專利名稱：從有限井下壓力檢測獲得泄漏及地層完整性檢測的方法
技術領域：
本發(fā)明是要求于1999年3月4日申請的60/122,730號臨時專利申請的優(yōu)先權的后續(xù)專利申請。
本發(fā)明提供了一種用于設計和控制鉆井操作的改進方法。
為了回收碳氫化合物的天然沉積物和在地殼地層中聚集的其它所需的天然物質，通常要進行鉆井。小油井要鉆進地面并從地面上的鉆探設備處直接向目標地層鉆進。在傳統(tǒng)的“旋轉鉆井”操作中，鉆井設備使鉆桿柱旋轉，以轉動井底裝置(BHA)和安裝在鉆桿柱下端的鉆頭，所述鉆桿柱由相連在一起的鉆桿管狀接頭組成。在鉆井操作中，鉆井液(通常指的是鉆井泥漿)被泵送并通過BHA和鉆頭在鉆桿內部向下循環(huán)，且在環(huán)腔中返回到地面。在已有技術中，還已知使用剛好位于鉆頭上方的井下泥漿驅動馬達，可以將儲存在加壓鉆井泥漿中的液壓能量轉換為機械能量以使鉆頭轉動。
為了使地層與井眼隔離并防止油井塌陷，通常將管接頭與螺紋連接件連接在一起從而形成套管柱，并對油井下套管。這種套管柱通常安裝為多段的，套管的一部分安裝在各段中。套管的一部分通常包括許多相連的套管接頭，所有的部分都連接在一起以形成套管柱。
安裝套管的每一部分，并通過使水泥循環(huán)流入環(huán)形區(qū)域內來將該套管部分澆筑定位在井眼中，所述環(huán)形區(qū)域是由套管上述部分的外表面和井眼的內部孔壁限定的。套管部分通常以逐漸縮小的直徑順序安裝，使得后續(xù)的小直徑套管部分能夠隨鉆進過程安裝并且用水泥澆筑在油井的更深部分。安裝套管部分的步驟需要司鉆從油井中拆去鉆桿柱，包括BHA和鉆頭。鉆桿柱從油井中一節(jié)一節(jié)地拆除，這很費時。最后，當套管部分澆筑定位并且水泥充分硬化后，且在鉆井操作再次開始之前，將鉆桿柱再次一節(jié)一節(jié)地下到油井中。
基于費用方面的考慮，很希望使套管的每一部分的長度盡可能最大而使用于將鉆桿柱提出或下放到油井中時所需的鉆井工具的停工頻度盡可能最小。如果采用更精確的方法估計出井下條件并估算井下壓力，就可以有保障地減少套管區(qū)段的數量，那么就可以更快地鉆井并且對于鉆井工具和相關的支撐件來說，費用明顯降低了。
多孔和具有滲透性的地層的壓力通常由鉆井泥漿柱施加的流體靜壓和地面上施加給油井的壓力加以平衡。這種壓力可以通過泥漿泵施加到鉆桿柱內，使泥漿通過鉆頭在鉆桿柱內部向下循環(huán)，并通過環(huán)腔向上返回到地面。鉆井泥漿設計成能夠使鉆井過程中產生的被稱為切屑的小巖石粒懸浮在其中并將其攜帶返回到地面。當環(huán)腔通過地面上的防噴器(BOPs)封閉作用而與大氣隔離時，在套管內可以保持壓力。
司鉆通常通過使用加在鉆井泥漿中以增加密度的增重劑來控制油井中的流體靜壓。司鉆通常通過開啟或關閉泥漿循環(huán)泵并通過使用BOPs以將環(huán)腔與大氣隔離來控制地面處的油井壓力。但是，司鉆不能總是控制發(fā)生在地層中的井下壓力，因為在任一給定的時刻，有其它因素會影響施加給地層的壓力。這些因素包括(a)井眼中鉆桿的運動(旋轉或往復運動)，(b)溫度和溫度梯度，(c)壓力梯度和壓力向前傳播的速度，(d)鉆井泥漿的粘度和觸變性質，(e)鉆井切屑負載，以及(f)流進和流出井眼的液流。
如果承受施加給井眼的超額壓力，那些在鉆井過程中通常會遇到的多種類型的地層將產生斷裂和失效。許多類型的流體承載地層是多孔的或者是具有滲透性的，并且可能使流體流入井眼中或接收從井眼中流出的流體。通常希望使鄰近這種地層的油井中的壓力高于多孔地層的孔隙壓力，并使之低于暴露地層的地層破裂壓力。這種由井眼壓力和地層破裂壓力之間的壓力范圍所確定的“安全窗口”必須由司鉆決定，以設計出安全和有效的鉆井計劃并在整個鉆井過程中作出很好的決定。這種對安全窗口的精確確定會直接影響風險鉆井的經濟效益。
