專利名稱：一種在連接過程中利用井下壓力測量值確定當(dāng)量靜態(tài)泥漿密度的方法
確定當(dāng)量靜態(tài)泥漿密度的方法這是1999年3月4日提交且具有優(yōu)先權(quán)的序列號60／123，075的臨時(shí)專利申請的繼續(xù)申請。
本發(fā)明提供了一種經(jīng)過改進(jìn)的在鉆井過程中鉆管連接時(shí)確定鉆井泥漿當(dāng)量靜態(tài)密度的方法。
為了得到聚集在地殼內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造中的碳?xì)浠衔锏淖匀怀练e物和所需的其它天然產(chǎn)生的材料，一般要進(jìn)行鉆井。一細(xì)長的井自地面上的鉆機(jī)鉆入地下指向目標(biāo)地質(zhì)位置。在傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)鉆井”操作中，鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由一節(jié)節(jié)連接在一起的鋼制管狀鉆管組成的鉆桿，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)鉆井底部組件(BHA)和連接到鉆桿的下端的鉆頭。在鉆井操作過程中，通常稱作鉆井泥漿的鉆井液被泵送到鉆管的內(nèi)部并向下循環(huán)，通過BHA和鉆頭，然后自環(huán)狀空間返回地面。利用位于緊靠鉆頭之上，將存貯于高壓鉆井泥漿內(nèi)的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力來轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭的井下泥漿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)也是眾所周知。泵送鉆井泥漿并從而推動(dòng)泥漿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的泥漿循環(huán)泵通過立管和被稱作凱氏方鉆桿(kelly)的柔性軟管狀連接裝置以可密封的形式連接到鉆桿的地面端。
當(dāng)鉆井進(jìn)行到再無額外的一節(jié)鉆管可延伸時(shí)，泥漿循環(huán)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆桿的端部安置在支撐鉆桿、BHA和鉆頭重量的支撐卡瓦上。而后斷開凱氏方鉆桿(kelly)與鉆桿的連接，將一節(jié)附加鉆管接頭螺紋連接并緊固到暴露在外的鉆桿地面端，然后再將凱氏方鉆桿(kelly)重新連接到新連接上的那節(jié)鉆管接頭的頂端。連接一旦完成，泥漿泵即重新致動(dòng)，為鉆井馬達(dá)提供動(dòng)力，鉆井繼續(xù)進(jìn)行。
為了使多孔地質(zhì)構(gòu)造與井筒隔絕和防止井的塌陷，井一般用一節(jié)節(jié)連接在一起的管狀鋼管接頭套住，形成一套桿。隨著鉆井的進(jìn)行，套桿逐漸調(diào)整為小直徑斷面。井下條件和所鉆構(gòu)造的物理性能決定了何時(shí)必須調(diào)整套桿的斷面，以隔絕暴露的井筒。在鉆井操作中，鉆桿穿過套桿并延伸到井筒內(nèi)，使抵靠在井端之下的巖石和地質(zhì)構(gòu)造上的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)。
多孔和滲透性地質(zhì)構(gòu)造中的流體壓力通常通過由鉆井泥漿柱所施加的井中靜水壓來平衡。高壓鉆井泥漿由泵泵送到鉆桿的地面端，該泵使泥漿通過鉆桿的內(nèi)部向下循環(huán)，通過BHA和鉆頭，再通過環(huán)狀空間向上返回地面。鉆井泥漿設(shè)計(jì)為用來平衡構(gòu)造壓力、冷卻和潤滑鉆桿和鉆頭，以及使在鉆井過程中產(chǎn)生被稱作鉆屑的小塊巖石懸浮并將其帶回到地面。
司鉆一般利用添加到鉆井泥漿中以增加其密度的加重劑來控制井中的靜水壓。在鉆管的連接過程中，由于凱氏方鉆桿(kelly)已從鉆桿上斷開，所以沒有壓力通過泥漿循環(huán)泵施加到鉆井泥漿上。隨著鉆井的進(jìn)行，額外的一節(jié)節(jié)鉆管必須在地面連接到鉆桿上，以延長鉆機(jī)朝向更深目標(biāo)的工作范圍。在每次鉆管連接時(shí)，有一些瞬變值將對井下壓力產(chǎn)生影響。這些瞬變值的性質(zhì)一般是動(dòng)態(tài)的，井下壓力(以及表示井下壓力軌跡的對應(yīng)數(shù)據(jù))包括這些瞬變值的連續(xù)累積，它在每次連接鉆管的持續(xù)過程內(nèi)一般都是變化或波動(dòng)的，因此形成了所謂的井下壓力軌跡。產(chǎn)生在鉆管連接過程中可能對井下壓力軌跡有作用或有影響的瞬變值的參數(shù)包括(a)鉆桿在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng))，(b)貫穿井筒的溫度和溫度梯度，(c)貫穿井筒的壓力梯度和壓力前沿的傳播速度，(d)鉆井泥漿的泥漿粘度、壓縮能力和其它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流體性能，以及它們對溫度變化的物理敏感性，(e)鉆井泥漿加重劑和鉆井鉆屑的含量，以及兩者在泥漿中彌散分布的均勻性或不均勻性，(f)在地面和井下，流入和流出井筒的流體，(g)井筒和套桿的彈性和非彈性膨脹，(h)鉆桿的彈性膨脹和延伸，和(i)由于井筒幾何形狀和泥漿流變學(xué)所造成的摩擦壓力損失。
在鉆井中通常所遇到的多種類型的地質(zhì)構(gòu)造在井內(nèi)如果受到過高的井下壓力均將斷裂和破壞。許多種含有流體的地質(zhì)構(gòu)造是多孔或滲透性的，隨著井下壓力的波動(dòng)，可使流體流入井筒或接受來自井筒的流體。成功的鉆井操作要求鉆井液的壓力保持在由井筒穩(wěn)定性壓力極限所規(guī)定的泥漿比重窗口內(nèi)。壓力下限或?yàn)楸┞稑?gòu)造的孔隙壓力，或?yàn)楸苊饩菜莸臉O限值。上限是構(gòu)造斷裂壓力。
如果在鉆管連接過程中井下壓力超過構(gòu)造的斷裂壓力，那么暴露于井下壓力的構(gòu)造區(qū)域?qū)⑽锢頂嗔亚以摂嗔褜U(kuò)展，造成鉆井泥漿自井筒流入斷裂的構(gòu)造。泥漿向斷裂的構(gòu)造中損失的速度將取決于斷裂的程度和井筒與構(gòu)造之間的壓力差。所造成的鉆井泥漿的靜水柱高度的損失可很快導(dǎo)致構(gòu)造處井下壓力的不足，以及壓差的快速損失或反轉(zhuǎn)。當(dāng)此情況出現(xiàn)時(shí)，構(gòu)造流體(包括氣體)可自斷裂的構(gòu)造或自與該井流體聯(lián)通的其它構(gòu)造進(jìn)入井筒。這種現(xiàn)象通常稱為“井涌”。一旦引人井筒內(nèi)，例如，氣涌將通過鉆井泥漿向上朝地面流動(dòng)。向上流動(dòng)的氣體由于其所受壓力的逐漸降低將不斷膨脹，常常迫使鉆井泥漿自地面流出井外或流入與該井流體聯(lián)通的構(gòu)造。這是一種危險(xiǎn)的井控狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免，但當(dāng)其發(fā)生時(shí)，必須要早期發(fā)覺并快速做出反應(yīng)。
如果在鉆管連接過程中井下壓力降到存留在多孔構(gòu)造內(nèi)的流體的孔隙壓力之下，那么井控狀態(tài)也會(huì)發(fā)展變化。這種狀態(tài)一般稱為“欠平衡”。當(dāng)井欠平衡時(shí)，來自與該井流體聯(lián)通的多孔地質(zhì)構(gòu)造的流體將流入井內(nèi)，使鉆井泥漿向上朝向地面運(yùn)動(dòng)。例如當(dāng)氣體在欠平衡條件下進(jìn)入井筒時(shí)，它可朝向地面流動(dòng)并膨脹，迫使鉆井泥漿于地面流出井外或流入與該井流體聯(lián)通的構(gòu)造中。
