監(jiān)測井筒數(shù)據(jù)和傳輸井筒數(shù)據(jù)到地面的制作方法
【專利說明】監(jiān)測井筒數(shù)據(jù)和傳輸井筒數(shù)據(jù)到地面
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 本發(fā)明涉及一種在鉆出井筒之后監(jiān)測施加于井筒中的一個部件的力的方法，并且 涉及一種用于在鉆出井筒之后在井中執(zhí)行操作的部件。具體來說，但不排他地，本發(fā)明涉及 一種用于監(jiān)測施加于井中的一個部件的重量和/或扭矩的方法。本發(fā)明更一般地還涉及一 種在井中執(zhí)行操作期間監(jiān)測井筒中的參數(shù)的方法，其包括操作流體壓力脈沖產(chǎn)生裝置以傳 輸與所述至少一個參數(shù)的變化有關(guān)的數(shù)據(jù)到地面。
[0003] 在石油和天然氣勘探與生產(chǎn)行業(yè)，通過從地面鉆出的井筒將包括石油和/或天然 氣的井筒流體回升到地面。常規(guī)上使用一串稱為鉆柱的管道來鉆出井筒，鉆柱包括一個鉆 井組件，鉆井組件以鉆頭封端。稱為鉆井"泥漿"的鉆井流體順著這串管道向下傳遞至鉆頭， 以執(zhí)行多種功能，其中包括冷卻鉆頭和沿著井筒壁與鉆柱之間限定的環(huán)形間隙將鉆肩帶回 地面。
[0004] 在鉆井之后，井的構(gòu)筑程序一般要求在井筒里面襯上金屬井筒內(nèi)襯管道，這在行 業(yè)中稱為"套管"。套管有許多用途，其中包括：支撐受鉆的巖層；防止流體不期望的流入/ 流出；以及提供一條路徑，更多的管道和井下工具能夠通過這條路徑。套管包括一些管道 區(qū)段，這些區(qū)段端對端地聯(lián)接在一起。典型地，將井筒鉆到第一深度，并且在鉆出的井筒中 安裝第一直徑的套管。套管沿著鉆出的井筒的長度延伸到地面，在這里，套管以井口組件封 端。通過沿著套管向下栗吸"水泥"，可以將套管密封在位，所述"水泥"從套管底部流出，并 且沿著環(huán)形間隙流動。
[0005] 在適當(dāng)?shù)臏y試之后，井筒一般延伸到第二深度，其方法是通過穿過第一直徑較大 的井筒區(qū)段的底部的水泥塞，鉆出井筒的直徑較小的延伸部分。然后，將直徑較小的第二套 管安裝在井筒的延伸部分中，通過第一套管向上延伸到井口。然后，也將第二套管封固在 位。必要時重復(fù)執(zhí)行這個過程，直到井筒已經(jīng)延伸到期望的深度為止，從這個期望的深度， 可以實現(xiàn)對含有碳氫化合物（石油和/或天然氣）的巖層的接入。井筒內(nèi)襯管道往往位 于井筒中，它并不延伸到井口，而是連接至前面的套管區(qū)段中并從前面的套管區(qū)段中懸垂 (或"懸掛"）下來。這個管道在行業(yè)中一般稱為"襯管"。襯管同樣封固在鉆出的井筒內(nèi)的 合適位置。當(dāng)套管/襯管已經(jīng)安裝并封固完畢時，井就"完成"了，這樣就可以典型地通過 安裝延伸到地面的一串生產(chǎn)管道而回升井產(chǎn)流體。
[0006] 所選擇的井構(gòu)筑程序?qū)⑷Q于多項因素，其中包括鉆探的巖層的物理參數(shù)，井筒 的必需物理屬性（例如，深度、井筒直徑）和其它物理特性，諸如優(yōu)勢溫度和流體靜壓?？?選用的程序包括：裸眼完井，其中套管設(shè)置在所關(guān)注的巖層或地帶上方，井產(chǎn)流體流入開放 套管中；襯管完井，其中襯管跨越所關(guān)注的地帶安裝，流體流入襯管中（通過諸如滑動套閥 之類的控制設(shè)備）；以及有孔套管/襯管完井。無論選擇的是哪種構(gòu)筑程序，都必須謹慎小 心，以免施加多大的重量和/或扭矩到構(gòu)筑/完井程序中使用的設(shè)備，尤其是套管/襯管。
[0007] 例如，在使用襯管的情況下，在襯管頂部，在與套管的界面處，設(shè)置了一種稱為封 隔器的密封裝置。這種類型的封隔器在本行業(yè)中通常稱為"襯管頂部封隔器"。所述封隔器 密封在襯管的外壁、套著襯管的直徑較大的套管的內(nèi)壁和供應(yīng)到井筒里用于密封襯管的水 泥的上表面之間限定的環(huán)形區(qū)域。封隔器可以受到襯管承載，或者獨立地部署，封隔器包括 密封元件，所述密封元件可以徑向地向外變形，從而與套管壁密封鄰接。密封元件的變形典 型地是用機械方式實現(xiàn)，例如通過允許往封隔器上向下設(shè)置一定量的"重量"以便軸向地壓 縮密封元件。