如果井下壓力超過地層破裂壓力，暴露在井下壓力下的地層區(qū)域將會發(fā)生實體斷裂，并且泥漿會以由地層破裂程度和壓力差所確定的速率從井眼流進破裂的地層。鉆井泥漿的流體靜壓柱整個高度的最終損失會迅速導致地層處的油井壓力不足。當發(fā)生這種情況時，包括氣體的地層流體可能從與油井相連的其它地層進入油井。這種情況通常被稱為井噴。一旦進入井眼，氣體就會向上穿過鉆井泥漿朝地面移動。當向上移動的氣體碰到較低壓力時，它會膨脹，這通常會迫使鉆井泥漿流出油井，即流到地面或流進與油井相通的地層中。這是一種非常危險的油井控制狀態(tài)，必須加以避免或對其作出快速響應。很重要的是司鉆應避免地層發(fā)生意外的破裂。
如果地層面上的壓力低于可能存在于多孔地層中的流體孔隙壓力，則油井控制狀態(tài)也能改進。這種油井狀態(tài)通常被稱作非平衡狀態(tài)。當油井處于非平衡狀態(tài)時，從與油井相通的多孔地層中流出的流體會流進油井，使鉆井泥漿向上朝地面運動。由于存在著地層破裂，在不平衡狀態(tài)下引入的氣體也將會運動到地面并產生膨脹。
“安全窗口”或井下壓力的允許范圍可以由地層孔隙壓力(最小)和地層破裂壓力(最大)來確定。由于技術的進步且在下述情況下進行鉆井時，這種安全窗口的精確確定變得日益重要，即(a)在深水區(qū)域，其中水溫和深度會影響油井設計和動態(tài)特性的變化，(b)當遇到較高的地層孔隙壓力或帶有較低地層破裂壓力的地層；(c)在利用定向鉆井技術鉆出的井深延長的油井中；(d)在井眼很細的油井中所需循環(huán)泥漿壓力的摩擦損失增加，和(e)在壓力和溫度的極端情況下，即被稱為HPHT油井(高壓和高溫油井)的情況下。
在已有技術中，司鉆能夠用很多方法確定流體承載地層的孔隙壓力。司鉆能夠進行泄漏檢測/地層完整性檢測(LOT/FIT)，以檢測出由水泥定位的井筒臨時支架(LOT)并檢測任何暴露的地層，從而確定在地層斷裂或泥漿流失到地層(FIT)中時的壓力。LOT/FIT通常通過下述步驟完成首先，關閉地面的BOPs，以將油井與大氣隔離，然后，以緩慢、恒定的體積流動速率從地面將鉆井泥漿泵送到井眼中以增加井眼中的壓力。這種泵送過程持續(xù)至達到預定的檢測壓力或直至檢測到油井有鉆井液損失時為止，這種泵送過程可以是連續(xù)的或者是以間歇式靜態(tài)時間間隔逐步增加體積的。如果由水泥定位的井筒臨時支架是可靠的，則當暴露的地層開始破裂或從油井中接收液體時，通常會發(fā)生鉆井液損失的情況。
通過使用LOT/FIT的檢測結果，能夠計算或確定地層破裂壓力。首先，地面(注射)壓力相對于所泵送的累積體積的曲線將確定為一條如

圖1所示的傾斜直線。當井下暴露地層處的泥漿壓力超過其地層斷裂強度時，地層開始從井眼吸收液體，并且注射壓力將隨所泵送體積的進一步增加而非線性地減小或增大。即，一旦達到了地層破裂壓力，注射壓力的進一步增加會導致更多的泥漿運動到地層中。這種關系表現(xiàn)在了圖1中，在該實施例中，點10處的地層破裂壓力對應于注射壓力的值，在那里發(fā)生了非線性的偏差。地層破裂壓力通常被計算為發(fā)生非線性偏差處的地面或注射壓力加上流體靜壓所得的和，所述流體靜壓由鉆井泥漿密度與地層上方的泥漿柱的豎直高度相乘計算而來。
這種方法存在的一個問題是計算出的地層破裂壓力無法考慮可能影響地層中油井實際壓力的諸多因素。例如，由上述的圖像分析所確定的地層破裂并不必須對應于流體開始流進斷裂地層中的精確時間。另外，如果井眼部分(在套管的水泥部分之下)穿過滲透區(qū)域，流體將在LOT/FIT期間以恒定速率從油井中泄漏。這種情況會在LOT/FIT期間產生線性壓力-體積曲線。理論上影響鄰近于地層的井眼壓力的其它因素包括，但并不限于1)泥漿壓縮率，2)井眼和套管的彈性和非彈性膨脹，3)鉆桿柱的彈性膨脹和伸長，4)鉆井泥漿中切屑和泥漿增重劑的不均勻分散度，5)整個泥漿柱的不均勻泥漿密度，6)壓力在泥漿柱中的傳播速度，7)泥漿系統(tǒng)的凝膠特性，和8)由于井眼的幾何形狀和泥漿的流變特性造成的摩擦壓力損失。