“安全窗口”或在鉆管連接過程中井下壓力的允許范圍可以由構(gòu)造孔隙壓力或井筒塌陷壓力中較高者(最低壓力)和構(gòu)造斷裂壓力(最高壓力)來決定。對于在以下條件下開發(fā)的井，由這些最低和最高壓力決定的安全窗口較窄(a)在深水處，(b)當(dāng)構(gòu)造孔隙壓力高、地層溫度高或遇到斷裂壓力低的構(gòu)造時(shí)，(c)工作范圍延長的井，和(d)井眼極細(xì)長的井，使循環(huán)泥漿所需的壓力的摩擦損失增大。
為了提供精確的井下壓力測量，人們已經(jīng)開發(fā)了一些井下儀器。一些這樣的儀器具有電纜連接，以便將數(shù)據(jù)傳回地面。這些儀器通常是自鉆桿內(nèi)伸入井中的細(xì)長設(shè)備部件。自然，采用這樣帶電纜的設(shè)備，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以不受數(shù)量限制地傳送給司鉆并為其所用。但是，大多數(shù)帶電纜的儀器均不能在生產(chǎn)的實(shí)際鉆進(jìn)階段使用或在不嚴(yán)重影響鉆井操作的情況下使用。在鉆井操作過程中，電纜和儀器必須完全自井中抽出，包括鉆管連接時(shí)，而這正是最需要井下數(shù)據(jù)之時(shí)。帶電纜的儀器在鉆桿從井筒中取出后可以插入井內(nèi)，但這種形式不適用于鉆管連接時(shí)，因?yàn)殂@管連接只有當(dāng)鉆桿處于井內(nèi)時(shí)才會(huì)進(jìn)行。
一種用于將數(shù)據(jù)自BHA傳遞到地面的泥漿脈沖遙測通信系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，并在本行業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。泥漿脈沖遙測系統(tǒng)沒有將數(shù)據(jù)攜帶到地面的電纜或?qū)Ь€，而是代之以利用一系列通過流動(dòng)的高壓鉆井液傳送到地面的壓力脈沖。這樣一種系統(tǒng)在美國專利No．4，120，097中有說明。泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的局限性是數(shù)據(jù)的傳輸容量，或者信息的傳輸速度，受到極大的限制。另外，井下匯聚和／或存貯于底部鉆井組件(BHA)內(nèi)的數(shù)據(jù)只有在泥漿循環(huán)泵開動(dòng)和泥漿流量處于一定范圍內(nèi)時(shí)，即處于“開泵”操作過程才能傳送到地面。例如，Schlumberger6．75英寸PowerPulseTmMWD工具的標(biāo)準(zhǔn)流量范圍是275-800加侖／分。在鉆管連接過程中，是“停泵”操作，井下數(shù)據(jù)不能利用泥漿脈沖遙測系統(tǒng)傳送至地面。盡管許多發(fā)生在鉆管連接過程中的井下壓力能夠在鉆管連接過程中精確測量，并存貯在BHA內(nèi)，但此數(shù)據(jù)只有在循環(huán)泵重新開動(dòng)之后才能通過泥漿脈沖遙測傳送至地面，而且即使這樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫彩欠浅Ｂ?。結(jié)果，當(dāng)司鉆得到在鉆管連接過程中測量并存貯于BHA的幾個(gè)壓力值時(shí)，在鉆管連接過程中由于出現(xiàn)泥漿損失或氣體涌入而引起的井孔狀態(tài)已是遠(yuǎn)遠(yuǎn)在此之前的事了。司鉆著手處理危險(xiǎn)的井孔狀態(tài)的能力，由于在獲得鉆管連接過程中井下壓力測量值方面的過度延誤而無可挽回地受到損害。知道鉆管連接過程中的井下壓力軌跡可以為司鉆提供設(shè)計(jì)和管理鉆井過程的寶貴的工具。司鉆目前在鉆管連接過程中沒有這種寶貴信息，這個(gè)問題能夠造成成本增加的井控狀態(tài)和危及具有一定風(fēng)險(xiǎn)的鉆井的成功。
為了列出根據(jù)地面測量值估算包括壓力在內(nèi)的井下狀態(tài)的預(yù)測方程，人們已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試。在其美國專利No．5，654，503中Rasmus公開了一種獲得經(jīng)過改進(jìn)的鉆井條件的測量值的方法。Rasmus試圖通過列出一個(gè)在給定時(shí)間下使地面條件與有關(guān)的井下條件相關(guān)的預(yù)測方程來克服泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的有限的信息傳遞速度的問題。Rasmus的預(yù)測方程是利用處于BHA內(nèi)的井下儀器在給定時(shí)間周期內(nèi)做大量的井下測量而列出的。Rasmus隨后在井下CPU中對這些測量值進(jìn)行平均，并將平均后的井下條件測量值送至地面，與有關(guān)的地面條件實(shí)際測量值進(jìn)行比較。
Rasmus法可以用于根據(jù)地面壓力估算井下壓力。但是，Rasmus法的失敗之處在于未對鉆管運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng))、鉆屑分布和進(jìn)出井筒的流體流量的影響，或這些影響的綜合效果進(jìn)行補(bǔ)償，這可能導(dǎo)致井下測量的偏差和瞬變值。通過對大量的井下壓力的測量值取平均，Rasmus法不可逆地將這些瞬變值的影響混入平均后的而后傳送到地面與精確的地面壓力測量值進(jìn)行對比的井下數(shù)據(jù)中。再者，Rasmus法采用了麻煩的序列技術(shù)，進(jìn)行時(shí)間移位和使井下數(shù)據(jù)平均值和所選定的地面測量值重新對應(yīng)。
換言之，Rasmus使在一段給定時(shí)間，如30秒內(nèi)的平均值與在此或先于此30秒期間內(nèi)某時(shí)刻所取的單一地面測量值相關(guān)。相當(dāng)大的不精確因素在平均步驟引入并在時(shí)間序列步驟再次引入，這些造成用于重新構(gòu)成大量取樣的合成井下壓力和診斷井孔狀態(tài)的Rasmus預(yù)測方程所用系數(shù)的估算不準(zhǔn)。
人們所需的是一種精確估計(jì)在鉆管連接過程中所出現(xiàn)的井下壓力的方法，使司鉆能利用取自井下、經(jīng)戰(zhàn)略性選擇、數(shù)量有限的壓力數(shù)據(jù)，精確診斷鉆管連接過程中所發(fā)生的井孔狀態(tài)和井孔行為。所需要的是一種只選擇和傳遞那些特定的井下測量值，為快速和精確診斷在諸如鉆管連接的停泵過程中所發(fā)生的井孔狀態(tài)提供有益信息的方法。因此這種方法使司鉆能夠采取合適的補(bǔ)救步驟，在嚴(yán)重問題發(fā)展之前對惡化的井孔狀態(tài)做出反應(yīng)。
