压力的地层， 以避免通过不同压力的作用将钻杆组卡在井孔中。正确套管深度尤其 与暴露地层的孔隙压力和暴露地层的断裂压力有关。

在根据本发明的一种示范方法中，DAPC系统，例如像以上参照 图1解释的那样，在钻探期间操作，以将底部孔压力增大到选定设置 点以上。增大底部孔压力例如可以由增大泥浆泵(在图1中的138) 的泵送速率、增大来自注入泵(在图1中的143)的流体注入速率、 减小节门(在图1中的130)的孔口及操作背压泵(在图1中的128) 的任何组合而进行。DAPC系统可以操作，以按选定增量增大压力， 例如按100磅每平方英寸(psi)或按其它选定增量。随着底部孔压力 渐次增大，将进入(“流入”)井孔中的钻探流体体积或质量流量的测 量值-例如使用流量计(图1中的152)、或者在泥浆泵(在图1中的 138)是往复柱塞泵的场合使用“行程计数器”，将流出(“流出”)井孔 的钻探流体体积或质量流量的测量值-例如使用流量计126-相比较。正 在离开井孔的钻探流体比正在泵送到井孔中的钻探流体小一个选定阈 值量或小得更多的指示，可以被推断为是底部孔压力处在断裂压力处 或其附近的指示。这样的指示可以用来建立用于底部孔压力的安全上 限，例如沿图2中的曲线13。

DAPC系统也可以操作，以选择性地减小底部孔压力。这样的减 小也可以按选定减量进行，例如按100psi进行。对于每个减量，进行 流出和流入的测量并且对测量结果加以比较。流出的测量值超过了流 入的测量值在选定阈值量以上或超过得更多，可以指示流体进入井孔 中，因为底部孔压力不足。这样的确定可以用来建立底部孔压力的安 全下限，例如沿图2中的曲线11。

以上过程可以在井孔的主动钻探期间进行(即，当井孔由于钻头 的动作而被延长时)。如由本领域的技术人员将认识到的那样，随着钻 探继续，可能接近这样一个深度，在该深度处，可能接近最低安全压 力或者超过最高安全压力。在这样的深度处，典型必要的是，将管或 套管设置在井孔中，以保护暴露的地下岩层，从而钻探可安全地继续。 与依赖钻探前估计相反，通过在井孔的钻探期间进行最大和最小安全 压力确定，预期的是，可以到达最大可能套管深度。通过使用上述技 术确定最大可能套管深度，有可能避免对井孔有不利影响的两种情况。 首先，可以避免将套管设置得太浅。将套管设置得太浅，会具有使得 套管深度下面的地层被暴露的效果，这些地层因为地层状态，如以上 描述的孔隙压力反向、或孔隙压力梯度的巨大增加，不能安全地钻探。 在这样的情况下，将需要的是，在现有套管内同轴地设置辅助套管。 这样的辅助同轴套管会显著地减小井孔的可能直径，并且降低井孔的 最终生产能力。可以避免的另一种情况是，由被钻探的地层的断裂破 坏造成的地下喷射或井孔损失。以上描述的方法通过确定最佳可能套 管深度，可帮助井孔操作人员使上述两种情况的可能性最小化。

参照图4，上述过程的流程图包括如下步骤。在40处，钻探操作 在进行中，并且井孔正在被进行钻探。在42处，可以操作DAPC系 统(图1)，以使在环隙(图1中的115)中的压力按选定量增大。在 44处，将流入与流出相比较。如果流出大体与流出相同，则操作DAPC 系统，从而再增大环隙压力。重复以上步骤，直到在46处，有指示表 明：流出小于流入。在这时接近井孔底部的环隙压力将也在46处用来 建立在井孔底部处的安全最大流体压力(“底部孔压力”或“BHP”)。

相反，并且在图4中的48处，可以操作DAPC系统，以按选定 减量减小压力。在50处，比较流入和流出的测量。也在50处，如果 流入和流出大体相同，则可操作DAPC系统，以进一步减小BHP。以 上步骤继续，直到在50处，流出显得超过流入。在52处，在这样的 情况下，在这时确定的BHP可以用来建立安全压力下限。

现在参照图3解释本发明的另一个方面。图3分别包括孔隙压力 曲线和断裂压力曲线10和11，这些曲线大体与以上参照图2描述的 那些相同。由曲线11和13表示的压力极限也大体上与在图2中的相 同。下面将进一步解释在井孔中可安全维持的最大和最小压力，该最 大和最小压力在曲线14和15处。在本例中，在钻探期间可以确定用 于一定钻探操作参数(如上地定义)的最佳值。参照在图5中的流程 中，在60处，井孔钻探操作在进行中，并且钻探继续前进。在62处， 操作DAPC系统，以增大压力。在64处，测量一定钻探操作参数， 如“起吊载荷”(由钻具悬挂的钻杆组的重量)、施加到钻杆组上的扭矩 量、及流入速率。也可测量钻探响应参数，如井孔延长的速率(“穿透 速率”Rate of Penetration，或“ROP”)。在某些例子中的以上增大和测 量可以重复，直到得到断裂压力的指示(如以上参照图2和4解释的 那样)。在66处，可以操作DAPC系统，以减小压力。在68处，可 以测量钻探操作参数，如扭矩、起吊载荷、流入、及诸如ROP之类 的响应参数。在某些实施例中这样的减小和测量可以重复，直到得到 孔隙压力的指示(如参照图2和4解释的那样)。

在70处，可以调节流入，例如通过减小将泥浆泵送到钻杆组中的 速率。本领域的技术人员应该认识到，流入普通地应该至少保持成， 从井孔的底部提升钻屑需要的量(“孔清理”下限)。在正在调节流量的 同时，DAPC系统应该操作以保持BHP大体恒定。在72处，可以测 量起吊载荷、扭矩、及ROP。可以对于流入速率的范围重复上述步骤。

在BHP和流入的选定值处进行的上述测量结果可以被分析，以提 供一定钻探操作参数的最佳值，如流入和BHP，从而使钻探响应参数 最大化，所述钻探响应参数例如是ROP。以上分析也可以提供流入(和 因此输送到钻头的液压马力)的最小值，该最小值符合安全钻探操作。 上述测量，即增大和减小BHP，如果如以上解释的那样延伸到压力极 限，则可能实现确定井孔的最大和最小机械压力极限，例如沿图5中 的曲线14和15。在最一般的意义上，本发明的各个例子包括调节BHP 和确定井孔对于这样的调整的响应。“井孔的响应”或“井孔响应”用作 一般术语，以指示地层孔隙压力和断裂压力确定和钻探响应(例如， 在其它钻探操作参数保持恒定的情况下ROP的变化)。

使用根据本发明的各个方面的方法，可以提供井孔套管深度的更 良好的确定和更高效的钻探。

尽管已经通过有限数量的实施例对本发明做了描述，但本领域的 技术人员在受益于本发明时将认识到，可以设计出不脱离本文所公开 的本发明的范围的其它实施例。相应地，本发明的范围仅由所附权利 要求书限定。