已經研究出井下儀器能提供精確的井下壓力檢測。這些儀器中的某些儀器具有硬質連線或電纜連接件以向地面?zhèn)骰財祿?。這些儀器通常是細長裝置，它們能進入到鉆桿柱中的井體內。在這些類型的系統(tǒng)中，被傳遞至地面司鉆并由他使用的實時數據的數量是無限的。但是，大多數的硬質連線或電纜儀器如果使用就會嚴重阻礙鉆井操作，當需要大量數據時，必須在鉆井操作中將電纜和儀器從油井中抽出。當鉆桿柱從井眼中拆除后，電纜連接儀器也能夠下到油井中，但是對于有效的鉆井操作來說，再次下放儀器是不實際的，這樣在鉆井時不能提供“實時”(或近似于“實時”的)信息。
已經研究出了用于從BHA向地面?zhèn)鬟f信息的泥漿脈沖遙測通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工業(yè)中獲得了廣泛應用。泥漿脈沖遙測系統(tǒng)沒有用于向地面?zhèn)鬟f數據的電纜或電線，但采用了一系列壓力脈沖，這些脈沖通過流動的加壓鉆井液體傳遞到地面。美國專利4,120,097描述了一種這樣的系統(tǒng)。這種泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的限制性在于數據傳遞能力或者信息傳遞速率非常有限。另外，由井底裝置(BHA)中的井下部件收集和/或存儲的數據僅能夠在“泵送”條件下采用泥漿脈沖遙測方法傳遞到地面，所述“泵送”條件定義為當泥漿循環(huán)速率高于泥漿脈沖遙測操作閾值時的條件。因此，在“關泵”操作期間，即當泥漿循環(huán)泵不工作或處于例如LOT/FIT的低泵速操作期間以及在管接頭連接期間，采用泥漿脈沖遙測系統(tǒng)時沒有井下數據能被傳遞到地面上。在關泵操作期間，由BHA收集和存儲的數據僅在循環(huán)泵重新開啟后才能傳遞到地面，因此數據傳遞速率非常低。
已經作出了努力來構造預示公式，以便基于地面的測量值來估計包括壓力在內的井下條件。Rasmus在其美國專利5,654,503中公開了一種用于獲得改進的鉆井條件測量值的方法。Rasmus試圖通過在給定的時間使地面條件與相關的井下條件相關聯(lián)來構造一個預示公式，從而克服泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳遞速率有限的缺憾。Rasmus的預示公式是這樣構造的，即通過使用BHA中的井下儀器來在給定的時間期間產生多個井下檢測值。然后，Rasmus利用井下CPU中將這些檢測值取平均值，再將井下條件平均檢測值發(fā)送到地面，用于與實際相關的地面條件檢測值相比較。
Rasmus方法可用于根據地面壓力估算井下壓力。但是，Rasmus方法無法補償鉆桿運動(轉動或往復運動)、溫度梯度、壓力梯度和鉆井泥漿的傳播、粘度和觸變性能以及流進、流出井眼的流體等因素的影響以及這些因素的綜合影響，這些因素可能會導致井下檢測值產生偏差和瞬變。通過采用井下壓力的多個檢測值的平均值，Rasmus方法綜合了這些瞬變因素對井下平均值的影響，而這一值將接著被傳遞到地面，用于與精確的地面壓力檢測值進行比較。另外，Rasmus方法采用了復雜的排序技術以使井下數據平均值與選定的地面檢測值相聯(lián)系。也就是說，它使給定時間(例如30秒)中的平均值與該30秒中或之前的某一時間的單一地面檢測值相關聯(lián)。在計算平均值的步驟以及時間順序步驟中已經引入了不精確因素，這會導致Rasmus預示公式中用以估算井下壓力和分析油井條件的系數很不準確。
因此，需要一種估算井下壓力的方法，使得司鉆能夠利用有限數量的重要的井下壓力數據以及很容易獲得的地面壓力數據來精確地估算地層破裂壓力和其它極限井下壓力，并分析油井條件和油井狀態(tài)。需要一種用于選擇和僅傳遞那些特定井下檢測值的方法，以便提供更加有用的信息，用于快速且精確地與相關的地面壓力檢測值相聯(lián)系，然后估算井下壓力，分析油井表現(xiàn)出的狀態(tài)并對油井狀態(tài)的改進方式作出響應。很希望這種方法能使司鉆通過采用參數并考慮由影響井下壓力的已知因素所帶來的瞬變問題來確定和改進一個公式，由此更好地估算地層破裂壓力。還希望這種方法能夠使司鉆避免在LOT/FIT之前為了通過混合來調節(jié)泥漿并促進泥漿密度均勻化而使泥漿在油井中循環(huán)一段時間的費時操作。