本發(fā)明提供了一種確定有代表性的當(dāng)量靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的方法。根據(jù)此方法，井下環(huán)形空間流體壓力在鉆管連接過程中由底部鉆井組件(BHA)測量。BHA而后判別停泵狀態(tài)的開始，它是基于LTB(小功率工具總線)來判別的。LTB在MWD工具和LWD工具之間提供了聯(lián)通線，并且給某些LWD電子元件提供電壓。更精確地，當(dāng)以下條件同時(shí)滿足時(shí)，APWD停泵分析開始(1)至少10秒沒有LTB聯(lián)通，和(2)LTB電壓非常低(例如LTB電壓＜1V)停泵分析一直持續(xù)到上述條件均為真時(shí)。BHA還通過探測由于鉆管運(yùn)動(dòng)或泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)所造成的突然變化來判別連接終點(diǎn)的狀態(tài)。BHA，最好是通過配備有計(jì)算機(jī)的裝置只是利用停泵狀態(tài)的開始和連接終點(diǎn)的狀態(tài)之間所取的井下環(huán)形空間流體壓力測量值來估算當(dāng)量靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力。估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的步驟可以包括使停泵狀態(tài)和連接終點(diǎn)的狀態(tài)之間的井下環(huán)形空間流體壓力測量值滿足一個(gè)方程，該方程最好是表示為有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力等于井下環(huán)形空間流體壓力減去停泵瞬變值的總和。
通過將測量值除以在地面已知的實(shí)際垂直深度(TVD)，可以用井下環(huán)空壓力測量值來確定泥漿當(dāng)量密度。當(dāng)量密度一般稱作當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)，技術(shù)上講，它是泥漿循環(huán)時(shí)的泥漿當(dāng)量密度。當(dāng)泥漿不循環(huán)時(shí)，當(dāng)量密度稱為靜態(tài)當(dāng)量密度(ESD)。ECD常被用作包括ECD和ESD在內(nèi)的一般術(shù)語，且是表示環(huán)空內(nèi)流體行為綜合測量的重量參數(shù)。
由BHA確定的靜態(tài)井下壓力P靜隨后最好是在鉆管連接之后緊隨開泵操作重新開始，立即用泥漿脈沖遙測傳輸技術(shù)傳送給地面的司鉆。它隨后轉(zhuǎn)換為ESD，為司鉆提供能夠?qū)Πl(fā)展變化的井下狀態(tài)做出快速診斷和反應(yīng)的寶貴信息。
或者，該方法還可以包括測量出現(xiàn)在井下壓力軌跡上其它戰(zhàn)略選擇位置處額外的井下壓力的步驟，記錄每次額外測量值所做的時(shí)間和位置，并將這些額外測量值和所對應(yīng)的位置傳送到地面。傳遞到地面的額外井下數(shù)據(jù)可進(jìn)行所測井下數(shù)據(jù)與地面壓力數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，以便估算停泵狀態(tài)過程中出現(xiàn)的井下壓力軌跡。所有這些方法的最佳應(yīng)用是用于確定在鉆管連接過程中發(fā)生的井下狀態(tài)。
以上對本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了簡單歸納，通過下面參照附圖中所示實(shí)施例所做的具體說明，將對其有更詳細(xì)理解。但是，應(yīng)該指出，附圖僅表示本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不能認(rèn)為限制了其領(lǐng)域，因?yàn)楸景l(fā)明可以有其它等效的實(shí)施例。


圖1是鉆管連接過程中典型的APWD曲線圖；圖2是表示鉆管往復(fù)運(yùn)動(dòng)或鉆桿安置在卡瓦內(nèi)之后鉆桿諧振過程中出現(xiàn)的交變的抽吸和沖擊壓力；圖3是本發(fā)明用以給出井下壓力軌跡模型的工作流程圖；圖4包括四幅鉆管連接過程中和采用連接終點(diǎn)自動(dòng)探測時(shí)的APWD曲線圖；圖5包括可能對整個(gè)井下壓力軌跡有影響的瞬變值的五種普通的能量衰減曲線圖。
本發(fā)明提供了一種有效地重建鉆管連接過程中所做隨鉆環(huán)狀空間壓力(APWD)測量實(shí)時(shí)性的方法。APWD數(shù)據(jù)利用BHA內(nèi)的儀器和有關(guān)電子元件獲得，并利用只有在泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才工作的泥漿脈沖遙測系統(tǒng)傳送到地面。鉆管連接要求停止泥漿循環(huán)泵。結(jié)果，在鉆管連接過程中不能利用泥漿脈沖遙測將井下數(shù)據(jù)傳送到地面。在鉆管連接過程中，許多APWD數(shù)據(jù)可以測量并存貯于BHA內(nèi)，而后在泵送操作重新開動(dòng)后傳送給地面的司鉆。但是，泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳輸速度非常慢。人們需要的是為司鉆提供關(guān)鍵的井下數(shù)據(jù)，使他在鉆管連接過程中能快速診斷不斷發(fā)展變化的井孔狀態(tài)。本發(fā)明克服了泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳遞速度低的缺點(diǎn)，重新建立了接近實(shí)時(shí)質(zhì)量的APWD數(shù)據(jù)，它是利用井下智能系統(tǒng)戰(zhàn)略性地判別鉆管連接過程中出現(xiàn)的特定標(biāo)志性事件，隨后利用所判別的事件和與那些事件有關(guān)的壓力測量值，確定傳送到地面的某些特定參數(shù)，可選擇性地包括少量最有用的APWD測量值及其在井下壓力軌跡上的位置。在開泵操作重新啟動(dòng)后，BHA用泥漿脈沖遙測將所選出或處理過的數(shù)據(jù)傳到地面。
一般而言，模擬APWD數(shù)據(jù)借助BHA內(nèi)的邏輯電路或中心處理器(CPU)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。當(dāng)鉆管連接后開泵操作重新啟動(dòng)時(shí)，所存貯的數(shù)據(jù)以一次一字節(jié)自BHA傳送到地面，使壓力讀數(shù)的傳送非常慢。盡管許多APWD測量值可以讀取、記錄和存貯在BHA內(nèi)，但自BHA向地面的數(shù)據(jù)傳輸直至開泵操作重新啟動(dòng)以后才能開始。鉆井泥漿的信息傳輸速度慢而井筒狀態(tài)變化快，結(jié)果，目前可以以足夠快的速度傳送且適用于司鉆進(jìn)行鉆井操作的接近實(shí)時(shí)診斷或控制的APWD測量值或其它數(shù)據(jù)非常少。
測量并存貯于BHA內(nèi)的APWD數(shù)據(jù)也可在BHA內(nèi)進(jìn)行處理。利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過處理而使數(shù)量減少的APWD數(shù)據(jù)或經(jīng)戰(zhàn)略選擇的一小組APWD數(shù)據(jù)可以快速傳送給地面上的司鉆，提供更有用的有關(guān)井孔狀態(tài)的信息，這僅僅是一組司鉆隨后必須要分析的壓力測量值。本質(zhì)上，適當(dāng)?shù)木路治龇浅Ｓ兄诳朔?shù)據(jù)獲得上的延誤和伴隨泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳輸慢的缺點(diǎn)。本發(fā)明利用能在井下處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，減少了為司鉆提供關(guān)鍵井下信息的延誤和提高了司鉆能夠?qū)Σ豢深A(yù)料的井孔狀態(tài)做出反應(yīng)的速度。
