基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法

技术领域

本发明涉及深井钻井技术领域，具体为一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法。

背景技术

地层孔隙压力是反映地层中流体情况、岩石类型及其工程力学性质以及地质构造等的基础数据，地层孔隙压力的准确预测是保证钻井从设计到施工顺利安全进行的重要前提。因此，地层孔隙压力监测与预测一直是油气钻井的一项重要任务。目前，异常地层孔隙压力的求取方法主要分为以下几类：钻前压力预测、随钻压力监测、地球物理测井压力检测以及压力实测。其中，地球物理测井是普遍公认的用于准确预测地层孔隙压力的重要手段，但是，这种方法是一种事后预测法，它无法预测井底以下未钻达地层的孔隙压力。而随钻监测法和钻后测井压力检测法都不能预测钻头前方待钻地层的压力值。钻前压力预测主要是利用地震层速度资料及其与地层孔隙压力的关系模型计算地层孔隙压力，常用的方法有等效深度法、单点预测模型和综合预测模型等，利用钻进过程中各种钻井和录井参数进行压力监测已在油气田的实际钻井过程中得到了广泛应用，起到了实时指导钻井工程的作用。

但是，由于采用的地层孔隙压力钻前预测法是通过地震资料来预测地层孔隙压力，而地下地质情况比较复杂，以及能获得的井底以下的信息太少，或者说有用信息根本没有，因此，地层孔隙压力钻前预测较为困难，以至于地层孔隙压力钻前预测法预测的结果不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法，通过基于灰色预测理论建立的地层孔隙压力预测模型，对待钻区域进行地层孔隙压力预测，为现场钻井作业人员提供较为准确的钻头下部待钻地层的地层孔隙压力信息，解决由于地层孔隙压力信息认识不准确带来的风险，以达到无风险钻井的目的。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法，包括：

步骤1：基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，确定所述n个随钻地层压力对应的原始数列p

步骤2：对所述原始数列p

步骤3：对于p'

步骤4：基于所述地层孔隙压力预测模型预测所述目标井的待钻区域的地层孔隙压力。

优选的，基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，确定所述n个随钻地层压力对应的原始数列p

基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，将所述n个随钻地层压力根据井深递增进行排序，得到原始数列p

优选的，在所述步骤2中，对所述原始数列p

通过移动滑动平均法对所述原始数列p

优选的，在步骤3中，基于所述处理后的原始数列p'

优选的，所述构建灰色模型GM(1,1)包括：

对所述处理后的原始数列p'

p

对所述数列p

z

其中，z

基于预先建立的灰色微分方程

将所述系数a和系数b代入所述灰色微分方程，并利用所述灰色微分方程的白化响应函数计算所述原始数列p

基于最小二乘法确定

优选的，所述求解还原模型包括：对

优选的，所述进行残差检验包括：

基于预设残差值Δ(k)和残差相对值ε(k)，通过

判断所述平均精度q是否小于预设平均精度；

若所述平均精度q不小于所述预设平均精度，进入步骤4；

若所述平均精度q小于所述预设平均精度，重复执行步骤2至步骤3。

优选的，在所述步骤4中，基于所述地层孔隙压力预测模型预测所述目标井的待钻区域的地层孔隙压力，包括：

基于所述地层孔隙压力预测模型预测钻头前方待钻地层的地层孔隙压力

优选的，执行完所述步骤4后，还包括：

除去钻头上部第一点的地层孔隙压力，把预测的压力值

由上述内容可知，本发明公开了一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法，基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，确定所述n个随钻地层压力对应的原始数列p

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于灰色理论预测钻头前方待钻地层的地层孔隙压力流程图；

图3为本发明实施例提供的基于灰色理论预测钻头前方待钻地层的地层孔隙压力示意图；

图4为本发明实施例提供的XX井随钻声波时差随深度变化示意图；

图5为本发明实施例提供的XX井随钻电阻率随深度变化示意图；

图6为本发明实施例提供的XX井随钻地层压力随深度变化示意图；

图7为本发明实施例提供的XX井1750m井深位置钻头前方10m待钻地层孔隙压力预测流程图。

具体实施方式

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

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法，参见图1，为本申请实施例前方待钻地层孔隙压力预测的流程示意图，所述基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法至少包括以下步骤：