本發(fā)明提供了一種用于確定在關泵狀態(tài)期間發(fā)生的井下壓力的方法，例如確定在泄漏檢測或地層完整性檢測(LOT/FIT)期間發(fā)生的井下壓力。該方法包括在關泵狀態(tài)期間檢測地面的井眼壓力。然后，在所述狀態(tài)例如LOT/FIT期間，油井中的壓力增加了。在關泵狀態(tài)期間發(fā)生在井下的最大和最小壓力由BHA檢測到，并且隨著泵送操作的再次開始，最大和最小井下壓力檢測值立即傳遞到地面。然后，使井下最大和最小壓力與最大和最小地面壓力檢測值相聯(lián)系，并根據這種相關關系獲得一個或多個示例性的井下壓力值。
作為可選形式，該方法還包括檢測附加的井下壓力檢測值的步驟，記錄獲得每次附加的井下壓力檢測值的時間，并在關泵狀態(tài)下將附加的井下壓力檢測值和它們對應的“時間標記”傳遞到地面。傳遞到地面的附加井下壓力檢測值還進一步與同時發(fā)生的或與每一井下檢測值有一定時間間隔的相關地面壓力檢測值相聯(lián)系。這些方法的優(yōu)選應用方式是LOT/FIT，其中油井中的壓力通過注入的流體、例如鉆井泥漿來增大。
本發(fā)明還提供了一種簡單的方法，包括在關泵狀態(tài)期間檢測第一井下壓力和第二井下壓力以及每次檢測發(fā)生的時間。所述第一和第二井下壓力檢測值以及它們各自的時間標記都在泵送操作再次開始后立即傳遞給地面。這使得第一井下壓力與同時發(fā)生的或與該第一井下壓力有一定時間間隔的地面壓力相關聯(lián)，使第二井下壓力與同時發(fā)生的或與該第二井下壓力有一定時間間隔的地面壓力相關聯(lián)。利用這種相關關系，能夠獲得一個或多個與地面檢測壓力成函數關系的示例性井下壓力值。
因此，本發(fā)明的特征和優(yōu)點可以更詳細地予以了解，并且通過參考那些由附圖所表現(xiàn)的實施例，可以獲得對上文所簡要概括的本發(fā)明的更為具體的說明。但應該注意到，附圖所表示的僅是本發(fā)明的典型實施例，因此不能認為是對本發(fā)明的限制，對于本發(fā)明來說，可以采用其它等效的實施例。
圖1是在LOT/FIT期間經檢測的注射或地面壓力(也稱為立管壓力)相對于所泵送泥漿體積的數據圖。
圖2是表示經檢測的地面壓力相對于經檢測的井下環(huán)腔壓力(也稱作APWD或鉆井時的環(huán)腔壓力)的線性關系的圖表。
圖3是表示最小和最大井下環(huán)腔壓力檢測值與其它井下和地面壓力檢測值相比較時的相對位置的圖表。
圖4是在LOT/FIT期間經檢測的地面壓力相對于時間的圖表。
圖5是表示在LOT/FIT期間實際井下壓力檢測值和根據本發(fā)明的相對關系而計算出的新井下壓力估計值相對于時間的圖表。
本發(fā)明涉及一種方法，該方法能夠有效地再現(xiàn)在某些鉆井操作中進行“鉆井時環(huán)腔壓力(APWD)”(“annular pressure while drilling”)檢測的實時優(yōu)點，其需要關閉泥漿循環(huán)泵或明顯減小流量(后文稱作“關泵”狀態(tài))。APWD數據(例如壓力檢測值)由BHA中的儀器和相關的電子設備檢測出。APWD數據能夠在關泵狀態(tài)下在BHA中被檢測、存儲甚至處理，以便隨后將減少數量的數據或經處理的數據傳遞給地面的司鉆。
在泵送操作中，APWD檢測值是通過泥漿脈沖遙測系統(tǒng)傳遞到地面司鉆的。泵送操作在下述條件下才能發(fā)生，即泥漿循環(huán)泵工作，并且泥漿在鉆桿柱內部向下循環(huán)，再通過由鉆桿柱外部和套管內部或無套管的井壁所限定的環(huán)形區(qū)域(叫作“環(huán)腔”)向上返回到地面。在關泵操作期間，例如在LOT/FIT狀態(tài)或當鉆桿接頭與鉆桿柱相連時，泥漿脈沖遙測通信方法是無效的。在將BHA檢測或存儲的APWD數據傳遞到地面之前，司鉆必須等待直到再次的泵送操作。