當(dāng)處在連接周期時(shí)，幾項(xiàng)與井操作和井內(nèi)物理變化有關(guān)的動(dòng)態(tài)瞬變值對記錄在BHA內(nèi)的整個(gè)井下壓力軌跡有影響。每項(xiàng)對整個(gè)井下壓力軌跡有影響的瞬變值均具有與其能量損耗曲線有關(guān)的顯著不同的“特征”。該特征反映了可歸因于瞬變值背后物理變化的能量衰減的模式。當(dāng)這些具有典型特點(diǎn)的能量衰減特征同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，由這些瞬變值的總和構(gòu)成的整個(gè)井下壓力軌跡可能出現(xiàn)沒有容易鑒別的類型的波動(dòng)，除非它能從已知的有影響的能量衰減特征中分析出來。因此，整個(gè)井下壓力軌跡不能用中位數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差或其它簡單的數(shù)學(xué)近似手段進(jìn)行可靠的估算。結(jié)果，任何未考慮這些動(dòng)態(tài)瞬變值的連接過程中井下壓力的估算和模擬都是不可靠的。
下面圖5A-5E中所示給出了對整個(gè)井下壓力軌跡有影響的基本瞬變值曲線圖的范圍。圖5A給出了“最小井筒鼓脹”。圖5B給出了比較顯著的鼓脹。鼓脹指的是響應(yīng)于井筒壓力的變化的井筒幾何形狀的物理變形(井筒彈性和柔性)和鉆液的吸取和回送(井筒存貯量)。在鉆鑿某些構(gòu)造時(shí)，ECD高到足以引發(fā)微裂縫的網(wǎng)絡(luò)和／或迫使鉆液進(jìn)入預(yù)先存在的這種微裂縫網(wǎng)絡(luò)，以及造成井眼和套桿的圓周膨脹。當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)，ECD降低，井筒收縮，泥漿自構(gòu)造返回井眼。這導(dǎo)致一壓力瞬變值，可由一個(gè)單一的衰變指數(shù)來表示(圖5A和5B)。圖5C給出了鉆管已深入井內(nèi)情況下泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)前的連接狀態(tài)。在延長的鉆桿上加入額外的鋼量造成等量鉆井泥漿的位移和井下壓力的遞增。圖5D給出泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)前鉆桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的連接狀態(tài)。圖5E給出了鉆桿安置在卡瓦內(nèi)后BHA諧振的影響。
曲線圖形的大范圍變化是使停泵分析具有挑戰(zhàn)性的原因。簡單地傳送最低壓力(P最低)和／或基于所記錄的在鉆管連接過程中取得的APWD數(shù)據(jù)所得的平均井下壓力(P平均)可能會(huì)引入歧途和可能造成對鉆管連接過程中出現(xiàn)的ESD的錯(cuò)誤解釋。與應(yīng)用最低井下壓力和／或基于接鉆井桿過程中記錄的APWD測量值所得的平均井下壓力有關(guān)的誤差將取決于多項(xiàng)參數(shù)，包括ⅰ．井的幾何參數(shù)(深度、直徑和斜度)；ⅱ．鉆桿幾何參數(shù)；ⅲ．泥漿性能；ⅳ．鉆桿在井內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度；ⅴ．鉆桿安置在卡瓦內(nèi)的速度；
ⅵ．存在鼓脹的程度；ⅶ．鉆管連接后鉆桿下降的深度間隔(再次開泵前)；和ⅷ．鉆管連接的持續(xù)時(shí)間。
必須承認(rèn)這些已知的有影響的瞬變值并對其進(jìn)行處理，以便得到更可靠的整個(gè)井下壓力軌跡，特別是ESD的估算值。一種能根據(jù)這些已知的鉆管連接過程中的瞬時(shí)行為分析壓力測量值的BHA可以提供少量更加有用的數(shù)據(jù)，在鉆管連接后傳送給司鉆，從而使司鉆能更快速和精確地診斷不斷發(fā)展變化的井孔狀態(tài)。
圖1給出典型的鉆管連接過程中出現(xiàn)的井下壓力軌跡。根據(jù)本發(fā)明，典型的井下壓力軌跡表現(xiàn)為幾個(gè)“事件”，將整個(gè)井下壓力軌跡分為一些令人感興趣的區(qū)間。井下壓力軌跡開始于鉆管連接開始泥漿循環(huán)泵停止之時(shí)10，并終止于泥漿循環(huán)泵重新啟動(dòng)之時(shí)。
當(dāng)鉆桿在鉆管連接開始時(shí)10安置在卡瓦內(nèi)且泥漿循環(huán)泵關(guān)閉以便連接額外一節(jié)鉆管之時(shí)，APWD表現(xiàn)出顯著下降。井下壓力軌跡表現(xiàn)出自循環(huán)壓力(P循環(huán))的明顯下降12和向靜態(tài)壓力(P靜)14的顯著向下調(diào)整。從泥漿循環(huán)泵關(guān)閉之后和鉆管連接的終點(diǎn)之前所取或出現(xiàn)的壓力測量值推導(dǎo)出的當(dāng)量密度(ECD和ESD)代表具有特定意義的區(qū)間，因?yàn)樽跃僮鞒霈F(xiàn)穩(wěn)定后的這段時(shí)間代表了ESD的最佳估算值。在此區(qū)間的壓力測量值對于估算ESD是最佳的，因?yàn)榱黧w不循環(huán)且在此區(qū)間瞬變值在量度上開始減小。實(shí)際上，此流體接近靜態(tài)條件，而即使流體實(shí)際上從未靜止，那么要確定ESD，也可以分析在接近靜態(tài)條件過程中所取的壓力測量值。
當(dāng)泥漿循環(huán)泵在連接周期的開始點(diǎn)10關(guān)閉時(shí)，在鉆桿的內(nèi)部由地面施加給泥漿的壓力一般降低到大氣壓。事實(shí)上，除非與泥漿泵排出口流體聯(lián)通的立管內(nèi)的壓力是安全的，否則一名謹(jǐn)慎的司鉆不會(huì)使凱氏方鉆桿(kelly)與鉆桿脫離連接。無論如何，泥漿泵排放壓力不會(huì)瞬時(shí)降至零，且井下壓力即刻降低的量也不會(huì)是由于泥漿泵關(guān)閉而自鉆桿的頂端撤去的泥漿泵壓力的量。當(dāng)泥漿泵關(guān)閉且施加到鉆井泥漿和井內(nèi)其它材料上的壓力降至大氣壓時(shí)，壓力前沿沿鉆桿向下傳播到井底。因?yàn)槟酀{循環(huán)泵開動(dòng)時(shí)施加了較高的循環(huán)壓力，所以當(dāng)井中的泥漿和其它材料達(dá)到可壓縮的程度時(shí)，勢能就存貯在這些可壓縮的材料內(nèi)。當(dāng)泥漿循環(huán)泵關(guān)閉時(shí)，所貯存的能量返回到系統(tǒng)，造成能量衰變瞬變值，影響整個(gè)井下壓力軌跡。這種能量返回對整個(gè)井下壓力軌跡的影響可以用數(shù)學(xué)方法模擬。
鉆管連接過程中所記錄的最大井下壓力一般出現(xiàn)在泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)10之時(shí)。使此最大井下壓力增大的一個(gè)參數(shù)是鉆井泥漿的凝膠特性。泥漿設(shè)計(jì)有凝膠特性的目的是使經(jīng)常要通過井筒的傾斜段或水平段而必須攜帶到地面的加重劑和鉆屑懸浮。凝膠特性的一個(gè)副作用是當(dāng)鉆管連接過程中泥漿成為靜態(tài)之后造成重新建立環(huán)空泥漿流的阻力顯著增加。這種增加的靜態(tài)泥漿流動(dòng)阻力造成泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)時(shí)井下壓力軌跡的開始處的初始壓力沖擊11。此最大的壓力沖擊11造成的井下壓力沖擊有時(shí)高于預(yù)想。由于靜態(tài)泥漿的凝膠阻力造成的井下壓力沖擊能使井下壓力提高，超過構(gòu)造的斷裂壓力，導(dǎo)致泥漿向構(gòu)造的損失。