[0008] 很難確認封隔器已經(jīng)用機械方式正確地設(shè)置且因此能提供足夠的密封。過去，評 估封隔器是否已經(jīng)正確設(shè)置的唯一的方式是監(jiān)測在地面施加于封隔器的重量，這就是施加 在封隔器上以將密封元件徑向地向外推動的軸向載荷。然而，在地面上觀測到的重量往往 并不對應(yīng)于封隔器受到的重量，因為封隔器的位置可能在井下數(shù)百米。在斜井中，這尤其成 問題，因為斜井中，很難施加必要的重量來設(shè)置封隔器。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與在地面施加的重量和 扭矩相比，封隔器感受到的重量和扭矩可能大幅減小，這是因為與井筒或井內(nèi)管道的壁的 摩擦接觸。典型地，對未正確設(shè)置封隔器的唯一指示是如果在地面檢測到意外的泄漏/壓 降，諸如在對襯管執(zhí)行壓力測試以檢驗壓力完整性的時候。
[0009] 井筒構(gòu)筑活動中的其它步驟中也遇到了類似的困難，其中難以獲得所討論的活動 的相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0010] 已知使用傳感器（應(yīng)變計）監(jiān)測在鉆井階段期間施加的"鉆壓"和扭矩，以便監(jiān)測 鉆井環(huán)境中的這些參數(shù)。然而，與測量鉆壓關(guān)聯(lián)的一個具體問題是，壓力和溫度對測量值的 影響。具體來說，在鉆井階段期間，會打開泥漿栗以從地面沿著鉆柱將鉆井泥漿向下栗吸到 鉆頭，并且?guī)е@肩沿著環(huán)形間隙向上栗吸回來。管狀鉆柱內(nèi)部的壓力不同于環(huán)形間隙中 的管道外部的壓力，并且典型地比后者高很多。這個壓力差使得管道主體有效地起到壓力 容器的作用，其中管道主體在所施加的壓力載荷下彈性地變形。這會影響附接至管道的鉆 壓傳感器所執(zhí)行的測量。具體來說，測量準確度取決于壓力差，壓力差與實際泥漿流速直接 相關(guān)。另外，當(dāng)泥漿在流動時，每一應(yīng)變計體驗到的溫度將是不同的，因此每一應(yīng)變計對重 量和扭矩的絕對測量值也會是不同的。
[0011] 世人做了各種嘗試來校正壓力和溫度對測量值的這些影響，希望能精確地測量鉆 壓/扭矩。
[0012] 美國專利4, 608, 861公開了一種設(shè)有外部套筒和內(nèi)部套筒以隔絕環(huán)境壓力的裝 置。該專利論述到，必需精確地測量溫度才能消除應(yīng)變計所觀測到的溫度相關(guān)效應(yīng)。
[0013] 美國專利申請2010/0319992公開了如下概念：通過在鉆頭上增加應(yīng)變計，確定正 確的鉆壓，還有，在鉆井筒的同時，監(jiān)測鉆頭有效區(qū)域兩端的壓差。
[0014] 美國專利6, 547, 016論述了與鉆柱上設(shè)的應(yīng)變計關(guān)聯(lián)的問題，并且試圖通過部署 惠斯通電橋應(yīng)變計布置來克服彎曲對測量的影響，惠斯通電橋布置是應(yīng)變計技術(shù)的一種常 用方法。
[0015] 美國專利6, 957, 575論述了井下壓力對鉆壓測量的影響，并且通過確定應(yīng)變計的 最佳附接位置來解決這個問題，在這個最佳附接位置上，軸向應(yīng)變?yōu)榱恪?br>[0016] 所有這些現(xiàn)有的文獻，都討論了與在鉆井環(huán)境中部署和使用傳感器關(guān)聯(lián)的問題。 這提出了一些獨特的難題。具體來說，鉆頭推進時，優(yōu)勢溫度和流體靜壓改變；從地面沿著 鉆柱向下栗吸鉆井泥漿，栗的壓力可能改變；根據(jù)一些因素，鉆井過程期間會發(fā)生動態(tài)誤 差，這些因素諸如是鉆探的地層的相對硬度，鉆頭通過地層時的情況，以及鉆柱中的扭矩累 積/突然釋放。這些和其它問題都會影響到精確地測量鉆柱中的應(yīng)變和/或扭矩的能力， 通過回顧上面提到的現(xiàn)有公開將很容易理解這一點。