泥漿脈沖遙測通信方法還受到數據傳遞密度或能力的限制。通常，模擬APWD數據被BHA中的邏輯電路或中央處理器(CPU)轉換成數字信號。當在LOT/FIT之后再次進行泵送操作時，在每一時刻僅有一位的存儲數據從BHA傳遞到地面，通常在不高于每秒10位的速率下傳送，使得壓力讀數的傳遞速度非常慢。盡管在BHA中獲取、記錄和存儲了許多APWD檢測值，但是在再次進行泵送操作之前，不能使數據從BHA向地面進行傳送。鉆井泥漿這種低速率的信息傳遞以及井眼條件的迅速變化所導致的結果是，僅有非常少量的APWD檢測值能夠快速及時地傳遞到地面，而對于司鉆來說，這種快速傳遞非常有利于他們對鉆井操作進行類似于實時的控制。
盡管本發(fā)明的主要目標是獲得更為精確的井下壓力估計值，但利用任何感興趣的油井參數來應用本文所公開的估算和相關方法也落入本發(fā)明的范圍。類似地，盡管本發(fā)明是作為克服泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的有限信息傳遞速率來進行描述的，但通過有選擇的檢驗、測量、傳遞關鍵的井下數據并使之與表面數據相聯(lián)系而改進的所有其它信息傳遞方法也落入本發(fā)明的范圍。
LOT/FIT向司鉆提供了有價值的信息。圖1是在地面測量的油井壓力(“注射壓力”)與地面上注入油井中的流體累計體積的圖表。井下地層開始斷裂處的地面壓力被指示為相對于點10處的注入體積的壓力，在該處，產生了與經檢測地面壓力和注入體積之間的線性關系的偏差。在LOT/FIT中，通常進行連續(xù)的泵送，直到確認所述的地層已經接受了所有來自井眼的泥漿，以點12表示，此時注射泵停止。LOT/FIT的結果表明了斷裂的程度、流進地層或從地層流出的液流速率、或存在套管泄漏以及水泥管道的情況。
本發(fā)明克服了泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的低信息傳遞速率的缺點，通過使用井下智能方法來歸納總結那些存儲在BHA中的少量極為有用的APWD檢測值或者那些從APWD檢測值計算出或表示出的少量數據，來使APWD數據達到近似于實時再現(xiàn)的效果。然后，在再次進行泵送操作(泥漿泵開啟和循環(huán))之后，BHA立即利用泥漿脈沖遙測方法將這些少量數據傳遞到地面。這種選定的APWD數據可以包括(但并不必須包括)在LOT/FIT期間記錄的最大和最小井下壓力。這些最大和最小APWD檢測值與最大和最小地面壓力檢測值相關，以使司鉆能夠估計出LOT/FIT期間任一時刻的井下壓力。最大APWD檢測值與最大地面壓力檢測值相關，而最小APWD檢測值與最小地面壓力檢測值相關。這些關系用于使在LOT/FIT期間作出的任一地面壓力檢測值和相關的井下壓力之間產生聯(lián)系。
盡管這種估算技術能夠補償在相關的地面和井下壓力檢測值之間的壓力傳播延遲，但是最好不這樣做，因為壓力傳播延遲量非常小，并且這種延遲量需要BHA存儲并傳遞測量最大和最小井下壓力時的時間。這種關于壓力傳播延遲量非常小的假設在深水鉆井的情況下不可能保持，因為在所述深水鉆井情況下，冷水立管中可能出現(xiàn)膠凝泥漿，并且壓力傳送可能是個問題。這種假設的正確性應該經常進行檢查，即通過檢驗當在恒定速率下泵送時地面壓力與泵送體積的曲線實際上成一直線以及通過檢驗沒有發(fā)生油井泄漏(在LOT開始時)來確定假設的正確性。如果這部分圖線并非直線，則必須要降低泵送速率以保證時間延遲，這是因為向井下的壓力傳播可以被忽略。
通常，井下或總深壓力(PTD)和地面或立管壓力(PS)之間的關系可以用下面的等式描述PTD＝P地面+P靜壓(在t＝0)+ΔP靜壓-ΔP摩擦其中，P地面是地面壓力，P靜壓是鉆井泥漿柱的流體靜壓，ΔP靜壓是流體靜壓的變化量，和ΔP摩擦是泥漿沿鉆桿向下流動的摩擦壓力降。