步骤1：基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，确定所述n个随钻地层压力对应的原始数列p

在步骤1中，所述钻前资料包括已钻井的声波、密度、自然伽马等测井资料、测试分析资料等。

需要说明的是，所述预设井深区间是钻头在钻井过程中钻头上部已钻井段，在该井段，通过钻前资料监测在该井段的n个随钻地层压力。

为实现上述目的，可以先以钻头处井深位置作为原点，然后往上等距取n个点的随钻地层压力，最后将获取到的随钻压力由浅向深排列为数列，作为原始数列p

步骤2：对所述原始数列p

在步骤2中，所述预处理是将原始数列通过移动滑动平均法处理。

需要说明的是，移动滑动平均法是一种简单平滑预测技术，它的基本思想是根据时间序列资料、逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均值，以反映长期趋势的方法。因此，当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，使用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势(即趋势线)，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势。

还需要说明的是，通过移动滑动平均法对所述原始数列p

其中，

步骤3：对于p'

在步骤3中，所述灰色理论是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科。灰色系统理论是1982年中国学者华中科技大学邓聚龙教授首先提出的，随之在国内外受到关注和重视。“贫信息、小样本系统”是灰色系统理论的主要研究内容，它通过现有“贫信息”的加工挖掘和利用，通过对系统运行行为演化规律的正确把握和描述，从而实现认识现实世界和预测未来状态。灰色系统理论已应用范围已拓展到工业、农业、社会、经济、能源、地质、石油等众多科学领域，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题，取得了显著成果。

需要说明的是，p'

在具体执行步骤3过程中，可以通过构建灰色模型GM(1,1)、求解还原模型和进行残差检验来得到目标井的地层孔隙压力预测模型。

步骤4：基于所述地层孔隙压力预测模型预测所述目标井的待钻区域的地层孔隙压力。

在步骤4中，通过地层孔隙压力预测模型能够预测目标井的待钻区域的地层孔隙压力。

本申请实施例基于钻前资料获取钻头在目标井的预设井深区间的n个随钻地层压力，确定所述n个随钻地层压力对应的原始数列p

优选的，在步骤3中，基于所述处理后的原始数列p'

首先构建灰色模型GM(1,1)，然后求解还原模型，最后进行残差检验。

需要说明的是，所述灰色模型GM(1,1)的G表示grey(灰色)，M表示model(模型)，GM(1,1)表示1阶的、1个变量的模型，所述残差在数理统计中是指实际观察值与估计值(拟合值)之间的差。“残差”蕴含了有关模型基本假设的重要信息。如果回归模型正确的话，我们可以将残差看作误差的观测值。

优选的，所述构建灰色模型GM(1,1)包括：

对所述处理后的原始数列p'

p

对所述数列p

z

其中，z

基于预先建立的灰色微分方程

将所述系数a和系数b代入所述灰色微分方程，并利用所述灰色微分方程的白化响应函数计算所述原始数列p

基于最小二乘法确定

优选的，所述求解还原模型包括：对

在具体实现过程中，可以先对

令k＝1,2,...,n-1时，可以得到原始数列p'