司鉆經(jīng)常試圖通過逐漸“調(diào)整”泥漿循環(huán)泵或通過使泥漿泵緩慢返回到全速，而使凝膠泥漿逐步從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)來減小泥漿泵再開動(dòng)沖擊11。司鉆還可以試圖通過在泥漿泵重新開動(dòng)之前轉(zhuǎn)動(dòng)井中的鉆桿在即將重新開動(dòng)泥漿泵之前攪動(dòng)靜態(tài)泥漿凝膠來減小井下壓力沖擊。井下壓力軌跡上的最大壓力11的定位、記錄和傳送至地面對于開泵操作的重新建立是十分重要的。這可使司鉆意識到鉆管連接過程中最大井下壓力的出現(xiàn)，并能夠開發(fā)和標(biāo)定較好的泥漿凝膠破碎模型，從而可以評價(jià)鉆管轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)、或泵“調(diào)整”的效果。
這些與凝膠破碎有關(guān)的減小壓力的嘗試，以及凝膠破碎現(xiàn)象本身，造成具有典型特征的影響到整個(gè)井下壓力軌跡的瞬變值。如上所述，鉆管往復(fù)運(yùn)動(dòng)是司鉆經(jīng)常使用的技術(shù)，目的是檢查在停泵狀態(tài)下由于加重劑或鉆屑下沉而造成的鉆管被卡，或?qū)υ谕１脿顟B(tài)下已成為靜態(tài)的凝膠泥漿進(jìn)行“預(yù)破碎”。但是，當(dāng)鉆桿的地面端靜止時(shí)，鉆桿的井下部分繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鉆桿(即鉆管、BHA和鉆頭的組合)往復(fù)運(yùn)動(dòng)或在地面安置在卡瓦內(nèi)時(shí)，鉆桿的慣性可能造成鉆管的顯著伸長。一旦設(shè)定為向下運(yùn)動(dòng)，鉆管的下部、BHA和鉆頭繼續(xù)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，較細(xì)長的鉆桿由于沉重的鉆桿的下部的向下運(yùn)動(dòng)而伸長，直至它彈性抵抗進(jìn)一步伸長為止。當(dāng)向下的運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，存貯在伸長了的鉆管內(nèi)的勢能向上拉動(dòng)鉆桿，從而使其運(yùn)動(dòng)反向。由于彈性桿的端部的懸掛重量，BHA運(yùn)動(dòng)的特征是在井內(nèi)的諧振，此長頻率振動(dòng)逐漸受到鉆井中泥漿流體摩擦和鉆管韌性的阻尼。這在深的豎井筒中特別明顯。
BHA和鉆頭的逐漸衰減、周期性的上下位移生成一影響整個(gè)井下壓力軌跡的交變的抽吸和沖擊壓力分量16。同樣，正的“沖擊”壓力在鉆管向井內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，而負(fù)的“抽吸”壓力在鉆管拔出井中時(shí)出現(xiàn)。抽吸-沖擊壓力瞬變值的“特寫”示于圖2。在圖2中，與交變的“抽吸”壓力有關(guān)的最小壓力谷22保持在與井聯(lián)通的構(gòu)造中流體的孔隙壓力之上，該壓力是在圖中標(biāo)號24以泥漿密度為12．0磅／加侖示出的。向下的諧和運(yùn)動(dòng)或鉆管插入井內(nèi)造成的井下壓力沖擊可使井下壓力增大，超過構(gòu)造的斷裂壓力，造成泥漿向構(gòu)造的損失。同樣，由于向上的諧和運(yùn)動(dòng)或自井中提升鉆管所造成的井下抽吸壓力降到與井流體聯(lián)通的構(gòu)造的孔隙壓力之下時(shí)可導(dǎo)致構(gòu)造氣體被引入井內(nèi)。另外，鉆桿的地面端的突然減速可造成井下抽吸壓力顯著，它足以將構(gòu)造流體吸入井筒并造成井涌。盡管鉆桿和井筒動(dòng)力學(xué)超出了本文所要討論的范圍，但這種現(xiàn)象在1998年3月3-6日在德克薩斯州達(dá)拉斯召開的1998IADC／SPE鉆井會(huì)議上發(fā)表的由R．L Rudolf和P．V．R．Suryanarayana所著SPE No．39395論文“高溫深井井孔中下鉆轉(zhuǎn)換時(shí)抽吸效應(yīng)的現(xiàn)場驗(yàn)證”中有進(jìn)一步的論述和解釋。諧振或鉆管在井中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可用數(shù)學(xué)手段模擬，使其能夠與APWD數(shù)據(jù)相關(guān)。給出諧振和鉆管往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)整個(gè)井下壓力軌跡的影響是困難的，因?yàn)榇嬖谥粗淖兞?，包括?gòu)造流體(特別是氣體)的可壓縮性，井中管狀鉆桿的彈性和在井操作中處于運(yùn)動(dòng)的鉆管或流體的慣性。
將鉆桿下入井內(nèi)對整個(gè)井下壓力軌跡的影響的一般曲線圖形示于圖5C。連接后鉆管往復(fù)運(yùn)動(dòng)對整個(gè)井下壓力軌跡的影響的一般曲線圖示于圖5D。BHA諧振對整個(gè)井下壓力軌跡的影響的一般曲線圖示于圖5E。理解各有影響的壓力瞬變值的實(shí)質(zhì)和曲線圖形是很重要的。盡管精確模擬出所涉及的各種影響因素對于整個(gè)井下壓力軌跡的實(shí)際數(shù)值是不必要的，甚至可能是不能描述的，但確定軌跡的整個(gè)形狀和輪廓是重要的。一旦我們了解了包括壓力瞬變值的基本形狀，我們將能對戰(zhàn)略性選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的擬合，以及推斷或確定所需的ESD 14。同使用可能降低結(jié)果可靠性的經(jīng)驗(yàn)的擬合和不能校準(zhǔn)的擬合相比，具有經(jīng)證明、基于實(shí)際的擬合也是重要的。
與鉆管連接過程中發(fā)生的某些特定的地面活動(dòng)有關(guān)的已知的地下壓力反映可以有效地用來繪制、描述或識別整個(gè)井下壓力軌跡上感興趣的區(qū)域。如上討論的，與泥漿循環(huán)泵的重新開動(dòng)相關(guān)的最大壓力11和與鉆桿安置在卡瓦時(shí)諧振開始有關(guān)的最小壓力13在整個(gè)壓力軌跡上的一般位置是已知的。當(dāng)在鉆管連接終點(diǎn)16之后鉆桿的重量自機(jī)械卡瓦提起時(shí)，鉆管自井中的初始拉動(dòng)在井下壓力軌跡上產(chǎn)生一顯著的壓力抽吸。
再者，司鉆經(jīng)常使鉆桿在井中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以檢查和防止鉆桿在連接過程中被自靜止鉆井泥漿中沉降分離的鉆屑和加重劑卡在井筒內(nèi)。再說，緊隨相對靜止的井下壓力周期之后即刻進(jìn)行的鉆桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)在緊接一段相對靜止的壓力周期之后即刻產(chǎn)生序列或交變的抽吸和沖擊壓力尖峰。最后，司鉆在連接已經(jīng)完成和凱式方鉆桿已重新連接之后重新開動(dòng)泥漿泵20在井下壓力軌跡上造成明顯和可探知的增高，達(dá)到其最高記錄水平11。由于井中的泥漿的靜態(tài)性質(zhì)和循環(huán)泵的慣性阻力，結(jié)果，在連接過程中得到的最大井下壓力11一般出現(xiàn)在連接后泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)20之時(shí)。
盡管得到可靠的鉆管連接過程中出現(xiàn)的ESD的估算值是本發(fā)明的主要目的，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)一個(gè)備選內(nèi)容是將此所公開的過程使用到任何感興趣的井孔參數(shù)。同樣，盡管本發(fā)明是就克服泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的信息傳輸受限的問題進(jìn)行的說明，但通過采用有選擇地探測、測量關(guān)鍵的井下數(shù)據(jù)并傳送到地面和進(jìn)行相關(guān)處理而得到改善的所有其它信息傳遞也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