P地面很容易在地面測得。ΔP靜壓是通過在地面注入的流體額外質量減去在總深(TD)處流出油井的流體質量以及套管和/或井眼變形(如果有的話)來確定的。ΔP摩擦是通過鉆井泥漿在地面處流進油井的流動速率(Q地面)和鉆井泥漿在TD處流出油井的流動速率(QTD)確定的。設定在LOT/FIT期間注入泵的流動速率非常低(通常在每分鐘0.1到0.25桶)，井下壓力和地面壓力的關系大致為直線。另外，最好假定并且有理由假定由推動泥漿柱向下運行的壓力傳播速度所產生的時間延遲可以忽略不計。這一假定應被認為是有道理的，因為LOT/FIT周期(分鐘)相對于實際壓力向前傳播的時間(秒)來說，有著相差很大的時間范圍。
因此，對于所有實際目的PTD≈a0+a1.Ps其中，a0是由鉆井泥漿柱的流體靜壓效果所確定的常數，和a1是由井眼和套管的一致性以及泥漿的壓縮和膨脹特性所確定的常數。
確定常數a0和a1是從已知的相關地面壓力檢測值得出“合成”或示例性井下壓力所需的。例如，為了確定兩個常數a0和a1，需要采用最大和最小井下壓力檢測值以及相關的最大和最小地面壓力檢測值，從而形成兩個僅有兩個未知數、即a0和a1的等式。得到a0和a1后，可以在任一時刻通過使用表面壓力檢測值，利用等式估算出井下壓力。在LOT/FIT期間，地面壓力和井下壓力之間由上述等式所描述的線性關系由圖2中的LOT/FIT期間地面壓力檢測值與井下環(huán)腔壓力檢測值的曲線來加以表示。
應該認識到，還有其它因素可能包括在井下壓力與地面壓力的相互關系中和/或井下壓力與地面壓力的函數關系估算式中。特別應該注意到，還可以采用更復雜的等式，包括高階變量和復雜的數學函數，這些等式可能需要選擇額外的井下壓力檢測值并將其向地面?zhèn)鬟f?，F(xiàn)在，優(yōu)選的是僅需要涉及兩個井下壓力檢測值的較為簡化的技術，因為該技術所具備的精度和速度使其能夠在有限的泥漿脈沖遙測傳遞速率下實施。然而，隨著泥漿脈沖遙測傳遞速率的增高，通過考慮額外的井下壓力檢測值或表示井下壓力檢測值特性的數據，可以提供更為精確的估算值。
圖3表示了地面或立管壓力相對于時間和采用本發(fā)明獲得的井下壓力的聯(lián)合(相對于時間的)曲線。在井下圖表中的大“X”32和34表示了井下壓力最小值32和最大APWD檢測值34的位置。(注意，最大APWD檢測值并不必及時對應于最大表面或立管壓力檢測值。)圖4是在LOT/FIT期間地面或立管壓力相對于時間的圖表。這一實時數據很容易被司鉆得到，并被記錄以及通過使用選定APWD檢測值所得到的關系式而計算出來。
本發(fā)明的精確性顯示在圖5中，它表示了采用本發(fā)明所得到的LOT/FIT曲線與由APWD工具實際所測量到的LOT/FIT曲線的比較情況，后者對于司鉆來說有較大的延遲，因為用于向地面?zhèn)鬟f這一數據的泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的傳遞能力有限。采用方形標記所指示的那組數據點代表了記錄下來的井下(APWD)壓力檢測值，而采用三角形標記所指示的那組數據點代表了通過采用與地面壓力檢測值相關的關系式所估算出的新的LOT/FIT井下壓力值。該方法的精度通過那條估算的井下壓力曲線與那條經測量的井下壓力曲線之間的近似性表現(xiàn)出來。對圖5的考察體現(xiàn)了兩條曲線在圖示實施例中本質上不能區(qū)分。
這樣，就可以使用估算的井下壓力曲線在重新進行泵送操作的幾秒內來精確地確定地層斷裂壓力和其它地層特性。這些早期的信息更有助于司鉆停留在孔隙壓力和地層破裂壓力之間的安全窗口內，且更有利于設計其安全性和效率都最佳的下套管程序。在帶有處于孔隙壓力和地層破裂壓力之間的小安全窗口的油井(例如高壓和高溫油井，在深水或冷水中鉆進的油井，小井眼油井和定向井)中，這是特別理想的，這種提高的精度使得司鉆能夠避免產生危險和昂貴的油井控制問題，同時避免由于在鉆井的下套管過程中發(fā)生不必要的中斷而產生附加費用。
本發(fā)明的一個實施例為僅將兩個特定的檢測值檢測出來并傳遞到地面最大井下壓力和最小井下壓力。假設最大井下壓力檢測值和地面的最大壓力檢測值成線性關系但二者不必同時發(fā)生。類似地，假設最小井下壓力檢測值與最小地面壓力檢測值呈同樣的大致為線性的關系。通過對上述簡化的線性等式求解，這兩個井下檢測值與其各自的地面配對值數學相關。根據這種相關性，采用相對于時間點或時間間隔的相應地面壓力檢測值，就能夠解出在任一時間點或感興趣的時間間隔處的井下壓力。對于從BHA給出的一對數據來說，為了解開等式，僅需要兩個井下檢測值；其它的檢測值很容易在地面實時獲得。采用本發(fā)明，能夠精確地表示整個LOT/FIT曲線，從而向司鉆提供了嚴格和可靠的信息，使他能夠在最安全和費用最低的情況下控制鉆井過程。