优选的，所述进行残差检验包括：

基于预设残差值Δ(k)和残差相对值ε(k)，通过

判断所述平均精度q是否小于预设平均精度；

若所述平均精度q不小于所述预设平均精度，进入步骤4；

若所述平均精度q小于所述预设平均精度，重复执行步骤2至步骤3。

在具体实现中，可以令Δ(k)为残差值，ε(k)为残差相对值，q为平均精度：

则

推导得到

如果平均精度q≥90％，则表示数列满足建模的要求，可以进行预测；否则重复建模过程，直到平均精度q满足条件，才进行下一步。

需要说明的是，通过对地层孔隙压力预测模型的残差检验，有效提高预测模型的预测地层孔隙压力的准确度，为现场钻井技术人员提供较为准确的钻头前方待钻地层的孔隙压力信息，基于待钻地层孔隙压力预测结果可以进行钻井作业过程的动态风险评价，然后根据风险评价结果进行钻井施工措施的优化调整，从而辅助钻井技术人员快速、准确地决策并防止钻井风险程度进一步恶化，最终减少由于孔隙压力信息认识不准确带来的作业风险，以达到降低钻井风险或无风险钻井目标。

优选的，在所述步骤4中，基于所述地层孔隙压力预测模型预测所述目标井的未钻区域的地层孔隙压力，包括：

基于所述地层孔隙压力预测模型预测钻头前方待钻地层的地层孔隙压力

除去钻头上部第一点的地层压力随钻监测数据，把预测的压力值

需要说明的是，钻头在目标井中待钻区域进行钻井过程中，可以利用新的地层孔隙压力原始数列p

根据上述实施例公开的方法，下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

发明内容：

本发明提出一种基于灰色预测理论的钻头前方待钻地层孔隙压力预测方法，可以为现场钻井作业人员提供较为准确的钻头下部待钻地层的孔隙压力信息，基于待钻地层的压力预测结果可以进行动态的工程风险评估，然后根据风险评估结果进行钻井施工措施的优化调整，从而辅助钻井作业人员快速、准确地决策并防止钻井风险程度进一步扩大化，最终减少由于待钻地层的压力信息认识不准确带来的风险，以达到无风险钻井的目标。

技术方案：

首先，收集地震层速度处理资料，已钻井的声波、密度、自然伽马等测井资料、测试分析资料等，配合岩心测试，获取该地区纵向的地层岩石力学参数；综合考虑地质环境的复杂性、测井地震解释资料的模糊性以及压力预测模型的精度等问题，预测得到地层孔隙压力剖面；

然后，基于灰色理论建立了地层孔隙压力随钻预测模型，根据钻头上部已钻井段的随钻压力监测结果，对钻头前方待钻地层孔隙压力进行预测。选取钻头位置上部一定深度范围内的已钻地层的随钻压力监测结果作为初始原始数据，应用移动滑动平均法预处理原始数列，减弱其随机性和不确定性，从而得到更易建模的新序列，再通过拟合构建系统的微分动态方程，并对依照新序列所建模型作还原生成处理，最终建立压力预测模型。

该方法主要分为以下几个步骤：(1)构造原始数列；(2)预处理原始数列；(3)构建灰色模型GM(1,1)；(4)求解还原模型；(5)进行残差检验；(6)地层孔隙压力随钻预测。

步骤详解：

灰色系统理论是1982年中国学者华中科技大学邓聚龙教授首先提出的，随之在国内外受到关注和重视。“贫信息、小样本系统”是灰色系统理论的主要研究内容，它通过现有“贫信息”的加工挖掘和利用，通过对系统运行行为演化规律的正确把握和描述，从而实现认识现实世界和预测未来状态。灰色系统理论已应用范围已拓展到工业、农业、社会、经济、能源、地质、石油等众多科学领域，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题，取得了显著成果。

本发明基于灰色理论建立了地层孔隙压力随钻预测模型，根据钻头上部已钻井段的随钻压力监测结果，对钻头前方待钻地层孔隙压力进行预测。选取钻头位置上部一定深度范围内的已钻地层的随钻压力监测结果作为初始原始数据，应用移动滑动平均法预处理原始数列，减弱其随机性和不确定性，从而得到更易建模的新序列，再通过拟合构建系统的微分动态方程，并对依照新序列所建模型作还原生成处理，最终建立压力预测模型。步骤如下：

(1)构造原始数列

以钻头处井深位置作为原点，往上等距取n个点的地层压力随钻监测值，由浅向深排列为数列，作为原始数据：

p

(2)预处理原始数列

应用移动滑动平均法预处理原始数列：

p'

