一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法

摘要

本发明公开了一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，包括：步骤100、定量表征Eaton指数不确定性；步骤200、定量表征正常压实趋势线不确定性；步骤300、基于步骤100的Eaton指数不确定性定量表征和步骤200的正常压实趋势线不确定性定量表征，定量表征地层孔隙压力不确定性。在本方案中，分别对Eaton指数和正常压实趋势线的不确定性进行了定量描述，在此基础上，建立了地层孔隙压力不确定性量化表征方法，使得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

说明书

技术领域

本发明涉及深井复杂地层钻井技术领域，特别涉及一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法。

背景技术

随着钻井向深井复杂地层以及深水迈进，钻井过程中遇到的地质环境越来越复杂，在实际钻井工程中，由于钻井工程施工作业的特殊性，以及受地质条件的不确定性、作业环境因素的复杂性、施工方法和设计参数的变异性等多方面的影响，这就导致在钻井作业施工过程中会不时地碰到很多不确定因素，导致地层压力预测结果涉及不同程度的分散性或不确定性。因此，获取的钻井资料的准确性越来越难以保证，而且现有的地层压力预测模型无法满足复杂地质条件下地层压力预测的需求，往往得到的地层压力预测结果与实际井底压力之间存在较大的误差。现有的地层孔隙压力预测模型，主要分为基于正常压实趋势线的方法，如Eaton法和有效应力法，以及基于岩石物理学模型的方法，如岩石强度法等。模型中某些参数的获取很困难甚至无法获得，常规的做法是根据经验主观设定模型参数，这就给地层压力的预测结果造成较大的误差。

Eaton法是钻井常用的地层孔隙压力计算方法，针对欠压实引起的异常压力预测具有较好的效果。根据地层孔隙压力Eaton法预测计算模型可知，应用其方法的难点是如何确定Eaton指数和建立正常压实趋势线。Eaton指数是一个与地区及地质年代有关的系数。现在一般的做法是在一个区块，统一使用一个定值进行计算，这样会产生较大误差。另外，建立正常压实趋势线，需要设定正常压实区间段以及选取纯泥、页岩层，由于人为设定的局限性和主观性，致使所得到的正常压实趋势线含有不确定性。因此，由于Eaton指数和正常压实趋势线不确定性，最终会导致地层孔隙压力具有不确定性，不能精确映射地层实际压力信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，能够分别对Eaton指数和正常压实趋势线的不确定性进行了定量描述，在此基础上，建立了地层孔隙压力不确定性量化表征方法，使得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，包括：

步骤100、定量表征Eaton指数不确定性；

步骤200、定量表征正常压实趋势线不确定性；

步骤300、基于步骤100的Eaton指数不确定性定量表征和步骤200的正常压实趋势线不确定性定量表征，定量表征地层孔隙压力不确定性。

优选地，在所述步骤100中，定量表征Eaton指数不确定性，包括：

步骤110、基于Fillippone法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述。

优选地，在所述步骤110中，基于Fillippone法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述，包括：