本發(fā)明的第二實施例為檢測并向地面?zhèn)鬟f兩對檢測值。這可以包括在LOT/FIT期間感興趣的時間段內發(fā)生的兩個以戰(zhàn)略眼光選定的井下檢測值以及兩個時間測量值，這兩個時間測量值指示出在LOT/FIT期間每一井下壓力檢測值發(fā)生的時間。這四個數據點使得司鉆能夠將這些數據對與同時發(fā)生的或者具有一定時間偏差以修正壓力傳播時間或其它影響的地面壓力檢測值相關聯(lián)。
第三實施例為檢測并向地面?zhèn)鬟f附加的檢測值，并且記錄時間標記或相互隔開已知間隔的時間點，所有這些都選自司鉆感興趣的時間區(qū)段或壓力區(qū)域。根據第二實施例，本實施例需要通過泥漿脈沖遙測方法傳遞更多的數據，由于泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳送速率有限，這些數據不是那么容易獲得。但是，附加的數據點會使所述相關性(關系式)的精確度提高，并且在其它的實施例中，附加的數據點可以以選定的順序傳遞，使得先產生第一種相關曲線，然后再采用附加的井下檢測值進行篩選和校準。
LOT/FIT輸出量并不必須一定是以井下壓力的形式。輸出量可以轉換為等效的泥漿密度且其曲線以在地面測得的泥漿密度進行繪制，或者它可以由感興趣區(qū)域內的泥漿密度(經測量的或經修正過的)、孔隙壓力和/或地層破裂壓力和其它已遇到或預料的因素進行圖解表示。
盡管上文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但在不脫離本發(fā)明基本范圍的情況下，可以進一步做出其它的實施例，所述范圍由所附的權利要求書來確定。
權利要求
1.一種確定在關泵狀態(tài)期間發(fā)生的井下壓力的方法，包括在關泵狀態(tài)期間檢測一個或多個地面壓力；在關泵狀態(tài)期間增加油井中的壓力；檢測在關泵狀態(tài)期間發(fā)生的井下最大和最小壓力；在關泵狀態(tài)之后，將最大和最小井下壓力檢測值傳遞到地面；使井下最大和最小壓力與最大和最小地面壓力檢測值相關聯(lián)；和利用一個或多個地面壓力檢測值和這種相關關系來估算一個或多個示例性的井下壓力值。
2.如權利要求1所述的方法，還包括檢測附加的井下壓力檢測值；記錄獲得每次附加的井下壓力檢測值的時間；在關泵狀態(tài)下從感興趣的時間段內選擇出一個或多個附加檢測值；在關泵狀態(tài)之后將一個或多個附加檢測值和相應的檢測時間傳遞到地面；和使井下壓力與地面壓力檢測值相關聯(lián)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過向油井注入流體來增加油井中的壓力。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，流體是鉆井泥漿。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，采用由附加井下壓力檢測值和時間所建立起的相關關系來校準已經存在的相關關系。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，使井下壓力與地面壓力檢測值相關聯(lián)的步驟包括解出兩個關于第一常數和第二常數的一階等式。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，第一常數確定y軸截距，第二常數確定斜率。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，一階等式為PTD＝a0+a1(Ps)，其中，PTD是示例性的井下壓力，Ps是檢測到的地面壓力，a0和a1是常數。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，估算步驟包括從插值法、外推法或它們相結合的方法中選擇出的圖解技術。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，估算步驟包括采用地面壓力檢測值計算示例性的井下壓力。