非強(qiáng)制地，戰(zhàn)略選擇的APWD數(shù)據(jù)可以包括對應(yīng)于泥漿泵重新開動(dòng)的最大和最小井下壓力。再者，戰(zhàn)略選擇的APWD數(shù)據(jù)可以包括根據(jù)連接的終點(diǎn)16之前選定的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的實(shí)際井下壓力表示鉆井泥漿的ESD的數(shù)據(jù)。戰(zhàn)略選擇的數(shù)據(jù)還可以包括表示連接的終點(diǎn)16之后但在泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)20之前出現(xiàn)的靜態(tài)壓力的數(shù)據(jù)。
估算ESD或P靜過程的第一步是通過連接過程中記錄的壓力軌跡確定連接的終點(diǎn)16。隨著鉆桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或泥漿循環(huán)泵的重新開動(dòng)連接的終點(diǎn)一定會(huì)出現(xiàn)。連接開始點(diǎn)10標(biāo)記為泥漿循環(huán)泵的關(guān)閉，它即處于鉆桿安置在卡瓦內(nèi)時(shí)刻之前或之后。我們可以假設(shè)與在鉆管連接周期開始時(shí)將鉆桿安置在卡瓦內(nèi)有關(guān)的諧振或交變的抽吸和沖擊壓力造成了在鉆管連接周期中出現(xiàn)的最低壓力13。因此，ESD或P靜14在最低壓力(鉆桿安置在卡瓦時(shí))之后和鉆桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)或泥漿循環(huán)泵重新開動(dòng)之前出現(xiàn)。但是，因?yàn)殂@桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以在連接的終點(diǎn)16之后和泥漿循環(huán)泵20重新開動(dòng)之前發(fā)生，所以不能認(rèn)為由整個(gè)停泵時(shí)序分析估算出的P靜是一正確的估算值。
如前所述，我們可以根據(jù)伴隨拉起鉆桿脫離卡瓦而產(chǎn)生的壓力突變探測到連接的終點(diǎn)16。直觀地，只要鉆桿保持由卡瓦支撐和泥漿循環(huán)泵保持不運(yùn)轉(zhuǎn)，所記錄的APWD壓力軌跡應(yīng)該保持在由壓力變化的最近記錄所確定的范圍內(nèi)。如果我們將探測到停泵狀態(tài)的時(shí)間稱為t0，那么停泵環(huán)形空間壓力測量值將包括在間隔時(shí)間tn=t0+n×△t處所做的離散測量值P(tn)，其中(△t)是取樣時(shí)間間隔。與連接的終點(diǎn)16有關(guān)的時(shí)間，或t連接的終點(diǎn)，是當(dāng)所記錄的APWD壓力P(tN+1)相對于前面時(shí)間tN處的APWD壓力P(tN)表現(xiàn)出“足夠大”的變化的時(shí)間tN，該變化是否“足以”觸發(fā)連接的終點(diǎn)的探測取決于被認(rèn)為正常的壓力變化的最近歷史(由時(shí)間跨度(λ)決定)，并考慮到由壓力計(jì)分辨率(ε)所造成了正常壓力變化。另外，引入安全系數(shù)(η)，以防止人為影響和偽噪音峰。
以數(shù)學(xué)方法表達(dá)，t連接的終點(diǎn)定義為下列一不等式不能滿足之前的時(shí)刻 (1)其中 (2)安全系數(shù)(η)的意義是使壓力導(dǎo)數(shù)的變化能夠大于最近的壓力歷史所給出的值。當(dāng)η=0時(shí)，壓力導(dǎo)數(shù)必須處于壓力的最近歷史的跨度范圍內(nèi)。當(dāng)η→∞時(shí)，導(dǎo)數(shù)中的突變趨于不顯著。
這種自動(dòng)探測連接的終點(diǎn)的技術(shù)，以λ=50秒，ε=1psi和η=0．5的實(shí)際APWD數(shù)據(jù)得到確認(rèn)，停泵分析最終正確壓力點(diǎn)的探測是非常精確的，如圖5A-5D所示。
在估算P靜中，在停泵階段將控制APWD軌跡的形狀的重要瞬變值是當(dāng)(a)BHA類似于一個(gè)吊掛在長彈性索(鉆管)之下的質(zhì)量和類似于一阻尼振蕩器時(shí)，(b)井筒存貯效應(yīng)(即井存貯加上構(gòu)造“鼓脹”)將導(dǎo)致指數(shù)狀衰減時(shí)，(c)有對應(yīng)于侵入和鉆屑以“固定速度”沉積的通過構(gòu)造的連續(xù)泄漏，它更象不斷出現(xiàn)的線性衰減或非常平直的指數(shù)衰減，且存在由于熱交換機(jī)構(gòu)造成的壓力緩慢變化。
在任一時(shí)間t的井下環(huán)形空間壓力，或P環(huán)(t)，可以通過分解圖5A-5E中所示的基本壓力瞬變值的總和而進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。通過使實(shí)際的APWD壓力數(shù)據(jù)滿足以下方程，可以得到精確的靜態(tài)壓力估算值。P環(huán)(t)=β1e-t／θ1+β2×e-ｔ/θ2sin(ωt+φ)-β3(t-t終)+P靜其中θ1和θ2是時(shí)間常數(shù)，ω是頻率，φ是相位，β1、β2是振幅，β3是壓力隨時(shí)間變化的速度。
作為此分析的附加和備選方面，有一定的可以由實(shí)際的井下APWD數(shù)據(jù)表示的報(bào)警條件，這對于司鉆是有意義的。這些包括非常慢的衰減時(shí)間常數(shù)(顯示“鼓脹”)，快速衰減(構(gòu)造地層流體的流入，或井涌)，和以及不尋常的壓力增益(β3＜0)(顯示在細(xì)長井筒或淺水流中的氣涌)。由于方程(2)中包括了超出P靜的信息，所以可以定義警示條件，使司鉆注意到這些可能探測到的各種井孔狀態(tài)存在。例如，可以通過檢查APWD數(shù)據(jù)是否滿足以下條件來報(bào)警(a)θ1≥30秒和β1≥200psi(這要求兩個(gè)使用者確定的閾值)，(b)β3≥0．1psi／秒(此試驗(yàn)要求一個(gè)使用者確定的閾值)，和／或(c)β3≤-0．1psi／秒(此試驗(yàn)要求一個(gè)使用者確定的閾值)。
在給定狀態(tài)下所用的實(shí)際井涌閾值必須根據(jù)現(xiàn)場的歷史、井孔狀態(tài)和可得到的模擬數(shù)據(jù)設(shè)定。
圖4給出了所建議的計(jì)算流程圖。首先，我們分析數(shù)據(jù)，通過確定下式使用一線性方程式是否滿足來確定井下環(huán)形空間壓力軌跡是否能精確模擬。Σn=3N-2(p·(tn)-p.-)2-(N-4)×ϵ22×(Δt)2≤(N-4)×A22×(Δt)2------(3)]]>其中(A)是表示P靜計(jì)算值允許誤差程度的允許偏差設(shè)定點(diǎn)，而P是t3≤tn≤tN-2的壓力導(dǎo)數(shù)(p.(tn))]]>的中位數(shù)。
如果采用的允許偏差設(shè)定點(diǎn)的該方程式是令人滿意的，那么井下環(huán)形空間壓力軌跡可以令人滿意地用直線方程(P環(huán)(t)=-β3·(t-t連接的終點(diǎn))+P靜)表示，那么P靜=P-P×(t-t連接的終點(diǎn))(4)其中p是t3≤tn≤tN-2的壓力導(dǎo)數(shù)(P(tn))的中位數(shù)，而t是t3≤tn≤tN-2間隔時(shí)間(tn)的中位數(shù)。