步骤111、Fillippone预测地层孔隙压力：

基于Fillippone地层压力预测模型，结合从地震体中提取的过井地震层速度数据，计算纵向上沿井深全井段的地层孔隙压力值；

步骤112、反算Eaton指数值：

将上一步计算得到的全井段地层孔隙压力结果代入Eaton公式中，反算得到纵向上任意井深位置上的Eaton指数值，计算公式如下：

步骤113、Eaton指数概率分布状态分析：

将上一步计算得到的全井段Eaton指数值作为分析样本，进行概率分布拟合分析，概率密度函数和累积概率分布函数表达式：

步骤114、Eaton指数概率分布函数确定：

当Eaton指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

则地层孔隙压力的概率密度及累积概率密度分布：

式中，a＝y

优选地，在所述步骤100中，定量表征Eaton指数不确定性，包括：

步骤120、基于有效应力法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述。

优选地，在所述在步骤120中，基于有效应力法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述，包括：

步骤121、基于有效应力求取全井段的地层孔隙压力；

步骤122、反算Eaton指数值：

将上一步计算得到的全井段地层孔隙压力结果代入Eaton公式中，反算得到纵向上任意井深位置上的Eaton指数值，计算公式如下：

步骤123、Eaton指数概率分布状态分析：

将上一步计算得到的全井段Eaton指数值作为分析样本，进行概率分布拟合分析，概率密度函数和累积概率分布函数表达式：

步骤124、Eaton指数概率分布函数确定：

当Eaton指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

则地层孔隙压力的概率密度及累积概率密度分布：

式中，a＝y

优选地，在所述步骤200中，定量表征正常压实趋势线不确定性，包括：

基于概率统计分析理论定量描述正常压实趋势线不确定性。

优选地，所述基于概率统计分析理论定量描述正常压实趋势线不确定性，包括：

步骤210：选取起始井段的第一个数据关键点X

步骤220：选择起始井段第n个数据点Xn与终止井段第一个数据点Y

步骤230：选择起始井段第n个数据点Xn与终止井段第m个数据点Ym之间的井段为正常压实趋势线的之间为线性回归区间，建立正常压实趋势线TLn,m；

在经过步骤210、步骤220和步骤230后，最终得到n×m个正常压实趋势线集合：{TL

当K指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

可得地层孔隙压力的概率密度及累积概率分布：

式中，a＝y

优选地，在所述步骤300中，定量表征地层孔隙压力不确定性，包括：

根据蒙特卡洛模拟方法定量表征地层孔隙压力不确定性。

优选地，所述根据蒙特卡洛模拟方法定量表征地层孔隙压力不确定性，包括：

步骤310、Eaton指数和正常压实趋势线概率分布确定：

分别建立Eaton指数和正常压实趋势线(斜率与截距，即K指数)概率分布函数f

步骤320、随机数样本集合建立：

生成符合Eaton指数和正常压实趋势线(斜率与截距，即K指数)各自概率分布特性的随机数样本集合X

步骤330、地层孔隙压力样本集合建立：

将上一步产生的随机数代入Eaton公式，计算得到纵向上沿井深任意深度位置h上的地层孔隙压力样本集合Y

步骤340、地层孔隙压力不确定性定量表征：

对地层孔隙压力集合Y

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，具有以下的有益效果：

1、Eaton指数是一个与地区及地质年代有关的系数，相较于传统的做法是在一个区块统一使用一个定值进行计算，这样会产生较大的误差；本发明对Eaton指数不确定性进行定量描述，得到Eaton指数概率分布状态，避免了根据经验主观设定模型参数给地层压力预测结果造成的误差；

2、现有的正常压实趋势线建立方法，通过主观设定正常压实区间拟合得到一条正常压实趋势线；由于钻井地质环境的复杂性、地震测井等相关解释资料的模糊性，和人为判断的主观性等，使得构建的正常压实趋势线存在不确定性；本发明提出了描述正常压实趋势线不确定性方法，避免了人为设定的局限性和主观性；

3、本发明建立了一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的地层孔隙压力预测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的Eaton指数不确定性描述的流程图；

图3为本发明实施例提供的正常压实趋势线不确定性定量表征的流程图；

图4为本发明实施例提供的构建正常压实趋势线斜率与截距统计样本库的示意图；

图5为本发明实施例提供的地层孔隙压力不确定性定量表征的流程图；

图6为本发明实施例提供的XX井置信度为90％的地层孔隙压力区间剖面。

具体实施方式

本发明公开了一种考虑Eaton指数和正常压实趋势线不确定性的地层孔隙压力预测方法，分析了地层孔隙压力Eaton法预测计算模型中不确定性来源，由于Eaton指数和正常压实趋势线的不确定性，最终会导致地层孔隙压力具有不确定性，不能精确映射地层实际压力信息；分别对Eaton指数和正常压实趋势线的不确定性进行了定量描述，在此基础上，建立了地层孔隙压力不确定性量化表征方法。得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，如图1所示，包括：

步骤100、定量表征Eaton指数不确定性；

步骤200、定量表征正常压实趋势线不确定性；

步骤300、基于步骤100的Eaton指数不确定性定量表征和步骤200的正常压实趋势线不确定性定量表征，定量表征地层孔隙压力不确定性。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，具有以下的有益效果：

1、Eaton指数是一个与地区及地质年代有关的系数，相较于传统的做法是在一个区块统一使用一个定值进行计算，这样会产生较大的误差；本发明对Eaton指数不确定性进行定量描述，得到Eaton指数概率分布状态，避免了根据经验主观设定模型参数给地层压力预测结果造成的误差；