[0017] 附圖簡述
[0018] 包括下面的圖是為了圖解實施方案的某些方面，并且不應(yīng)當(dāng)將這些圖視為排他性 的實施方案。所公開的主題能夠有相當(dāng)大的修改、更改、組合和形式與功能的等效物，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員得益于本公開將想到這些。
[0019] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法的在鉆井之后并且在井內(nèi)執(zhí)行后續(xù)操作期間示出的包 括井筒的井的縱向剖視圖，所討論的操作是向封隔器形式的部件施力，以在井筒中設(shè)置封 隔器，所述力是通過鉆管形式的管道柱施加的。
[0020] 圖2是示出圖1的方法中的流體壓力脈沖產(chǎn)生裝置的形式的數(shù)據(jù)傳輸裝置產(chǎn)生的 示例性脈沖序列的曲線圖，該曲線圖圖解了脈沖產(chǎn)生裝置在第一數(shù)據(jù)傳輸模式下的操作。
[0021] 圖3是示出在第二或增強數(shù)據(jù)傳輸模式下的操作期間流體壓力脈沖產(chǎn)生裝置產(chǎn) 生的示例性脈沖系列的曲線圖。
[0022] 圖4是圖1到圖3中示出和說明的實施方案的變化形式，其中管狀構(gòu)件設(shè)有替代 數(shù)據(jù)傳輸裝置。
[0023] 詳細說明
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種在鉆出井筒之后并且在井中的隨后操作期間監(jiān) 測施加于所述井筒中的部件的力的方法，所述方法包括以下步驟：提供管柱，所述管柱包括 管狀構(gòu)件和裝置，所述管狀構(gòu)件設(shè)有至少一個傳感器，用于測量所述管道中的應(yīng)變，所述裝 置用于傳輸數(shù)據(jù)到地面并且與所述傳感器操作性地關(guān)聯(lián)；將所述管柱運行到所述井筒中； 監(jiān)測所述傳感器測量到的所述管道中的所述應(yīng)變，并且補償任何殘余應(yīng)變；利用所述管道 在所述井中執(zhí)行操作，包括向所述井筒中的所述部件施力；監(jiān)測所述傳感器測量到的所述 管道中的所致應(yīng)變變化；以及使用所述數(shù)據(jù)傳輸裝置傳輸與所述所致應(yīng)變變化有關(guān)的數(shù)據(jù) 到地面，以便于確定施加于所述部件的所述力。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種在鉆出井筒之后并且在井中的隨后操作期間監(jiān) 測施加于所述井筒中的部件的力的方法，所述方法包括以下步驟：提供管柱，所述管柱包括 管狀構(gòu)件和裝置，所述管狀構(gòu)件設(shè)有至少一個傳感器，用于測量所述管道中的應(yīng)變，所述裝 置用于產(chǎn)生井下流體壓力脈沖，并且與所述傳感器操作性地關(guān)聯(lián)；將所述管柱運行到所述 井筒中；啟動與所述管柱關(guān)聯(lián)的至少一個栗，以將流體供應(yīng)到所述井筒中；在所述栗啟動 之后等待一段時間，以允許所述管狀構(gòu)件的區(qū)域中的井下壓力穩(wěn)定；監(jiān)測所述傳感器測量 到的所述管道中的所致應(yīng)變，并且補償因流動誘導(dǎo)應(yīng)力在所述管道中導(dǎo)致的應(yīng)變；利用所 述管道在所述井中執(zhí)行操作，包括向所述井筒中的所述部件施力；監(jiān)測所述傳感器測量到 的所述管道中的所致應(yīng)變變化；以及使用所述脈沖產(chǎn)生裝置傳輸與所述所致應(yīng)變變化有關(guān) 的數(shù)據(jù)到地面，以便于確定施加于所述部件的所述力。