(3)构建灰色模型GM(1,1)

对于给定的p'

其中，z

建立灰微分方程：

利用灰色微分方程，计算出系数a、b：

p

将系数代入灰色微分方程，就可利用该方程的白化响应函数计算原数列的模拟值；根据最小二乘法求解该方程，其解为：

(4)求解还原模型

对

当k＝1,2,...,n-1时，可以得到原始数列p'

(5)进行残差检验

令Δ(k)为残差值，ε(k)为残差相对值，q为平均精度：

如果平均精度q≥90％，表示数列满足建模的要求，可以进行预测；否则重复步骤(1)～(5)，直到满足条件，才能进行下一步。

(6)地层孔隙压力随钻预测

精度满足要求后，预测钻头前方待钻地层孔隙压力：

除去最上部第一点的地层孔隙压力随钻监测数据，把预测的压力值

利用新的地层孔隙压力原始数列p

实例：

本发明选取XX井为例进行实例计算与结果分析。XX井钻前压力预测结果显示：1500m之前压力系数在1.0-1.2之间波动，属于正常静水压力体系；而从1500m以下，压力开始逐渐抬升，异常高压的存在严重影响了钻井的现场安全，因此在钻井深1500m井段时进行了随钻压力监测，如图4、图5和图6所示。假设此时钻头位置为井深1750m处，首先根据随钻测井资料计算得到钻头上部1700m～1749m井段的地层孔隙压力随钻监测结果将其作为原始数列，利用本发明建立的灰色预测方法预测钻头前方待钻地层1750m～1759m井段的地层孔隙压力。具体步骤如图7所示。

首先，选取1700m到1749m地层孔隙压力随钻监测数据作为原始序列，如表1所示。设地层孔隙压力的原始数据序列为：

P

设序列z

表1：XX井1700m到1749m地层孔隙压力随钻监测数据

由50组随钻地层压力监测数据序列在灰色系统理论建模软件(GTMS3.0)和MATLAB软件配合使用下建立地层孔隙压力随钻预测模型。利用灰色系统理论建模软件做一阶紧邻均值生成序列，结果如表2所示。

表2：地层孔隙压力的一阶紧邻均值生成序列

将一阶紧邻生成序列代入光滑序列判断条件，满足光滑序列条件。对原始数据序列做一阶累加生成(1-AGO)，结果如表3所示。

表3：地层孔隙压力的一阶累加生成序列

由表3可以看出：地层孔隙压力的一阶累加生成序列为非负递增序列，并且具有较好的光滑度。根据以上两步可以判断地层孔隙压力的原始数据序列具有较好的光滑比，因此可以代入灰色系理论建模软件并结合MATLAB软件进行建模预测。

第1步：原始地层孔隙压力数据初始化，列举地层孔隙压力原始数据序列。

第2步：原始数据序列的1-AGO序列生成，如表3所示。

第3步：1-AGO紧邻均值生成序列，如表4所示。

第4步：计算模型系数：发展系数a＝0.0003、灰色作用量b＝1.4672。

第5步：系统特征数据序列模拟值计算，结果如表5所示。

第6步：计算残差，残差为0.0028；以及地层孔隙压力预测模型的相对平均误差为：

第7步：根据建立的模型对未来十步(钻头前部未开钻1750m-1759m)的地层孔隙压力进行预测并与随钻地层压力监测结果进行对比，结果如表6所示。

表4：地层孔隙压力的紧邻均值生成序列

表5：地层孔隙压力的模拟值

表6：地层孔隙压力预测值与监测值的误差

将1750m～1759m井段基于灰色理论计算得到的地层孔隙压力预测结果与地层孔隙压力随钻监测结果进行对比发现：最大相对误差为3.408％，平均相对误差为3.038％；表明该模型精度高，可以较为准确预测钻头下方10m内地层孔隙压力，能够满足现场钻井施工要求。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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。