2、现有的正常压实趋势线建立方法，通过主观设定正常压实区间拟合得到一条正常压实趋势线；由于钻井地质环境的复杂性、地震测井等相关解释资料的模糊性，和人为判断的主观性等，使得构建的正常压实趋势线存在不确定性；本发明提出了描述正常压实趋势线不确定性方法，避免了人为设定的局限性和主观性；

3、本发明建立了一种考虑模型参数不确定性的地层孔隙压力预测方法，得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

在本方案中，在所述步骤100中，定量表征Eaton指数不确定性，包括：

步骤110、基于Fillippone法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述。需要说明的是，采用上述方法定性描述Eaton指数的不确定，以便于得到Eaton指数概率分布状态，避免了根据经验主观设定模型参数给地层压力预测结果造成的误差。

需要进一步说明的是，一口井钻前能够得到解释资料只有地震层速度数据，所以钻前压力预测主要是基于地层层速度资料。具体地，如图2所示，在所述步骤110中，基于Fillippone法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述，包括：

步骤111、Fillippone预测地层孔隙压力：

基于Fillippone地层压力预测模型，结合从地震体中提取的过井地震层速度数据，计算纵向上沿井深全井段的地层孔隙压力值；

步骤112、反算Eaton指数值：

将上一步计算得到的全井段地层孔隙压力结果代入Eaton公式中，反算得到纵向上任意井深位置上的Eaton指数值，计算公式如下：

步骤113、Eaton指数概率分布状态分析：

将上一步计算得到的全井段Eaton指数值作为分析样本，进行概率分布拟合分析，概率密度函数和累积概率分布函数表达式：

需要说明的是，大量的生产与科学实验表明，很多与生产与科学相关的随机变量的概率分布都可以近似地用正态分布来描述。根据层序地层学原理，同一区块同一层组内，岩性和地质状况相似、差别不大，地质参数满足正态分布。Eaton指数是反映地层地质状况的一个参数，因此在同一区块、同一层组深度范围内，Eaton指数的数值虽然具有随机性、模糊性，但是其值相差不大，散落在一个定值(均值)附近的分布区间内(方差)，因此也可以用正态分布状态来描述Eaton指数的概率。

步骤114、Eaton指数概率分布函数确定：

当Eaton指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

则地层孔隙压力的概率密度及累积概率密度分布：

式中，a＝y

为了进一步优化上述的技术方案，在所述步骤100中，定量表征Eaton指数不确定性，包括：

步骤120、基于有效应力法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述。

具体地，如图2所示，在所述在步骤120中，基于有效应力法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述，包括：

步骤121、基于有效应力求取全井段的地层孔隙压力；

步骤122、反算Eaton指数值：

将上一步计算得到的全井段地层孔隙压力结果代入Eaton公式中，反算得到纵向上任意井深位置上的Eaton指数值，计算公式如下：

步骤123、Eaton指数概率分布状态分析：

将上一步计算得到的全井段Eaton指数值作为分析样本，进行概率分布拟合分析，概率密度函数和累积概率分布函数表达式：

需要注意的是：Eaton指数是一个与地质构造、地质年龄以及地层岩性有关的参数，因此在进行Eaton指数概率统计分析时，对于地质年龄或地层岩性差别明显的情形，要充分考虑地质构造和地层情况，结合地质分层信息对Eaton指数进行分层组统计分析；

步骤124、Eaton指数概率分布函数确定：

当Eaton指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

则地层孔隙压力的概率密度及累积概率密度分布：

式中，a＝y

为了进一步优化上述的技术方案，在所述步骤200中，定量表征正常压实趋势线不确定性，包括：

基于概率统计分析理论定量描述正常压实趋势线不确定性。需要说明的是，如此设计，以规避了人为设定的局限性和主观性，以及相关解释资料的模糊性。

在本方案中，对于定量描述正常压实趋势线不确定性，需要首先选取纯泥岩段作为正常压实趋势线建立的区间，同时在区间内定义两个井段：起始井段含有n个数据点(X

步骤210：选取起始井段的第一个数据关键点X

步骤220：选择起始井段第n个数据点X

步骤230：选择起始井段第n个数据点Xn与终止井段第m个数据点Ym之间的井段为正常压实趋势线的之间为线性回归区间，建立正常压实趋势线TLn,m；

在经过步骤210、步骤220和步骤230后，最终得到n×m个正常压实趋势线集合：{TL

需要说明的是，由Eaton公式可知，计算点对应的正常压实趋势线的参数值是斜率与截距组成的一次函数，根据概率统计学理论可知，根据斜率与截距的概率分布得到具有相同分布的计算点对应的正常压实趋势线的参数值，最终得到具有一定概率分布特征的K指数。在正常压实段内，建立的正常压实趋势线的斜率与截距差别不大，正态分布拟合效果良好，因此一般设定K指数满足正态分布；