但是，如果采用允許偏差設(shè)定點(diǎn)的方程不能令人滿意或井下環(huán)形空間壓力軌跡用直線方程不能精確模擬，即當(dāng)Σn=3N-2(p.(tn)-p.-)2-(N-4)×ϵ22×(Δt)2≥(N-4)×A22×(Δt)2]]>
時(shí)，那么我們分析數(shù)據(jù)以確定井下環(huán)形空間壓力軌跡是否可以用直線加指數(shù)方程精確模擬，例如確定是否 (5)因此，當(dāng)井下環(huán)形空間壓力軌跡可以用直線加指數(shù)方程精確模擬時(shí) ，那么 但是，如果使用允許偏差設(shè)定點(diǎn)的改良方程不能令人滿意或井下環(huán)形空間壓力軌跡不能用直線加指數(shù)方程精確模擬，即當(dāng) 時(shí)，那么求助于全面解決方案，直線加指數(shù)加阻尼諧振方程(Eq-2)。為了確定P靜，首先對t連接的終點(diǎn)前的最后120秒采用最小二乘擬合(LSQF)技術(shù)(即時(shí)間間隔t∈[t連接的終點(diǎn)-120秒，t連接的終點(diǎn)])和隨后在t連接的終點(diǎn)前的最后150秒重復(fù)進(jìn)行，而后在最后180秒，等等，以每次30秒的增量階梯增加時(shí)間間隔。每次我們進(jìn)行LSQF，我們計(jì)算每點(diǎn)的殘余擬合誤差，且我們將其與預(yù)定值(應(yīng)與壓力計(jì)的分辨率，或是確定P靜時(shí)的允許誤差成正比，無論哪個(gè)較大)對比。當(dāng)殘余誤差超過預(yù)定值時(shí)，LSQF過程停止。如果初始(首次)LSQF誤差已經(jīng)超過預(yù)定值，那么P靜相對于標(biāo)記連接的終點(diǎn)的最終壓力讀數(shù)，即P(t連接的終點(diǎn))，非法。但是，當(dāng)進(jìn)行LSQF時(shí)，存在鎖定在局部“最小”的實(shí)際危險(xiǎn)，所以在開始進(jìn)行LSQF過程之前最好首先盡可能精確地“猜測”一些擬合參數(shù)。這為最小二乘擬合提供了初始(或“啟動(dòng)”)值。由于P靜是除θ、β1、β2、β3、ω之外的一個(gè)擬合參數(shù)，那么它將作為LSQF過程的一部分直接解決。
應(yīng)該指出，首次“猜測”只是偶然使用。一般“猜測”將包括那些自以前的連接過程中擬合得出的前期壓力軌跡還原出的參數(shù)。
在LSQF過程中，各種參數(shù)可如下以可能的實(shí)施過程給出邊界β1∈[Opsi，2000psi]θ1∈[Osec，360sec]ω∈[π／25rad．sec-1，π／2rad．sec-1]β2∈[-1000psi，1000psi] (53)φ∈[-πrad，+πrad]θ2∈[Osec，60sec]β3∈[-1psi．sec-1，+1psi．sec-1]P靜∈[p(tN)-400psi，p(tN)+400psi]
估算P靜之后，通過除以TVD可以計(jì)算出ESD。但是，此計(jì)算一般在地面進(jìn)行，在地面司鉆或獨(dú)立的計(jì)算機(jī)能更好地深入信息內(nèi)部。而后司鉆一般要將ESD估算值與在地面測量的泥漿實(shí)際重量，以及估算的井筒穩(wěn)定性／孔隙壓力／斷裂梯度相比較，且可以根據(jù)需要做出改變，以減輕或加重泥漿，以著手處理任何報(bào)警狀態(tài)或?yàn)殡S后的鉆管連接調(diào)節(jié)泥漿密度。
本發(fā)明可利用計(jì)算機(jī)可讀程序編碼裝置來實(shí)施。盡管在本技術(shù)領(lǐng)域使用模擬和數(shù)字儀器、傳感器和其它數(shù)據(jù)采集或處理設(shè)備是眾所周知的，但是計(jì)算機(jī)可以獲取和記錄連接過程中出現(xiàn)的井下環(huán)形空間流體壓力，判別停泵狀態(tài)的開始和后來出現(xiàn)的連接狀態(tài)的終點(diǎn)，以及估算自停泵狀態(tài)時(shí)刻至連接的終點(diǎn)狀態(tài)時(shí)刻的井下環(huán)形空間壓力。計(jì)算機(jī)通過訪問開泵操作重新開始后存貯在BHA內(nèi)的井下環(huán)形空間壓力實(shí)際測量值，對為模擬后續(xù)連接過程中井下壓力軌跡而開發(fā)的方程進(jìn)行校準(zhǔn)，以及使實(shí)際數(shù)據(jù)與通過使用本發(fā)明得到的模擬數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)一致。
在以上對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說明的同時(shí)，在不背離本發(fā)明基本范圍的情況下可能產(chǎn)生本發(fā)明其它和進(jìn)一步的實(shí)施例，因此其范圍由下述權(quán)利要求決定。
定義LSQF 最小二乘擬合CPU中央處理器BHA底部鉆孔組件LWD隨鉆測井工具M(jìn)WD隨鉆測量工具。自各種LWD工具收集井下數(shù)據(jù)并用泥漿脈沖遙測技術(shù)將其傳送到地面。APWD 隨鉆環(huán)形空間壓力傳感器LTB小功率工具總線(它在MWD和LWD工具之間提供了一條聯(lián)通線，且還為某些LWD電子元件提供電壓)。PP 孔隙壓力。CG 塌陷梯度FG 斷裂梯度MD 測量深度TVD真實(shí)垂直深度P循環(huán)循環(huán)時(shí)井下壓力ECD 當(dāng)量循環(huán)密度P靜靜態(tài)井下壓力ESD 當(dāng)量靜態(tài)密度i．n 指數(shù)(0、1、2、3、等)t 時(shí)間t0停泵狀態(tài)開始時(shí)的時(shí)間T連接的終點(diǎn)探測到連接的終點(diǎn)的時(shí)間，也稱作(tN)。△t 井下壓力取樣率(一般為2秒)t1進(jìn)行井下壓力測量的間隔時(shí)間。即ti=t0+i×△ttN同t連接的終點(diǎn)t t3≤tn≤tN-2時(shí)，間隔時(shí)間(tN)的中位數(shù)。λ 描述井下壓力變化的近期歷史的時(shí)間跨度。P環(huán)(t)時(shí)間(t)處的APWD壓力P最小停泵階段的最低APWD壓力P最大停泵階段的最高APWD壓力P平均停泵階段的平均APWD壓力P t3≤tn≤tN-2時(shí)壓力P環(huán)(tn)的中位數(shù)P(tn) 井下壓力的一次導(dǎo)數(shù)的估算值P t3≤tn≤tN-2壓力導(dǎo)數(shù)(P(tn))的中位數(shù)P(tn) 井下壓力的二次導(dǎo)數(shù)的估算值P最大(tn) tn-λ≤ti≤tn}時(shí)井下壓力的最大二次導(dǎo)數(shù)的估算值P最小(tn) tn-λ≤ti≤tn}時(shí)井下壓力的最小二次導(dǎo)數(shù)的估算值ε 儀器分辨率A 偏差設(shè)定點(diǎn)η 安全系數(shù)θ1鼓脹衰減的時(shí)間常數(shù)θ2阻尼振動(dòng)衰減的時(shí)間常數(shù)ω BHA振動(dòng)的頻率φ 相位β1、β2各種停泵瞬變值的壓力振幅β3壓力隨時(shí)間變化的速度
權(quán)利要求