[0026] 將管柱運行到井筒中，并且將管柱放置在井筒中的期望位置，將使得力被施加于 所述管道。這些力將給管道施加應(yīng)力，從而刺激所得的（或殘余的）應(yīng)變。例如，所述管道 從地面懸置下來，并且因此經(jīng)受拉伸載荷。井筒可以從垂直方向偏離，從而使得管道經(jīng)受彎 曲載荷。管道的內(nèi)部可以與管道外部的流體隔離，所述流體處于管道與井筒壁（或所述管 道所在的直徑更大的管道的壁）之間存在的環(huán)形區(qū)域中。因此，管道內(nèi)部與管道外部之間 可以存在壓力差，并且在管道上得到流體壓力載荷。實際上，在某些情形下，特別期望產(chǎn)生 壓力差。甚至在準許管道內(nèi)部與外部之間的流體連通的情形下，也可能存在壓力差（例如， 這是因為管道中的流體與井筒中的流體的密度存在差異）。
[0027] 本發(fā)明使得能測量管道中的所得的/殘余應(yīng)變，然后在執(zhí)行將要利用管道在井中 執(zhí)行的操作之前補償所述所得的/殘余應(yīng)變。結(jié)果是，可以在執(zhí)行所述操作之前考慮到管 道中的任何這樣的應(yīng)變，從而可以確定具體因為執(zhí)行所述操作（包括向部件施力）在管道 中導(dǎo)致的應(yīng)變。這使得能夠確定是否在部件上施加了適合所討論的操作的力。
[0028] 所述數(shù)據(jù)傳輸裝置可以是用于產(chǎn)生井下流體壓力脈沖的裝置。所述方法可以包括 以下另外的步驟：啟動與所述管柱關(guān)聯(lián)的至少一個栗，以將流體供應(yīng)到所述井筒中；以及 在所述栗啟動之后等待一段時間，以允許所述管狀構(gòu)件的區(qū)域中的井下壓力穩(wěn)定。所述監(jiān) 測應(yīng)變的步驟可以包括：監(jiān)測所述傳感器測量到的管道中的所得的（或殘余的）應(yīng)變，并且 補償流動誘導(dǎo)應(yīng)力在管道中導(dǎo)致的應(yīng)變。所述方法的所述另外的步驟可以在井中執(zhí)行所述 操作之前執(zhí)行。所述裝置可以利用流動的流體通過流體壓力脈沖傳輸數(shù)據(jù)到地面。
[0029] 所述數(shù)據(jù)傳輸裝置可以被布置成用聲學(xué)方式傳輸數(shù)據(jù)到地面。所述裝置可以包括 聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置或者可以采用聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置的形式，并且可以包括與所述至少一個 傳感器關(guān)聯(lián)的主發(fā)送器，用于傳輸所述數(shù)據(jù)。所述方法可以包括將至少一個中繼器放置在 主發(fā)送器的井上，并且布置所述中繼器以接收主發(fā)送器傳輸?shù)男盘?，并且中繼所述信號以 傳輸所述數(shù)據(jù)到地面。
[0030] 所述方法可以提供這樣的能力：與包括在地面測量施力的現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠在 鉆出井筒之后執(zhí)行的操作期間更精確地測量施加于井筒中的部件的力。具體來說，所述方 法考慮到在傳輸在地面施加的力到位于井筒內(nèi)某個深度的部件的過程中發(fā)生的問題，尤其 是在斜井中。以此方式，可以評估施加于所述部件的力對于所討論的操作是不是足夠的。應(yīng) 理解的是，在管道中測量到的應(yīng)變與使用管道施加于井下部件的力之間存在直接相關(guān)。因 此，知道應(yīng)變有利于確定所述力。
[0031] 典型地，施加于所述部件的力將是施加"重量"到部件（軸向力）、施加扭矩（旋轉(zhuǎn) 力）或施加重量與扭矩而產(chǎn)生的力。所述方法因此可以是一種監(jiān)測施加于所述部件的重量 和扭矩中的至少一項的方法。通過在管狀構(gòu)件中適當(dāng)?shù)厝∠蛩鲋辽僖粋€應(yīng)變傳感器，可 以實現(xiàn)所施加的重量/扭矩的確定。井的操作可以是在鉆出井筒之后執(zhí)行的許多種操作中 的任一種操作。所述操作可以是讓井能投入生產(chǎn)所必需的一種操作，并且可以是井的構(gòu)筑 操作。所述操作可以是在使井投入生產(chǎn)之后執(zhí)行的一種操作，并且可以是井的裝調(diào)或修理 操作。
[0032] 井的操作可以選自包括下面各項的組：a)將部件放置在井筒中的期望位置；b)取 回先前置于井筒中的部件；c)