当K指数在区间[-∞,+∞]成正态分布时：

则得到地层孔隙压力的概率密度及累积概率分布：

式中，a＝y

在本方案中，在所述步骤300中，定量表征地层孔隙压力不确定性，包括：

根据蒙特卡洛模拟方法定量表征地层孔隙压力不确定性。需要说明的是，如此设计，以使得出的地层孔隙压力预测结果不再是一条单一的曲线或数值，而是一个区间，这样作对于复杂地质环境下的钻井来说更具有实际意义。

具体地，如图5所示，所述根据蒙特卡洛模拟方法定量表征地层孔隙压力不确定性，包括：

步骤310、Eaton指数和正常压实趋势线概率分布确定：

分别建立Eaton指数和正常压实趋势线(斜率与截距，即K指数)概率分布函数f

步骤320、随机数样本集合建立：

生成符合Eaton指数和正常压实趋势线(斜率与截距，即K指数)各自概率分布特性的随机数样本集合X

步骤330、地层孔隙压力样本集合建立：

将上一步产生的随机数代入Eaton公式，计算得到纵向上沿井深任意深度位置h上的地层孔隙压力样本集合Y

步骤340、地层孔隙压力不确定性定量表征：

对地层孔隙压力集合Y

下面结合图表和实施例对本发明进行详细的描述：

川南工区是近几年中石化页岩气勘探开发的主战场，目前在加大开发力度过程中，存在一定的问题，突出表现为钻井过程中频繁出现涌、漏、塌、卡等各种井下复杂情况和工程风险。根据工区前期钻井实践经验总结分析，该工区钻井风险问题突出原因之一是苛刻复杂地质环境下地层压力预测难度大，由于钻前预测压力与井下实际压力之间存在较大误差，其原因之一是地质环境复杂下地层压力预测结果的不确定性较大，结果存在较大的不确定度；对地层压力认识不清，导致井身结构针对性和钻井液密度设计精确性差，最终使得钻井施工过程中工程风险事件发生概率较高处理难度大，严重制约了高效、安全钻井。具体地，对川南工区XX井地层孔隙压力进行不确定性量化表征，主要分析步骤如下：

(1)、分层组构建XX井Eaton指数概率分布，结果如表1所示：

表1(XX井分层Eaton指数概率分布特征参数)

(2)、正常压实深度范围设定为650-880m，起始区间深度范围设定为650-680m，终止区间深度范围设定为850-880m，构建样本库；分别得到正常压实趋势线斜率与截距的概率分布，概率分布特征参数如表2所示，继而得到正常压实趋势线(K指数)的概率分布。

表2(XX井正常压实趋势线斜率与截距概率分布特征参数)

(3)、基于地层孔隙压力不确定性定量表征方法，通过编程最终计算得到了置信度为90％的地层孔隙压力区间剖面，如图6所示；与实测压力进行对比结果显示：地层孔隙压力实测值均在建立的地层压力概率化分布区间范围内，证明建立的地层孔隙压力不确定性量化表征方法能够很好地反映地层压力实际情况。

综上所述，根据地层孔隙压力Eaton法预测计算模型可知，应用其方法的难点是如何确定Eaton指数和建立正常压实趋势线。因此，由于Eaton指数和正常压实趋势线的不确定性，最终会导致地层孔隙压力具有不确定性，不能精确映射地层实际压力信息。首先，基于Fillippone法与Eaton法联合的方法进行Eaton指数的不确定性描述，得到Eaton指数概率分布状态；然后，结合传统正常压实趋势线构建方法，基于概率统计分析理论提出了描述正常压实趋势线不确定性方法；在上述研究的基础上，根据蒙特卡洛模拟方法实现了地层孔隙压力不确定性量化表征。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。