11.一種確定在關泵狀態(tài)期間發(fā)生的井下壓力的方法，包括在關泵狀態(tài)期間檢測地面上的井眼壓力；在關泵狀態(tài)期間增加油井中的壓力；檢測在關泵狀態(tài)期間的第一井下壓力和第二井下壓力以及各壓力發(fā)生的時間；在關泵狀態(tài)之后，將第一井下壓力和第二井下壓力以及各壓力測量的時間傳遞到地面；使第一井下壓力與獲得該第一井下壓力檢測值時發(fā)生的地面壓力相關聯(lián)，使第二井下壓力與獲得該第二井下壓力檢測值時發(fā)生的地面壓力相關聯(lián)，采用這種相關關系獲得一個或多個示例性的井下壓力。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，通過注入流體來增加油井中的壓力。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，流體是鉆井泥漿。
14.一種鉆井時環(huán)腔壓力的檢測裝置，包括一個用于檢測油井環(huán)腔中壓力的壓力傳感器；一個泥漿脈沖遙測系統(tǒng)；和計算機執(zhí)行裝置，用于確定在關泵狀態(tài)期間由壓力傳感器測量的最小環(huán)腔壓力和最大環(huán)腔壓力、在關泵狀態(tài)期間存儲所述最小和最大壓力、并在泵送狀態(tài)開始時將該最小和最大壓力提供給泥漿脈沖遙測系統(tǒng)。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，計算機執(zhí)行裝置還用于存儲附加的井下環(huán)腔壓力和檢測每一壓力的時間。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，附加的井下環(huán)腔壓力用于校準所述相關關系。
17.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在先前不使用泥漿循環(huán)泵來循環(huán)鉆井泥漿以增加泥漿密度均勻性的情況下，進行測量最大和最小井下壓力的步驟。
18.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在測量最大和最小井下壓力的步驟之前并不需要采用泥漿循環(huán)泵來為了促進泥漿密度均勻化而使鉆井泥漿循環(huán)的步驟。
19.如權利要求1所述的方法，其特征在于，關泵狀態(tài)是在泄漏檢測期間發(fā)生的低速循環(huán)狀態(tài)。
20.如權利要求1所述的方法，其特征在于，關泵狀態(tài)是在地層完整性檢測期間發(fā)生的低速循環(huán)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種方法,該方法能夠有效地再現(xiàn)在某些鉆井操作中進行“鉆井時環(huán)腔壓力(APWD)”檢測的實時優(yōu)點,所述鉆井操作需要使泥漿循環(huán)泵關閉(“關泵”狀態(tài))。APWD數據(例如壓力檢測值)由BHA中的儀器和相關的電子設備檢測出。APWD數據能夠在關泵狀態(tài)下在BHA中被檢測、存儲甚至處理,以使減少數量的數據能夠實現(xiàn)后續(xù)的處理或被傳遞到地面的司鉆。
文檔編號E21B49/00GK1266142SQ0010389
公開日2000年9月13日 申請日期2000年3月6日 優(yōu)先權日1999年3月4日
發(fā)明者J·-M·哈徹, I·雷茲默－庫珀, K·格扎拉 申請人:施盧默格控股有限公司