1．一種確定有代表性的有效靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的方法，其包括(a)在連接過程中測量井下環(huán)形空間流體壓力；(b)從所測量的壓力判別停泵狀態(tài)的開始；(c)從所測量的壓力判別連接終點(diǎn)的狀態(tài)；和(d)僅用停泵狀態(tài)開始和連接狀態(tài)的終點(diǎn)之間的井下環(huán)形空間壓力測量值估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(a)至(d)由底部鉆孔組件完成。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其中，步驟(a)至(d)由APWD組件完成。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，停泵狀態(tài)的開始和連接終點(diǎn)的狀態(tài)通過探測井下環(huán)形空間流體壓力的突然變化來判別。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的步驟包括使停泵狀態(tài)和連接狀態(tài)的終點(diǎn)之間的井下環(huán)形空間流體壓力測量值滿足一個(gè)方程。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其中，該方程表示有效靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力等于井下環(huán)形空間流體壓力減去停泵瞬變值的總和。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其還包括(e)確定方程相對于時(shí)間的一次導(dǎo)數(shù)基本為零時(shí)的井下環(huán)形空間流體壓力。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其中，停泵瞬變值選自阻尼振動(dòng)、指數(shù)衰減、線性衰減或其組合。
9．如權(quán)利要求6所述的方法，其中，擬合步驟包括最小二乘分析。
10．如權(quán)利要求7所述的方法，其中，在估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的步驟中包括判別環(huán)形空間流體壓力測量值相對于時(shí)間的一次導(dǎo)數(shù)基本為零時(shí)的井下環(huán)形空間流體壓力。
11．如權(quán)利要求2所述的方法，其還包括在連接完成后開泵狀態(tài)過程中將有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力傳遞到地面的步驟。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其中，傳送步驟在下一個(gè)開泵狀態(tài)開始后立即進(jìn)行。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳送步驟包括使用泥漿脈沖遙測技術(shù)。
14．如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括用有效的井下環(huán)形空間流體壓力除以壓力測量點(diǎn)以上靜液壓頭高度來計(jì)算有效靜態(tài)密度的步驟。
15．如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括相對于報(bào)警條件對停泵狀態(tài)和連接的終點(diǎn)之間的井下環(huán)形空間流體壓力測量值進(jìn)行分析。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其中，報(bào)警條件選自鼓脹、氣涌、水涌、或其組合。
17．如權(quán)利要求6所述的方法，其中，該方程選自線性、指數(shù)、阻尼振蕩或其組合。
18．如權(quán)利要求6所述的方法，其中，使測量值滿足方程的步驟包括用線性方程對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和擬合；和確定用線性方程表示有效靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力所得到的精確度。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其還包括步驟(e)用線性加指數(shù)方程校驗(yàn)和擬合測量值；和(f)確定線性加指數(shù)方程表示有效靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力所得到的精確度。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括步驟(g)用線性加指數(shù)加阻尼振蕩方程擬合測量值。
21．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的步驟包括確定停泵狀態(tài)開始和連接狀態(tài)的終點(diǎn)之間井下環(huán)形空間流體壓力測量值的參數(shù)，其中該參數(shù)選自均值、最小值、最頻值或中位數(shù)。
22．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力的步驟包括確定連接的終點(diǎn)狀態(tài)前出現(xiàn)的井下環(huán)形空間流體壓力測量值的均值、最小值、最頻值或中位數(shù)。
23．如權(quán)利要求18所述的方法，其中，用于確定利用線性方程表示有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力所達(dá)到精度的方程為Σn=3N-2(p.(tn)-p.‾)2-(N-4)×ϵ22×(Δt)2≤(N-4)×A22×(Δt)2]]>且該線性方程為P環(huán)(t)=β3(t-t連接的終點(diǎn))+P靜
24．如權(quán)利要求18所述的方法，其中，用于確定利用線性加指數(shù)方程表示有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力所達(dá)到精度的方程為 且該線性加指數(shù)方程為
25．如權(quán)利要求20所述的方法，其中該線性加指數(shù)加阻尼振動(dòng)方程為P環(huán)(t)=β1e-t／1+β2×e-t／2sin(ωt+φ)-β3(t-t連接的終點(diǎn))+P靜
26．一種可由機(jī)器讀取并編譯指令程序以實(shí)施權(quán)利要求1所述方法步驟的程序存貯裝置。
27．一制品，包括(a)計(jì)算機(jī)可讀程序編碼裝置，用于使計(jì)算機(jī)在連接過程中進(jìn)行井下環(huán)形空間流體壓力的測量；(b)計(jì)算機(jī)可讀程序編碼裝置，用于使計(jì)算機(jī)從所測壓力判別停泵狀態(tài)的開始；(c)計(jì)算機(jī)可讀程序編碼裝置，用于使計(jì)算機(jī)從所測壓力判別連接終點(diǎn)的狀態(tài)；和(d)計(jì)算機(jī)可讀程序編碼裝置，用于使計(jì)算機(jī)僅利用停泵狀態(tài)的開始和連接狀態(tài)的終點(diǎn)之間的井下環(huán)形空間流體壓力測量值估算有效的靜態(tài)井下環(huán)形空間流體壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種方法,可以提供接近實(shí)時(shí)的,在要求泥漿循環(huán)泵停止(停泵狀態(tài))的鉆管連接過程中提取的環(huán)形空間壓力(APWD)隨鉆測量值。諸如壓力測量的APWD數(shù)據(jù)由底部鉆井組件(BHA)內(nèi)的儀器和有關(guān)的電子元件得到。APWD數(shù)據(jù)可以在停泵狀態(tài)下在BHA中測量、存貯和甚至處理,以便進(jìn)行后續(xù)處理或?qū)?shù)量有所減少的數(shù)據(jù)傳送給地面的司鉆。
文檔編號E21B47/06GK1292495SQ0010389
公開日2001年4月25日 申請日期2000年3月6日 優(yōu)先權(quán)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, M·W·哈欽森 申請人:施盧默格控股有限公司